[发明专利]自适应位置约束的康复机器人按需辅助控制方法和系统

权利要求书

1.一种自适应位置约束的康复机器人按需辅助控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、采集人机交互系统当前的位置q、角速度及人机交互力矩τ_e；

步骤S2、根据期望轨迹q_d、所述位置q及所述角速度进行位置约束变换，得到人机交互系统的位置误差转换量z；

步骤S3、将所述位置误差转换量z和所述人机交互力矩τ_e进行线性组合，得到人体运动表现函数ψ；

步骤S4、以所述人体运动表现函数ψ作为输入变量，设计连续可导的机器人辅助水平函数w(ψ)，用于表征机器人在三种策略下对人体的辅助程度；所述三种策略包括人主导模式、人机协作模式及机器人主导模式，辅助程度依次升高，对应的人体运动表现函数ψ的取值区间分别为[0,r_di)、[r_di,r_si)、[r_si,+∞),其中，r_di、r_si分别表示死区的边界点、饱和区的边界点；

步骤S5、将所述机器人辅助水平函数w(ψ)作为人机交互系统控制器的权重因子，使得用所述控制器实现不同策略下的按需辅助。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述机器人辅助水平函数w(ψ)为：

其中，ψ_i表示自由度i下的人体运动表现函数，r_di、r_si分别表示死区的边界点，饱和区的边界点，δ_di＞0、δ_si＞0，k₁和k₂分别表示系数，且k₁＞0、k₂＞0。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S3中，用所述位置误差转换量z的平方和所述人机交互力矩τ_e的平方的线性组合表征所述人体运动表现函数ψ。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S5中，所述控制器为：

其中，τ表示机器人的输出力矩，表示人机交互系统状态的非线性函数，q和分别表示人机交互系统当前的位置和角速度，表示人机交互系统参考角速度向量，是对时间的导数，表示机器人动力学补偿量，表示的估计，表示机器人外骨骼机构的质量、长度、转动惯量或自由度之间的关系，k_s表示正定的对角矩阵；s为设计的第二滑动流形，表达式为：

式中，Υ为误差变换矩阵，表示位置误差转换量z对时间的导数，I表示单位矩阵，λ_z表示正定对角矩阵。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制器的设计步骤包括：

步骤S501，将所述位置误差转换量z代入无约束的人机交互动力学模型中，得到带有位置约束的第一滑动流形s_z，其中，

步骤S502、用人机交互系统当前输出的角速度第一滑动流形s_z和机器人辅助水平函数设计所述第二滑动流形s，

步骤S503、用所述第二滑动流形s替换无约束的人机交互动力学模型中的角加速度得到新的人机交互动力学模型；

步骤S504、基于所述新的人机交互动力学模型，采用李雅普诺夫稳定性分析方法，得到所述控制器。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，步骤S2包括：以期望轨迹q_d、人机交互系统当前输出的位置q及角速度为输入，以人机交互系统实时输出的人体膝关节角不超过预设的最大关节角为位置约束，采用位置约束变换函数进行位置约束变换，得到所述位置误差转换量z。