[发明专利]一种机器人辅助站立轨迹生成方法

说明书

本发明提供了一种机器人辅助站立轨迹生成方法，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。本发明可以根据不同人体的身高，体重及身体状况生成不同的辅助站立轨迹，增强了机器人辅助站立轨迹对不同人体的适应性，免去了通过外部传感器采集人体姿态来生成辅助轨迹的麻烦。

技术领域

本发明涉及医疗辅助康复领域，具体地，涉及一种机器人辅助站立轨迹生成方法。

背景技术

由于年龄的增长或其他疾病导致的下肢肌力下降是许多老年人和残疾人无法完成自主站立和行走的主要原因，对这类人群的转移和搬运是护理工作的重要组成部分。使用机器人代替护理人员完成转移和搬运工作能够极大减轻护理人员的工作负担。目前大量研究机构和医疗设备公司都在开发和研制用于转移和搬运老年人的机器人或其他辅助设备。这些设备按照转移和搬运的方式可以分为吊袋式，背抱式，站立式等。其中，站立式的转移设备一般依靠助力带和连杆机构将使用者从坐姿转换为站姿。目前，大部分此类设备在完成辅助使用者从坐姿转换到站姿的任务时都只是简单的从臀部或腋下将使用者匀速扶起，而没有考虑人的生物力学特性及人在完成自然站立过程中的姿态变化。

公开号为CN110522574A的中国发明专利通过座椅和脚踏板上的测力装置检测人体的站立姿态，并通过调整座椅的角度和高度来达到辅助使用者以某种轨迹站立的目的。但这种辅助轨迹生成方法需要在设备上增加传感器来监测使用者的姿态，增加了设备的成本。

公开号为CN109124916A中国发明专利通过测力台及人体姿态捕捉系统对人体站立过程的重心轨迹和压力曲线进行分析，设计出人体站立过程各阶段的运动轨迹及其力学辅助站立的力学参数。但这种轨迹的生成受实验测试时测试者的身材影响，当使用者与测试者的身材差异较大时，以测试者为模板生成的站立轨迹对使用者来说并不适用。

Asker A[1](Asker A,Assal S F M,Ding M,et al.Modeling of natural sit-to-stand movement based on minimum jerk criterion for natural-like assistanceand rehabilitation[J].Advanced Robotics,2017,31(17):901-917.)等人设计了一种模仿人体自然站立过程的站立辅助系统，采用最小跳动准则对人体自然站立过程建模。该模型能够根据不同使用者的身高信息生成不同的人在站立过程中肩关节及髋关节的轨迹，系统依据生成的轨迹在使用者肩关节和髋关节处为使用者提供助力。但这种轨迹生成方式没有考虑人在站立过程中身体的平衡要求，也没有考虑使用者的体重对站立轨迹的影响。

Geravand M[2](Geravand M,Korondi P Z,Werner C,et al.Human sit-to-stand transfer modeling towards intuitive and biologically-inspired robotassistance[J].Autonomous Robots,2017,41(3):575-592.)等人将人体简化为一个六连杆模型，将人体站立过程表示为一个考虑控制点精度，人体平衡性，能量消耗及人体关节约束的最优控制问题。通过求解这个问题得到符合上述条件的优化轨迹。但他们在设计最优控制问题时没有考虑站立辅助系统末端执行机构的约束，这使得站立辅助系统可能无法按照生成的轨迹完成辅助站立任务。同时，他们也没有考虑人体自然站立过程中身体前倾的阶段人体轨迹的变化。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机器人辅助站立轨迹生成方法。

根据本发明提供的一种机器人辅助站立轨迹生成方法，包括如下步骤：