CN110812111A - 一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，涉及机器人控制及医疗康复器械领域，包括以下步骤：步骤1、基于旋量理论获取多关节等速训练装置的关节的参数及运动旋量坐标；步骤2、基于所述运动旋量坐标获取各所述关节之间的旋量坐标变换关系；步骤3、基于指数积方法获取各所述关节之间的速度关系；步骤4、通过旋量等速或末端等速，获取各所述关节的等速训练控制参数。通过所述方法，本发明简化了现有多关节等速控制系统的运动学和动力学分析，避免了反解时的奇异解，使得多关节训练的上肢等速训练控制简单有效。

Description

一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法
技术领域
本发明涉及机器人控制及医疗康复器械领域，尤其涉及一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法。
背景技术
等速运动是新提出来的一种测试训练概念。现有肌肉训练的主要方式是由肌肉收缩引起的肢体围绕其关节某一轴进行角速度不变的旋转，肌纤维长度缩短或被拉伸，引起明显的关节活动，是一种动力性收缩，类似于等张收缩。而等速运动中，等速仪器所提供的是一种顺应性阻力，阻力大小随肌肉收缩张力的大小而变化，类似等长收缩。等速运动更适用于康复或测试时的恢复和加强肌肉力量。
目前，市场上等速测试训练仪器只针对不同的单关节进行测试训练，测试效率低且效果不佳，且基本来自国外，存在着技术封锁、价格昂贵等缺点。因此，多关节等速训练测试系统的研发具有很重大的意义。但现有多关节等速训练测试系统基于D-H变换方法，模型解析复杂，且反解时不一定具有封闭解。而旋量理论相对于传统的D-H变换方法，具有简化机构分析、避免奇异等优点。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，以简化控制过程解析、避免反解时的奇异解，并支持多关节训练的上肢等速训练。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是一种解决现有技术中多关节等速控制中模型构建复杂、不一定具有封闭解的基于旋量控制的上肢多关节等速训练方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、基于旋量理论获取多关节等速训练装置的关节的参数及运动旋量坐标；
步骤2、基于所述运动旋量坐标获取各所述关节之间的旋量坐标变换关系；
步骤3、基于指数积方法获取各所述关节之间的速度关系；
步骤4、通过旋量等速或末端等速，获取各所述关节的等速训练控制参数。
进一步地，步骤2所述旋量坐标变换满足：
Figure BDA0002280665730000021
其中，A、B、C分别为两连杆连续三关节对应的三个坐标系；
其中，
Figure BDA0002280665730000022
是B坐标系相对于A坐标系的运动旋量坐标；
Figure BDA0002280665730000023
是C坐标系相对于B坐标系的运动旋量坐标；
Figure BDA0002280665730000024
坐标系C相对坐标系A的运动旋量坐标；Vs和Vb分别为空间速度和物体速度；
其中，是坐标系B相对于坐标系A的刚体坐标变换；
Figure BDA0002280665730000026
表示C坐标系相对于坐标系B的刚体变换，且
Figure BDA0002280665730000027
表示C坐标系相对于A坐标系的刚体变换；
其中，Adv()为为矩阵的伴随变换算子。
进一步地，步骤3所述速度关系满足：
Figure BDA0002280665730000028
其中，[Vi]和θi分别为n个依次串联的能够转动或平动的各所述关节的运动旋量坐标和所述控制参数；
其中，为末端坐标系T相对于初始坐标系S的速度关系；
Figure BDA00022806657300000210
为θ＝0的初始所述速度关系。
进一步地，步骤4的所述旋量等速，满足各所述关节的运动旋量速度均为末端坐标系相对于初始坐标系的运动旋量。
进一步地，步骤4的所述末端等速，满足末端关节的速度恒定。
进一步地，所述步骤4通过求基于指数积方法建立的雅克比矩阵的逆，反解所述控制参数；所述多关节等速训练装置的自由度和结构满足构造的所述雅克比矩阵可逆。
进一步地，所述自由度不高于六自由度。
进一步地，六自由度的所述多关节等速训练装置的三个相邻关节轴相互平行或肩部三个关节轴交于一点。
进一步地，所述多关节等速训练装置为肩部三个关节轴交于一点的六自由度上肢多关节等速训练装置；且所述雅克比矩阵为：
Figure BDA00022806657300000211
其中，
Figure BDA00022806657300000212
其中，
Figure BDA00022806657300000213
为所述雅克比矩阵；
其中，Adv()为矩阵的伴随变换算子。
进一步地，所述反解过程为：
Figure BDA00022806657300000214
其中，
Figure BDA00022806657300000215
为已知的末端关节的速度量C；
其中，
Figure BDA00022806657300000216
代表所述关节的控制参数。
本发明的训练方法，能够简化多关节机构运动学和动力学分析，在特定条件下，还能避免反解时的奇异解，使得关节运动速度和力矩的控制更加简单有效的优点，能支持多关节等速训练的技术效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的采用的上肢多关节等速训练装置的运动学关节轴线分析图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，是本发明的一个较佳实施例的采用的上肢多关节等速训练装置的运动学关节轴线分析图。图1为6关节(6自由度)的上肢机械臂。
对于如图1所示的上肢多关节等速训练装置，为获取6个关节轴的等速训练控制参数，具体步骤包括：
步骤1、基于旋量理论获取多关节等速训练装置的关节的参数及运动旋量坐标；
步骤2、基于所述运动旋量坐标获取各所述关节之间的旋量坐标变换关系；
步骤3、基于指数积方法获取各所述关节之间的速度关系；
步骤4、通过旋量等速或末端等速，获取各所述关节的等速训练控制参数。
旋量等速和末端等速训练方法类似，现以末端等速控制等速训练为例，具体地分析如何获取控制参数。首先，选取合适的基座标系，记如图1所示各关节轴线的线矢量为θi(i＝1、2……6)，然后分别在轴线上选取一点ri(i＝1、2...6)，计算末端关节的初始位姿和各关节对应的运动旋量坐标[Vi]以及矩阵指数
Figure BDA0002280665730000031
代入如式(1)所示的指数积公式，得到基于正向运动学的速度关系：
式(1)中，为末端坐标系T相对于初始坐标系S的速度关系；
Figure BDA0002280665730000034
为θ＝0的初始所述速度关系。基于运动旋量坐标[Vi]和初始所述速度关系，可以求解如式(1)的各关节的控制参数θi。
基于式(1)的求解结果，可以实现对多关节机械臂的等速控制。但多关节装置的如式(1)的正向求解过程复杂，耗费时间较长，且对控制芯片或计算装置的要求较高。考虑到在保证力量测试和训练的前提下，等速训练装置的机构可以调整。对于六自由度的机械臂，关节结构在一定条件下，可以建立各关节变量与末端位姿的运动旋量坐标之间的反向映射关系，进而简化如式(1)的求解过程。
优选地，所述步骤4通过求基于指数积方法建立的雅克比矩阵的逆，反向求解所述控制参数；所述多关节等速训练装置的自由度和结构满足构造的所述雅克比矩阵可逆。
优选地，对于六自由度机械臂，满足三个相邻关节轴交于一点或三个相邻关节轴相互平行，所述雅克比矩阵可逆。
如图1所示，θi(i＝1、2……6)分别为各关节轴线对应的线矢量；O1为三个相邻的关节轴交汇点，即θ1、θ2和θ3相对应的关节轴交汇点。类似地，O2代表θ4和θ3相对应的关节轴交汇；O3代表θ5和θ6相对应的关节轴交汇。即，满足上述反向求解条件。基于指数积构造所述雅克比矩阵为：
Figure BDA0002280665730000041
其中，
Figure BDA0002280665730000042
其中，
Figure BDA0002280665730000043
为所述雅克比矩阵；
其中，Adv()为矩阵的伴随变换算子。
进一步地，基于所述雅克比矩阵构建新的末端关节速度与关节变量关系：
Figure BDA0002280665730000044
由于所述雅克比矩阵可逆，因而通过所述雅可比矩阵的逆可以直接求得关节变量：
Figure BDA0002280665730000045
其中，
Figure BDA0002280665730000046
为已知的末端关节的速度量C；
其中，
Figure BDA0002280665730000047
代表所述关节的控制参数。
末端关节的速度量可能随时间变化，但均为已知量。因此，对于确定的时刻，末端关节的速度量相当于常量。
综上，通过定义末端关节的速度恒定，即为等速运动，反解出各个关节变量速度值，用以实现等速控制，进而实现对肌肉纤维的等长收缩控制。
上述实施例是以6自由度的机械臂为例说明了本发明的训练方法。但应当注意，只要机械臂的自由度和结构满足构造的所述雅克比矩阵可逆，均可以采用末端等速方法，类似地反解各关节的控制参数。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、基于旋量理论获取多关节等速训练装置的关节的参数及运动旋量坐标；
步骤2、基于所述运动旋量坐标获取各所述关节之间的旋量坐标变换关系；
步骤3、基于指数积方法获取各所述关节之间的速度关系；
步骤4、通过旋量等速或末端等速，获取各所述关节的等速训练控制参数。
2.如权利要求1所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，步骤2所述旋量坐标变换满足：
其中，A、B、C分别为两连杆连续三关节对应的三个坐标系；
其中，是B坐标系相对于A坐标系的运动旋量坐标；
Figure FDA0002280665720000014
是C坐标系相对于B坐标系的运动旋量坐标；
Figure FDA0002280665720000015
坐标系C相对坐标系A的运动旋量坐标；Vs和Vb分别为空间速度和物体速度；
其中，
Figure FDA0002280665720000016
是坐标系B相对于坐标系A的刚体坐标变换；表示C坐标系相对于坐标系B的刚体变换，且
Figure FDA0002280665720000018
表示C坐标系相对于A坐标系的刚体变换；
其中，Adv()为为矩阵的伴随变换算子。
3.如权利要求1所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，步骤3所述速度关系满足：
Figure FDA0002280665720000019
其中，[Vi]和θi分别为n个依次串联的能够转动或平动的各所述关节的运动旋量坐标和所述控制参数；
其中，
Figure FDA00022806657200000110
为末端坐标系T相对于初始坐标系S的速度关系；
Figure FDA00022806657200000111
为θ＝0的初始所述速度关系。
4.如权利要求3所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，步骤4的所述旋量等速，满足各所述关节的运动旋量速度均为末端坐标系相对于初始坐标系的运动旋量。
5.如权利要求3所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，步骤4的所述末端等速，满足末端关节的速度恒定。
6.如权利要求5所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，所述步骤4通过求基于指数积方法建立的雅克比矩阵的逆，反解所述控制参数；所述多关节等速训练装置的自由度和结构满足构造的所述雅克比矩阵可逆。
7.如权利要求6所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，所述自由度不高于六自由度。
8.如权利要求7所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，六自由度的所述多关节等速训练装置的三个相邻关节轴相互平行或肩部三个关节轴交于一点。
9.如权利要求8所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，所述多关节等速训练装置为肩部三个关节轴交于一点的六自由度上肢多关节等速训练装置；且所述雅克比矩阵为：
Figure FDA0002280665720000021
其中，
Figure FDA0002280665720000022
其中，为所述雅克比矩阵；
其中，Adv()为矩阵的伴随变换算子。
10.如权利要求9所述的基于旋量理论控制的上肢多关节等速训练方法，其特征在于，所述反解过程为：
Figure FDA0002280665720000023
其中，
Figure FDA0002280665720000025
为已知的末端关节的速度量C；
其中，
Figure FDA0002280665720000026
代表所述关节的控制参数。
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