[發(fā)明專利]具有運(yùn)動(dòng)速度決策的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人自適應(yīng)跟蹤控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110757251.4
• 申請(qǐng)日: 2021-07-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113325720B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫平;單雪梅;李樹(shù)江;王碩玉;常洪彬;唐非;謝靜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 沈陽(yáng)亞泰專利商標(biāo)代理有限公司 21107
• 代理人: 許宇來(lái)

本發(fā)明公開(kāi)了一種具有運(yùn)動(dòng)速度決策的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人自適應(yīng)跟蹤控制方法。其特征為：比較康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度和訓(xùn)練者的當(dāng)前步行速度，并將比較結(jié)果的速度值大小作為速度決策的狀態(tài)變量，以康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人加速、減速、勻速運(yùn)動(dòng)作為速度決策的動(dòng)作，依據(jù)比較的速度值之差設(shè)計(jì)決策過(guò)程的獎(jiǎng)懲值函數(shù)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度決策；利用決策的運(yùn)動(dòng)速度及康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型建立跟蹤誤差系統(tǒng)，提出機(jī)器人適應(yīng)訓(xùn)練者步行速度的跟蹤控制方法，使誤差系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并確保人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度協(xié)調(diào)；基于STM32G4系列單片機(jī)將輸出PWM信號(hào)提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使機(jī)器人幫助訓(xùn)練者跟蹤醫(yī)生指定的運(yùn)動(dòng)軌跡且保持人機(jī)運(yùn)動(dòng)速度協(xié)調(diào)一致。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及輪式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制領(lǐng)域，尤其是關(guān)于輪式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制方法。

背景技術(shù)：

交通事故及人口老齡化使步行障礙患者逐年增多，隨著康復(fù)步行機(jī)器人在康復(fù)中心、養(yǎng)老院等場(chǎng)所的應(yīng)用，有效解決了康復(fù)人員短缺的問(wèn)題。然而，在實(shí)際應(yīng)用中隨著訓(xùn)練者步行能力逐漸增強(qiáng)，訓(xùn)練者會(huì)有主動(dòng)參與訓(xùn)練的愿望，往往具有主動(dòng)的步行速度，這樣需要機(jī)器人不斷調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度幫助康復(fù)者訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)運(yùn)動(dòng)速度協(xié)調(diào)一致。因此，研究康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度決策方法以及適應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度決策的跟蹤控制方法，對(duì)提高康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的智能性和安全性具有重要意義。

近年來(lái)，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人跟蹤控制已有許多研究成果，然而都沒(méi)有考慮運(yùn)動(dòng)速度決策問(wèn)題。實(shí)際上，訓(xùn)練者的主動(dòng)步行速度體現(xiàn)了康復(fù)訓(xùn)練的效果，如果機(jī)器人能適應(yīng)訓(xùn)練者的步行速度可增加患者的訓(xùn)練興趣，促進(jìn)步行能力的提升。到目前為止，關(guān)于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度決策方法以及適應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度的跟蹤控制方法還沒(méi)有相關(guān)研究成果。本發(fā)明基于新視角解決了康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度決策問(wèn)題，并提出了適應(yīng)訓(xùn)練者運(yùn)動(dòng)速度的跟蹤控制方法，提高了康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的智能性和安全性。

發(fā)明內(nèi)容：

發(fā)明目的：

為了解決上述問(wèn)題，提出一種具有運(yùn)動(dòng)速度決策的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人自適應(yīng)跟蹤控制方法，目的是解決康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度決策問(wèn)題，并提出適應(yīng)訓(xùn)練者運(yùn)動(dòng)速度的跟蹤控制方法，保證跟蹤誤差系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)人機(jī)運(yùn)動(dòng)速度協(xié)調(diào)，提高康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的智能性和安全性。

技術(shù)方案：

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

一種具有運(yùn)動(dòng)速度決策的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的自適應(yīng)跟蹤控制方法，其特征在于：

1)比較康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和訓(xùn)練者的步行速度，并將比較結(jié)果的速度值大小作為速度決策的狀態(tài)變量，以康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人加速、減速、勻速運(yùn)動(dòng)作為速度決策的動(dòng)作，依據(jù)速度值之差設(shè)計(jì)決策過(guò)程的獎(jiǎng)懲函數(shù)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度決策；

2)利用決策的運(yùn)動(dòng)速度及康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型建立跟蹤誤差系統(tǒng)，提出康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人適應(yīng)訓(xùn)練者步行速度的跟蹤控制方法，使誤差系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并確保人機(jī)運(yùn)動(dòng)速度協(xié)調(diào)。

步驟如下：

步驟1)比較康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和訓(xùn)練者的步行速度，并將比較結(jié)果的速度值大小作為速度決策的狀態(tài)變量，并將比較結(jié)果設(shè)置為三種狀態(tài)，其中，v_t表示機(jī)器人當(dāng)前速度，V_t表示訓(xùn)練者當(dāng)前速度，狀態(tài)描述如下：

state₁:v_tV_t?????????????????????(1)

state₂:v_t＝V_t????????????????????????????????(2)

state₃:v_tV_t??????????????????????(3)