[發明專利]一種繩驅動并聯康復機器人安全工作空間分析及保護方法

有效

• 申請號: 202010525330.8
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111671616B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 李偉達;李娟;李想;黃劍斌
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;A61H1/02
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 張榮

本發明公開了一種繩驅動并聯康復機器人安全工作空間分析及保護方法，該方法包括：求解機器人力控工作空間；根據人行走時髖部運動規律在力控工作空間內規劃出機器人安全工作空間；通過運動學模型中的位置正解實時計算髖部的位置，在髖部處于安全工作空間外時將髖部拉回安全工作空間內。本發明繩驅動并聯康復機器人安全工作空間分析及保護方法通過求解機器人力控工作空間，并在力控工作空間規劃出機器人安全工作空間，在進行康復訓練時可以實時計算人體髖部位置，當髖部處于安全工作空間外時將髖部拉回安全工作空間，不需要額外添加其他機械結構，系統相對簡單，提升了機器人的安全性，同時不需要額外的成本。

技術領域

本發明涉及康復機器人技術領域，特別涉及一種繩驅動并聯康復機器人安全工作空間分析及保護方法。

背景技術

人口老齡化的加劇使得因為偏癱或中風等神經損傷疾病導致的下肢運動功能障礙患者越來越多。繩索驅動并聯機器人具有工作空間大、運動速度快、承載能力強、柔順性好等特點，近年來已經被應用于康復訓練等領域。繩索具有的單向受力特點使得繩索驅動并聯機器人具有驅動冗余性。

在步態康復訓練過程中，大部分下肢運動功能障礙患者不能正常控制重心，喪失平衡能力，失去平衡后的患者在沒有相關保護策略的情況下很容易會跌倒從而造成二次傷害，使得病情更加嚴重。

在針對患者保護策略研究方面，絕大部分是從機器人的結構上入手，比如在結構上添加扶手或者設計一個合理的機械限位保證機器人一個安全的運動范圍以防止患者摔倒，但是這種從結構上考慮的保護策略沒有對機器人本身的安全工作空間進行分析，一方面會使結構變得相對復雜，開發成本高；另一方面會限制患者的運動范圍，從而影響康復治療效果。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明目的在于提供一種具有廣泛適用性，安全性高的繩驅動并聯康復機器人安全工作空間分析及保護方法。其采用如下技術方案：

一種繩驅動并聯康復機器人安全工作空間分析及保護方法，其包括：

求解機器人力控工作空間；

根據人行走時髖部運動規律在所述力控工作空間內規劃出機器人安全工作空間；

通過運動學模型中的位置正解實時計算髖部的位置，在髖部處于所述安全工作空間外時將髖部拉回所述安全工作空間內。

作為本發明的進一步改進，在髖部處于所述安全工作空間外時將髖部拉回所述安全工作空間內，具體包括：在髖部處于所述安全工作空間外時通過最短路徑將髖部拉回所述安全工作空間內。

作為本發明的進一步改進，所述安全工作空間為圓柱體。

作為本發明的進一步改進，當髖部處于所述圓柱體正下方時，選擇髖部中心點沿豎直方向在所述圓柱體下端面的投影點為最近回歸點，將最近回歸點與髖部中心點的連線確定為最短路徑；

當髖部處于所述圓柱體下端面下方且在圓柱體下端面與地面的投影之間的區域外時，先確定髖部中心點沿豎直方向在所述圓柱體下端面所在平面的投影點，然后選擇該投影點到圓柱體下端面中心點的連線與所述圓柱體下端面圓周的交點為最近回歸點，將最近回歸點與髖部中心點的連線確定為最短路徑；

當髖部處于所述圓柱體上端面和下端面所在平面之間且在所述安全工作空間外時，選擇髖部中心點沿水平方向與所述圓柱體軸心的連線與所述圓柱體圓周面的交點為最近回歸點，將最近回歸點與髖部中心點的連線確定為最短路徑。

作為本發明的進一步改進，所述安全工作空間為橢圓柱體。

作為本發明的進一步改進，所述求解機器人力控工作空間，具體包括：

根據力平衡和力矩平衡原理建立機器人靜力學平衡方程；

根據所述機器人靜力學平衡方程得到滿足繩索力約束條件的所有位姿點的集合，即為力控工作空間。