上肢康复机器人重力补偿方法、装置及上肢康复机器人.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114404220A(43)申请公布日2022.04.29(21)申请号202210064467.7(22)申请日2022.01.20(71)申请人深圳华鹊景医疗科技有限公司地址518122广东省深圳市坪山区坑梓街道金沙社区锦绣东路22号雷柏中城生命科学园第3分园A栋306(72)发明人黄冠孙维(74)专利代理机构北京荟英捷创知识产权代理事务所(普通合伙)11726代理人张阳(51)Int.Cl.A61H1/02(2006.01)B25J9/16(2006.01)权利要求书3页说明书14页附图2页(54)发明名称上肢康复机器人重力补偿方法、装置及上肢康复机器人(57)摘要本发明提供一种上肢康复机器人重力补偿方法、装置及上肢康复机器人，基于迭代学习在线调节康复机器人各个关节所需的手臂支撑力矩以进行手臂重力补偿，由于迭代学习控制方法不依赖于系统的精确数学模型，能在给定的时间范围内以非常简单的算法实现不确定性高的非线性强耦合动态系统的控制，并高精度跟踪给定的期望轨迹，因此上述重力补偿方法采用的算法简单高效，无需额外部署时间能直接应用于现有上肢康复机器人，实用性更强。CN114404220ACN114404220A权利要求书1/3页1.一种上肢康复机器人重力补偿方法，其特征在于，所述方法包括：获取上肢末端的起始位置及康复训练任务对应的目标位置，以及基于逆运动学算法由所述起始位置、所述目标位置计算得到各个关节的目标关节角度；基于迭代学习在线调节康复机器人所述各个关节的手臂支撑力矩，由所述目标关节角度及与所述目标关节角度对应的实际关节角度、目标关节角速度、实际关节角速度计算得到所述各个关节所需的手臂支撑力矩；基于反馈线性化进行逆动力学控制，由所述各个关节的目标运动参数和实际运动参数计算得到所述各个关节的输出力矩，以及根据所述各个关节的输出力矩计算得到所述各个关节的驱动量；根据所述各个关节的驱动量控制待训练关节施加辅助力矩，以进行康复训练。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述基于逆运动学算法由所述起始位置、所述目标位置计算得到各个关节的目标关节角度，包括：对上肢康复机器人建立DH坐标系，确定末端齐次变换矩阵、线速度雅可比矩阵，设置计算收敛阈值和迭代次数阈值；依次循环计算以下参数：位置误差、关节角度误差、关节角度、循环次数加一；若所述关节角度误差小于或等于所述计算收敛阈值，或迭代次数等于所述迭代次数阈值，则确定当前的关节角度为到达所述目标位置时所述各个关节的关节角度；根据所述各个关节的关节角度插值计算得到所述各个关节的目标关节角度。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，从j＝0开始依次循环计算以下参数：位置误差ej：j＝0时ej＝[xe‑xs，ye‑ys，ze‑zs]，q0＝θs；j＞0时ΔT＝T(qj)‑T(qj‑1)，ej＝ΔT(1：3，4)；TT2‑1关节角度误差Δqj＝Jv(qj)(Jv(qj)Jv(qj)+λI)ej；关节角度qj+1＝qj+Δqj；循环次数j＝j+1；若||Δqj||≤qth或迭代次数j＝M时停止循环，此时关节角度qj+1即到达所述目标位置时所述各个关节角度θe；插值计算所述各个关节的目标角度：tk，0≤tk≤T；3×n其中，粗体表示矢量或矩阵；T(q)∈se(3)表示末端齐次变换矩阵；Jv(q)∈R表示线速度雅可比矩阵；i＝1，2，...，n表示康复机器人的第i个关节；[xs，ys，zs]表示上肢末端的n起始位置的笛卡尔坐标；θs∈R表示康复任务开始时康复机器人各个关节角度值；θs(i)表示θs的第i项，即康复任务开始时第i个关节的角度；[xe，ye，ze]表示上肢末端的目标位置的n笛卡尔坐标；θe∈R表示到达目标位置时康复机器人各个关节角度；θe(i)表示θe的第i项，即到达目标位置时第i个关节的角度；tk表示当前控制时刻，康复运动任务开始时置零；T表示预先设定的康复任务持续时长。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述各个关节所需的手臂支撑力矩的计算公式如下：τg，i(tk)＝(1‑αiQi(tk))·τg，i(tk‑1)+γiQi(tk)·ei(tk)2CN114404220A权利要求书2/3页其中，i＝1，2，...，n表示机器人的第i个关节；tk表示当前控制周期，τg，i(tk)是当前控制周期第i个关节所需的手臂支撑力矩；tk‑1表示上一个控制周期，τg，i(tk‑1)表示上一个控制周期第i个关节所需的手臂支撑力矩；αi表示预先设定的第i个关节的遗忘系数；γi表示预先设定的第i个关节的学习率；ei(tk)表示第i个关节当前控制周期的重力矩误差，Qi(tk)表示当前控制周期第i个关节的平滑系数。5.根据权利要求4所