CN110840701A - 机器人手臂力量柔性控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人手臂力量柔性控制方法及系统。本发明的目的是以提供更好的人机交互体验。本发明的技术方案是：该方法用于控制能辅助患者患肢完成康复训练动作的机器人手臂，机器人手臂能实现多维度运动，对应每个维度设有电机，其特征在于：实时获取患者患肢在某一维度上的力量值F2；根据柔性公式计算该某一维度对应电机的扭力F1，柔性公式如下：F1＝(F‑F2)*fc；0<fc<1；其中，F为患者该相应患肢的力量评估值，fc为柔性系数；根据计算得到的电机扭力F1控制相应电机带动机器人手臂运动；当患者力量F2<F时，即患者力量变小，通过机器人手臂补偿与F2同向的力量差值；当F2>F，患者力量变大，通过机器人手臂补偿与F2反向的力量差值。本发明适用于医疗器械领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人手臂力量柔性控制方法及系统。适用于医疗器械领域。
背景技术
近年来，我国脑卒中患者的人数连年攀升，每年新发脑血管病患者约270万，每年死于脑血管病的患者约130万，而在所有的幸存者中，大约有70％～80％的人患有不同程度的手臂及手部运动功能障碍，无法完成简单的日常操作，给患者家庭带来了沉重的经济和生活负担。
通过康复机器人来辅助或替代康复医生进行训练，不仅对于患者肢体功能恢复具有重要作用，而且极大缓解了康复医生数量短缺带来的压力，并能提高康复训练的效果。康复机器人协助患者对外界进行交互，形成一体化的系统，时刻与患者肢体直接接触，因此必须具有较高的安全性和良好的柔顺性。
现有的康复机器人大多结构复杂、相对笨拙，无法与患者的肢体部位较好地适应，不仅影响康复训练效果，还可能使患者遭受二次伤害。这是因为传统的机器人只考虑到了单一的运动控制，不具有柔顺力控制和阻抗控制，因此不能很好地进行人机交互。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种机器人手臂力量柔性控制方法及系统，以提供更好的人机交互体验。
本发明所采用的技术方案是：一种机器人手臂力量柔性控制方法，用于控制能辅助患者患肢完成康复训练动作的机器人手臂，机器人手臂能实现多维度运动，对应每个维度设有电机，其特征在于：
实时获取患者患肢在某一维度上的力量值F2；
根据柔性公式计算该某一维度对应电机的扭力F1，柔性公式如下：
F1＝(F-F2)*fc；
0<fc<1；
其中，F为患者该相应患肢的力量评估值，fc为柔性系数；
根据计算得到的电机扭力F1控制相应电机带动机器人手臂运动；当患者力量F2<F时，即患者力量变小，通过机器人手臂补偿与F2同向的力量差值；当F2>F，患者力量变大，通过机器人手臂补偿与F2反向的力量差值。
所述根据计算得到的电机扭力F1控制相应电机带动机器人手臂运动，还包括：
获取电机转子的转动位置；获取电机转子的角速度；
根据预设的位置信息及角速度信息，结合获取的转动位置和角速度，实现位置和速度的闭环控制。
所述位置控制方式中还采用插补算法实现高精度控制。
一种机器人手臂力量柔性控制系统，用于控制能辅助患者患肢完成康复训练动作的机器人手臂，机器人手臂能实现多维度运动，对应每个维度设有电机，其特征在于，包括：
人机界面，用于进行人机交互；
上位机，用于控制人机界面的显示，以及人机界面的交互数据处理；
力传感器，用于采集患者对机器人手臂各个维度的作用力；
高精度编码器，用于采集所述电子转子的角度位置和角速度；
下位机，用于与上位机通讯连接，并电路连接所述力传感器和高精度编码器；
驱动器，用于与所述下位机通讯连接，控制驱动所述电机动作；
所述下位机具有处理器和存储有计算机程序的存储器，计算机程序被处理器执行时实现所述机器人手臂力量柔性控制方法的步骤。
本发明的有益效果是：本发明通过力传感器及时根据患者手臂力量调控机械人手臂的输出，辅助患者进行训练，在保证患者安全的情况下提高患者在训练过程中的舒适性，提高患者的训练积极性。本发明采用柔性力控，适应患者在软瘫期至康复期的不同肢体力量状态下的训练过程，提高了康复训练效果。
附图说明
图1为实施例的系统框图。
图2为实施例的流程图。
1、人机界面；2、上位机；3、下位机；4、驱动器；5、机器人手臂；6、力传感器；7、高精度编码器；8、特定模块。
具体实施方式
本实施例为一种机器人手臂力量柔性控制系统，该控制系统用于控制机器人手臂，机器人手臂能辅助患者患肢完成康复训练动作。本例中机器人手臂为两轴机械手，能实现XY两个维度的运动，对应两个维度均设有驱动手臂在相应维度运动的电机和传动机构，电机采用伺服电机，两伺服电机正交结构，无耦合。
如图1所示，本实施例中控制系统包括人机界面、上位机、下位机、驱动器、机器手臂、力传感器、高精度编码器和特定模块。
本例中人机界面用于进行人机交互，采用触摸屏的方式，方便友好的人机交互。上位机采用一体机，主要功能是控制人机界面的显示，交互数据的处理，特定模块的信号采集，与下位机通讯等。
本例中力传感器对应XY两个维度分别设置，用于采集患者对机器人手臂XY两个维度的作用力。下位机主要功能是采集力传感器数据，通过力传感器的数据得知患者肢体二维力的大小，经过一定的软件算法，输出控制驱动器。驱动器驱动电机动作，从而驱动机器人手臂运动。本实施例中电机配有与下位机电路连接的高精度编码器，采用2500线的增量编码器，实现精度较高的角度定位，同时能够测量电机转子的角速度。
本例中特定模块采集患者的状态信息，并将数据传输给上位机，上位机将患者状态信息通过人机界面进行显示。
本例中传动机构采用直线模组，将电机的旋转角位移转成机器人手臂的平面运动位移。力传感器与传动机构配套，数据采集使用差分方式，力方向也采用XY正交，可实现0.01N的力测量，实现了机器的力觉。
如图2所示，本实施例中下位机具有处理器和存储器，存储器上存储有可供处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现如下方法的步骤：
通过力传感器实时获取患者患肢在某一维度上的力量值F2；
根据柔性公式计算该某一维度对应电机的扭力F1，柔性公式如下：
F1＝(F-F2)*fc；
0<fc<1；
其中，F为患者该相应患肢的力量评估值，训练前，医护人员让患者的患侧手臂与机器人手臂进行力量的交互，交互时间为30s，在此期间机器人手臂的力传感器会感知到患侧的力，传入到嵌入式控制器中，这个力就是力F。力传感器的最小分辨率达1N，精度0.2％，所以，可以感知到绝大多数患者的力。若在训练之前完全感知不到患者的力，则医护人员会安排患者做另一种模式的训练。另一种模式可以是被动训练，不做限定；fc为柔性系数，由医护人员根据患者的情况进行确定，然后设定机器人手臂柔性度的大小；
根据计算得到的电机扭力F1控制相应电机带动机器人手臂运动；当患者力量F2<F时，即患者力量变小，通过机器人手臂补偿与F2同向的力量差值；当F2>F，患者力量变大，通过机器人手臂补偿与F2反向的力量差值。
本实施例中通过控制力传感器检测的值为某区间内的定值，使补偿力的大小在一定的范围内进行控制，既可正馈补偿又可反馈补偿，从而实现柔性力控。
本实施例中在控制机器人手臂运动时，通过高精度编码器获取电机转子的转动位置和电机转子的角速度；根据预设的位置信息及角速度信息，结合获取的转动位置和角速度，实现位置和速度的闭环控制。
本例位置控制方式中通过采用高精度编码器和插补算法来实现厘米级的控制精度。插补算法：采用插补方式实现更精细的控制，以位置控制模式为例。在位置1(P1点)和位置2(P2点)之间，采用插补算法，插补N个点，按照给定的路径进行规划。这N个点的插补可采用样条曲线、直线、圆弧、自由曲线等多种方式，以实现不同的轨迹规划。实验表明，产品能够实现轨迹跟踪，位置误差<1％，无累积。高精度编码器为增量式2500线编码器，精度小于千分之一。
本例中力量评估值F、柔性系数fc、预设的位置信息及角速度信息均由工作人员通过人机界面录入后，经上位机传输给下位机。
Claims (4)
1.一种机器人手臂力量柔性控制方法，用于控制能辅助患者患肢完成康复训练动作的机器人手臂，机器人手臂能实现多维度运动，对应每个维度设有电机，其特征在于：
实时获取患者患肢在某一维度上的力量值F2；
根据柔性公式计算该某一维度对应电机的扭力F1，柔性公式如下：
F1＝(F-F2)*fc；
0<fc<1；
其中，F为患者该相应患肢的力量评估值，fc为柔性系数；
根据计算得到的电机扭力F1控制相应电机带动机器人手臂运动；当患者力量F2<F时，即患者力量变小，通过机器人手臂补偿与F2同向的力量差值；当F2>F，患者力量变大，通过机器人手臂补偿与F2反向的力量差值。
2.根据权利要求1所述的机器人手臂力量柔性控制方法，其特征在于，所述根据计算得到的电机扭力F1控制相应电机带动机器人手臂运动，还包括：
获取电机转子的转动位置；获取电机转子的角速度；
根据预设的位置信息及角速度信息，结合获取的转动位置和角速度，实现位置和速度的闭环控制。
3.根据权利要求2所述的机器人手臂力量柔性控制方法，其特征在于：所述位置控制方式中还采用插补算法实现高精度控制。
4.一种机器人手臂力量柔性控制系统，用于控制能辅助患者患肢完成康复训练动作的机器人手臂，机器人手臂能实现多维度运动，对应每个维度设有电机，其特征在于，包括：
人机界面，用于进行人机交互；
上位机，用于控制人机界面的显示，以及人机界面的交互数据处理；
力传感器，用于采集患者对机器人手臂各个维度的作用力；
高精度编码器，用于采集所述电子转子的角度位置和角速度；
下位机，用于与上位机通讯连接，并电路连接所述力传感器和高精度编码器；
驱动器，用于与所述下位机通讯连接，控制驱动所述电机动作；
所述下位机具有处理器和存储有计算机程序的存储器，计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～3任意一项所述机器人手臂力量柔性控制方法的步骤。
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