[发明专利]一种机器人辅助站立轨迹生成方法

权利要求书

1.一种机器人辅助站立轨迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取人体测量学参数，包括人体脚部，小腿，大腿及整体上肢躯干的长度，质量，质心位置及转动惯量；

步骤2：将人体测量学参数输入到人体简化模型中，得到人体简化动力学模型，将人体简化动力学模型转化为以人体关节力矩作为控制量，人体关节角度和角速度为状态量的状态空间方程；

步骤3：将得到的状态空间方程输入机器人辅助站立轨迹生成器中，得到轨迹；

所述人体简化动力学模型为一个平面四连杆模型，其中：

人体脚部为第一连杆，固定于地面上；

人体小腿为第二连杆，与第一连杆通过旋转关节相连；

人体大腿为第三连杆，与第二连杆通过旋转关节相连；

整体上肢躯干为第四连杆，与第三连杆通过旋转关节相连；

所述状态空间方程如下：

其中θ＝[θ₁ θ₂ θ₃]^T，表示人体关节角度，θ₁为踝关节角度，θ₂为膝关节角度，θ₃为髋关节角度；

表示状态变量；

τ＝[τ₁ τ₂ τ₃]^T表示控制量，即人体关节力矩，τ₁为踝关节力矩，τ₂为膝关节力矩，τ₃为髋关节力矩；

表示人体简化动力学模型的质量矩阵；

C(θ)＝[C₁ C₂ C₃]^T表示离心力及科氏力矩阵，；

G(θ)＝g×[G₁ G₂ G₃]^T表示重力矩阵，g为重力加速度；

表示机器人与人体接触位置的雅克比矩阵；

F_N＝[F_Nx F_Ny]^T表示机器人与人体接触位置的接触力；

所述机器人辅助站立轨迹生成器包括：

身体前倾轨迹生成器：模仿人体自然站立过程中身体前倾的阶段，上肢躯干以髋关节为轴心匀速旋转，直至人体平衡点p_ZMPt在地面的投影点落在人体支撑区域内；

身体伸展轨迹生成器：模仿人体自然站立过程中发力站起的阶段，髋关节及膝关节伸展带动身体站起至完全直立状态，为最小化这一过程中人体的能量消耗，将这个过程转化为一个初始状态固定，末端状态固定的轨迹优化问题，通过转化为一个非线性规划问题来求解得到从初始状态到末端状态的最优轨迹；

所述人体平衡点p_ZMPt在地面的投影点的计算公式为：

其中m_i表示第i个连杆的质量；

p_xi表示第i个连杆的质心位置在全局坐标系下的横坐标；

p_yi表示第i个连杆的质心位置在全局坐标系下的纵坐标；

g表示重力加速度；

所述轨迹优化问题目标函数为：

表示人体在抬升过程中关节力矩的平方的积分，用于表征人体的能量消耗；

min J即表示人体从坐姿到完全站立的三个关节控制力矩的全部输出能量最小；

所述轨迹优化问题的解集需满足下列约束：

A.人体平衡约束：p_ZMPmin≤p_ZMPt≤p_ZMPmax；

其中p_ZMPmin为人体模型脚后跟位置，p_ZMPmax为人体模型脚尖位置；

B.人体状态约束：x_min≤x_t≤x_max；

其中x_t为t时刻人体关节的角度和角速度，x_min为人体关节角度和角速度的最小值，x_max为人体关节角度和角速度的最大值；

C.人体关节力矩约束：τ_min≤τ_t≤τ_max；

其中τ_t为t时刻人体关节力矩，τ_min为人体关节力矩的最小值，τ_max为人体关节力矩的最大值；

D.机器人末端操作空间约束：p_xrmin≤p_xr≤p_xrmax，p_yrmin≤p_yr≤p_yrmax；

其中p_xr表示人体与机器人执行机构末端接触位置的横坐标；

p_yr表示人体与机器人执行机构末端接触位置的纵坐标；

p_xrmin，p_xrmax，p_yrmin，p_yrmax为机器人末端执行结构的位置约束。