[发明专利]一种绳索康复机器人运动学参数标定和解算方法及系统

说明书

本发明提供了一种绳索康复机器人运动学参数标定和解算方法及系统。本发明在一种绳索牵引上肢康复机器人的基础上，利用机器人自带的编码器和IMU(惯性测量单元)两种传感器实现，首先在使用绳索康复机器人进行康复训练前对患者的运动学参数进行标定，再在使用绳索康复机器人进行康复训练过程中根据患者的手臂姿态实时解算出当前肩关节中心位置。本发明仅使用编码器和IMU两类传感器即可有效标定绳索机器人的运动学参数，并在康复训练过程中实时解算相关参数，提高了运动学模型的准确性和控制精度，成本低，安装与操作简单。

技术领域

本发明属于康复机器人技术领域，涉及一种基于编码器和IMU的绳索康复机器人运动学参数标定和解算方法及系统。

背景技术

由于社会老龄化的加剧，我国脑卒中的发病率不断上升，且大部分脑卒中患者在术后会遗留功能障碍。偏瘫是脑卒中后常见残疾，其主要表现为患侧肌力减退、肢体痉挛以及活动受限，对患者日常生活造成严重影响。

研究表明，通过康复训练能够促进大脑损伤区域或冗余神经重新学习，恢复人体运动功能，近年来，机器人行业发展迅猛，使用机器人进行康复训练也愈发普及，相关研究也表明机器人康复训练具有较好的效果且能显著降低治疗成本。

上肢康复训练机器人经过多年发展，大体可以分为末端式和外骨骼式两种，末端牵引式机器人，通过与人手臂末端相固定，进而牵引手臂进行运动康复，这类机器人结构通常较为简单且不会引起训练过程中的关节错位问题，但是其工作范围有限且运动灵活性相对较差；外骨骼机器人通过与人上肢多个关节绑定来驱动手臂运动，相对末端机器人具有较好的灵活性和较大的工作空间，但是其结构通常比较复杂，并且，由于需要让机器人关节旋转中心与人体关节旋转中心相对准，增大了设计难度，在肩关节等非中心固定关节处，更是较难满足要求。

上述问题在传统的刚性机器人上多有发生。近年来，柔性外骨骼机器人得到了广泛的发展。与刚性机器人相比，柔性机器人使用绳索或人工肌肉模拟人体肌肉收缩，因而对人体的适应性更强，且结构更加简单轻便。同时由于柔性外骨骼机器人常将人体关节作为机器人结构的一部分，因此有效避免了传统外骨骼机器人关节轴对准和关节长度调整的问题。

而对于此类柔性外骨骼机器人来说，其柔性的结构通常会导致不确定的运动学参数，如穿戴时患者的肩关节中心位置及设备穿戴位置等运动学参数会相对于预设值发生偏移。同时考虑到人肩关节的运动不能简单理解为一个球状关节的运动，在实际的肩关节运动中，上臂的抬举动作会使得肩关节的旋转中心同步抬升，给机器人的运动学建模和运动控制带来影响。目前国内外的柔性外骨骼上肢康复机器人基本上将肩关节中心视为定点进行参数解算，会给上肢的运动学模型引入误差，因此研究柔性外骨骼机器人的运动学参数的标定和实时解算问题具有实际的意义以及较高的价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于编码器和IMU的绳索康复机器人运动学参数标定和解算方法及系统。本发明在一种绳索牵引上肢康复机器人的基础上，利用机器人自带的编码器和IMU(惯性测量单元)两种传感器实现，首先在使用绳索康复机器人进行康复训练前对患者的运动学参数进行标定，再在使用绳索康复机器人进行康复训练过程中根据患者的手臂姿态实时解算出当前肩关节中心位置。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种绳索康复机器人运动学参数标定和解算方法，包括如下步骤：

步骤一，运动学参数标定

(1)首先取患者手臂处于某一姿态下的状态为初始状态，此时的绳长即为初始绳长，亦是待求参数，并记此时手臂的旋转矩阵为即无相对旋转；

(2)患者进行手臂各种动作，记录患者运动过程中的编码器数据和IMU数据，即可得到绳长变化量Δl_i和上肢旋转矩阵参数，患者手臂在任一位姿下的Δl_i和为一组数据，采集n组数据；