[發明專利]一種剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的運動穩定性評價方法

有效

• 申請號: 202010696307.5
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111938989B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 王克義;王硯麟;莫宗駿
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;B25J9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的運動穩定性評價方法，結合剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的柔索拉力、系統剛度和腳踏板的運動速度及剛性支鏈B₁的運動速度等因素，可以全面的評價剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的穩定性，為剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的結構設計、控制策研究和訓練任務規劃提供理論依據，可以有效提高訓練對象的安全性。

技術領域

本發明涉及一種剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的運動穩定性評價方法，屬于剛柔混聯機器人的穩定性研究領域。

背景技術

剛柔混聯機器人由于采用柔索作為驅動元件，為了擴大其工作空間引入了剛性運動支鏈，其能夠獲得很好的機動性能，但是其末端執行器的運動穩定性限制其在實際應用中的進一步發展。

Behzadipour S.等人提出應用系統總剛度矩陣來評價系統的穩定性，但在建立系統模型時將柔索簡化為直線彈簧，與實際柔索模型相差太大，而且在系統總剛度求解和穩定性計算過程要求很嚴格，難以定量評價系統的運動穩定性；Vijay Kumar課題組采用Hessian矩陣分析了柔索驅動并聯機器人系統的靜穩定性，并討論了機器人系統的空間配置問題，當Hessian矩陣特征值均為正值時，機器人系統的運動是穩定的，但沒有考慮柔索拉力對被末端執行器運動穩定性的影響；Bosscher P.et al.提出一種基于運動旋量斜率的方法評價柔索并聯機器人的運動穩定，可以定量地評價系統的運動穩定性，但仍未考慮柔索拉力對末端執行器運動穩定性的影響；劉鵬等人針對繩牽引并聯機器人的靜態結構穩定性進行了深入的研究，考慮了末端執行器的位置、柔索拉力分布等兩個因素，定義了系統的穩定性及評價方式，但該系統為4根柔索協同吊運同一具有3個線性移動自由的末端執行器，但柔索拉力性能因子是從水平方向和豎直方向等兩個方向上定義的，不能全面的評價機器人的運動穩定性；趙志剛、王硯麟等人提出分別采用克拉索夫斯基方法和力位姿混合的方法評價柔索驅動并聯機器人的穩定性，并給出了穩定性評價指標，但并沒有考慮系統剛度和末端執行器的運動速度對系統穩定性的影響；楊健等人采用綜合柔索拉力和系統剛度兩個因素評價了末端3個線性自由度末端執行器的穩定性，但提出的性能因子只是從整個工作空間層面上定義的，并沒有考慮當前狀態下拉力和系統剛度對運動穩定性的影響；專利ZL201711047293.9和ZL201710372517.7均結合柔索拉力、末端所處位置和姿態進行評價沒有剛性運動支鏈存在的并聯機器人的運動穩定性，但是沒有考慮系統剛度和剛性運動支鏈運動速度對并聯機器人的穩定性的影響。

上述文獻中對系統穩定性的研究采用了不同的方法進行討論，但考慮因素單一，不夠全面；由于在剛柔混聯下肢康復訓練機器人中存在剛性支鏈，而剛性支鏈可以很好的消除腳踏板的位置對運動穩定性的影響；但剛性支鏈的存在又多引入了一個對運動穩定性的影響因素，剛柔混聯下肢康復訓練機器人的穩定性取決于結構參數、配置參數以及控制算法，三種之間存在密切的關系，且相互影響；但就目前而言，剛柔混聯下肢康復訓練機器人的運動穩定性與柔索拉力約束、系統剛度和腳踏板以及剛性支鏈運動速度之間的顯示數學表達式有待進一步完善。

發明內容

本發明的目的是為了保證剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人穩定性和訓練對象的安全性，提供了一種剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人運動穩定性的評價方法，該方法結合剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的柔索拉力、系統剛度和腳踏板的運動速度及剛性支鏈B₁的運動速度等因素，可以全面的評價剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的穩定性，為剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人的結構設計、控制策研究和訓練任務規劃提供理論依據，可以有效提高訓練對象的安全性。

本發明的目的是這樣實現的：步驟如下：

步驟一：根據剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人剛性支鏈運動規劃和廣義動力學模型與柔索拉力優化解，定義兩個用以描述剛柔混聯下肢步態康復訓練機器人在最小約束方向上的柔索拉力對腳踏板運動穩定性的影響的柔索拉力性能因子和