[发明专利]一种具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人

摘要

一种具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人，在康复训练中将人体上肢看作具有三个自由度的二连杆机构并将其动力学模型与外骨骼式上肢康复机器人动力学模型相结合，形成具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人，该机器人可根据关节力矩估计值与实测力矩值的比较判断患者的运动意图。本发明所述外骨骼式上肢康复机器人在工程应用中能准确识别出患者上肢的运动意图，数据稳定可靠，辨识与判断的结果准确，其具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。

主权项

1.一种具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人，首先在康复训练中将人体上肢看作具有三个自由度的二连杆机械臂，其中：肩部两个自由度，肘部一个自由度；然后将人体动力学模型与外骨骼式康复机器人的动力学模型相结合，形成外骨骼式上肢康复机器人的人机交互动力学模型；其中，关节角度与力矩值由安装在外骨骼机械臂中活动关节上的角度与力矩传感器测量所得；所述外骨骼式上肢康复机器人人机交互动力学模型采用了基于伪惯量矩阵的拉格朗日动力学建模方法，通过整合化简得到了一个具有19个参数的人机交互动力学模型；通过建立机器人系统的图示化模型并与控制器及其动态系统相连进行综合仿真比较，表明运用该方法建立的数学模型能够在一定程度上体现外骨骼与人体之间的动力学交互关系；确定控制参数根据关节力矩估计值与实测力矩值的比较判断患者的运动意图；当外骨骼式上肢康复机器人各关节力矩传感器测得的力矩实际值与人机交互模型计算出的各关节角度力矩估算值相比较所得偏差值小于0时，表明人体上肢向此关节运动正方向施加了力矩，人体上肢的运动意图为向正向旋转；反之，如果偏差值大于0时，则表明人体上肢向此关节运动反方向施加了力矩，人体上肢的运动意图为向反向旋转；而当偏差值等于0时，表明人体上肢没有施加任何力矩，没有运动意图；其特征在于：建立外骨骼式上肢康复机器人的动力学模型，具体要求是：根据D‑H参数法建立外骨骼式上肢康复机器人坐标变换关系，并由此获得坐标变换D‑H参数表；利用拉格朗日方法忽略摩擦力的影响建立外骨骼式上肢康复机器人动力学模型，模型的标准形式如式（1）所示：  (1)式（1）中分别表示机械臂关节的角度、角速度和角加速度；是一个的惯性矩阵；为的非线性哥氏力和向心力矢量；为的重力矢量；是一个的关节控制输入力矩矢量；、和的元素包含了各相关杆件的惯性参数，即刚体的十个常量，列于式（2）所示：(2)式（2）中，为连杆的质量，为相对于坐标系的三维质量惯性矩，为相对于坐标系的三维质量惯性积，为连杆质心的三维坐标；将式（1）所示外骨骼动力学模型用式（2）所示各杆件的惯性参数表示，在对其进行非线性组合并整理归纳将模型转化为如式（3）所示的线性形式：  (3)式（3）中，分别表示外骨骼的角度、角速度和角加速度；是一个的矢量，表示外骨骼各关节的力矩；是一个的矩阵，代表回归变量；是一个的矢量，代表动力学模型的惯性参数；与中的元素分别定义如下：其中为D‑H参数表中的运动学参数，长分别为连杆i的质心在x,y,z轴向的距离；如上过程能够建立外骨骼式上肢康复机器人的动力学模型。