[发明专利]一种关节力估计方法

权利要求书

1.一种关节力估计方法，其特征在于：包括：

步骤1、采集人体在起立动作时的姿态信息；并通过运动过程中人体重心的移动轨迹判断稳定性；

步骤2、在确定起立过程处于稳定状态后，将人体视为左右对称的简化模型，并根据辅助机器人正向运动学计算该过程中肩关节的移动轨迹，将该移动轨迹作为辅助机器人的辅助起立轨迹；

步骤3、基于辅助起立轨迹，将辅助机器人关节角度数据和接触力切向力分量、法向力分量作为输入，辅助机器人肩关节输出力矩作为输出训练神经网络；使辅助机器人沿着辅助起立轨迹运行并提供适当的关节力矩完成辅助起立任务；

基于人体统计学获得身体数据，包括身体各部位的长度、质量及重心位置，计算公式如下：

其中，H为身高，L₁为小腿长度，L₂为大腿长度，L₃为躯干长度，C₁为小腿重心到踝关节的距离，C₂为大腿重心到膝关节的距离，C₃为躯干重心到髋关节的距离，W₁为小腿的质量，W₂为大腿的质量，W₃为躯干的质量；

步骤3包括：对辅助机器人辅助起立过程受力分析建立状态空间方程，根据线性二次调节器对辅助机器人的相关状态变量及其微分引入状态反馈，求解状态反馈控制矩阵K完成对辅助机器人与用户接触力的控制；具体过程如下：

辅助机器人与用户交互过程进行受力分析：

状态空间表达式：

/

U＝[F_x F_z]^T

U＝-KX

其中，M为辅助机器人重量，g为重力加速度，F为辅助机器人对用户施加的力，R为用户对辅助机器人施加的力，q为辅助机器人肩关节角度，I为辅助机器人转动惯量，l为人机接触点距肩关节的长度。

2.根据权利要求1所述的一种关节力估计方法，其特征在于：所述姿态信息包括踝关节角度记为θ_a、膝关节角度记为θ_k、髋关节角度记为θ_x。

3.根据权利要求1所述的一种关节力估计方法，其特征在于：步骤1中，所述通过运动过程中人体重心的移动轨迹判断稳定性的稳定性判断方法为：根据运动中人体重心轨迹是否保持在脚掌的范围内，进行判断；

人体重心的移动轨迹计算方法：

式中，i为身体各部位的编号，x_i是部位i重心在x坐标系的位置，m_i是身体部位i的质量；若xx_d即重心始终在脚掌范围内,则起立过程中人体保持稳定，该起立轨迹可以作为辅助机器人的参考轨迹。

4.根据权利要求3所述的一种关节力估计方法，其特征在于：起立运动中肩关节的移动轨迹求解方法：首先，通过对稳定性判断的分析选择能帮助用户平稳起立的辅助动作，然后根据姿态传感器记录的该动作姿态信息，包括踝关节角度记为θ_a,膝关节角度记为θ_k,髋关节角度记为θ_x，以及人体简化模型求解辅助起立过程中，以脚踝为原点的坐标系下肩关节的移动轨迹；计算过程如下：

其中，x₁₀为膝关节在基坐标系下的横坐标，y₁₀为膝关节在基坐标系下的纵坐标，x₂₀为髋关节在基坐标系下的横坐标，y₂₀为髋关节在基坐标系下的纵坐标，x₃₀为肩关节在基坐标系下的横坐标，y₃₀为肩关节在基坐标系下的纵坐标。