[发明专利]一种机械臂人机协同控制的方法、装置以及设备

权利要求书

1.一种机械臂人机协同控制的方法，其特征在于，包括：

实时采集使用者上肢的表面肌电信号、运动姿态角度以及上肢末端所施加的力；

将当前表面肌电信号进行滤波处理，并根据滤波处理后的表面肌电信号建立肌肉骨骼模型，根据所述肌肉骨骼模型计算当前手臂关节刚度趋势指数；

通过末端静态手臂刚度校准实验，将当前表面肌电信号和当前手臂末端刚度进行拟合，得到当前手臂末端静态刚度，并根据所述当前手臂末端刚度计算当前手臂末端阻抗值；

利用当前运动姿态角度建立上肢运动学模型和上肢雅克比矩阵，通过所述上肢雅克比矩阵将所述当前手臂末端阻抗值转化为当前手臂各关节阻抗值，并将得到的当前手臂各关节阻抗值与所述手臂关节刚度趋势指数进行拟合，得到当前手臂各关节动态阻抗值；

将所述当前手臂各关节动态阻抗值输入控制器中，转化为当前控制指令，进行人机协同运动。

2.如权利要求1所述的机械臂人机协同控制的方法，其特征在于，所述实时采集人体上肢的表面肌电信号、运动姿态角度以及上肢末端所施加的力包括：

利用肌电传感器实时采集所述使用者上肢肩、肘关节的表面肌电信号；

利用姿态传感器实时采集所述使用者手臂的运动姿态角度；

利用六维力传感器实时采集所述使用者手臂末端的力。

3.如权利要求1所述的机械臂人机协同控制的方法，其特征在于，所述将当前表面肌电信号进行滤波处理，并根据滤波处理后的表面肌电信号建立肌肉骨骼模型，根据所述肌肉骨骼模型计算当前手臂关节刚度趋势指数包括：

将所述当前表面肌电信号进行归一化、整流和滤波处理，得到处理后的表面肌电信号；

将所述处理后的表面肌电信号输入神经激活模型中计算神经激活强度和肌肉激活模型中，计算当前肌肉激活度，其线性计算公式为：

根据所述当前肌肉激活度构建所述肌肉骨骼模型，并计算当前肌肉力；

利用腱位位移法通过肌肉肌腱长度和关节角度求解处此时的肌肉肌腱力臂；

根据所述肌肉肌腱力臂计算所述关节刚度趋势指数；

其中，A为非线性形状系数，U(t)为激活强度，a(t)为肌肉激活强度。

4.如权利要求3所述的机械臂人机协同控制的方法，其特征在于，所述计算当前肌肉力的方法包括：

根据肌肉收缩特性得到肌肉力的变化情况进行所述肌肉收缩模型建模，其模型公式为：

根据所述肌肉收缩模型建模计算所述当前肌肉力；

其中，f(v)为归一化的肌肉主动力-速度关系，f(l)为归一化的肌肉主动力-长度关系，a(t)为肌肉激活度，为肌肉最大收缩力。

5.如权利要求1所述的机械臂人机协同控制的方法，其特征在于，所述将所述当前表面肌电信号和当前手臂末端刚度进行拟合，得到当前手臂末端静态刚度包括：

利用公式计算得到刚度拟合矩阵；

利用公式计算手臂末端刚度；

其中，式中f_ei,(i＝x,y,z),为手臂末端所产生的力，A^ago-i为经过预处理的拮抗肌的sEMG信号，A^anta-i为经过预处理主动肌的sEMG信号，α_i,j,β_i,j为常数,r_ej(j＝x,y,z)为非线性因素在x,y和z三个方向造成的残差，K_ja为手臂末端刚度，j＝x,y,z为,为手臂末端所产生的力在x,y和z三个方向的分解，a为次数。

6.如权利要求1所述的机械臂人机协同控制的方法，其特征在于，所述根据所述当前手臂末端刚度计算当前手臂末端阻抗值包括：

根据刚度和阻尼的关系式计算当前手臂末端阻值；

其中，ξ是一个常数，设定值为1，B_ja为手臂末端阻尼值，K_ja为手臂末端刚度，j＝x,y,z为,为手臂末端所产生的力，a为次数,B_ja为第a次手臂末端阻值。