CN106737657B - 一种基于动力学系统的机器人安全控制方法及系统 - Google Patents

一种基于动力学系统的机器人安全控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动力学系统的机器人安全控制方法及装置，具体为：根据机器人的关节结构构建机器人动力学模型；采集整个机器人所需要的信号，所述信号包括关节力矩信号、角度与角速度信号、电机电流信号；根据最小二乘法辨识出患者佩戴机器人后的整体动力学模型以及摩擦模型参数；根据关节力矩信号获取关节力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线，并根据给定的运动轨迹预测出各关节的最优控制序列；根据关节力矩信号和角度与角速度信号计算出患者的发力情况，完成对患者恢复状态的诊断。

Description

一种基于动力学系统的机器人安全控制方法及系统
技术领域
本发明涉及服务机器人运动控制领域，尤其是涉及一种基于动力学系统的机器人控制方法及系统。
背景技术
传统的下肢康复机器人采用基于运动学的控制方式，在离线条件下根据医生的一些经验规划出一些关节的运动轨迹，通过关节驱动电机的运行，使下肢康复机器人带动患者的关节进行运动，具有一定的辅助康复作用。由于康复机器人的关节采用了运动学的控制方式，迫使患者需要康复的关节被动的跟随康复机器人运动，导致患者主观动作的能力难以体现，在治疗过程中的治疗效果也不易体现。现代医学对于治疗过程中的效果以及患者康复速度的要求不断地提高，迫使下肢康复机器人需要更好的性能，使得基于动力学系统的康复机器人安全控制方法具有较高的应用价值与推广意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于动力学系统的机器人控制方法及系统，实现对下肢康复机器人的安全控制。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：
根据机器人的关节结构构建机器人动力学模型；
采集整个机器人所需要的信号，所述信号包括关节力矩信号、角度与角速度信号、电机电流信号；
根据最小二乘法辨识出患者佩戴机器人后的整体动力学模型以及摩擦模型参数；
根据关节力矩信号获取关节力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线，并根据给定的运动轨迹预测出各关节的最优控制序列；
根据关节力矩信号和角度与角速度信号计算出患者的发力情况，完成对患者恢复状态的诊断。
进一步的，根据关节力矩信号获取关节力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线，并根据给定的运动轨迹预测出各关节的最优控制序列，具体为：当患者佩戴好机器人后，抽象出整个机器人的动力学模型；获取动力学系统的关节合力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线；根据关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线预测出各关节的最优控制策略。
进一步的，所述最优控制策略包括最优控制序列。
进一步的，所述根据关节力矩信号和角度与角速度信号计算出患者的发力情况，具体为：根据关节合力矩及相应的摩擦力矩的曲线，通过电机的电流传感器计算出电机输出的力矩，结合关节的力矩信号，得到患者的发力情况。
进一步的，所述控制方法还包括：判断患者关节的屈伸位置，当屈伸位置达到极限时，将电机锁死。
本发明还提供一种基于动力学系统的机器人安全控制装置，包括：模型构建单元，用于根据机器人的关节结构构建机器人动力学模型。
信息采集单元用于采集整个下肢康复机器人所需要的信号；
参数辨识单元结合患者佩戴部位对机器人进行动力学模型的参数辨识；
控制单元用于根据逆动力学计算的方法得到各个关节的控制序列；
诊断单元用于根据信息采集单元中的转矩传感器和电流传感器的反馈值计算出患者的发力情况，完成对患者恢复状态的诊断；
安全保护单元，用于对患者待康复的关节进行保护。
进一步的，所述信息采集单元还包括转矩传感器、位置和速度传感器及电流传感器，转矩传感器用于采集关节的力矩信号；位置和速度传感器用于采集关节的角度与角速度信号；电流传感器用于采集驱动电机的电流信号。
进一步的，所述控制单元还包括有抽象模块、计算模块及预测模块；
所述抽象模块，用于当患者佩戴好机器人后，抽象出整个机器人的动力学模型；
所述计算模块，用于获取动力学系统的关节合力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线；
所述预测模块，用于根据关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线预测出各关节的最优控制策略，其中所述最优控制策略包括机器人的最优控制序列。
本发明的有益效果是：本发明由于采用力矩传感器，角度传感器以及电流传感器，完成对患者佩戴下肢康复机器人后的整体动力学模型以及摩擦力矩模型进行辨识，可以在患者进行康复训练中提取出由患者本身提供的驱动力矩，诊断出患者的恢复情况，以此可以更好的帮助患者的下肢康复。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于动力学系统的机器人控制系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于动力学系统的机器人控制方法的流程图；
具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种基于动力学系统的机器人控制系统的结构示意图。如图1所示，本发明的基于动力学系统的机器人控制系统10包括模型构建单元11、信息采集单元12、参数辨识单元13、控制单元14、诊断单元15以及安全保护单元16。
模型构建单元11用于根据机器人的关节结构构建机器人动力学模型。
信息采集单元12用于采集整个下肢康复机器人(以下简称“机器人”)所需要的信号。所属信息采集单元12还包括转矩传感器121、位置和速度传感器122及电流传感器123。转矩传感器121用于采集关节的力矩信号；位置和速度传感器122用于采集关节的角度与角速度信号；电流传感器123用于采集驱动电机的电流信号。
参数辨识单元13结合患者佩戴部位对机器人进行动力学模型的参数辨识。具体实现方法为：参数辨识单元13获取到信息采集模块12采集的角度信号序列和力矩信号序列科画出关节角度轨迹和转矩的曲线，并根据最小二乘法辨识出患者佩戴机器人后的整体动力学模型以及摩擦模型参数。
控制单元14用于根据逆动力学计算的方法得到各个关节的控制序列。其中，控制单元14还包括有抽象模块141、计算模块142及预测模块143。其中，抽象模块141，用于当患者佩戴好机器人后，抽象出整个机器人的动力学模型。计算模块142，用于获取动力学系统的关节合力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线。进一步的，所述计算模块142根据医生事先规划的轨迹，采用逆动力学计算的方法得到在给定的运动轨迹下，动力学系统的关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线。预测模块143，用于根据关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线预测出各关节的最优控制策略，其中所述最优控制策略包括机器人的最优控制序列。
诊断单元15用于根据信息采集单元12中的转矩传感器121和电流传感器123的反馈值计算出患者的发力情况，完成对患者恢复状态的诊断。具体实现方式为：获取控制单元14得出的关节合力矩及相应的摩擦力矩的曲线，通过电机的电流传感器123计算出电机输出的力矩，结合转矩传感器121的反馈值，得到患者的发力情况，完成对患者发力能力的诊断。
安全保护单元16，用于对患者待康复的关节进行保护。具体为：根据信息采集单元12中位置和速度传感器122的角度反馈判断患者关节的屈伸位置，当屈伸位置达到限制时，将电机锁死，保护患者在康复训练中不受伤害，完成安全保护功能。
由于本发明通过采用力矩传感器，角度传感器以及电流传感器，完成对患者佩戴下肢康复机器人后的整体动力学模型以及摩擦力矩模型进行辨识，可以在患者进行康复训练中提取出由患者本身提供的驱动力矩，诊断出患者的恢复情况，以此可以更好的帮助患者的下肢康复。
本发明还提供了一种基于动力学系统的机器人安全控制方法，该控制方法应用于前文的机器人安全控制系统中。具体请参阅图2，图2是本发明实施例提供的一种基于动力学系统的机器人安全控制方法的流程图。
如图2所示，本发明的基于动力学系统的机器人安全控制方法包括以下步骤：
步骤S1：根据机器人的关节结构构建机器人动力学模型。
步骤S2：采集整个机器人所需要的信号，所述信号包括关节力矩信号、角度与角速度信号、电机电流信号。
步骤S3：根据最小二乘法辨识出患者佩戴机器人后的整体动力学模型以及摩擦模型参数。
步骤S4：根据关节力矩信号获取关节力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线，并根据给定的运动轨迹预测出各关节的最优控制序列。
步骤S4具体为：
S41：当患者佩戴好机器人后，抽象出整个机器人的动力学模型。
S42：获取动力学系统的关节合力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线。
具体为：根据医生事先规划的轨迹，采用逆动力学计算的方法得到在给定的运动轨迹下，动力学系统的关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线。
S43：根据关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线预测出各关节的最优控制策略。
所述最优控制策略包括最优控制序列。
S5：根据关节力矩信号和角度与角速度信号计算出患者的发力情况，完成对患者恢复状态的诊断。
具体为：根据步骤S4得出的关节合力矩及相应的摩擦力矩的曲线，通过电机的电流传感器计算出电机输出的力矩，结合关节的力矩信号，得到患者的发力情况，完成对患者发力能力的诊断。
所述基于动力学系统的机器人安全控制方法还包括：
S6：判断患者关节的屈伸位置，当屈伸位置达到极限时，将电机锁死。
根据S2中的角度与角速度信号判断患者关节的屈伸位置，当屈伸位置达到限制时，将电机锁死，保护患者在康复训练中不受伤害，完成安全保护功能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于动力学系统的机器人安全控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
根据机器人的关节结构构建机器人动力学模型；
采集整个机器人所需要的信号，所述信号包括关节力矩信号、角度与角速度信号、电机电流信号；
根据最小二乘法辨识出患者佩戴机器人后的整体动力学模型以及摩擦模型参数；
根据关节力矩信号获取关节力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线，并根据给定的运动轨迹预测出各关节的最优控制序列；
根据关节力矩信号和角度与角速度信号计算出患者的发力情况，完成对患者恢复状态的诊断；
根据关节力矩信号获取关节力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线，并根据给定的运动轨迹预测出各关节的最优控制序列，具体为：
当患者佩戴好机器人后，抽象出整个机器人的动力学模型；
获取动力学系统的关节合力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线；
根据关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线预测出各关节的最优控制策略；
所述根据关节力矩信号和角度与角速度信号计算出患者的发力情况，具体为：根据关节合力矩及相应的摩擦力矩的曲线，通过电机的电流传感器计算出电机输出的力矩，结合关节的力矩信号，得到患者的发力情况；
所述控制方法还包括：判断患者关节的屈伸位置，当屈伸位置达到极限时，将电机锁死。
2.一种基于动力学系统的机器人安全控制装置，其特征在于，所述装置包括：
模型构建单元，用于根据机器人的关节结构构建机器人动力学模型；
信息采集单元用于采集整个下肢康复机器人所需要的信号；
参数辨识单元结合患者佩戴部位对机器人进行动力学模型的参数辨识；
控制单元用于根据逆动力学计算的方法得到各个关节的控制序列；
诊断单元用于根据信息采集单元中的转矩传感器和电流传感器的反馈值计算出患者的发力情况，完成对患者恢复状态的诊断；
安全保护单元，用于对患者待康复的关节进行保护；
所述控制单元还包括有抽象模块、计算模块及预测模块；
所述抽象模块，用于当患者佩戴好机器人后，抽象出整个机器人的动力学模型；
所述计算模块，用于获取动力学系统的关节合力矩曲线及相应的摩擦力矩曲线；
所述预测模块，用于根据关节合力矩曲线以及相对应的摩擦力矩曲线预测出各关节的最优控制策略，其中所述最优控制策略包括机器人的最优控制序列；
所述信息采集单元还包括转矩传感器、位置和速度传感器及电流传感器，转矩传感器用于采集关节的力矩信号；位置和速度传感器用于采集关节的角度与角速度信号；电流传感器用于采集驱动电机的电流信号。
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