机器人主被动混合控制方法、系统、电子设备及存储介质技术方案

本发明专利技术提供一种机器人主被动混合控制方法、系统、电子设备及存储介质，该方法包括：根据目标运动完成时间，在所述目标起点与目标终点之间确定一条沿X轴方向和Y轴方向的理想运动轨迹；根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力；根据所述目标作用力，控制所述机器人关节进行相应的运动；获取能够表征用户运动能力的目标运动特征；根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，并返回所述获取所述机器人关节的目标作用力的步骤。本发明专利技术能够解决现有技术中在主动模式下用户主动力量较弱时机器人无法提供有效的额外助力、以及在被动模式下缺乏柔性的问题。

【技术实现步骤摘要】
机器人主被动混合控制方法、系统、电子设备及存储介质
本专利技术涉及机器人控制
，尤其涉及一种机器人主被动混合控制方法、系统、电子设备及存储介质。
技术介绍
上肢康复机器人通过辅助患者进行科学、有效地康复训练，来恢复患者的运动功能。目前的康复机器人一般采用主动或者被动单一训练模式进行训练。在实际康复训练过程中，专利技术人发现现有康复机器人仍然存在较多的问题，其中最为关键的问题表现在以下三个方面：(1)在主动训练模式下，对用户有一定的肌力要求，才能够使用康复机器人进行康复训练。现有康复机器人无法在主动训练时提供有效的额外助力，若用户主动力量较弱，则可能导致无法进行完整的康复训练。(2)在被动训练模式下，通常采用位置控制方法对机器人进行训练，该方法仅关注运动训练的起点和终点，忽略了人体交互力的影响，使得整个训练过程都是“僵硬”的感觉，缺乏柔性。(3)缺乏定量化标准评价来判断用户的运动能力。主要是因为未设计有效的量化指标，以从多个角度对用户训练过程中的运动能力进行有效地判断和评价，从而无法实现主被动混合控制策略。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种机器人主被动混合控制方法、系统、电子设备及存储介质，以解决现有技术中在主动模式下用户主动力量较弱时机器人无法提供有效的额外助力、以及在被动模式下缺乏柔性的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供一种机器人主被动混合控制方法，该方法包括：根据目标运动完成时间，在所述目标起点与目标终点之间确定一条沿X轴方向和Y轴方向的理想运动轨迹，所述理想运动轨迹包括所述机器人关节在各时刻对应的理想位置，其中，X轴方向为垂直于所述目标起点与目标终点所在直线的方向，Y轴方向为平行于所述目标起点与目标终点所在直线的方向；根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力；根据所述目标作用力，控制所述机器人关节进行相应的运动；获取能够表征用户运动能力的目标运动特征；根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，并返回所述根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力的步骤。在本专利技术一个优选实施例中，所述获取能够表征用户运动能力的目标运动特征，包括：获取所述机器人关节的沿X轴方向的平均绝对功率、以及沿X轴方向的位置均方根；所述根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，包括：当所述沿X轴方向的平均绝对功率大于第一功率阈值，且所述沿X轴方向的位置均方根大于第一偏差阈值时，减小所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度；当所述沿X轴方向的平均绝对功率小于第二功率阈值，且所述沿X轴方向的位置均方根小于第二偏差阈值时，增大所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度。在本专利技术一个优选实施例中，所述获取能够表征用户运动能力的目标运动特征，包括：获取所述机器人关节的运动速度；所述根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，包括：根据所述理想运动轨迹获取第一速度阈值和第二速度阈值；当所述机器人关节的运动速度大于所述第一速度阈值的次数超过第一预设数量时，减小所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度；当所述机器人关节的运动速度小于所述第二速度阈值的次数超过第二预设数量时，增大所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度。在本专利技术一个优选实施例中，所述获取能够表征用户运动能力的目标运动特征，包括：获取所述机器人关节的沿Y轴方向的平均绝对功率、以及沿Y轴方向的实际位置与对应理想位置之间的平均偏差值；所述方法还包括：根据所述沿Y轴方向的平均绝对功率、以及沿Y轴方向的实际位置与对应的理想位置之间的平均偏差值，调节所述目标运动完成时间，并返回所述根据目标运动完成时间，在所述目标起点与目标终点之间确定一条沿X轴方向和Y轴方向的理想运动轨迹的步骤。在本专利技术一个优选实施例中，所述根据所述理想运动轨迹、所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力，包括：根据如下式(1)获取所述机器人关节的沿X轴方向的目标作用力Fc,x：其中，k表示所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度，b所述机器人关节的阻尼，x表示所述机器人关节在x轴方向的位置，表示所述机器人关节在x轴方向的速度。在本专利技术一个优选实施例中，所述根据所述理想运动轨迹、所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力，包括：根据如下式(2)获取所述机器人关节的沿Y轴方向的目标作用力Fc，y：其中，k表示所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度，kbw表示所述机器人关节的平行于X轴方向的刚度，b所述机器人关节的阻尼，y表示所述机器人关节在y轴方向的位置，ym.j.表示理想轨迹中与y对应的理想位置，表示所述机器人关节在y轴方向的速度，lm表示所述目标起点与目标终点之间的直线距离。在本专利技术一个优选实施例中，当所述理想运动轨迹由最小抖动轨迹法确定时，所述式(2)中的ym.j.通过如下公式进行计算：其中，t表示所述机器人关节的运动时间，tm表示所述目标运动完成时间。为了实现上述目的，本专利技术还提供一种机器人主被动混合控制系统，该系统包括：轨迹规划模块，用于根据目标运动完成时间，在所述目标起点与目标终点之间确定一条沿X轴方向和Y轴方向的理想运动轨迹，所述理想运动轨迹包括所述机器人关节在各时刻对应的理想位置，其中，X轴方向为垂直于所述目标起点与目标终点所在直线的方向，Y轴方向为平行于所述目标起点与目标终点所在直线的方向；作用力获取模块，用于根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力；控制模块，用于根据所述目标作用力，控制所述机器人关节进行相应的运动；运动特征获取模块，用于获取能够表征用户运动能力的目标运动特征；刚度调节模块，用于根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，并返回所述根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力的步骤。在本专利技术一个优选实施例中，所述运动特征获取模块用于：获取所述机器人关节的沿X轴方向的平均绝对功率、以及沿X轴方向的位置均方根；所述刚度调节模块用于：当所述沿X轴方向的平均绝对功率大于第一功率阈值，且所述沿X轴方向的位置均方根大于第一偏差阈值时，减小所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度；当所述沿X轴方向的平均绝对功率小于第二功率阈值，且所述沿X轴方向的位置均方根小于第二偏差阈值时，增大所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度。在本专利技术一个优选实施例中，所述运动特征获取模块用于：获取所述机器人关节的运动速度；所述刚度调节模块用于：根据所述理想运动轨迹获取第一速度阈值和第二速度阈值；当所述机器人关节的运动速度大于所述第一速度阈值的次数超过第一预设数量时，减小所述机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人主被动混合控制方法，其特征在于，该方法包括：/n根据目标运动完成时间，在目标起点与目标终点之间确定一条沿X轴方向和Y轴方向的理想运动轨迹，其中，X轴方向为垂直于所述目标起点与目标终点所在直线的方向，Y轴方向为平行于所述目标起点与目标终点所在直线的方向；/n根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力；/n根据所述目标作用力，控制所述机器人关节进行相应的运动；/n获取能够表征用户运动能力的目标运动特征；/n根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，并返回所述根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力的步骤。/n

【技术特征摘要】
1.一种机器人主被动混合控制方法，其特征在于，该方法包括：
根据目标运动完成时间，在目标起点与目标终点之间确定一条沿X轴方向和Y轴方向的理想运动轨迹，其中，X轴方向为垂直于所述目标起点与目标终点所在直线的方向，Y轴方向为平行于所述目标起点与目标终点所在直线的方向；
根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力；
根据所述目标作用力，控制所述机器人关节进行相应的运动；
获取能够表征用户运动能力的目标运动特征；
根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，并返回所述根据所述理想运动轨迹、以及所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力的步骤。


2.根据权利要求1所述的机器人主被动混合控制方法，其特征在于，所述获取能够表征用户运动能力的目标运动特征，包括：
获取所述机器人关节的沿X轴方向的平均绝对功率、以及沿X轴方向的位置均方根；
所述根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，包括：
当所述沿X轴方向的平均绝对功率大于第一功率阈值，且所述沿X轴方向的位置均方根大于第一偏差阈值时，减小所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度；
当所述沿X轴方向的平均绝对功率小于第二功率阈值，且所述沿X轴方向的位置均方根小于第二偏差阈值时，增大所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度。


3.根据权利要求1所述的机器人主被动混合控制方法，其特征在于，所述获取能够表征用户运动能力的目标运动特征，包括：
获取所述机器人关节的运动速度；
所述根据所述目标运动特征，调节所述机器人关节的刚度，包括：
根据所述理想运动轨迹获取第一速度阈值和第二速度阈值；
当所述机器人关节的运动速度大于所述第一速度阈值的次数超过第一预设数量时，减小所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度；
当所述机器人关节的运动速度小于所述第二速度阈值的次数超过第二预设数量时，增大所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度。


4.根据权利要求1所述的机器人主被动混合控制方法，其特征在于，所述获取能够表征用户运动能力的目标运动特征，包括：
获取所述机器人关节的沿Y轴方向的平均绝对功率、以及沿Y轴方向的实际位置与对应理想位置之间的平均偏差值；
所述方法还包括：
根据所述沿Y轴方向的平均绝对功率、以及沿Y轴方向的实际位置与对应的理想位置之间的平均偏差值，调节所述目标运动完成时间，并返回所述根据目标运动完成时间，在所述目标起点与目标终点之间确定一条沿X轴方向和Y轴方向的理想运动轨迹的步骤。


5.根据权利要求1所述的机器人主被动混合控制方法，其特征在于，所述根据所述理想运动轨迹、所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力，包括：
根据如下式(1)获取所述机器人关节的沿X轴方向的目标作用力Fc,x：



其中，k表示所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度，b所述机器人关节的阻尼，x表示所述机器人关节在x轴方向的位置，表示所述机器人关节在x轴方向的速度。


6.根据权利要求1所述的机器人主被动混合控制方法，其特征在于，所述根据所述理想运动轨迹、所述机器人关节的刚度和阻尼，获取所述机器人关节的目标作用力，包括：
根据如下式(2)获取所述机器人关节的沿Y轴方向的目标作用力Fc,y：



其中，k表示所述机器人关节的平行于Y轴方向的刚度，kbw表示所述机器人关节的平行于X轴方向的刚度，b所述机器人关节的阻尼，y表示所述机器人关节在y轴方向的位置，ym.j.表示理想轨迹中与y对应的理想位置，表示所述机器人关节在y轴方向的速度，lm表示所述目标起点与目标终点之间的直线距离。


7.根据权利要求6所述的机器人主被动混合控制方法，其特征在于，当所述理想运动轨迹由最小抖动轨迹法确定时，所述式(2)中的ym.j.通过如下公式进行计算：



其中，t表示所述机器人关节的运动时间，tm表示所述目标运动完成时间。


8.一种机器人主被动混合控制系统，其特征在于，该系统包括：
轨迹规划模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐颖俊，邓杨，张南南，范渊杰，郭凤仙，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31