[发明专利]一种移乘护理机器人的行为安全控制方法

权利要求书

1.一种移乘护理机器人的行为安全控制方法，所述移乘护理机器人采用前抱式的方式进行移乘，包括下部固定部分和上部支撑部分，下部固定部分和上部支撑部分通过转动臂连接，护理机器人上部支撑部分能围绕下部固定部分与转动臂连接处转动；上部支撑部分包括胸靠、腋下扶手，胸靠能绕转动臂与胸靠连接的铰点处转动，腋下扶手能绕胸靠与腋下扶手的连接点处转动；其特征在于，

转动臂下端与下部固定部分的连接位置处安装第一驱动电机和第一光电编码器；上部支撑部分还包括握力手柄，胸靠和腋下扶手主要起承重作用，握力手柄主要为检测人体不合理姿态的作用，转动臂与胸靠的连接位置安装电动推杆和第二光电编码器，腋下扶手和胸靠的连接位置安装第二驱动电机和第三光电编码器，在护理机器人的握力手柄处安装握力传感器，腋下扶手安装扭矩传感器，胸靠和脚踏板上均布置压力传感器，该方法包括以下步骤：

S1.构建机器人姿态与人体重力分配的解算模型：

通过建立机器人姿态与人体重力分配的解算模型来得到机器人在任意姿态下的人体和机器人接触位置的力；具体过程如下：

S1-1以护理机器人的转动臂下端与下部固定部分的连接位置为坐标原点O，护理机器人的高度方向为y方向，水平方向为x方向，且竖直向上为y轴正方向，被护理者所在方向为x轴正方向，建立xy直角坐标系；转动臂的长度为L₂，下部固定部分的高度为L₁，转动臂与x轴正方向的夹角为关节角θ，转动臂与胸靠的连接点记为M；将被护理者的身体分为上身躯干、大腿和小腿三部分，上身躯干、大腿和小腿的质心分别记为A、B和C，对应的三部分的长度分别记为H1、H2和H3，上身躯干与x轴负方向的夹角为胸靠角度α，大腿与x轴正方向的夹角为β；被护理者的整体重心记为W，被护理者的身高为h，重力为g；腋下扶手与胸靠的初始角度为90°，按照人体各部分质心位置和质量的关系表得到三部分的相对人体总重的比例，在直角坐标系下结合各部分的几何关系计算得到三部分的质心A、B、C在xy直角坐标系中的位置坐标，分别记为(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C，Y_C)，三部分的质心的坐标均为包含参数L₁、L₂、θ、α，g、h的关系式，得到被护理者各部分的质量和位置信息；

S1-2根据力矩合成法按照式(1)和(2)解算人体重心W的位置坐标，即按照各力矩之和等于同矩心的各力之和的力矩，求出人体重心W的位置坐标为(X_W，Y_W)；

G₁X_A+G₂X_B+G₃X_C＝gX_W (1)

G₁Y_A+G₂Y_B+G₃Y_C＝gY_W (2)

式中，G1代表上身躯干的重力，G2代表大腿部分的重力，G3代表小腿部分的重力；

S1-3在不考虑人体内部复杂连接关系的条件下，将步骤S1-2得到的人体重心W的位置坐标作为已知值，根据合力矩定理，将人体的总重力重新分配到机器人对人体的各个支撑位置，上半身由腋下和胸靠支撑，上半身支撑位置为转动臂与胸靠的铰点M，M的坐标记为(X_M，Y_M)，下半身由脚底踏板支撑，被护理者与脚踏板的接触点N为下半身支撑位置，N的坐标记为(X_N，Y_N)，将同一坐标系下两个支撑位置的坐标带入式(3)和(4)中，重新解算两个支撑位置分力的大小；

gX_W＝F_sX_M+F_XX_N (3)

gY_W＝F_sY_M+F_XY_N (4)

式中，F_S为上半身支撑力，F_X为下半身支撑力，

从而得到机器人姿态与人体重力分配的解算模型为：

F_S＝f₁(L₁,L₂,θ,α,g,h)

F_X＝f₂(L₁,L₂,θ,α,g,h)

模型中，函数f₁和f₂分别表示自变量为机器人下部固定部分高度L₁、转动臂长度L₂、转动臂关节角度θ、胸靠角度α、人体重力g和身高h的关于上半身支撑力和下半身支撑力的关系式；

该解算模型将人体分为上半身和下半身，上半身的总重量等于上半身支撑力F_S，上半身的重量主要由腋下扶手和胸靠两部分支撑平衡，则得到式(5)，即上半身的总重量等于腋下力和胸靠力的矢量和，

S2.构建护理机器人动作的期望轨迹：

在两名试验者身体的主要关节处均贴高光亮片，通过录像设备记录人背人过程，根据被背者的主观感受来采集合适的实验样本，多次采集实验样本，删除人体不舒适的实验样本，将人体舒适的实验样本作为合理样本，然后对合理样本的整个过程中的高光亮片点的轨迹进行描点，综合多次实验结果得到一个理想的轨迹，将此轨迹作为护理机器人动作的期望轨迹，并将此期望轨迹输入至护理机器人的上位机系统；

S3.将被护理者的身高、体重信息输入至护理机器人的上位机系统，由上位机系统根据人体各部分质心位置和质量的关系得到该被护理者的肢体各部分尺寸和质量信息；同时将护理机器人的机械结构参数、人体正常状态下的脑电波信号样本和合理的握力手柄的握力值范围提前输入至上位机系统；

S4.护理机器人按照预先设定的期望轨迹动作：

通过第一光电编码器和第二光电编码器，实时测量护理机器人转动臂和胸靠的转动角度，根据所测得的角度来控制机器人的当前轨迹跟踪预先设定的期望轨迹，采取稳定控制策略，同时实时采集握力手柄处的握力值和被护理人的脑电波信号，当采集的握力手柄握力值和脑电波信号同时超出提前输入上位机系统的预设样本的合理范围，立刻跳到步骤S5；

S5.当稳定控制策略出现不合理状态时，上位机系统将第一光电编码器和第二光电编码器采集的护理机器人的转动臂关节角θ和胸靠角度α发送到解算模型中，通过机器人姿态与人体重力分配的解算模型计算得到当前时刻上半身支撑力F_S；再通过第三光电编码器采集腋下扶手与胸靠的相对角度，利用式(5)得到胸靠、腋下扶手两个接触位置的理论接触力；

S6.调整不合理姿态：

将步骤S5计算得到当前时刻腋下扶手、胸靠两个接触位置的理论接触力和由腋下扭矩传感器和胸靠压力传感器测得的实际接触力进行对比匹配，得到误差值ΔF，然后控制器发送相关指令改变转动臂与胸靠连接位置处的电动推杆行程和腋下扶手与胸靠连接位置处第二驱动电机的转速，来调整胸靠角度α和腋下扶手与胸靠的相对角度，使误差值ΔF不大于±1N，然后跳回步骤S4。