手臂外骨骼机器人控制方法及装置

本发明涉及可穿戴机器人控制，尤其涉及一种手臂外骨骼机器人控制方法及装置。

背景技术：

1、可穿戴外骨骼在康复和人体增强领域展现了令人振奋的潜力。外骨骼透明度是表示可穿戴外骨骼对用户影响程度的指标，外骨骼对用户的影响越小，那么它的透明度越高。学者们意识到提高外骨骼的透明度，使外骨骼紧密跟随人体运动，是提高外骨骼的长期可用性并且将外骨骼推广使用所必须解决的问题。在无负载的状态下，如果人机交互力等于零，则认为外骨骼有完美的透明度。

2、在无负载的状态下，用户需要调整关节角度和身体姿态，以满足后续发力需求。在姿态调整过程中，现有的手臂外骨骼机器人通常以牺牲运动的快速性，来实现空载状态的调节过程。这会影响用户的运动和发力习惯，产生有害的人机交互力，导致用户能量消耗大大增加，造成不舒适且易疲劳的体验，进而使助力外骨骼无法被长期使用。

技术实现思路

1、本发明提供一种手臂外骨骼机器人控制方法及装置，用以解决现有技术中在无负载的状态下手臂外骨骼机器人透明度较低的缺陷，实现在无负载的状态下有效地提高手臂外骨骼机器人的透明度，降低人机交互力。

2、本发明提供一种手臂外骨骼机器人控制，包括：

3、基于promp模型和手臂的运动轨迹数据，对运动速度轮廓进行建模，得到手臂的预测运动速度轮廓；所述手臂穿戴有外骨骼机器人；

4、基于预测运动速度轮廓、预测运动时长和预测运动范围，得到手臂的期望运动轨迹；

5、将所述期望运动轨迹、人机交互力、实际运动轨迹输入模型预测控制器，对阻抗参数进行优化；

6、将优化后的所述阻抗参数输入变阻抗控制器，对手臂外骨骼机器人进行控制。

7、在一些实施例中，所述将所述期望运动轨迹、人机交互力、实际运动轨迹输入模型预测控制器，对阻抗参数进行优化，包括：

8、基于人机交互力，构建模型预测控制器的成本函数；

9、将基于状态变量的离散化模型代入所述成本函数，得到优化后的成本函数；所述状态变量包括所述期望运动轨迹与所述实际运动轨迹之间的误差、所述误差的微分以及所述人机交互力；

10、对所述优化后的成本函数进行求解，得到优化后的所述阻抗参数。

11、在一些实施例中，在所述基于预测运动速度轮廓、预测运动时长和预测运动范围，得到手臂的期望运动轨迹之前，还包括：

12、基于最大加速度、最大速度和减速至所述最大速度的一半，对所述预测运动速度轮廓进行分段，确定所述预测运动速度轮廓的分段点；

13、根据到达任一分段点处的时间，得到所述预测运动时长；

14、基于运动活力模型和所述预测运动时长，得到所述预测运动范围。

15、在一些实施例中，所述方法还包括：

16、根据实际运动时间和理论运行时间，确定适应性参数；所述适应性参数用于表征用户对外骨骼机器人的适应程度；

17、基于适应性参数，对所述运动活力模型进行缩放。

18、在一些实施例中，所述根据实际运动时间和理论运行时间，确定适应性参数，包括：

19、在实际运动时间小于或等于理论运行时间的情况下，确定所述适应性参数为1；

20、在实际运动时间大于理论运行时间的情况下，确定所述适应性参数为其中，t0表示实际运动时间，表示理论运动时间。

21、在一些实施例中，所述方法还包括：

22、基于贝叶斯优化算法和运动过程中新采集的运动速度轮廓，对运动速度轮廓模型进行更新。

23、本发明还提供一种手臂外骨骼机器人控制装置，包括：

24、建模模块，用于基于promp模型和手臂的运动轨迹数据，对运动速度轮廓进行建模，得到手臂的预测运动速度轮廓；所述手臂穿戴有外骨骼机器人；

25、获取模块，用于基于预测运动速度轮廓、预测运动时长和预测运动范围，得到手臂的期望运动轨迹；

26、优化模块，用于将所述期望运动轨迹、人机交互力、实际运动轨迹输入模型预测控制器，对阻抗参数进行优化；

27、控制模块，用于将优化后的所述阻抗参数输入变阻抗控制器，对手臂外骨骼机器人进行控制。

28、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述手臂外骨骼机器人控制方法。

29、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述手臂外骨骼机器人控制方法。

30、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述手臂外骨骼机器人控制方法。

31、本发明提供的手臂外骨骼机器人控制方法及装置，基于promp模型建立手臂的运动速度轮廓模型，从而得到预测运动速度轮廓；基于预测运动速度轮廓、预测运动时长和预测运动范围，得到手臂的期望运动轨迹；基于模型预测控制器在线优化阻抗参数，并将阻抗参数应用到变阻抗控制器中，对手臂外骨骼机器人进行控制，使手臂外骨骼机器人紧密跟随用户的手臂运动，提高外骨骼机器人的透明度，降低人机交互力矩，并减小外骨骼机器人助力时的有害交互力，提高外骨骼的长期可用性。

技术特征：

1.一种手臂外骨骼机器人控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的手臂外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述将所述期望运动轨迹、人机交互力、实际运动轨迹输入模型预测控制器，对阻抗参数进行优化，包括：

3.根据权利要求1所述的手臂外骨骼机器人控制方法，其特征在于，在所述基于预测运动速度轮廓、预测运动时长和预测运动范围，得到手臂的期望运动轨迹之前，还包括：

4.根据权利要求3所述的手臂外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

5.根据权利要求4所述的手臂外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述根据实际运动时间和理论运行时间，确定适应性参数，包括：

6.根据权利要求1所述的手臂外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

7.一种手臂外骨骼机器人控制装置，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述手臂外骨骼机器人控制方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述手臂外骨骼机器人控制方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述手臂外骨骼机器人控制方法。

技术总结本发明提供一种手臂外骨骼机器人控制方法及装置，涉及可穿戴机器人控制技术领域，所述方法包括：基于ProMP模型和手臂的运动轨迹数据，对运动速度轮廓进行建模，得到手臂的预测运动速度轮廓；手臂穿戴有外骨骼机器人；基于预测运动速度轮廓、预测运动时长和预测运动范围，得到手臂的期望运动轨迹；将期望运动轨迹、人机交互力、实际运动轨迹输入模型预测控制器，对阻抗参数进行优化；将优化后的阻抗参数输入变阻抗控制器，对手臂外骨骼机器人进行控制。本发明使手臂外骨骼机器人紧密跟随用户的手臂运动，提高外骨骼机器人的透明度，降低人机交互力矩。技术研发人员：程龙,夏修泽,邹永向,马牧远受保护的技术使用者：中国科学院自动化研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/2