[發明專利]一種基于協作機械臂的人體上肢多維末端剛度測量方法

有效

• 申請號: 202011032974.X
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112244833B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 張琴;劉濟漢;熊蔡華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: A61B5/22
• 分類號: A61B5/22;A61B5/00
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

1.一種基于協作機械臂的人體上肢多維末端剛度測量方法，其特征在于，其包括依次執行的如下步驟：

(1)生成擾動控制信息，以用于發送給機械臂工具端，運動控制信息包括位置序列d_s與對應的時間序列t_s，

(2)受試者以上肢握住機械臂工具端的握把，按照t_s中的時間信息向機械臂發送對應的d_s中的目標位置信息，使機械臂執行擾動，收集上肢末端回復力數據f和上肢末端的位移數據x，

(3)根據上肢末端回復力數據f和上肢末端的位移數據x，進行剛度解算，獲得人體上肢多維的末端剛度值，

步驟(1)中，為使產生的擾動能滿足頻帶范圍的需求，構建雙邊的理想幅值譜函數，為滿足N維測量需求，分別構建N個服從區間(-π,π)上均勻分布的隨機相位譜函數，將理想幅值譜函數與隨機相位譜函數相結合，得到期望頻譜函數，對期望頻譜函數進行反快速傅里葉變換得到對應的時域函數，時域函數為離散的位置序列，對時域函數執行縮放，以滿足擾動幅值條件，將縮放后時域函數的關鍵點作為擾動位置目標，從而獲得位置序列d_s與對應的時間序列t_s，

步驟(1)的具體步驟為：

設所使用機械臂的控制頻率為f_c，產生擾動的總持續時間為t_a，總控制點數num＝t_af_c，num為偶數，

(1.1)構建理想幅值譜函數

設期望的頻帶范圍的上限是f_h，下限是f_l，構建雙邊的理想幅值譜函數A(n)如下：

其中，n為控制點序號，n＝1,2,…,num，t_a為擾動的總持續時間，num為總控制點數，

(1.2)構建隨機相位譜函數

設需測量維度為N的末端剛度，分別構建N個服從區間(-π,π)上均勻分布的單邊隨機相位譜函數如下：

其中，i代表維度序號，i＝1,2,…,N，m為控制點序號，m＝1,2,…,num/2，每個維度上的充分隨機且相互獨立的，保證產生的擾動具有很強的隨機性，則雙邊的隨機相位譜函數如下：

其中i代表維度序號，n為控制點序號，num為總控制點數，

(1.3)變換為時域位置函數

將理想幅值譜函數與隨機相位譜函數相結合，得到N個期望頻譜函數D_i(n)：

其中，n為控制點序號，表示虛數單位，對期望頻譜函數進行反快速傅里葉變換得到對應的時域函數d_i(k)如下：

d_i(k)＝ifft(D_i(n))

d_i(k)是離散的位置序列，k為位置序號，k＝1,2,…,num，

(1.4)擾動幅值縮放

設定實際施加擾動的最大幅值為d_max，依據位置序列d_i(k)與擾動中心點的歐氏距離的最大值，對d_i(k)進行縮放以滿足幅值條件，縮放后的位置序列如下：

其中k為位置序號，

(1.5)生成擾動控制信息

將縮放后位置序列的關鍵點作為擾動位置目標，從而獲得位置序列d_s與對應的時間序列t_s。

2.如權利要求1所述的一種基于協作機械臂的人體上肢多維末端剛度測量方法，其特征在于，

確定距離量ρ(k)中所有局部最大值對應的序號和所有局部最小值對應的序號，進而確定縮放后位置序列的關鍵點，組成序號集合Id如下：

Id＝{k|ρ(k)≥ρ(k-1)andρ(k)≥ρ(k+1)}∪{k|ρ(k)≤ρ(k-1)andρ(k)≤ρ(k+1)}

得到位置序列與對應的時間序列其中p代表關鍵點的位置序號，d_s與t_s共同構成了最終發送給機械臂工具端的擾動控制信息。