CN115245439A - 状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人 - Google Patents

状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人 Download PDF

Info

Publication number
CN115245439A
CN115245439A CN202110455082.9A CN202110455082A CN115245439A CN 115245439 A CN115245439 A CN 115245439A CN 202110455082 A CN202110455082 A CN 202110455082A CN 115245439 A CN115245439 A CN 115245439A
Authority
CN
China
Prior art keywords
joint
real
time
robot
torque
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110455082.9A
Other languages
English (en)
Inventor
刘谋云
周铜
王红梅
李志青
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Shentai Medical Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Shentai Medical Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Shentai Medical Technology Co ltd filed Critical Shanghai Shentai Medical Technology Co ltd
Priority to CN202110455082.9A priority Critical patent/CN115245439A/zh
Priority to PCT/CN2022/084633 priority patent/WO2022228031A1/zh
Publication of CN115245439A publication Critical patent/CN115245439A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/024—Knee
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0244—Hip
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0266—Foot
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0277—Elbow
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0281—Shoulder
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/01—Constructive details
    • A61H2201/0173—Means for preventing injuries
    • A61H2201/0176—By stopping operation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5069—Angle sensors

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明提供了一种状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人，所述状态监测方法包括：根据预设的扭矩计算模型，分别计算各条机械臂的各个关节的实时理论扭矩；根据各个关节的实时理论扭矩以及各个关节的实时实际扭矩，分别计算各个关节的实时扭矩差值；分别判断各个关节的实时扭矩差值是否超出其预设误差范围；若关节的实时扭矩差值超出其预设误差范围，则判定关节出现扭矩故障。本发明提供的状态监测方法的监测灵敏度更高，实时性更好，能够及时、准确地判断出机器人是否出现扭矩故障，大大提高了机器人在使用过程中的安全性能。

Description

状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人。
背景技术
随着社会老龄化加剧及脑卒中、脊髓损伤、脑外伤等各种疾病造成的残障人口迅速增长，由此带来的康复器具需求也不断增加。然而，现有康复医疗资源非常紧缺，国内普遍采用的康复治疗方法存在人员消耗大、康复周期长、效果有限等问题。康复机器人正是解决传统康复方法的有效技术手段。
为确保康复训练机器人设备的正常工作，需要提高设备的安全控制性能。尤其是一旦人腿发生痉挛或操作方式错误，需要机器人运行设备做出快速和正确的响应，以此确保患者和医生在使用医疗设备时的安全性。
由于传统的康复训练机器人的扭矩监控安全设计方法一般是采用扭矩最大极限值作为安全判断阈值，通常情况下，当康复运行过程中若出现比设定的安全判断阈值扭矩更大的扭矩时，设备将停止运行。这种传统的设计方法，其缺陷在于最大扭矩极限值的设定存在与实时的实际扭矩不符或误差较大，导致不能准确、及时的判断设备出现的扭矩安全故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种状态监测方法、安全控制装置、可读存储介质和机器人，可以解决现有技术中，采用扭矩最大极限值作为安全判断阈值监控机器人的扭矩时，由于最大扭矩极限值的设定存在与实时的实际扭矩不符或误差较大，导致不能准确、及时的判断设备出现的扭矩故障的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种状态监测方法，应用于机器人，所述机器人包括至少一条机械臂，所述机械臂包括至少两个相连的关节，所述状态监测方法包括：
根据预设的扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩；
根据各个所述关节的实时理论扭矩以及各个所述关节的实时实际扭矩，分别计算各个所述关节的实时扭矩差值；
分别判断各个所述关节的实时扭矩差值是否超出其预设误差范围；
若所述关节的实时扭矩差值超出其预设误差范围，则判定所述关节出现扭矩故障。
可选的，所述机器人为上肢/下肢康复训练机器人，所述根据预设的扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩，包括：
按照如下扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩：
Ti＝T1i+T2i+T3i
其中，Ti为关节i的实时理论扭矩，T1i为所述关节i所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩，T2i为所述关节i所受到的实时摩擦力补偿扭矩，T3i为所述关节i所受到的患者的上肢/下肢所施加的的实时附加扭矩。
可选的，所述关节i所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T1i的计算公式如下所示：
TIi＝aisinθi+bi
其中，ai为与所述关节i相关的一次项系数，θi为所述关节i的实时角度，bi为与所述关节i相关的常数项系数。
可选的，所述关节i所受到的实时摩擦力补偿扭矩T2i的计算公式如下所示：
T2i＝civi 2+divi+ei
其中，ci为一常数，vi为所述关节i的实时速度，di为一常数，ei为一常数。
可选的，所述关节i所受到的患者的上肢/下肢所施加的实时附加扭矩T3i的计算公式如下所示：
T3i＝Fi×LRi
其中，Fi为患者的上肢/下肢对所述关节i的实时作用力，LRi为Fi的力臂。
可选的，所述机械臂包括依次相连的第一关节、第二关节和末端关节，其中，所述第一关节对应人体的髋关节/肩关节，所述第二关节对应人体的膝关节/肘关节，所述末端关节对应人体的踝关节/腕关节，所述第二关节所受到的患者的上肢/下肢所施加的实时附加扭矩T32的计算公式如下所示：
T32＝F2×LR2
Figure BDA0003040243160000031
LR2＝L2×sin(θ2-θ1)
其中，G1为患者的大腿/大臂的重量，G2为患者的小腿/小臂的重量，L1为患者的大腿/大臂的长度，L2为患者的小腿/小臂的长度，l1为患者的大腿/大臂的重心与髋关节/肩关节之间的距离，l2为患者的小腿/小臂的重心与膝关节/肘关节之间的距离，α为患者的髋关节/肩关节的实时角度，β为患者的膝关节/肘关节的实时角度，θ2为所述第二关节的实时角度，θ1为所述第一关节的实时角度。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种安全控制装置，应用于机器人，所述机器人包括至少一条机械臂，所述机械臂包括至少两个相连的关节，所述安全控制装置包括监测模块、判断模块和执行模块；
所述监测模块包括第一监测单元；
所述第一监测单元用于采用上文所述的状态监测方法对各条所述机械臂的各个关节的扭矩进行实时监测；
所述判断模块根据接收到的所述监测模块的监测结果，判断所述机器人是否出现故障，并进行故障等级划分；
所述执行模块根据接收到的所述判断模块输出的故障等级，执行与所述故障等级对应的操作。
可选的，所述监测模块还包括第二监测单元和第三监测单元，所述第二监测单元用于对各条所述机械臂的各个关节的角度进行实时监测，所述第三监测单元用于对各条所述机械臂的各个关节的速度进行实时监测。
可选的，所述机器人为上肢/下肢康复训练机器人，所述监测模块还包括第四监测单元，所述第四监测单元用于对患者的上肢/下肢的肌肉状态进行实时监测。
可选的，所述机器人为上肢/下肢康复训练机器人，所述机械臂包括依次相连的第一关节、第二关节和末端关节，其中，所述第一关节对应人体的髋关节/肩关节，所述第二关节对应人体的膝关节/肘关节，所述末端关节对应人体的踝关节/腕关节，所述监测模块还包括第五监测单元，所述第五监测单元用于对患者的上肢/下肢的各个关节的角度进行实时监测。
可选的，所述监测模块还包括第六监测单元，所述第六监测单元用于对所述机器人的报警信息进行实时监测。
可选的，所述监测模块还包括第七监测单元，所述第七监测单元用于对所述机器人的笛卡尔坐标系下的虚拟空间进行实时监测。
可选的，所述监测模块还包括第八监测单元，所述第八监测单元用于对所述机器人的安放状态进行实时监测。
可选的，所述执行模块包括停止单元、报警单元和电源控制单元；
所述停止单元用于在所述机器人出现任意等级的故障时，执行停机操作；
所述报警单元用于在所述机器人出现任意等级的故障时，执行报警操作；
所述电源控制单元用于在所述机器人出现对应等级的故障时，执行关机操作。
可选的，所述安全控制装置还包括通信模块，所述通信模块用于进行数据的传输。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种机器人，所述机器人包括上文所述的安全控制装置。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上文所述的状态监测方法。
与现有技术相比，本发明提供的状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人具有以下优点：
(1)本发明提供的状态监测方法通过根据预设的扭矩计算模型，分别计算机器人的各条机械臂的各个关节的实时理论扭矩，再根据各个关节的实时理论扭矩以及实时实际扭矩，分别计算各个关节的实时扭矩差值，最后将各个关节的实时扭矩差值和与其对应的预设误差范围进行比较，以判断各个关节在当前时刻是否出现扭矩安全故障。由此可见，本发明提供的状态监测方法通过实时计算各个关节在当前时刻的理论扭矩，并将各个关节在当前时刻的理论扭矩与其在当前时刻的实际扭矩进行比较，以判断各个关节在当前时刻是否出现扭矩故障，因此相比于现有技术中采用固定的阈值进行扭矩监测的方法，本发明提供的状态监测方法的监测灵敏度更高，实时性更好，能够及时、准确地判断出机器人是否出现扭矩故障，大大提高了机器人在使用过程中的安全性能。
(2)本发明提供的安全控制装置通过第一监测单元对机器人的各条机械臂的各个关节的扭矩进行实时监测，通过判断模块判断机器人是否出现故障，并对所出现的故障进行等级划分，通过执行模块根据机器人出现的故障等级，执行对应的操作。由此可见，本发明提供的安全控制装置能够自动识别设备的运行状态，并能够针对不同的故障类型采取相应的分级响应措施，从而能够进一步提高机器人在使用过程中的安全性能。此外，由于所述第一监测单元是采用上文所述的状态监测方法对机器人的各个关节的扭矩进行实时监测的，因此本发明提供的安全监控装置还具有上文所述的状态监测方法的所有优点，故对此不再进行赘述。
(3)由于本发明提供的可读存储介质与上文所述的状态监测方法属于同一发明构思，因此其具有上文所述的状态监测方法的所有优点，故对其所具有的优点不再进行赘述。由于本发明提供的机器人与上文所述的安全控制装置属于同一发明构思，因此其具有上文所述的机器人的所有优点，故对其所具有的优点不再进行赘述。
附图说明
图1为本发明一实施方式中的下肢康复训练机器人的应用场景示意图；
图2为本发明一实施方式中的状态监测方法的流程示意图；
图3为本发明一实施方式中的第二关节所受到的机械臂重力所施加的扭矩与角度之间的关系示意图；
图4为本发明一实施方式中的第二关节所受到的摩擦力补偿扭矩与速度之间的关系示意图；
图5为本发明一实施方式中的机器人末端对患者的上肢/下肢产生的拉伸作用力的示意图；
图6为本发明一实施方式中的第二关节所受到的患者的上肢/下肢所施加的附加扭矩的示意图；
图7为本发明一实施方式中的安全控制装置的方框结构示意图；
图8为本发明一实施方式中的安全控制装置的工作流程示意图；
其中，附图标记如下：
第一关节-10；第二关节-20；末端关节-30；髋关节-40；肩关节-40’；膝关节-50；肘关节-50’；踝夹板-60；腿夹板-70；基座关节-80；
监测模块-100；判断模块-200；执行模块-300；初始化模块-400；通信模块-500；第一监测单元-110；第二监测单元-120；第三监测单元-130；第四监测单元-140；第五监测单元-150；第六监测单元-160；第七监测单元-170；第八监测单元-180；停止单元-310；报警单元-320；电源控制单元-330。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在与本发明所能产生的功效及所能达成的目的相同或近似的情况下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的主要目的在于提供一种状态监测方法、安全控制装置、可读存储介质和机器人，可以解决现有技术中，采用扭矩最大极限值作为安全判断阈值监控机器人的扭矩时，由于最大扭矩极限值的设定存在与实时的实际扭矩不符或误差较大，导致不能准确、及时的判断设备出现的扭矩故障的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种状态监测方法，应用于机器人，所述机器人可以为上肢康复训练机器人、下肢康复训练机器人或除康复训练机器人以外的其它机器人，本发明对此并不进行限制。以下肢康复机器人为例，请参考图1，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的下肢康复训练机器人的应用场景示意图。如图1所示，所述下肢康复训练机器人包括一条机械臂，所述机械臂均包括依次相连的第一关节10、第二关节20和末端关节30，其中，所述第一关节10对应人体的髋关节40，所述第二关节20对应人体的膝关节50，所述末端关节30对应人体的踝关节。其中，所述末端关节30包括用于驱动腿夹板70的第三关节以及用于驱动踝夹板60的第四关节，所述第三关节套设于所述第四关节外部。在具体使用时，将所述下肢康复训练机器人放置于患者的需要进行康复训练的腿侧，然后将需要进行康复训练的腿的小腿部伸入所述腿夹板70内，将脚掌部伸入所述踝夹板60内部。需要说明的是，虽然本实施方式是以只有一条机械臂的下肢康复机器人为例进行说明，但是，如本领域技术人员所能理解的，在其它一些实施方式中，所述下肢康复训练机器人还可以包括两条机械臂。此时，通过所述下肢康复训练机器人可以同时对患者的两条腿进行康复训练。此外，需要说明的是，当所述机器人为上肢康复训练机器人时，所述上肢康复训练机器人包括至少一条机械臂，所述机械臂括依次相连的第一关节、第二关节和末端关节，其中，所述第一关节对应人体的肩关节，所述第二关节对应人体的肘关节，所述末端关节对应人体的腕关节。
请继续参考图2，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的状态监测方法的流程示意图。如图2所示，所述状态监测方法包括如下步骤：
步骤S100、根据预设的扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩。
步骤S200、根据各个所述关节的实时理论扭矩以及各个所述关节的实时实际扭矩，分别计算各个所述关节的实时扭矩差值。
步骤S300、分别判断各个所述关节的实时扭矩差值是否超出其预设误差范围。
若判断结果为其中的一个或几个所述关节的实时扭矩差值超出其预设误差范围，则执行下述的步骤S400：
步骤S400、判定实时扭矩差值超出其预设误差范围的所述关节出现扭矩故障。
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，各个所述关节的实时实际扭矩可通过安装于各个所述关节上的电机通过电流环计算得到，具体可参考现有技术，本发明对此不再进行赘述。此外，需要说明的是，各个关节所对应的预设误差范围具体可根据各个关节的具体情况进行设定。例如，对于第二关节20，可以将预设误差范围设置为±6NM，若所述第二关节20的实时理论扭矩与其实时实际扭矩之间的差值在±6NM范围内，则说明所述第二关节20在当前时刻并未出现扭矩故障，若所述第二关节20的实时理论扭矩与其实时实际扭矩之间的差值超出±6NM，则说明所述第二关节20在当前时刻出现了扭矩故障。由此可见，本发明提供的状态监测方法通过实时计算各个关节在当前时刻的理论扭矩，并将各个关节在当前时刻的理论扭矩与其在当前时刻的实际扭矩进行比较，以判断各个关节在当前时刻是否出现扭矩故障，因此相比于现有技术中采用固定的阈值进行扭矩监测的方法，本发明提供的状态监测方法的监测灵敏度更高，实时性更好，能够及时、准确地判断出机器人是否出现扭矩故障，大大提高了机器人在使用过程中的安全性能。
具体地，步骤S100中，根据预设的扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩，包括：
按照如下扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩：
Ti＝T1i+T2i+T3i (1)
其中，Ti为关节i的实时理论扭矩，T1i为所述关节i所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩，T2i为所述关节i所受到的实时摩擦力补偿扭矩，T3i为所述关节i所受到的患者的上肢/下肢所施加的实时附加扭矩。
由此，本发明通过综合考虑各个关节所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩、实时摩擦力补偿扭矩以及患者的上肢/下肢所带来的实时附加扭矩，来计算各个关节的实时理论扭矩，从而可以使得最终计算得到的实时理论扭矩更加接近真实的扭矩，以进一步提高本发明提供的状态监测方法的监测灵敏度，进而能够更加及时、准确地判断出机器人是否出现扭矩故障。
进一步地，所述关节i所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T1i的计算公式如下所示：
TIi＝aisinθi+bi (2)
其中，ai为与所述关节i相关的一次项系数，θi为所述关节i的实时角度，bi为与所述关节i相关的常数项系数。
需要说明的是，不同关节所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩的计算公式是不同的，即针对不同的关节一次项系数ai的取值各不相同，常数项系数bi的取值也各不相同，具体可以根据各个关节的具体情况进行设定。针对同一个关节，由于其在沿顺时针方向运动时的受力方向与其在沿逆时针方向运动时的受力方向是不同的，因此，针对同一个关节，其在顺时针方向运行时的ai、bi的取值与其在逆时针方向运行时的ai、bi的取值是不同的。由此，根据各个关节所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩的计算公式以及其实时角度信息，即可获取各个关节所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩。
进一步地，所述关节i所受到的实时摩擦力补偿扭矩T2i的计算公式如下所示：
T2i＝civi 2+divi+ei (3)
其中，ci为与所述关节i相关的二次项系数，vi为所述关节i的实时速度，di为与所述关节i相关的一次项系数，ei为与所述关节i相关的常数项系数。
需要说明的是，不同关节所受到的实时摩擦力补偿扭矩的计算公式是不同的，即针对不同的关节ci的取值可能各不相同，di的取值也可能各不相同，ei的取值可能各不相同，具体可以根据各个关节的具体情况进行设定。针对同一个关节，由于其在沿顺时针方向运动时的受力方向与其在沿逆时针方向运动时的受力方向是不同的，因此，针对同一个关节，其在顺时针方向运行时的ci、di、ei的取值与其在逆时针方向运行时的ci、di、ei的取值是不同的。由此，根据各个关节所受到的实时摩擦力补偿扭矩的计算公式以及其实时速度信息，即可获取各个关节所受到的实时摩擦力补偿扭矩。
具体地，所述关节i所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T1i的计算公式中的一次项系数ai和常数项系数bi的取值以及所述关节i所受到的实时摩擦力补偿扭矩T2i的计算公式中的二次项系数ci、一次项系数di和常数项系数ei可以通过在不附加人体上肢/下肢的情况下进行试验得到，通过获取所述关节i在不同角度、不同速度下的扭矩值，并对所获得的扭矩值、角度值和速度值进行分析，即可获取ai、bi、ci、di和ei的取值。
以第二关节为例，请参考表1，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的机器人的第二关节在不附加人体上肢/下肢的情况下顺时针运动时，在不同角度、不同速度下的扭矩值。
表1第二关节在不同角度、不同速度下的扭矩值
Figure BDA0003040243160000111
Figure BDA0003040243160000121
请参考图3，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的第二关节所受到的机械臂重力所施加的扭矩与角度之间的关系示意图。如图3所示，通过对表1中的数据进行分析与拟合，可获得顺时针运行时，所述第二关节20所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T12的计算公式，具体如下所示：
T12＝-51.115sinθ2-33.811 (4)
请参考图4，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的第二关节在所受到的摩擦力补偿扭矩与速度之间的关系示意图。如图4所示，通过对表2中的数据进行分析与拟合，可获得顺时针运行时，所述第二关节20所受到的实时摩擦力补偿扭矩T22的计算公式，具体如下所示：
T22＝0.1021v2 2-2.463v2+8.3193 (5)
其中，v2为所述第二关节20的实时速度。
同理，通过获取所述第二关节20在不附加人体上肢/下肢的情况下逆针运动时，其在不同角度、不同速度下的扭矩值，并对所获得的数据进行分析与拟合，可获得逆时针运行时，所述第二关节20所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T12以及所述第二关节20所受到的实时摩擦力补偿扭矩T22的的计算公式，具体如下所示：
T12＝-47.16sinθ2+27.418 (6)
其中，θ2为所述第二关节20的实时角度。
T22＝-0.1492v2 2+3.3635v2-9.7495 (7)
其中，v2为所述第二关节20的实时速度。
需要说明的是，本发明是以某一型号的机器人为例进行试验得到的第二关节所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T12以及所受到的实时摩擦力补偿扭矩T22的计算公式的，如本领域技术人员所能理解的，针对不同型号的机器人，所述第二关节所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T12以及所受到的实时摩擦力补偿扭矩T22的计算公式中的各个系数可能是不同的，具体取值根据实际情况进行确定。
进一步地，患者的上肢/下肢对所述关节i的实时附加扭矩T3i的计算公式如下所示：
T3i＝Fi×LRi (8)
其中，Fi为患者的上肢/下肢对所述关节i的实时作用力，LRi为Fi的力臂。
由此，通过获取各个关节所受到的患者的肢/下肢对其所施加的作用力以及作用力的力臂，即可获取各个关节所受到的实时附加扭矩T3i。
举例而言，患者的肢/下肢对所述第二关节20的实时附加扭矩T32的计算公式如下所示：
T32＝F2×LR2 (9)
其中，F2为患者的肢/下肢对所述第二关节20的实时作用力，LR2为F2的力臂。
请参考图5，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的机器人末端对患者肢/下肢产生的拉伸作用力的示意图。如图5所示，通过进行力学分析可知，患者的上肢/下肢对所述第二关节20的实时作用力F2满足如下关系式：
Figure BDA0003040243160000141
其中，当所述机器人为下肢康复训练机器人时，G1为患者的大腿的重量，G2为患者的小腿的重量，L1为患者的大腿的长度，L2为患者的小腿的长度，l1为患者的大腿的重心与髋关节40之间的距离，l2为患者的小腿的重心与膝关节50之间的距离，α为患者的髋关节40的实时角度，β为患者的膝关节50的实时角度。当所述机器人为上肢康复训练机器人时，G1为患者的大臂的重量，G2为患者的小臂的重量，L1为患者的大臂的长度，L2为患者的小臂的长度，l1为患者的大臂的重心与肩关节40’之间的距离，l2为患者的小臂的重心与肘关节50’之间的距离，α为患者的肩关节40’的实时角度，β为患者的肘关节50’的实时角度。
请继续参考图6，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的患者的上肢/下肢对第二关节产生的扭矩的示意图。如图6所示，患者的上肢/下肢对所述第二关节20所产生的扭矩满足如下关系式：
T32＝F2×LR2＝F2×L2×sin(θ2-θ1) (11)
其中，θ2为所述第二关节20的实时角度，θ1为所述第一关节10的实时角度。
请继续参考图1，如图1所示，所述机械臂还包括与所述第一关节10相连的基座关节80。所述基座关节80的实时理论扭矩也可通过上述的公式(1)进行计算，且所述基座关节80所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩可通过上述的公式(2)求得，其所受到的实时摩擦力补偿扭矩可通过上述的公式(3)求得，其所受到的患者的上肢/下肢对其施加的附加扭矩可通过上述的公式(8)求得。
综上所述，本发明提供的状态监测方法通过实时计算各个关节在当前时刻的理论扭矩，并将各个关节在当前时刻的理论扭矩与其在当前时刻的实际扭矩进行比较，以判断各个关节在当前时刻是否出现扭矩故障，因此相比于现有技术中采用固定的阈值进行扭矩监测的方法，本发明提供的状态监测方法的监测灵敏度更高，实时性更好，能够及时、准确地判断出机器人是否出现扭矩故障，大大提高了机器人在使用过程中的安全性能。
基于同一发明构思，本发明还提供一种安全控制装置，应用于机器人，所述机器人包括至少一条机械臂，所述机械臂包括至少两个相连的关节。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，所述机器人可以为上肢康复训练机器人、下肢康复训练机器人或除康复训练机器人以外的其它机器人，本发明对此并不进行限制。请参考图7，其示意性地给出了本发明一实施方式的安全控制装置的结构框图，如图7所示，所述安全控制装置包括监测模块100、判断模块200和执行模块300。
其中，所述监测模块100包括第一监测单元110，所述第一监测单元110用于采用上文所述的状态监测方法对各条所述机械臂的各个关节的扭矩进行实时监测；所述判断模块200用于根据接收到的所述监测模块100的监测结果，判断所述机器人是否出现故障，并进行故障等级划分；所述执行模块300用于根据接收到的所述判断模块200输出的故障等级，执行与所述故障等级对应的操作。
请参考表2，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的故障等级与故障类型之间的对应关系。如表2所示：
表2故障类型与故障等级之间的对应关系
Figure BDA0003040243160000151
Figure BDA0003040243160000161
由此，本发明提供的安全控制装置，通过对机器人的各个关节的扭矩进行实时监测，可以实时监测各个关节的扭矩差值(理论扭矩与实际扭矩之间的差值)是否超出其预设误差范围，从而可以在某个关节出现扭矩故障时(划分为中等级故障))，及时采取相应措施，例如，停机，排除外围异常，复位继续，如果不能排除，则切断所述机器人的电源，进行关机处理。可见，本发明提供的安全控制装置能够自动识别设备的运行状态，并能够针对不同的故障类型采取相应的分级响应措施，从而能够进一步提高机器人在使用过程中的安全性能。此外，由于所述第一监测单元110是采用上文所述的状态监测方法对机器人的各个关节的扭矩进行实时监测的，因此本发明提供的安全监控装置还具有上文所述的状态监测方法的所有优点，故对此不再进行赘述。
如图7所示，所述监测模块100还包括第二监测单元120和第三监测单元130；所述第二监测单元120用于对所述机器人的各个关节的角度进行实时监测；所述第三监测单元130用于对所述机器人的各个关节的速度进行实时监测。由此，通过对机器人的各个关节的角度进行实时监测，可以实时监测所述机器人的各个关节的运行角度有没有超出其各自的角度范围，从而可以在某个关节的角度超出其角度范围时(划分为高等级故障)，及时采取相应措施，例如停机，放下人腿，收拢设备，重新开始。通过对机器人的各个关节的速度进行实时监测，可以实时监测所述机器人的各个关节的运行速度有没有超出其各自的速度范围，从而可以在某个关节的运行速度超出其速度范围时(划分为高等级故障)，及时采取相应措施，例如，停机，放下人腿，收拢设备，重新开始。
进一步地，当所述机器人为上肢/下肢康复训练机器人时，如图7所示，所述监测模块100还包括第四监测单元140，所述第四监测单元140用于对患者的上肢/下肢的肌肉状态进行实时监测。由此，通过对患者的上肢/下肢的肌肉状态进行实时监测，可以实时监测患者的上肢/下肢有没有出现痉挛，从而可以在患者的上肢/下肢出现痉挛时(划分为低等级故障)，及时采取相应措施，例如，停机，询问患者能否继续进行康复训练，若能够继续进行康复训练，则复位继续进行康复训练，以保护患者安全。具体地，可以在所述机器人的机械臂的各个关节上安装扭矩传感器，通过扭矩传感器测得的扭矩判断患者的上肢/下肢有没有出现痉挛，当扭矩传感器测得的扭矩突然增大时，说明患者的上肢/下肢出现了肌肉痉挛。
更进一步地，当所述机械臂包括依次相连的第一关节、第二关节和末端关节，其中，所述第一关节对应人体的髋关节/肩关节，所述第二关节对应人体的膝关节/肘关节，所述末端关节对应人体的踝关节/腕关节时，如图7所示，所述监测模块100还包括第五监测单元150，所述第五监测单元150用于对患者的上肢/下肢的各个关节的角度进行实时监测。由此，通过对患者的上肢/下肢的各个关节的角度进行实时监测，可以实时监测患者的上肢/下肢的各个关节的角度(即角度)是否超出预设角度范围(该角度范围可为医生人为设定的，也可以为根据人体的上肢/下肢关节形体特性所得到的)，从而可以在患者的上肢/下肢的关节超出预设角度范围时(划分为高等级故障)，及时采取相应措施，例如，停机，放下人腿/手臂，收拢设备，重新开始。其中，在一些实施方式中，患者的上肢的各个关节的角度可以通过机械臂的各个关节的角度以及患者的上肢信息(例如大臂长、小臂长)计算得到，患者的下肢的各个关节的角度可以通过机械臂的各个关节的角度以及患者的下肢信息(例如大腿长、小腿长)。在另一些实施方式中，也可以在患者的上肢/下肢的各个关节上安装角度传感器，以获得患者的上肢/下肢的各个关节的角度。
如图7所示，在一种示范性的实施方式中，所述监测模块100还包括第六监测单元160，所述第六监测单元160用于对所述机器人的报警信息进行实时监测。由此，通过对所述机器人的报警信息，例如控制器报警、驱动器报警、电机报警、通讯报警等报警信息进行实时监测，可以实时监测有没有出现报警，从而可以在监测到报警信息时(划分为低等级故障)，及时采取相应措施，例如当监测到通讯报警时(即网络连接不通时)，先停机，再复位继续。
如图7所示，在一种示范性的实施方式中，所述监测模块100还包括第七监测单元170，所述第七监测单元170用于对所述机器人的笛卡尔坐标系下的虚拟空间进行实时监测。由此，通过对所述机器人的笛卡尔坐标系下的虚拟空间进行实时监测，可以实时监测所述机器人是否超出工作范围，从而可以在所述机器人超出其工作范围时(划分为高等级故障)，及时采取相应措施，例如停机，放下人腿，收拢设备，重新开始。需要说明的是，本文中所称的机器人的笛卡尔坐标系下的虚拟空间是指机器人的机械臂在笛卡尔坐标系下的三维位置。
如图7所示，在一种示范性的实施方式中，所述监测模块100还可包括第八监测单元180，所述第八监测单元180用于对所述机器人的安放状态进行实时监测。具体地，可以通过安装于所述机器人上的陀螺仪对所述机器人的安放状态进行监测，由此，通过对所述机器人的安放状态进行实时监测，可以实时监测所述机器人的是否出现侧翻、倾斜、平移等现象，从而可以在所述机器人出现侧翻、倾斜或平移时(划分为最高等级故障)，及时采取相应措施，例如切断电源，进行关机处理。
进一步地，如图7所示，所述执行模块300包括停止单元310、报警单元320和电源控制单元330；所述停止单元310用于在所述机器人出现任意等级的故障时，执行停机操作；所述报警单元320用于在所述机器人出现任意等级的故障时，执行报警操作；所述电源控制单元330用于在所述机器人出现对应等级的故障时，执行关机操作。由此，此种设置，可以更好地确保所述执行模块300能够根据所述判断模块200输出的故障等级，及时、准确地执行相应的操作。
如图7所示，在一种示范性的实施方式中，所述安全控制装置还包括初始化模块400和通信模块500，其中，所述初始化模块400用于进行参数配置、信号初始化和/或自检；所述通信模块500用于进行数据的传输。由此，通过所述初始化模块400能够实现硬件参数配置、软件信号初始化以及自检功能；通过所述通信模块500能够传输各种数据，实现与上位机、安全信号灯、安全蜂鸣器之间的通信，此外，通过所述通信模块500还可以实现初始化模块400、监测模块100、判断模块200、执行模块300之间的相互通信。
请参考图8，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的安全控制装置的工作流程示意图。如图8所示，针对上肢/下肢康复训练机器人，通过所述初始化模块400进行初始化后，即可对患者进行上肢/下肢的康复训练，在训练过程中，通过所述监测模块100可以实时监测各种数据，所述判断模块200根据所述监测模块100所监测到的数据，实时判断是否出现故障，若判断结果为出现故障，则输出对应的故障等级，所述执行模块300根据所接收到的故障等级，执行相应操作(例如报警、停机、关机)；对于可恢复类故障(通过复位操作可以消除的故障)，在给定的时间周期内会进行反复确认，若故障排除，则重新开始训练；若故障依旧，则智能性地进行干预，以消除故障，若仍无法消除故障，则结束训练流程，从而提高机器人在使用过程中的安全性能。
与上述的安全控制装置相对应，本发明还提供一种机器人，所述机器人包括上文所述的安全控制装置。由于本发明提供的机器人与上文所述的安全控制装置属于同一发明构思，因此其具有上文所述的安全控制装置的所有优点，故对其所具有的优点不再进行赘述。
与上述的状态监测方法相对应，本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可以实现上文所述的状态监测方法。由于本发明提供的可读存储介质与上文所述的状态监测方法属于同一发明构思，因此其具有上文所述的状态监测方法的所有优点，故对其所具有的优点不再进行赘述。
本发明实施方式的可读存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机硬盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其组合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人具有以下优点：
(1)本发明提供的状态监测方法通过根据预设的扭矩计算模型，分别计算机器人的各条机械臂的各个关节的实时理论扭矩，再根据各个关节的实时理论扭矩以及实时实际扭矩，分别计算各个关节的实时扭矩差值，最后将各个关节的实时扭矩差值和与其对应的预设误差范围进行比较，以判断各个关节在当前时刻是否出现扭矩安全故障。由此可见，本发明提供的状态监测方法通过实时计算各个关节在当前时刻的理论扭矩，并将各个关节在当前时刻的理论扭矩与其在当前时刻的实际扭矩进行比较，以判断各个关节在当前时刻是否出现扭矩故障，因此相比于现有技术中采用固定的阈值进行扭矩监测的方法，本发明提供的状态监测方法的监测灵敏度更高，实时性更好，能够及时、准确地判断出机器人是否出现扭矩故障，大大提高了机器人在使用过程中的安全性能。
(2)本发明提供的安全控制装置通过第一监测单元对机器人的各条机械臂的各个关节的扭矩进行实时监测，通过判断模块判断机器人是否出现故障，并对所出现的故障进行等级划分，通过执行模块根据机器人出现的故障等级，执行对应的操作。由此可见，本发明提供的安全控制装置能够自动识别设备的运行状态，并能够针对不同的故障类型采取相应的分级响应措施，从而能够进一步提高机器人在使用过程中的安全性能。此外，由于所述第一监测单元是采用上文所述的状态监测方法对机器人的各个关节的扭矩进行实时监测的，因此本发明提供的安全监控装置还具有上文所述的状态监测方法的所有优点，故对此不再进行赘述。
(3)由于本发明提供的可读存储介质与上文所述的状态监测方法属于同一发明构思，因此其具有上文所述的状态监测方法的所有优点，故对其所具有的优点不再进行赘述。由于本发明提供的机器人与上文所述的安全控制装置属于同一发明构思，因此其具有上文所述的机器人的所有优点，故对其所具有的优点不再进行赘述。
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种状态监测方法，应用于机器人，其特征在于，所述机器人包括至少一条机械臂，所述机械臂包括至少两个相连的关节，所述状态监测方法包括：
根据预设的扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩；
根据各个所述关节的实时理论扭矩以及各个所述关节的实时实际扭矩，分别计算各个所述关节的实时扭矩差值；
分别判断各个所述关节的实时扭矩差值是否超出其预设误差范围；
若所述关节的实时扭矩差值超出其预设误差范围，则判定所述关节出现扭矩故障。
2.根据权利要求1所述的状态监测方法，其特征在于，所述机器人为上肢/下肢康复训练机器人，所述根据预设的扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩，包括：
按照如下扭矩计算模型，分别计算各条所述机械臂的各个关节的实时理论扭矩：
Ti＝T1i+T2i+T3i
其中，Ti为关节i的实时理论扭矩，T1i为所述关节i所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩，T2i为所述关节i所受到的实时摩擦力补偿扭矩，T3i为所述关节i所受到的患者的上肢/下肢所施加的实时附加扭矩。
3.根据权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，所述关节i所受到的机械臂重力所施加的实时扭矩T1i的计算公式如下所示：
TIi＝aisinθi+bi
其中，ai为与所述关节i相关的一次项系数，θi为所述关节i的实时角度，bi为与所述关节i相关的常数项系数。
4.根据权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，所述关节i所受到的实时摩擦力补偿扭矩T2i的计算公式如下所示：
T2i＝civi 2+divi+ei
其中，ci为与所述关节i相关的二次项系数，vi为所述关节i的实时速度，di为与所述关节i相关的一次项系数，ei为与所述关节i相关的常数项系数。
5.根据权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，所述关节i所受到的患者的上肢/下肢所施加的实时附加扭矩T3i的计算公式如下所示：
T3i＝Fi×LRi
其中，Fi为患者的上肢/下肢对所述关节i的实时作用力，LRi为Fi的力臂。
6.根据权利要求5所述的状态监测方法，其特征在于，所述机械臂包括依次相连的第一关节、第二关节和末端关节，其中，所述第一关节对应人体的髋关节/肩关节，所述第二关节对应人体的膝关节/肘关节，所述末端关节对应人体的踝关节/腕关节，所述第二关节所受到的患者的上肢/下肢所施加的实时附加扭矩T32的计算公式如下所示：
T32＝F2×LR2
Figure FDA0003040243150000021
LR2＝L2×sin(θ2-θ1)
其中，G1为患者的大腿/大臂的重量，G2为患者的小腿/小臂的重量，L1为患者的大腿/大臂的长度，L2为患者的小腿/小臂的长度，l1为患者的大腿/大臂的重心与髋关节/肩关节之间的距离，l2为患者的小腿/小臂的重心与膝关节/肘关节之间的距离，α为患者的髋关节/肩关节的实时角度，β为患者的膝关节/肘关节的实时角度，θ2为所述第二关节的实时角度，θ1为所述第一关节的实时角度。
7.一种安全控制装置，应用于机器人，其特征在于，所述机器人包括至少一条机械臂，所述机械臂包括至少两个相连的关节，所述安全控制装置包括监测模块、判断模块和执行模块；
所述监测模块包括第一监控单元，所述第一监控单元用于采用权利要求1至6中任一项所述的状态监测方法对各条所述机械臂的各个关节的扭矩进行实时监测；
所述判断模块根据接收到的所述监测模块的监测结果，判断所述机器人是否出现故障，并进行故障等级划分；
所述执行模块根据接收到的所述判断模块输出的故障等级，执行与所述故障等级对应的操作。
8.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述监测模块还包括第二监测单元和第三监测单元，所述第二监测单元用于对各条所述机械臂的各个关节的角度进行实时监测，所述第三监测单元用于对各条所述机械臂的各个关节的速度进行实时监测。
9.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述机器人为上肢/下肢康复训练机器人，所述监测模块还包括第四监测单元，所述第四监测单元用于对患者的上肢/下肢的肌肉状态进行实时监测。
10.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述机器人为上肢/下肢康复训练机器人，所述机械臂包括依次相连的第一关节、第二关节和末端关节，其中，所述第一关节对应人体的髋关节/肩关节，所述第二关节对应人体的膝关节/肘关节，所述末端关节对应人体的踝关节/腕关节，所述监测模块还包括第五监测单元，所述第五监测单元用于对患者的上肢/下肢的各个关节的角度进行实时监测。
11.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述监测模块还包括第六监测单元，所述第六监测单元用于对所述机器人的报警信息进行实时监测。
12.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述监测模块还包括第七监测单元，所述第七监测单元用于对所述机器人的笛卡尔坐标系下的虚拟空间进行实时监测。
13.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述监测模块还包括第八监测单元，所述第八监测单元用于对所述机器人的安放状态进行实时监测。
14.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述执行模块包括停止单元、报警单元和电源控制单元；
所述停止单元用于在所述机器人出现任意等级的故障时，执行停机操作；
所述报警单元用于在所述机器人出现任意等级的故障时，执行报警操作；
所述电源控制单元用于在所述机器人出现对应等级的故障时，执行关机操作。
15.根据权利要求7所述的安全控制装置，其特征在于，所述安全控制装置还包括通信模块，所述通信模块用于进行数据的传输。
16.一种机器人，其特征在于，包括权利要求7至15中任一项所述的安全控制装置。
17.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的状态监测方法。
CN202110455082.9A 2021-04-26 2021-04-26 状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人 Pending CN115245439A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110455082.9A CN115245439A (zh) 2021-04-26 2021-04-26 状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人
PCT/CN2022/084633 WO2022228031A1 (zh) 2021-04-26 2022-03-31 状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110455082.9A CN115245439A (zh) 2021-04-26 2021-04-26 状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115245439A true CN115245439A (zh) 2022-10-28

Family

ID=83696903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110455082.9A Pending CN115245439A (zh) 2021-04-26 2021-04-26 状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN115245439A (zh)
WO (1) WO2022228031A1 (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6537920B2 (ja) * 2015-07-31 2019-07-03 東芝機械株式会社 金型保護方法および装置、型締装置
CN106826819B (zh) * 2017-01-15 2019-07-30 上海新时达电气股份有限公司 桁架机器人防碰撞检测方法及装置
CN109093623B (zh) * 2018-08-24 2020-11-03 北京秘塔网络科技有限公司 一种基于闭环结构的扭矩计算、碰撞检测与拖动示教方法
CN110652423B (zh) * 2019-10-12 2021-11-12 东南大学 带有精确力控制的可穿戴式上肢康复训练机器人
CN113043325B (zh) * 2019-12-27 2022-08-16 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 一种机器人关节运动状态的检测方法及装置
CN111419644B (zh) * 2020-06-09 2020-09-29 上海神泰医疗科技有限公司 康复机器人的操作方法、康复机器人及可读存储介质
CN112455425B (zh) * 2020-12-10 2022-04-19 上海馨联动力系统有限公司 一种混合动力汽车发动机扭矩故障控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022228031A1 (zh) 2022-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107645980B (zh) 由致动器驱动之机器人关节的控制/调整方法及装置
Mathiassen et al. An ultrasound robotic system using the commercial robot UR5
Gonzalez et al. Development and evaluation of a musculoskeletal model of the elbow joint complex
JP5368311B2 (ja) 固有受容機能を評価するための方法および装置
WO2022142578A1 (zh) 一种医疗机器人、故障检测方法及存储介质
WO2022247172A1 (zh) 按摩运动控制方法、装置、机器人控制设备及存储介质
CN112086166A (zh) 一种骨科患者皮肤牵引护理方法与系统
WO2016136298A1 (ja) アクチュエータ及び医療用支持アーム装置
CN115245439A (zh) 状态监测方法、安全控制装置、存储介质和机器人
Alonso Sanchez et al. A case study of safety in the design of surgical robots: The ARAKNES platform
Mason et al. Development of a portable closed-loop atracurium infusion system: systems methodology and safety issues
CN111558933B (zh) 一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法
US11638616B2 (en) System and method for controlling a robot arm
CN110974602A (zh) 一种上肢外骨骼运动关节保护装置
Bürger et al. Design and test of a safe numerical control for robotic surgery
Dawson et al. BrachIOPlexus: Myoelectric training software for clinical and research applications
JP2023548953A (ja) センサ出力データを組み合わせて外骨格の安全でない動作を防止する
CN116531107A (zh) 力感知装置、医疗器械、医疗操控系统及主从式医疗操控系统
CN111558934A (zh) 一种机器人模拟人体四肢肌肉主动力学状态的方法
Kai et al. Development of a new compact and light velocity-based mechanical safety device for a rehabilitation assist suit
Song et al. Development of a new compliant exoskeleton device for elbow joint rehabilitation
Amigo et al. Study of patient-orthosis interaction forces in rehabilitation therapies
Dusarlapudi et al. COVID-19 patient breath monitoring and assessment with MEMS accelerometer-based DAQ-a Machine Learning Approach
US20220133218A1 (en) Smart joint monitor for bleeding disorder patients
Pourkand et al. Motion-Tracking Drill System Using a Haptic Device for Evaluating and Training Motor Skills of Orthopaedic Resident Physicians Outside the Operating Room: A Pilot Study

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination