[发明专利]站坐交互中护理机器人智能辅助方法

说明书

站坐交互中护理机器人智能辅助方法属于站坐交互中护理机器人智能辅助的应用技术领域，尤其涉及肢体残障人群站坐交互障碍问题的解决。本发明提出一种基于模型预测的护理机器人智能辅助控制方法，这个控制方法能够解决肢体残障人群的站坐交互障碍问题，实现站坐交互中人体受到座椅冲击力的减弱。本发明采用如下技术方案，本发明包括以下步骤：步骤一：对人体的生物模型进行简化,结合简化后的人体结构，构建描述人体生物结构的空间几何模型，描述站坐交互中人体部位间的几何关系；步骤二：基于垂直维度与步骤一中的人体空间几何模型构建人体进行站坐交互的动力学模型。

技术领域

本发明属于站坐交互中护理机器人智能辅助的应用技术领域，尤其涉及肢体残障人群站坐交互障碍问题的解决。

背景技术

站坐交互，是指从站立到坐下的过程，其中的交互通常指代人与座椅接触的过程。站坐交互对于下肢健康的正常人来说和呼吸一样轻松自然，并不会感知到任何障碍。但对于下肢残障又或是下肢肌肉力量不足的老年人来说，站坐交互存在一定的障碍。当他们进行站坐交互时，下肢残障或下肢肌肉力量的不足使他们的下肢肌肉无法正常出力，导致他们在接触椅面后受到来自座椅猛烈的冲击，这样的冲击对于老年人来说是危险的，如果他们本身就存在骨质酥松等疾病，他们可能会因此摔倒在地面上，甚至导致骨折、损坏身体的其他器官或肌肉韧带组织。

站坐交互中存在障碍的这些下肢残障的老年人正在逐年增加、形成一个越发庞大的群体。无法正常完成站坐交互意味着这些老年人将丧失一部分自理生活的能力，同时也意味着他们在日常生活中潜在的受伤的危险，这将成为一个不可忽视的社会问题。

因此，研究出能在站坐交互中提供冲击力减缓辅助的护理机器人控制方法，对下肢残障的老年人来说，无论是对生活质量的提高还是对意外跌倒等危险的预防，都有着重要的意义。

发明内容

本发明就是针对上述问题，本发明提出一种基于模型预测的护理机器人智能辅助控制方法，这个控制方法能够解决肢体残障人群的站坐交互障碍问题，实现站坐交互中人体受到座椅冲击力的减弱。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括以下步骤：

步骤一：对人体的生物模型进行简化,结合简化后的人体结构，构建描述人体生物结构的空间几何模型，描述站坐交互中人体部位间的几何关系；

步骤二：基于垂直维度与步骤一中的人体空间几何模型构建人体进行站坐交互的动力学模型；模型中人体在垂直维度的运动过程被分为了两个阶段，第一阶段人体只受到来自座椅柔软部分软弹簧的弹力和重力，第二阶段人体不但受到一个恒定不变的软弹簧的弹力和重力，还要受到来自座椅底部坚硬部分的硬弹簧的弹力；

步骤三：人体站坐交互的动力学模型的预测计算；在不考虑纵向受到外力的情况下，基于当前采样周期的刚体质心的位移、速度和加速度通过模型中的动力学方程预测出下一个采样周期的质心位移、速度和加速度；

步骤四：在步骤二动力学模型的基础上建立护理机器人的智能辅助模型；将人体看作是一个质量块，并将护理机器人也看作为一个质量块；人体与护理机器人之间由两组弹簧阻尼相连，第一组弹簧阻尼包括人体大腿柔软部位的弹簧阻尼和护理机器人椅面柔软部分的弹簧阻尼，第二组弹簧阻尼包括人体大腿骨骼坚硬部分和护理机器人椅面坚硬部分的弹簧阻尼；以上弹簧阻尼的大小均取决于人体与护理机器人的相对位移；相对位移变化，弹簧阻尼值也随之线性变化；

步骤五：通过传感器获取人体接触座椅瞬间的状态变量，其中包括人与机器人的位移、速度、加速度；将得到的状态变量输入到状态观测器A中，使状态观测器A开始循环计算未来状态变量x的预测序列；获得的预测序列为在不考虑机器人辅助力条件下人与护理机器人在未来采样周期中的状态；