本發(fā)明涉及服務(wù)機器人運動控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于動力學系統(tǒng)的機器人控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的下肢康復機器人采用基于運動學的控制方式，在離線條件下根據(jù)醫(yī)生的一些經(jīng)驗規(guī)劃出一些關(guān)節(jié)的運動軌跡，通過關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的運行，使下肢康復機器人帶動患者的關(guān)節(jié)進行運動，具有一定的輔助康復作用。由于康復機器人的關(guān)節(jié)采用了運動學的控制方式，迫使患者需要康復的關(guān)節(jié)被動的跟隨康復機器人運動，導致患者主觀動作的能力難以體現(xiàn)，在治療過程中的治療效果也不易體現(xiàn)?，F(xiàn)代醫(yī)學對于治療過程中的效果以及患者康復速度的要求不斷地提高，迫使下肢康復機器人需要更好的性能，使得基于動力學系統(tǒng)的康復機器人安全控制方法具有較高的應用價值與推廣意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于動力學系統(tǒng)的機器人控制方法及系統(tǒng)，實現(xiàn)對下肢康復機器人的安全控制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：

根據(jù)機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)建機器人動力學模型；

采集整個機器人所需要的信號，所述信號包括關(guān)節(jié)力矩信號、角度與角速度信號、電機電流信號；

根據(jù)最小二乘法辨識出患者佩戴機器人后的整體動力學模型以及摩擦模型參數(shù)；

根據(jù)關(guān)節(jié)力矩信號獲取關(guān)節(jié)力矩曲線及相應的摩擦力矩曲線，并根 據(jù)給定的運動軌跡預測出各關(guān)節(jié)的最優(yōu)控制序列；

根據(jù)關(guān)節(jié)力矩信號和角度與角速度信號計算出患者的發(fā)力情況，完成對患者恢復狀態(tài)的診斷。

進一步的，根據(jù)關(guān)節(jié)力矩信號獲取關(guān)節(jié)力矩曲線及相應的摩擦力矩曲線，并根據(jù)給定的運動軌跡預測出各關(guān)節(jié)的最優(yōu)控制序列，具體為：當患者佩戴好機器人后，抽象出整個機器人的動力學模型；獲取動力學系統(tǒng)的關(guān)節(jié)合力矩曲線及相應的摩擦力矩曲線；根據(jù)關(guān)節(jié)合力矩曲線以及相對應的摩擦力矩曲線預測出各關(guān)節(jié)的最優(yōu)控制策略。

進一步的，所述最優(yōu)控制策略包括最優(yōu)控制序列。

進一步的，所述根據(jù)關(guān)節(jié)力矩信號和角度與角速度信號計算出患者的發(fā)力情況，具體為：根據(jù)關(guān)節(jié)合力矩及相應的摩擦力矩的曲線，通過電機的電流傳感器計算出電機輸出的力矩，結(jié)合關(guān)節(jié)的力矩信號，得到患者的發(fā)力情況。

進一步的，所述控制方法還包括：判斷患者關(guān)節(jié)的屈伸位置，當屈伸位置達到極限時，將電機鎖死。

本發(fā)明還提供一種基于動力學系統(tǒng)的機器人安全控制裝置，包括：模型構(gòu)建單元，用于根據(jù)機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)建機器人動力學模型。

信息采集單元用于采集整個下肢康復機器人所需要的信號；

參數(shù)辨識單元結(jié)合患者佩戴部位對機器人進行動力學模型的參數(shù)辨識；

控制單元用于根據(jù)逆動力學計算的方法得到各個關(guān)節(jié)的控制序列；

診斷單元用于根據(jù)信息采集單元中的轉(zhuǎn)矩傳感器和電流傳感器的反饋值計算出患者的發(fā)力情況，完成對患者恢復狀態(tài)的診斷；

安全保護單元，用于對患者待康復的關(guān)節(jié)進行保護。

進一步的，所述信息采集單元還包括轉(zhuǎn)矩傳感器、位置和速度傳感器及電流傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器用于采集關(guān)節(jié)的力矩信號；位置和速度傳感器用于采集關(guān)節(jié)的角度與角速度信號；電流傳感器用于采集驅(qū)動電機的電流信號。

進一步的，所述控制單元還包括有抽象模塊、計算模塊及預測模塊；

所述抽象模塊，用于當患者佩戴好機器人后，抽象出整個機器人的動力學模型；

所述計算模塊，用于獲取動力學系統(tǒng)的關(guān)節(jié)合力矩曲線及相應的摩擦力矩曲線；

所述預測模塊，用于根據(jù)關(guān)節(jié)合力矩曲線以及相對應的摩擦力矩曲線預測出各關(guān)節(jié)的最優(yōu)控制策略，其中所述最優(yōu)控制策略包括機器人的最優(yōu)控制序列。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明由于采用力矩傳感器，角度傳感器以及電流傳感器，完成對患者佩戴下肢康復機器人后的整體動力學模型以及摩擦力矩模型進行辨識，可以在患者進行康復訓練中提取出由患者本身提供的驅(qū)動力矩，診斷出患者的恢復情況，以此可以更好的幫助患者的下肢康復。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種基于動力學系統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種基于動力學系統(tǒng)的機器人控制方法的流程圖；

具體實施方式

請參閱圖1，圖1是本發(fā)明實施例提供的一種基于動力學系統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的基于動力學系統(tǒng)的機器人控制系統(tǒng)10包括模型構(gòu)建單元11、信息采集單元12、參數(shù)辨識單元13、控制單元14、診斷單元15以及安全保護單元16。

模型構(gòu)建單元11用于根據(jù)機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)建機器人動力學模型。

信息采集單元12用于采集整個下肢康復機器人(以下簡稱“機器人”)所需要的信號。所屬信息采集單元12還包括轉(zhuǎn)矩傳感器121、位置和速度傳感器122及電流傳感器123。轉(zhuǎn)矩傳感器121用于采集關(guān)節(jié)的力矩信號；位置和速度傳感器122用于采集關(guān)節(jié)的角度與角速度信號； 電流傳感器123用于采集驅(qū)動電機的電流信號。

參數(shù)辨識單元13結(jié)合患者佩戴部位對機器人進行動力學模型的參數(shù)辨識。具體實現(xiàn)方法為：參數(shù)辨識單元13獲取到信息采集模塊12采集的角度信號序列和力矩信號序列科畫出關(guān)節(jié)角度軌跡和轉(zhuǎn)矩的曲線，并根據(jù)最小二乘法辨識出患者佩戴機器人后的整體動力學模型以及摩擦模型參數(shù)。

控制單元14用于根據(jù)逆動力學計算的方法得到各個關(guān)節(jié)的控制序列。其中，控制單元14還包括有抽象模塊141、計算模塊142及預測模塊143。其中，抽象模塊141，用于當患者佩戴好機器人后，抽象出整個機器人的動力學模型。計算模塊142，用于獲取動力學系統(tǒng)的關(guān)節(jié)合力矩曲線及相應的摩擦力矩曲線。進一步的，所述計算模塊142根據(jù)醫(yī)生事先規(guī)劃的軌跡，采用逆動力學計算的方法得到在給定的運動軌跡下，動力學系統(tǒng)的關(guān)節(jié)合力矩曲線以及相對應的摩擦力矩曲線。預測模塊143，用于根據(jù)關(guān)節(jié)合力矩曲線以及相對應的摩擦力矩曲線預測出各關(guān)節(jié)的最優(yōu)控制策略，其中所述最優(yōu)控制策略包括機器人的最優(yōu)控制序列。

診斷單元15用于根據(jù)信息采集單元12中的轉(zhuǎn)矩傳感器121和電流傳感器123的反饋值計算出患者的發(fā)力情況，完成對患者恢復狀態(tài)的診斷。具體實現(xiàn)方式為：獲取控制單元14得出的關(guān)節(jié)合力矩及相應的摩擦力矩的曲線，通過電機的電流傳感器123計算出電機輸出的力矩，結(jié)合轉(zhuǎn)矩傳感器121的反饋值，得到患者的發(fā)力情況，完成對患者發(fā)力能力的診斷。

安全保護單元16，用于對患者待康復的關(guān)節(jié)進行保護。具體為：根據(jù)信息采集單元12中位置和速度傳感器122的角度反饋判斷患者關(guān)節(jié)的屈伸位置，當屈伸位置達到限制時，將電機鎖死，保護患者在康復訓練中不受傷害，完成安全保護功能。

由于本發(fā)明通過采用力矩傳感器，角度傳感器以及電流傳感器，完成對患者佩戴下肢康復機器人后的整體動力學模型以及摩擦力矩模型進行辨識，可以在患者進行康復訓練中提取出由患者本身提供的驅(qū)動力矩，診斷出患者的恢復情況，以此可以更好的幫助患者的下肢康復。

本發(fā)明還提供了一種基于動力學系統(tǒng)的機器人安全控制方法，該控制方法應用于前文的機器人安全控制系統(tǒng)中。具體請參閱圖2，圖2是本發(fā)明實施例提供的一種基于動力學系統(tǒng)的機器人安全控制方法的流程圖。

如圖2所示，本發(fā)明的基于動力學系統(tǒng)的機器人安全控制方法包括以下步驟：

步驟S1：根據(jù)機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)建機器人動力學模型。

步驟S2：采集整個機器人所需要的信號，所述信號包括關(guān)節(jié)力矩信號、角度與角速度信號、電機電流信號。

步驟S3：根據(jù)最小二乘法辨識出患者佩戴機器人后的整體動力學模型以及摩擦模型參數(shù)。

步驟S4：根據(jù)關(guān)節(jié)力矩信號獲取關(guān)節(jié)力矩曲線及相應的摩擦力矩曲線，并根據(jù)給定的運動軌跡預測出各關(guān)節(jié)的最優(yōu)控制序列。

步驟S4具體為：

S41：當患者佩戴好機器人后，抽象出整個機器人的動力學模型。

S42：獲取動力學系統(tǒng)的關(guān)節(jié)合力矩曲線及相應的摩擦力矩曲線。

具體為：根據(jù)醫(yī)生事先規(guī)劃的軌跡，采用逆動力學計算的方法得到在給定的運動軌跡下，動力學系統(tǒng)的關(guān)節(jié)合力矩曲線以及相對應的摩擦力矩曲線。

S43：根據(jù)關(guān)節(jié)合力矩曲線以及相對應的摩擦力矩曲線預測出各關(guān)節(jié)的最優(yōu)控制策略。

所述最優(yōu)控制策略包括最優(yōu)控制序列。

S5：根據(jù)關(guān)節(jié)力矩信號和角度與角速度信號計算出患者的發(fā)力情況，完成對患者恢復狀態(tài)的診斷。

具體為：根據(jù)步驟S4得出的關(guān)節(jié)合力矩及相應的摩擦力矩的曲線，通過電機的電流傳感器計算出電機輸出的力矩，結(jié)合關(guān)節(jié)的力矩信號，得到患者的發(fā)力情況，完成對患者發(fā)力能力的診斷。

所述基于動力學系統(tǒng)的機器人安全控制方法還包括：

S6：判斷患者關(guān)節(jié)的屈伸位置，當屈伸位置達到極限時，將電機鎖 死。

根據(jù)S2中的角度與角速度信號判斷患者關(guān)節(jié)的屈伸位置，當屈伸位置達到限制時，將電機鎖死，保護患者在康復訓練中不受傷害，完成安全保護功能。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。