CN107553495A - 一种旋提机器人颈椎关节控制装置及控制方法 - Google Patents
一种旋提机器人颈椎关节控制装置及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种旋提机器人颈椎关节控制装置及控制方法，所述控制装置包括电机、减速器、柔性关节及控制器；所述电机的输出轴与减速器的输入端连接，所述减速器的输出端连接所述柔性关节；所述控制器分别与所述电机和所述柔性关节连接，所述控制器用于根据所述电机与所述柔性关节的转动情况，调整所述电机的位置。本发明通过设置电机、减速器、柔性关节及控制器，并将控制器分别连接电机和柔性关节，从而使得控制器能够根据所述电机与所述柔性关节的转动情况，调整所述电机的位置，以驱动关节转动，从而实现旋提手法的展示；同时控制调整过程中，不必设置传感器，可简化设备结构，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别是涉及一种旋提机器人颈椎关节控制装置及控制方法。
背景技术
颈椎病又称颈椎综合征，是颈椎骨关节炎、增生性颈椎炎、颈神经根综合征、颈椎间盘脱出症的总称，是一种以退行性病理改变为基础的疾患，为骨科的常见病、多发病，具有缠绵难愈、反复发作的特点。WHO公布的《全球十大顽症》中颈椎病被列为第二大顽症。据临床统计，我国有颈椎病患者5000万-1.5亿，其中神经根型约占60％。
非手术疗法是治疗神经根型颈椎病的主要手段。其中，旋转扳动类手法具有便捷有效的特点，且无服药之不便，无药物毒副作用之忧虑，无针刺之痛苦，易于为患者所接受，是中医治疗该病的重要手段，日益受到国内外医学的高度重视。但该类手法缺乏操作规范、科学评价和机理研究，并时有不良反应发生，成为影响该类手法推广应用的关键问题。
中国中医科学院望京医院通过对旋转扳动类手法的长期临床实践，在传统手法的基础上进行了调整与创新，并建立了操作规范。其最大特点在于将核心操作分解为患者自行旋转定位和术者提扳复位。为突出其操作特征，命名为旋提手法。该手法经过国家十五攻关课题及国家自然科学基金立项研究，已证明了其治疗神经根型颈椎病的有效性及安全性，获得同行认可，并列为国家中医药管理局百项中医临床实用技术推广项目在全国推广应用。
尽管旋提手法已有明确的操作规范且被证明是安全有效，但是旋提手法依旧是一项技巧性强的医疗技术，需要经过规范培训方可掌握。然而，现行的初学者培训方案仅局限于课堂上的讲解和教授示范，初学者鲜有实践机会，导致手法掌握过程低效且缓慢，严重的制约了旋提手法技术的推广和普及。
通过上述分析，提供一个能够面向旋提手法培训的旋提机器人具有很高的科研价值和实用价值，但是目前颈椎关节控制装置需要设置多个传感器进行检测，使得结构复杂、成本增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋提机器人颈椎关节控制装置及控制方法，可通过调整电机位置，驱动关节转动，以实现旋提手法的展示。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种旋提机器人颈椎关节控制装置，所述控制装置包括电机、减速器、柔性关节及控制器；所述电机的输出轴与减速器的输入端连接，所述减速器的输出端连接所述柔性关节；所述控制器分别与所述电机和所述柔性关节连接，所述控制器用于根据所述电机与所述柔性关节的转动情况，调整所述电机的位置。
可选的，所述控制装置还包括：
光电编码器，设置在所述电机的电机轴末端，与所述控制器连接，用于检测电机的转动角度，并发送至所述控制器。
可选的，所述控制装置还包括：
磁编码器，设置在所述柔性关节上，与所述减速器的输出端处的磁铁对应设置，且与所述控制器连接，用于检测柔性关节的转动角度，并发送至所述控制器。
可选的，所述柔性关节包括：
负载壳体；
后驱动轴，设置于所述负载壳体内，且与所述减速器的输出端连接；
转动盘，所述转动盘的底部设置有至少一个转轮；
至少一个弹性部件，各所述弹性部件分别固定在所述负载壳体与转动盘之间；
凸轮，所述后驱动轴穿过所述转动盘固定在所述凸轮上；且所述凸轮上开设有凹槽，所述凹槽的数量与所述转轮的数量相同，且各所述转轮能够在对应的凹槽中运动。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种根据上述旋提机器人颈椎关节控制装置的控制方法，所述控制方法包括：
在提扳之前，根据电机与柔性关节的转动情况，确定电机的第一期望位置，根据所述电机的第一期望位置对电机进行位置调整；
在提扳阶段，将电机位置锁定于提扳之前的角度，在柔性关节处施加提扳力，确定电机的第二期望位置，根据所述电机的第二期望位置对电机进行位置调整。
可选的，所述根据电机与所述电机与所述柔性关节的转动情况，确定电机的第一期望位置，具体包括：
根据以下公式计算弹性部件的等效刚度K(t)：
Δx＝(R-r)(1-cosα)
F＝kΔx＝k(R-r)(1-cosα)
τ＝Fatanα＝katanα(R-r)(1-cosα)
其中，R表示凹槽表面每一时刻的曲率半径，r表示转轮的半径，a表示底面凸轮所在圆的半径，θs表示在外力作用下凸轮旋转的角度，k表示弹性部件的刚度，t表示时刻，α表示偏移角，τ表示转动力矩，F表示弹性部件的弹力；
通过电机上设置的光电编码器检测电机的转动角度θ；
通过柔性关节上设置的磁编码器检测柔性关节的转动角度q；
根据所述弹性部件的等效刚度K(t)、电机的转动角度θ及柔性关节的转动角度q确定弹性部件的弹力F1(t)：
F1(t)＝K(t)(q-θ)；
根据弹性部件的弹力F1(t)建立基于位置的第一阻抗控制策略方程：
其中，表示期望轨迹；X表示柔性关节的加速度、速度以及位置；M表示目标惯性矩阵，B表示目标阻尼矩阵；
基于加速度误差公式和速度误差公式，对基于位置的第一阻抗控制策略方程进行拉普拉斯变换，得到柔性关节的第一期望位置函数；
对所述柔性关节的第一期望位置函数进行拉式逆变换，得到电机在时域的第一期望位置。
可选的，所述在柔性关节处施加提扳力，确定电机的第二期望位置，具体包括：
当提扳力分解出水平方向上的力，产生水平力矩时，所述水平力矩使柔性关节的弹性部件产生形变，检测所述形变量；
判断所述形变量是否达到设定阈值，如果达到，则根据当前的提扳力F2建立基于位置的第二阻抗控制策略方程：
其中，表示期望轨迹；X表示柔性关节的加速度、速度以及位置；M表示目标惯性矩阵，B表示目标阻尼矩阵，K表示目标刚度矩阵；
基于加速度误差公式、速度误差公式和位置误差公式，对基于位置的第二阻抗控制策略方程进行拉普拉斯变换，得到柔性关节的第二期望位置函数；
对所述柔性关节的第二期望位置函数进行拉式逆变换，得到电机在时域的第二期望位置。
可选的，所述第二期望位置函数为其中，X0(s)为旋提之前的电机位置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过设置电机、减速器、柔性关节及控制器，并将控制器分别连接电机和柔性关节，从而使得控制器能够根据所述电机与所述柔性关节的转动情况，调整所述电机的位置，以驱动关节转动，从而实现旋提手法的展示；同时控制调整过程中，不必设置传感器，可简化设备结构，降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例旋提机器人颈椎关节控制装置的结构示意图；
图2为本发明实施例柔性关节的结构示意图；
图3为本发明实施例柔性关节的立体结构示意图；
图4为本发明实施例旋提机器人颈椎关节控制方法的流程图；
图5为力测量示意图；
图6a和图6b为本发明实施例柔性关节中转轮的受力示意图；
图7为柔性关节在提扳之前的受力模型示意图；
图8为柔性关节在提扳阶段中的受力模型示意图
符号说明：
电机—1，减速器—2，柔性关节—3，光电编码器—4，磁编码器—5，磁铁—6，负载壳体—7，后驱动轴—8，转动盘—9，转轮—10，弹簧—11，凸轮—12，凹槽—13。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种旋提机器人颈椎关节控制装置，通过设置电机、减速器、柔性关节及控制器，并将控制器分别连接电机和柔性关节，从而使得控制器能够根据所述电机与所述柔性关节的转动情况，调整所述电机的位置，以驱动关节转动，从而实现旋提手法的展示；同时控制调整过程中，不必设置传感器，可简化设备结构，降低成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明旋提机器人颈椎关节控制装置包括电机1、减速器2、柔性关节3及控制器；其中，所述电机1的输出轴与所述减速器2的输入端连接，所述减速器2的输出端连接所述柔性关节3；所述控制器分别与所述电机1和所述柔性关节3连接，所述控制器根据所述电机1与所述柔性关节3的转动情况，调整所述电机的位置。在每个柔性关节处均连接有一个直流有刷电机，以驱动关节转动。
进一步地，本发明旋提机器人颈椎关节控制装置还包括光电编码器4，所述光电编码器4设置在所述电机1的电机轴末端，与所述控制器连接，用于检测电机的转动角度，并发送至所述控制器。
优选地，本发明旋提机器人颈椎关节控制装置还包括磁编码器5，所述磁编码器5设置在所述柔性关节3上，与所述减速器2的输出端处的磁铁6对应设置，且与所述控制器连接，用于检测柔性关节的转动角度，并发送至所述控制器。
如图2和图3所示，所述柔性关节包括负载壳体7、后驱动轴8、转动盘9、凸轮12及至少一个弹性部件；其中，所述后驱动轴8设置于所述负载壳体7内，且与所述减速器2的输出端连接，并穿过所述转动盘9固定在所述凸轮12上；所述转动盘9的底部设置有至少一个转轮10；各所述弹性部件分别固定在所述负载壳体7与转动盘9之间；所述凸轮12上开设有凹槽13，所述凹槽13的数量与所述转轮10的数量相同，且各所述转轮10能够在对应的凹槽12中运动。在本实施例中，所述弹性部件为弹簧11。
本发明旋提机器人颈椎关节控制装置一方面将柔性结构和关节进行一体化设计，无需使用力矩传感器等多种传感器，可有效降低成本。另一方面，本发明旋提机器人颈椎关节控制装置可以很好的模拟旋提手法过程中头部关节的生物力学特性，提高机器人的稳定性。
在旋提仿生机器人中，根据人体头部转动时的姿态及工作空间，可采用非平面二连杆机构来模拟。
而在实际情况中，人体头部旋转时的刚度是变化的：在旋转角度达到生理限位前，可认为头部是一个恒定惯量与恒定阻尼模型，如图7所示，头部可以在外力作用下自由旋转。当旋转角度超过生理限位后，头部再继续旋转时刚度特性迅速增加，此时的头部模型为一个恒定惯量、恒定阻尼以及变化刚度组成的形式，如图8所示，头部在外力作用下转动角度不再大幅度变化，在撤销外力作用后，头部将迅速转回生理限位之内。在本发明中用机器人阻抗方程式来描述两种状态下的目标阻抗方程式。
具体地，本发明还提供一种旋提机器人颈椎关节控制方法。如图4所示，本发明旋提机器人颈椎关节控制方法包括：
步骤401：在提扳之前，根据电机与柔性关节的转动情况，确定电机的第一期望位置，根据所述电机的第一期望位置对电机进行位置调整；
步骤402：在提扳阶段，将电机位置锁定于提扳之前的角度，在柔性关节处施加提扳力，确定电机的第二期望位置，根据所述电机的第二期望位置对电机进行位置调整。
其中，在步骤401中，所述根据电机与所述电机与所述柔性关节的转动情况，确定电机的第一期望位置，具体包括：
步骤4011：根据公式(1)-(5)计算弹性部件的等效刚度K(t)：
Δx＝(R-r)(1-cosα) 公式(2)；
F＝kΔx＝k(R-r)(1-cosα) 公式(3)；
τ＝Fatanα＝katanα(R-r)(1-cosα) 公式(4)；
如图6a和图6b所示(图中虚线圆表示转轮初始位置，实线圆表示在弹簧的弹力作用下的当前位置)，当无负载时，O表示转轮映射到底面的位置，O’表示当外力作用后，转轮映射到底面的位置；R表示凹槽表面每一时刻的曲率半径，r表示转轮的半径，a表示底面凸轮所在圆的半径，θs表示在外力作用下凸轮旋转的角度，k表示弹性部件的刚度，t表示时刻，α表示偏移角，τ表示转动力矩，F表示弹性部件的弹力。
根据公式(1)-(5)，可得到：
步骤4012：通过电机上设置的光电编码器检测电机的转动角度θ(如图5所示)。
步骤4013：通过柔性关节上设置的磁编码器检测柔性关节的转动角度q。
由于柔性关节在压缩时摩擦由滚动产生，相对弹簧的刚度大小可以忽略不计。当外力作用于关节负载端，柔性关节首先发生弹性形变，导致负载侧转动角度q超前于电机侧转动角度θ。
步骤4014：根据所述弹性部件的等效刚度K(t)、电机的转动角度θ及柔性关节的转动角度q确定弹性部件的弹力F1(t)：
F1(t)＝K(t)(q-θ) 公式(7)。
步骤4015：根据弹性部件的弹力F1(t)建立基于位置的第一阻抗控制策略方程：
其中，表示期望轨迹；X表示柔性关节的加速度、速度以及位置；M表示目标惯性矩阵，B表示目标阻尼矩阵。
步骤4016：基于加速度误差公式和速度误差公式，对基于位置的第一阻抗控制策略方程进行拉普拉斯变换，得到柔性关节的第一期望位置函数。
其中，加速度误差公式为速度误差公为根据基于加速度误差公式和速度误差公式对公式(8)进行拉普拉斯变换，得到：
对公式(8)进行移项，得到关节的第一期望位置：
步骤4017：对所述柔性关节的第一期望位置函数进行拉式逆变换，得到电机在时域的第一期望位置xr1(t)。
在步骤402中，所述在柔性关节处施加提扳力，确定电机的第二期望位置，具体包括：
当医生对旋提仿生机器人进行提扳时，水平关节已处于临近生理限位状态，一旦超过生理限位，关节将表现出刚度剧烈变化的特性，并且角度旋转范围较小。
在提扳阶段中，首先令电机位置锁定于提扳之前的角度，在提扳阶段中，当提扳力可以分解出水平方向的力，产生水平方向力矩时，将会使得柔性关节的弹簧产生形变，模拟人体生物力学的非线性特点。由于电机侧固定，柔性关节在提扳力作用下，将产生相对于电机侧的偏角，模拟超过生理限位后的运动特点。
步骤4021：当提扳力分解出水平方向上的力，产生水平力矩时，所述水平力矩使柔性关节的弹性部件产生形变，检测所述形变量。
步骤4022：判断所述形变量是否达到设定阈值，如果达到，则根据当前的提扳力F2建立基于位置的第二阻抗控制策略方程：
其中，表示期望轨迹；X表示柔性关节的加速度、速度以及位置；M表示目标惯性矩阵，B表示目标阻尼矩阵，K表示目标刚度矩阵。其中，K、M、B均为目标阻抗参数，可以影响关节的刚度特性。
所述设定阈值为所述弹簧的最大量程的百分比，例如95％等，可根据实际需要进行调整。
步骤4023：基于加速度误差公式、速度误差公式和位置误差公式，对基于位置的第二阻抗控制策略方程进行拉普拉斯变换，得到柔性关节的第二期望位置函数。
具体地，根据基于加速度误差公式速度误差公和位置误差公式E＝Xr-X对公式(11)进行拉普拉斯变换，得到：
对公式(12)进行移项，得到关节的第二期望位置：
其中，初始位置X0(s)为旋提之前的电机位置，电机的位置由提扳力产生的位置偏差决定，当外力(即提扳力)作用时，位置偏差E(s)≠0，相反，当外力撤销时，电机位置回到初始位置，模拟头部转回生理限位角度以内。
步骤4023：对所述柔性关节的第二期望位置函数进行拉式逆变换，得到电机在时域的第二期望位置。
相对于现有技术，本发明旋提机器人颈椎关节控制方法与上述旋提机器人颈椎关节控制装置的有益效果相同，在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种旋提机器人颈椎关节控制装置，其特征在于，所述控制装置包括电机、减速器、柔性关节及控制器；所述电机的输出轴与减速器的输入端连接，所述减速器的输出端连接所述柔性关节；所述控制器分别与所述电机和所述柔性关节连接，所述控制器用于根据所述电机与所述柔性关节的转动情况，调整所述电机的位置。
2.根据权利要求1所述的旋提机器人颈椎关节控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
光电编码器，设置在所述电机的电机轴末端，与所述控制器连接，用于检测电机的转动角度，并发送至所述控制器。
3.根据权利要求1所述的旋提机器人颈椎关节控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
磁编码器，设置在所述柔性关节上，与所述减速器的输出端处的磁铁对应设置，且与所述控制器连接，用于检测柔性关节的转动角度，并发送至所述控制器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的旋提机器人颈椎关节控制装置，其特征在于，所述柔性关节包括：
负载壳体；
后驱动轴，设置于所述负载壳体内，且与所述减速器的输出端连接；
转动盘，所述转动盘的底部设置有至少一个转轮；
至少一个弹性部件，各所述弹性部件分别固定在所述负载壳体与转动盘之间；
凸轮，所述后驱动轴穿过所述转动盘固定在所述凸轮上；且所述凸轮上开设有凹槽，所述凹槽的数量与所述转轮的数量相同，且各所述转轮能够在对应的凹槽中运动。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的旋提机器人颈椎关节控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
在提扳之前，根据电机与柔性关节的转动情况，确定电机的第一期望位置，根据所述电机的第一期望位置对电机进行位置调整；
在提扳阶段，将电机位置锁定于提扳之前的角度，在柔性关节处施加提扳力，确定电机的第二期望位置，根据所述电机的第二期望位置对电机进行位置调整。
6.根据权利要求5所述的旋提机器人颈椎关节控制方法，其特征在于，所述根据电机与所述电机与所述柔性关节的转动情况，确定电机的第一期望位置，具体包括：
根据以下公式计算弹性部件的等效刚度K(t)：
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>arcsin</mi>
<mrow>
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<mi>R</mi>
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<mi>r</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
Δx＝(R-r)(1-cosα)
F＝kΔx＝k(R-r)(1-cosα)
τ＝Fatanα＝katanα(R-r)(1-cosα)
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<mi>K</mi>
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<mo>=</mo>
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<mrow>
<msub>
<mi>d&theta;</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，R表示凹槽表面每一时刻的曲率半径，r表示转轮的半径，a表示底面凸轮所在圆的半径，θs表示在提扳力作用下凸轮旋转的角度，k表示弹性部件的刚度，t表示时刻，α表示偏移角，τ表示转动力矩，F表示弹性部件的弹力；
通过电机上设置的光电编码器检测电机的转动角度θ；
通过柔性关节上设置的磁编码器检测柔性关节的转动角度q；
根据所述弹性部件的等效刚度K(t)、电机的转动角度θ及柔性关节的转动角度q确定弹性部件的弹力F1(t)：
F1(t)＝K(t)(q-θ)；
根据弹性部件的弹力F1(t)建立基于位置的第一阻抗控制策略方程：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mover>
<mi>X</mi>
<mo>&CenterDot;&CenterDot;</mo>
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<mo>(</mo>
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<mi>X</mi>
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<mo>&CenterDot;</mo>
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<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，表示期望轨迹；X表示柔性关节的加速度、速度以及位置；M表示目标惯性矩阵，B表示目标阻尼矩阵；
基于加速度误差公式和速度误差公式，对基于位置的第一阻抗控制策略方程进行拉普拉斯变换，得到柔性关节的第一期望位置函数；
对所述柔性关节的第一期望位置函数进行拉式逆变换，得到电机在时域的第一期望位置。
7.根据权利要求5所述的旋提机器人颈椎关节控制方法，其特征在于，所述在柔性关节处施加提扳力，确定电机的第二期望位置，具体包括：
当提扳力分解出水平方向上的力，产生水平力矩时，所述水平力矩使柔性关节的弹性部件产生形变，检测所述形变量；
判断所述形变量是否达到设定阈值，如果达到，则根据当前的提扳力F2建立基于位置的第二阻抗控制策略方程：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mover>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，表示期望轨迹；X表示柔性关节的加速度、速度以及位置；M表示目标惯性矩阵，B表示目标阻尼矩阵，K表示目标刚度矩阵；
基于加速度误差公式、速度误差和位置误差公式，对基于位置的第二阻抗控制策略方程进行拉普拉斯变换，得到柔性关节的第二期望位置函数；
对所述柔性关节的第二期望位置函数进行拉式逆变换，得到电机在时域的第二期望位置。
8.根据权利要求7所述的旋提机器人颈椎关节控制方法，其特征在于，所述第二期望位置函数为其中，X0(s)为旋提之前的电机位置。
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| CN106426267A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-02-22 | 华南理工大学 | 一种基于浮动弹簧的刚度连续可调关节 |
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2017
- 2017-09-27 CN CN201710889710.8A patent/CN107553495B/zh active Active
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