一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法.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CN113197752A(43)申请公布日2021.08.03(21)申请号202110478153.7(22)申请日2021.04.30(71)申请人华中科技大学地址430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人熊蔡华张昊何畅陈名欢邓地梁李宇昊(74)专利代理机构华中科技大学专利中心42201代理人尚威孔娜(51)Int.Cl.A61H1/02(2006.01)A63B23/12(2006.01)A63B21/00(2006.01)权利要求书1页说明书6页附图3页(54)发明名称一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法(57)摘要本发明属于重力补偿相关技术领域，并一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法。该方法包括下列步骤：S1将携带有康复机器人的人体上肢的运动划分为主动运动模式和被动运动模式，测量被动模式下康复机器人在不同位姿下各个关节的关节角，计算机械臂对人体上肢的支撑力，以此获得关节角和支撑力一一对应的数据集；S2构建预测模型，其中关节角作为输入，支撑力作为输出；测量在主动运动模式下人体上肢受到的合力以及实时关节角，利用实时关节角和预测模型获得上肢重力补偿预测值，利用合力减去重力补偿预测值，以此实现主动运动模式下人体上肢重力的补偿。通过本发明，解决传统重力补偿方法不能提供实时补偿或者动力学建模困难的问题。CN113197752ACN113197752A权利要求书1/1页1.一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：S1将携带有康复机器人的人体上肢的运动划分为主动运动模式和被动运动模式，被动运动模式下康复机器人带动人体上肢运动，主动运动模式下康复机器人辅助人体上肢运动，测量被动模式下康复机器人在不同位姿下各个关节的关节角，并计算机械臂对人体上肢的支撑力，以此获得各个关节的关节角和支撑力一一对应的数据集；S2利用所述数据集构建预测模型，该预测模型中各个关节的关节角作为输入，所述支撑力作为输出；测量在主动运动模式下人体上肢受到的合力以及各个关节的实时关节角，利用实时关节角和预测模型获得康复机器人对人体上肢的预测支撑力，即上肢重力补偿预测值，利用所述人体上肢受到的合力减去所述预测重力补偿预测值，以此实现主动运动模式下人体上肢重力的补偿。2.如权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，在步骤S1中，计算机械臂对人体上肢的支撑力是通过测量人体上肢对康复机器人的扭矩，然后利用该扭矩计算获得人体上肢的支撑力。3.如权利要求2所述的一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，所述利用扭矩计算机械臂对人体上肢的支撑力，按照下列关系式进行：其中，M是人体上肢对康复机器人的扭矩，J是关节坐标系到手臂护套坐标系的雅克比矩阵，是康复机器人对人体上肢的支撑力。4.如权利要求3所述的一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，所述支撑力采用最小二乘法计算获得。5.如权利要求1或2所述的一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，在步骤S2中，所述预测模型采用径向基函数神经网络构建。6.如权利要求1或2所述的一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，在步骤S2中，所述预测模型包括输入层、隐藏层和输出层，使用k‑均值聚类法确定聚类中心和隐藏神经元宽度，以康复机器人关节角作为输入，上肢重力补偿值为输出。7.如权利要求1或2所述的一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，在步骤S2中，利用所述人体上肢受到的合力减去所述上肢重力补偿预测值时，还需将所述上肢重力补偿预测值转换至与所述合力至同一个坐标系中。8.如权利要求7所述的一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法，其特征在于，所述支撑力按照下列关系式转换至所述合力的所在的坐标系中：其中，是所述合力所在的世界坐标系中的支撑力，R是关节坐标系与世界坐标系的转换矩阵。2CN113197752A说明书1/6页一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法技术领域[0001]本发明属于重力补偿相关技术领域，更具体地，涉及一种上肢康复机器人的肢体重力动态补偿方法。背景技术[0002]目前上肢康复机器人的重力补偿方法主要有两种类型，一种是通过配重、弹簧或由辅助致动器产生主动力来抵消重力；另一种是通过输入扭矩的最佳控制来实现。在这种情况下，控制律将抵消机器人连杆动力学上的重力效应项。此两种重力补偿方法存在以下缺点：[0003]由于康复机器人尺寸的限制，配重重力平衡方案的使用在一些应用中会被限制，弹簧的补偿策略则需要确定补偿机制的确切位置。通过输入扭矩的最佳控制实现重力补偿的方案因为需要根据康复机器人的位置和关节速度不断更新补偿电压，