[發(fā)明專利]一種上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)柔順控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010132049.8
• 申請(qǐng)日: 2020-02-29
• 公開（公告）號(hào): CN111281743B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁小慶;趙藝林;陳浩盛;岳芳芳;王文東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A61H1/02
• 分類號(hào): A61H1/02;B25J9/00;B25J9/16;B25J19/00;B25J19/02;G16H40/60
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 云燕春

本發(fā)明一種上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)柔順控制方法，屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域；所述控制算法由兩部分組成：第一部分為導(dǎo)納控制模塊，設(shè)置為控制外環(huán)，可以建立患者和外骨骼之間交互力以及康復(fù)訓(xùn)練軌跡調(diào)節(jié)量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，使患者能夠按照自己的主動(dòng)意圖來重塑康復(fù)訓(xùn)練的軌跡；第二部分為自適應(yīng)滑模控制模塊，設(shè)置為控制內(nèi)環(huán)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)期望訓(xùn)練軌跡和位置調(diào)節(jié)量的準(zhǔn)確跟蹤控制，并且控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性很大一部分取決于內(nèi)環(huán)位置控制。該方法控制精度高，對(duì)于系統(tǒng)的不確定性因素具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力，實(shí)時(shí)性好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體涉及一種上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)柔順控制方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有控制方法的安全性以及柔順性有待提高，且由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如非線性摩擦力、間隙和機(jī)器人執(zhí)行器的復(fù)雜性，使得外骨骼機(jī)器人的參數(shù)難以精確獲得。此外，受試者的生理?xiàng)l件不同，其動(dòng)態(tài)特性也會(huì)有所不同。所以目前的控制方法在系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)和運(yùn)動(dòng)不確定性和未知干擾的情況下不具有自適應(yīng)性。

專利CN104626168A設(shè)計(jì)了一種基于阻抗控制的機(jī)器人力位柔順控制算法，通過預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)機(jī)器人與環(huán)境交互力并與機(jī)器人實(shí)際感知力進(jìn)行比較，校正控制系統(tǒng)實(shí)際力。根據(jù)軌跡形成各關(guān)節(jié)伺服電機(jī)信號(hào)，以此控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)力位柔順控制。專利CN104626168A采用了力位柔順機(jī)器人控制，適合剛性環(huán)境交互，不適用于康復(fù)訓(xùn)練下的人機(jī)交互環(huán)境，所以此控制方法的適應(yīng)性不強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)柔順控制方法，能夠提高人機(jī)交互水平、控制過程可靠柔順、個(gè)體適應(yīng)性強(qiáng)的外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)柔順控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人自適應(yīng)柔順控制方法，其特征在于具體步驟如下：

步驟一：采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)角度信息和交互力信息：通過電機(jī)編碼器采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人所得到的關(guān)節(jié)角信息，并由力傳感器的力信息采集模塊采集交互力信息；

步驟二：建立導(dǎo)納控制模型，得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)量ΔX(t)；

在笛卡爾坐標(biāo)系中建立外骨骼機(jī)器人末端的導(dǎo)納控制模型為：

式中，已知Z、B、K，Z為目標(biāo)阻抗慣性參數(shù)矩陣；B為目標(biāo)阻抗阻尼參數(shù)矩陣；K為目標(biāo)阻抗剛度參數(shù)矩陣；ΔF(t)＝F(t)-F_d(t)，其中，F(xiàn)_d(t)為設(shè)定的笛卡爾坐標(biāo)系下機(jī)器人末端的期望交互力，F(xiàn)(t)為由步驟一中采集得到實(shí)際交互力，ΔF(t)為交互力偏差；

運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)量ΔX(t)＝X_c(t)-X_d(t)，其中，X_c(t)、X_d(t)分別為設(shè)定的笛卡爾坐標(biāo)系下機(jī)器人的期望控制軌跡、期望運(yùn)動(dòng)軌跡；分別為ΔX(t)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)；

步驟三：采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將位置姿態(tài)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)變量，得到重塑后的期望控制軌跡；

由步驟二得到的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)量ΔX(t)，結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將外骨骼機(jī)器人末端笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換為機(jī)器人各關(guān)節(jié)空間位置，調(diào)整后的得到機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，作為重塑后的期望控制軌跡，用如下式表示：

inv(X_d(t)+ΔX(t))＝inv(X_c(t))＝q_c(t)(2)

式中，inv(·)為上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解算法，q_c(t)為上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的重塑后的期望控制軌跡；

步驟四：動(dòng)力學(xué)方程的建立；