一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，根据康复者训练过程中重心的恒定偏移，得到了独立于康复者质量特征的偏移特性；根据偏移特性，利用路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器；基于单片机实现主控制器的设计，将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。本发明有效解决了机器人重心和几何中心不重合问题，并且避免自适应参数估计康复者的质量，简化了控制器的设计过程，对不同体重的训练者，都能实现对医生指定训练路径的精确跟踪。
【专利说明】-种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及轮式康复机器人的自动控制领域，尤其是关于独立于康复者质量的轮 式康复机器人的控制方法。
【背景技术】：
[0002] 随着老龄化社会的到来，由于疾病和交通事故等原因，使步行功能障碍患者逐年 增多。然而，我国医护资源的不足和医疗费用昂贵等问题，使许多患者错过了最佳恢复期， 从而导致患者步行功能逐渐丧失，给家庭和社会带来沉重的负担。因此，发展康复机器人及 时有效对患者进行步行功能训练，具有重要意义。
[0003] 康复机器人按照医生指定的训练路径，对康复患者的腿部肌肉进行全面锻炼。当 机器人运动时，系统某些参数的确定是很困难的，尤其是康复患者未知质量对机器人的影 响，不仅会降低控制精度，而且会导致机器人重也和几何中也的不重合，往往使机器人重也 偏移到固定位置。如果不从控制方法上解决机器人重也恒定偏移和康复患者质量问题，将 不可避免地使机器人偏离医生指定的训练路径，该样不但影响训练效果，而且撞到障碍物 会使系统不稳定，威胁康复患者的安全。
【发明内容】
：
[0004] 发明目的：
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控 制方法。
[000引技术方案：
[0007] 本发明是通过W下技术方案来实现的：
[0008] -种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤如下：
[0009] 1)分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重也偏移的动力学模型，基 于该模型，根据康复者实际训练过程中重也偏移到固定点，得到重也恒定偏移的特性；
[0010] 2)基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解 决康复者质量定常改变问题，并且避免了对康复者质量参数进行自适应估计；
[0011] 3)基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现 对参考轨迹信号的跟踪。
[0012] 步骤1)是根据地面力学理论，建立重也偏移的动力学模型：
[0013] M。f义+ M。大-乂=瑟（浸）F ( I )
[0014] 其中M。为包含机器人质量M、康复者质量m和转动惯量I。的系数矩阵，K为机器人 偏移重也到各轮子距离的系数矩阵，X为机器人的实际行走路径，B( 0 )为机器人旋转角度 构成的系数矩阵，F表示机器人的控制输入力，0表示水平轴和机器人中也到第一个轮子 距离间的夹角，有0 = 01，資+ -，03=e+n，浸4 =浸+早 2 么。
[0015] 步骤2)解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重 也发生恒定偏移问题，对动力学模型（1)系数矩阵MuK进行矩阵分解，将康复者质量m与机 器人质量M和转动惯量I。进行分解，将式（1)的两侧同时左乘分离后含有机器人质量M和 转动惯量I。的系数矩阵Mfi，将式（1)化为如下表达形式：
[0016] M,义卡A/ ;乂+讯M，义 +mM,乂 =M;公（0)FQ)。
[0017]
[001引康复机器人重也恒定偏移且M+m=C时，C为常数，有偏移特性=A/: 成立； 根据偏移特性，设计独立于康复质量的控制器。
[0019] 根据医生指定的训练路径Xd和康复机器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如 下形式的误差状态模型：
[0020] (MI 4- WM ,)c -f(M. +m M ^ )e^ (M , 4-m A4^) 4-{M, 4-m M4 ) )
[0021] 其中《脚巧0)/'-。
[0022] 基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：
[0023] F= 认节{0))r(M,务MJ感-M^Q声 ^^.....兰........^.......^.....I........引 (鴻）
[0024] 在控制器F作用下，解决康复者质量定常改变问题，避免对康复者质量参数进行 自适应估计，实现对医生指定训练路径的精确跟踪。
[00巧]步骤3)中W89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入 /输出电路相连；驱动电路与直流电机相连；电源系统连接各个电气设备供电。
[0026] 主控制器的控制方法为；采集参考轨迹Xd形成四路模拟信号，四路模拟信号分时 输入，共用一个A/D转换器进行转换，主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信息， 实现控制命令，信号进入单片机处理后输出，将输出信号通过D/A转换，提供给电机驱动单 元，从而实现机器人的跟踪控制；同时，通过读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的 控制命令信号X对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算电机 的给定量，送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。
[0027] 优点及效果：
[0028] 本发明是一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，具有如下优点： [002引（1)本发明对于轮式移动机器人运动控制问题进行深入研究。研究表明，康复机器 人运动时，机器人系统某些参数的确定是很困难的，未知质量等因素不仅会降低控制精度， 同时，康复患者训练位姿的保持，往往会导致重也偏移到固定位置。利用重也恒定偏移特 性，提出独立于康复者质量的控制方法，应用此方法，确保机器人跟踪医生指定的训练路径 并且使康复者达到训练效果。
[0030] (2)本发明设计独立于康复者质量特性的控制方法，解决了因个体情况不同导致 的质量定常改变问题，避免了对康复者质量参数进行重新自适应估计，简化了控制器的设 计。
【专利附图】
【附图说明】：
[0031] 图1为本发明控制器工作框图；
[0032] 图2为本发明控制工作流程图；
[0033] 图3为本发明的硬件最小系统；
[0034] 图4为本发明的处理器外围扩展电路；
[00巧]图5为本发明的A/D转换电路；
[0036] 图6为本发明的D/A转换电路；
[0037] 图7为本发明的串口MAX232电路；
[003引图8为本发明的ISP接口下载电路；
[0039] 图9为本发明硬件总体原理电路。
【具体实施方式】：
[0040] 下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限 制。
[0041] 为了解决不同体重康复者使机器人重也发生恒定偏移，影响机器人对医生指定训 练路经的跟踪，本发明提出一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法。
[0042] 独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，步骤如下：
[0043] 1)分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重也偏移的动力学模型，基 于该模型，根据康复者实际训练过程中重也偏移到固定点，得到了重也恒定偏移的特性；2) 基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康复者质 量定常改变问题，并且避免对康复者质量参数进行自适应估计；3)基于89S51系列高性能 单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。
[0044] 步骤1 )，根据地面力学理论，机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重也偏移的 动力学模型
[0045] Mef乂 +M。ieA占=窗（g)护 (I)
[0046] 其中M。为包含机器人质量M、康复者质量m和转动惯量I。的系数矩阵，K为机器人 偏移重也到各轮子距离的系数矩阵，X为机器人的实际行走路径，B( 0 )为机器人旋转角度 构成的系数矩阵，F表示机器人的控制输入力，0表示水平轴和机器人中也到第一个轮子 距离间的夹角，有0 = 01，0,= 0 +立，03=白+n，餐*=資 2 么。
[0047] 不同体重康复者训练位姿的保持，会使机器人的重也发生恒定偏移，解决康复者 质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重也发生恒定偏移问题，对动 力学模型（1)系数矩阵曲K进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人质量M和转动惯量I。 进行分解，为了得到独立于康复者质量的控制器，将式（1)的两侧同时左乘系数矩阵分离后 含有机器人质量M和转动惯量I。的系数矩阵M/；，得到如下的模型表达形式
[0048] M,义 +M;义 +mM;义 +OTM4乂 =M;复（0>F 2)。
[0049]
[0050] 不同康复者导致机器人重也恒定偏移，且M+m=C时，C为常数，有偏移特性 M, =M, 成立。根据偏移特性，设计独立于康复质量的控制器，从而避免了对康复者质 量重新进行参数设定，简化了控制器的设计过程，依然能保证康复机器人的正常安全训练。
[0051] 步骤2)中康复机器人需要根据医生指定的训练路径Xd对患者进行康复训练，因 此所设计的控制器要精确跟踪医生指定的训练路径。根据医生指定训练路径Xd和康复机 器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如下形式的误差状态模型：
[0052] (M. + -，）r+(M; +mA/jK. =I+ +(MJ+ -11(0 〇)
[0053] 其中沛)=M,'曲的/-'。
[0054] 基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：
[00巧] F =及^(0)[身'/,';(8(0)8^(旬)f'Wf，乂j + A'/乂^ M3婷+ft每+ ,,竺"3,,,,,,,,,|,,,,,竺"3e)(4)
[0056] 在控制器F作用下，解决康复者质量定常改变问题，避免对康复者质量参数进行 自适应估计，能够实现对医生指定训练路径的精确跟踪。
[0057] 步骤3)中W89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入 /输出电路相连；驱动电路与直流电机相连；电源系统连接各个电气设备供电，通过独立于 康复者质量的控制方法完成康复机器人的跟踪控制。
[005引主控制器的控制方法为；采集参考轨迹Xd形成四路模拟信号，四路模拟信号分时 输入，共用一个A/D转换器进行转换，主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信息， 实现控制命令，信号进入单片机处理后输出，将输出信号通过D/A转换，提供给电机驱动单 元，从而实现机器人的跟踪控制；同时，通过读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的 控制命令信号X对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算电机 的给定量，送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。
[0059] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0060] 图1是本发明控制器设计框图，本发明的电气控制系统W89S51系列高性能单片 机为核也，图2为本发明控制工作流程图，图3为单片机最小系统，图4为处理器外围扩展 电路，单片机电源通过RS232串口通信将PC串口电平转换为高巧V，低Ov供电。采集参考 轨迹信号Xd经过IN0?IN7任意管脚与A/D转换芯片ADC0809C22 (28)相连，形成四路数 字信号，如图5所示，四路模拟信号分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，芯片内部地址 锁存及译码电路完成对A0?A1H个地址的锁存及译码。其译码输出用于通道选择，其转 换结果通过H态输出锁存器存放、输出。主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信 息，实现控制命令，信号进入单片机处理输出，将输出信号通过D/A转换如图6,提供给电机 驱动单元，从而实现机器人的控制。同时，通过读取电机编码器的反馈信号X与主控制器给 定的控制命令信号Xd对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算 电机的给定量，发送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡并按指定训练方式运动。
[0061] 本发明研究了康复机器人重也恒定偏移的运动跟踪控制问题，基于重也偏移的动 力学模型，通过左乘转置矩阵方法，得到了康复机器人重也恒定偏移的特性。设计了独立于 康复者质量特性m的控制器，在解决重也恒定偏移问题的基础上，进一步解决了质量m定常 改变的问题，从而避免了对人的质量进行自适应估计。
【权利要求】
1. 一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤如下： 1) 分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型，基于该 模型，根据康复者实际训练过程中重心偏移到固定点，得到重心恒定偏移的特性； 2) 基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康 复者质量定常改变问题，并且避免了对康复者质量参数进行自适应估计； 3) 基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参 考轨迹信号的跟踪。
2. 根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在 于：步骤1)是根据地面力学理论，建立重心偏移的动力学模型： M VKX * M UKX = Β(Θ)Ρ (Ο 其中Mtl为包含机器人质量Μ、康复者质量m和转动惯量Itl的系数矩阵，K为机器人偏移 重心到各轮子距离的系数矩阵，X为机器人的实际行走路径，Β( Θ )为机器人旋转角度构成 的系数矩阵，F表示机器人的控制输入力，Θ表示水平轴和机器人中心到第一个轮子距离 间的夹角，3
3. 根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在 于：步骤2)解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重心发 生恒定偏移问题，对动力学模型（1)系数矩阵M tlK进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人 质量M和转动惯量Itl进行分解，将式（1)的两侧同时左乘分离后含有机器人质量M和转动 惯量I tl的系数矩阵W将式（1)化为如下表达形式： MxX + M ,X + mM %X +WM4X = M[tS(0)P (2)。
4. 根据权利要求3所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在 于：康复机器人重心恒定偏移且M+m = C时，C为常数，有偏移特性我=M2 + M丨成立；根据偏 移特性，设计独立于康复质量的控制器。
5. 根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在 于：根据医生指定的训练路径Xd和康复机器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如下形式 的误差状态模型： (M1 + mM ,)e + (M2 + mM4)? = (M1 -￥ mM JCi 4- (M2 4- m M4)Χ? - u(t) (3) 其中 = M1uB(O)F
6. 根据权利要求4或5所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特 征在于：基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：
在控制器F作用下，解决康复者质量定常改变问题，避免对康复者质量参数进行自适 应估计，实现对医生指定训练路径的精确跟踪。
7. 根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在 于：步骤3)中以89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入/输出 电路相连；驱动电路与直流电机相连；电源系统连接各个电气设备供电。
8.根据权利要求1或7所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特 征在于：主控制器的控制方法为：采集参考轨迹Xd形成四路模拟信号，四路模拟信号分时 输入，共用一个A/D转换器进行转换，主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信息， 实现控制命令，信号进入单片机处理后输出，将输出信号通过D/A转换，提供给电机驱动单 元，从而实现机器人的跟踪控制；同时，通过读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的 控制命令信号X对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算电机 的给定量，送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。
【文档编号】G05B13/04GK104375503SQ201310596476
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】孙平, 赵明, 宗良, 彭万平 申请人:沈阳工业大学