本發(fā)明屬于護(hù)理機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種移乘護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人口老齡化程度加快。照顧老年人的生活起居成為了當(dāng)今社會(huì)每個(gè)家庭的難題，尤其是對(duì)于肢體患病的老年人。移乘護(hù)理機(jī)器人的出現(xiàn)將極大緩解老年人護(hù)理的工作壓力。移乘護(hù)理機(jī)器人即通過機(jī)器人來協(xié)助行動(dòng)不便的老年人進(jìn)行日?；顒?dòng)。通過機(jī)器人自身的腳踏板、胸靠、腋下扶手的支撐，幫助老年人從床上換乘到輪椅或者其他指定目標(biāo)位置。

目前，人體康復(fù)護(hù)理方向的研究大都是關(guān)于上肢和下肢的康復(fù)訓(xùn)練控制方法，主要是主-被動(dòng)結(jié)合的患肢康復(fù)訓(xùn)練策略。在移乘護(hù)理方向，日本理化研究所研究的riba機(jī)器人(參見圖1)(mukait,hiranos,yoshidam,etal.tactile-basedmotionadjustmentforthenursing-careassistantrobotriba[c]//ieeeinternationalconferenceonroboticsandautomation.ieeexplore,2011:5435-5441.)通過胳臂上的發(fā)動(dòng)機(jī)來完成抱人的工作，后來開發(fā)的改進(jìn)版本在胳膊上增加了柔性皮膚傳感器，及時(shí)對(duì)人體的接觸力的大小進(jìn)行感知，進(jìn)而調(diào)整姿態(tài)位置，更加安全的完成抱人過程。該機(jī)器人主要是通過觸覺指導(dǎo)的控制策略，需要除機(jī)器人和受護(hù)理人外的第三輔助者對(duì)機(jī)器人進(jìn)行觸覺干預(yù)，假設(shè)當(dāng)雙臂距離不合適或角度不合理時(shí)，輔助者用手對(duì)機(jī)器人雙臂施加一個(gè)合理方向的力，機(jī)器人手臂會(huì)跟隨施加力方向動(dòng)作，進(jìn)行雙臂的抱緊或放松，預(yù)先實(shí)驗(yàn)分析得到機(jī)器人抱人的基本軌跡(包括參數(shù)：雙臂的距離和關(guān)節(jié)角度)，然后通過機(jī)器人與人體接觸部分的面式柔性觸覺傳感器，實(shí)時(shí)采集接觸力，通過接觸位置和力信息來修正軌跡誤差，通過反饋控制器來控制雙臂的距離和關(guān)節(jié)角度。不足之處在于需要除機(jī)器人外另一名輔助人員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行輔助操作，不能完全實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主化。移乘護(hù)理機(jī)器人尚屬于新興機(jī)器人，相關(guān)技術(shù)方面還不成熟，提到過移乘護(hù)理機(jī)器人方面的安全控制策略研究甚少。這類機(jī)器人主要的問題是在整個(gè)移乘護(hù)理過程中，如何保證人體的安全，不會(huì)對(duì)老年人的生命造成難以估量的危險(xiǎn)。

中國(guó)專利zl201080005421.3公開一種移乘輔助設(shè)備，該設(shè)備適用于前抱式移乘護(hù)理機(jī)器人，通過控制單元預(yù)先設(shè)置的軌跡進(jìn)行動(dòng)作，不安緩解控制單元實(shí)時(shí)采集人體的心率變化，當(dāng)人體心率值高于正常閾值時(shí)，將不安程度信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速控制機(jī)器的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角，通過整個(gè)閉環(huán)控制來保證人體的安全舒適。不足之處在于：?jiǎn)渭円揽啃穆首兓癁榭刂茦?biāo)準(zhǔn)，難以區(qū)別心率變化是否完全是由于機(jī)器的不正確動(dòng)作造成的，還是有其他外界干擾因素造成的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有移乘護(hù)理機(jī)器人在安全控制方面存在的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種移乘護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法。該方法以達(dá)到提高護(hù)理機(jī)器人行為安全為目的，使護(hù)理機(jī)器人在整個(gè)動(dòng)作過程中保證被護(hù)理者的安全舒適性，減少被護(hù)理者的不適感。本發(fā)明方法通過對(duì)人體(暫考慮為多剛體模型)與機(jī)器人移乘過程進(jìn)行研究，分析在每個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)和人體姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，獲得移乘護(hù)理機(jī)器人的姿態(tài)與人體關(guān)節(jié)角的函數(shù)關(guān)系，即人體重心的變化情況，進(jìn)而得到機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型，以此解算模型為參考標(biāo)準(zhǔn)，在移乘護(hù)理類機(jī)器人實(shí)際動(dòng)作過程中，結(jié)合人體腦電波信號(hào)和握力手柄力信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支撐部位的壓力值，當(dāng)檢測(cè)到不合理姿態(tài)時(shí)，通過比較實(shí)際值和解算模型理論值的誤差，及時(shí)調(diào)整機(jī)器人動(dòng)作姿態(tài)，達(dá)到安全舒適的護(hù)理動(dòng)作效果。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：提供一種移乘護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法，所述移乘護(hù)理機(jī)器人采用前抱式的方式進(jìn)行移乘，包括下部固定部分和上部支撐部分，下部固定部分和上部支撐部分通過轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接，轉(zhuǎn)動(dòng)臂下端與下部固定部分的連接位置處安裝第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第一光電編碼器；上部支撐部分包括胸靠、腋下扶手和握力手柄，胸靠和腋下扶手主要起承重作用，握力手柄主要為檢測(cè)人體不合理姿態(tài)的作用。轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的連接位置安裝電動(dòng)推桿和第二光電編碼器，腋下扶手和胸靠的連接位置安裝第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第三光電編碼器，在護(hù)理機(jī)器人的握力手柄處安裝握力傳感器，腋下扶手安裝扭矩傳感器，胸靠和腳踏板上均布置壓力傳感器，護(hù)理機(jī)器人上部支撐部分能圍繞下部固定部分與轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接處轉(zhuǎn)動(dòng)；胸靠能繞轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠連接的鉸點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)，腋下扶手能繞胸靠與腋下扶手的連接點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)；該方法包括以下步驟：

s1.構(gòu)建機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型：

通過建立機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型來得到機(jī)器人在任意姿態(tài)下的人體和機(jī)器人接觸位置的力；具體過程如下：

s1-1以護(hù)理機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂下端與下部固定部分的連接位置為坐標(biāo)原點(diǎn)o，護(hù)理機(jī)器人的高度方向?yàn)閥方向，水平方向?yàn)閤方向，且豎直向上為y軸正方向，被護(hù)理者所在方向?yàn)閤軸正方向，建立xy直角坐標(biāo)系；轉(zhuǎn)動(dòng)臂的長(zhǎng)度為l2，下部固定部分的高度為l1，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與x軸正方向的夾角為關(guān)節(jié)角θ，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的連接點(diǎn)記為m；將被護(hù)理者的身體分為上身軀干、大腿和小腿三部分，上身軀干、大腿和小腿的質(zhì)心分別記為a、b和c，對(duì)應(yīng)的三部分的長(zhǎng)度分別記為h1、h2和h3，上身軀干與x軸負(fù)方向的夾角為胸靠角度α，大腿與x軸正方向的夾角為β，β＝§(α)；被護(hù)理者的整體重心記為w，被護(hù)理者的身高為h，重力為g；腋下扶手與胸靠的初始角度為90°，按照人體各部分質(zhì)心位置和質(zhì)量的關(guān)系表得到三部分的相對(duì)人體總重的比例，在直角坐標(biāo)系下結(jié)合各部分的幾何關(guān)系計(jì)算得到三部分的質(zhì)心a、b、c在xy直角坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，分別記為(xa，ya)、(xb，yb)、(xc，yc)，三部分的質(zhì)心的坐標(biāo)均為包含參數(shù)l1、l2、θ、α，g、h的關(guān)系式，得到被護(hù)理者各部分的質(zhì)量和位置信息；

s1-2根據(jù)力矩合成法按照式(1)和(2)解算人體重心w的位置坐標(biāo)，即按照各力矩之和等于同矩心的各力之和的力矩，求出人體重心w的位置坐標(biāo)為(xw，yw)；

g1xa+g2xb+g3xc＝gxw(1)

g1ya+g2yb+g3yc＝gyw(2)

式中，g1代表上身軀干的重力，g2代表大腿部分的重力，g3代表小腿部分的重力；

s1-3在不考慮人體內(nèi)部復(fù)雜連接關(guān)系的條件下，將步驟s1-2得到的人體重心w的位置坐標(biāo)作為已知值，根據(jù)合力矩定理，將人體的總重力重新分配到機(jī)器人對(duì)人體的各個(gè)支撐位置，上半身由腋下和胸靠支撐，上半身支撐位置為轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的鉸點(diǎn)m，m的坐標(biāo)記為(xm，ym)，下半身由腳底踏板支撐，被護(hù)理者與腳踏板的接觸點(diǎn)n為下半身支撐位置，n的坐標(biāo)記為(xn，yn)，將同一坐標(biāo)系下兩個(gè)支撐位置的坐標(biāo)帶入式(3)和(4)中，重新解算兩個(gè)支撐位置分力的大??；

gxw＝fsxm+fxxn(3)

gyw＝fsym+fxyn(4)

式中，fs為上半身支撐力，fx為下半身支撐力，

從而得到機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型為：

fs＝f1(l1,l2,θ,α,g,h)

fx＝f2(l1,l2,θ,α,g,h)

模型中，函數(shù)f1和f2分別表示自變量為機(jī)器人下部固定部分高度l1、轉(zhuǎn)動(dòng)臂長(zhǎng)度l2、轉(zhuǎn)動(dòng)臂關(guān)節(jié)角度θ、胸靠角度α、人體重力g和身高h(yuǎn)的關(guān)于上半身支撐力和下半身支撐力的關(guān)系式；

該解算模型將人體分為上半身和下半身，上半身的總重量等于上半身支撐力fs，上半身的重量主要由腋下扶手和胸靠?jī)刹糠种纹胶?，得到?5)，即上半身的總重量等于腋下力和胸靠力的矢量和，

s2.構(gòu)建護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作的期望軌跡：

在兩名試驗(yàn)者身體的主要關(guān)節(jié)處均貼高光亮片，通過錄像設(shè)備記錄人背人過程，根據(jù)被背者的主觀感受來采集合適的實(shí)驗(yàn)樣本，多次采集實(shí)驗(yàn)樣本，刪除人體不舒適的實(shí)驗(yàn)樣本，將人體舒適的實(shí)驗(yàn)樣本作為合理樣本，然后對(duì)合理樣本的整個(gè)過程中的高光亮片點(diǎn)的軌跡進(jìn)行描點(diǎn)，綜合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到一個(gè)理想的軌跡，將此軌跡作為護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作的期望軌跡，并將此期望軌跡輸入至護(hù)理機(jī)器人的上位機(jī)系統(tǒng)；

s3.將被護(hù)理者的身高、體重信息輸入至護(hù)理機(jī)器人的上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)人體各部分質(zhì)心位置和質(zhì)量的關(guān)系得到該被護(hù)理者的肢體各部分尺寸和質(zhì)量信息；同時(shí)將護(hù)理機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)、人體正常狀態(tài)下的腦電波信號(hào)樣本和合理的握力手柄的握力值范圍提前輸入至上位機(jī)系統(tǒng)；

s4.護(hù)理機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的期望軌跡動(dòng)作：

通過第一光電編碼器和第二光電編碼器，實(shí)時(shí)測(cè)量護(hù)理機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)臂和胸靠的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)所測(cè)得的角度來控制機(jī)器人的當(dāng)前軌跡跟蹤預(yù)先設(shè)定的期望軌跡，采取穩(wěn)定控制策略，同時(shí)實(shí)時(shí)采集握力手柄處的握力值和被護(hù)理人的腦電波信號(hào)，當(dāng)采集的握力手柄握力值和腦電波信號(hào)同時(shí)超出提前輸入上位機(jī)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)樣本的合理范圍，立刻跳到步驟s5；

s5.當(dāng)穩(wěn)定控制策略出現(xiàn)不合理狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)將第一光電編碼器和第二光電編碼器采集的護(hù)理機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂關(guān)節(jié)角θ和胸靠角度α發(fā)送到解算模型中，通過機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻上半身支撐力fs；再通過第三光電編碼器采集腋下扶手與胸靠的相對(duì)角度，利用式(5)得到胸靠、腋下扶手兩個(gè)接觸位置的理論接觸力；

s6.調(diào)整不合理姿態(tài)：

將步驟s5計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻腋下扶手、胸靠?jī)蓚€(gè)接觸位置的理論接觸力和由腋下扭矩傳感器和胸靠壓力傳感器測(cè)得的實(shí)際接觸力進(jìn)行對(duì)比匹配，得到誤差值δf，然后控制器發(fā)送相關(guān)指令改變轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠連接位置處的電動(dòng)推桿行程和腋下扶手與胸靠連接位置處第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)整胸靠角度α和腋下扶手與胸靠的相對(duì)角度，使誤差值δf不大于±1n，然后跳回步驟s4。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明根據(jù)機(jī)器人動(dòng)作過程中各支撐位置的受力情況，提出了更優(yōu)的機(jī)器人行為安全控制策略，為一種結(jié)合了機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型和人機(jī)接觸力信息以及人體生理腦電波信號(hào)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了在機(jī)器人的整個(gè)動(dòng)作過程中，每個(gè)時(shí)刻每個(gè)接觸位置的接觸力的定量描述，得到了較為精確的控制參考標(biāo)準(zhǔn)，以此解算模型為依據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)的控制方法調(diào)整。本發(fā)明相對(duì)于單純依靠人體生理參數(shù)(心跳、脈搏等)作為依據(jù)的控制策略更加具有可靠性。在沒有過大干擾和受力集中的情況下，按照穩(wěn)定控制策略動(dòng)作(指前期根據(jù)人背人實(shí)驗(yàn)得到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)來規(guī)劃出機(jī)器人的抱人運(yùn)動(dòng)軌跡，采用常規(guī)控制方法由位置控制單元進(jìn)行軌跡跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軌跡達(dá)到預(yù)期規(guī)劃軌跡)；當(dāng)出現(xiàn)不合理姿態(tài)干擾時(shí)，采用自適應(yīng)調(diào)整方法，根據(jù)機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型得到各支撐位置的受力情況，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂關(guān)節(jié)角和胸靠角度，從而達(dá)到合理的動(dòng)作姿態(tài)控制。

附圖說明

圖1是日本理化研究所的護(hù)理機(jī)器人；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例護(hù)理機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖3是本發(fā)明移乘過程機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型簡(jiǎn)圖；

圖4是本發(fā)明機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型原理圖；

圖5是本發(fā)明移乘護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法的流程圖；

圖中，1握力手柄、2腋下扶手、3胸靠、4腳踏板、5轉(zhuǎn)動(dòng)臂、6下部固定部分、7上部支撐部分。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不以此作為對(duì)本申請(qǐng)權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定。

本發(fā)明移乘護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法(簡(jiǎn)稱方法)，所述移乘護(hù)理機(jī)器人(參見圖2)采用前抱式的方式進(jìn)行移乘，包括下部固定部分6和上部支撐部分7，中間通過轉(zhuǎn)動(dòng)臂5連接，轉(zhuǎn)動(dòng)臂下端與下部固定部分連接，轉(zhuǎn)動(dòng)臂上端與上部支撐部分連接，轉(zhuǎn)動(dòng)臂下端與下部固定部分的連接位置處需安裝第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第一光電編碼器；上部支撐部分由胸靠、腋下扶手和握力手柄組成，胸靠和腋下扶手主要起承重作用，握力手柄主要為檢測(cè)人體不合理姿態(tài)的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的連接位置安裝電動(dòng)推桿和第二光電編碼器來進(jìn)行角度測(cè)量和微調(diào)，腋下扶手和胸靠的連接位置安裝第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第三光電編碼器進(jìn)行后期角度測(cè)量和微調(diào)，在護(hù)理機(jī)器人的握力手柄1處安裝握力傳感器，腋下扶手2安裝扭矩傳感器，胸靠3和腳踏板4上均布置壓力傳感器，護(hù)理機(jī)器人上部支撐部分能圍繞下部固定部分與轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接處轉(zhuǎn)動(dòng)；胸靠能繞轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠連接的鉸點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)，腋下扶手能繞胸靠與腋下扶手的連接點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)；該方法包括以下步驟：

s1.構(gòu)建機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型(參見圖3)：

在移乘護(hù)理機(jī)器人抱人的過程中，人體與機(jī)器人接觸位置的力在不斷的變化，主要是由于人體重心在機(jī)器人的動(dòng)作過程中時(shí)刻在變化，而且變化規(guī)律較為復(fù)雜，所以擬通過建立機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型來得到機(jī)器人在任意姿態(tài)下的人體和機(jī)器人接觸位置的力；具體過程如下：

s1-1以護(hù)理機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂下端與下部固定部分的連接位置為坐標(biāo)原點(diǎn)o，護(hù)理機(jī)器人的高度方向?yàn)閥方向，水平方向?yàn)閤方向，且豎直向上為y軸正方向，被護(hù)理者所在方向?yàn)閤軸正方向，建立xy直角坐標(biāo)系；轉(zhuǎn)動(dòng)臂的長(zhǎng)度為l2，下部固定部分的高度為l1，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與x軸正方向的夾角為關(guān)節(jié)角θ，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的連接點(diǎn)記為m；將被護(hù)理者的身體分為上身軀干、大腿和小腿三部分，上身軀干、大腿和小腿的質(zhì)心分別記為a、b和c，對(duì)應(yīng)的三部分的長(zhǎng)度分別記為h1、h2和h3，上身軀干與x軸負(fù)方向的夾角為α，由于上身軀干與胸靠平行，α也稱為胸靠角度，大腿與x軸正方向的夾角為β，β＝§(α)，β與α在直角坐標(biāo)系中存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系；被護(hù)理者的整體重心記為w，被護(hù)理者的身高為h，重力為g；腋下扶手與胸靠的初始角度為90°，按照人體各部分質(zhì)心位置和質(zhì)量的關(guān)系表得到三部分的相對(duì)人體總重的比例(見表1)，在直角坐標(biāo)系下結(jié)合各部分的幾何關(guān)系計(jì)算得到三部分的質(zhì)心a、b、c在xy直角坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，分別記為(xa，ya)、(xb，yb)、(xc，yc)，三部分的質(zhì)心的坐標(biāo)均為包含參數(shù)l1、l2、θ、α，g、h的關(guān)系式，得到被護(hù)理者各部分的質(zhì)量和位置信息；

表1分析法計(jì)算人體重心

表1中所述的近側(cè)端是指某個(gè)環(huán)節(jié)靠近心臟的一端。

s1-2根據(jù)力矩合成法按照式(1)和(2)解算人體重心w的位置坐標(biāo)，即按照各力矩之和等于同矩心的各力之和的力矩，求出人體重心w的位置坐標(biāo)為(xw，yw)；

g1xa+g2xb+g3xc＝gxw(1)

g1ya+g2yb+g3yc＝gyw(2)

式中，g1代表上身軀干的重力，g2代表大腿部分的重力，g3代表小腿部分的重力，g代表人體總重力；

s1-3在不考慮人體內(nèi)部復(fù)雜連接關(guān)系的條件下，將步驟s1-2得到的人體重心w的位置坐標(biāo)作為已知值，根據(jù)合力矩定理，將人體的總重力重新分配到機(jī)器人對(duì)人體的各個(gè)支撐位置，上半身由腋下和胸靠支撐，上半身支撐位置為轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的鉸點(diǎn)m，m的坐標(biāo)記為(xm，ym)，下半身由腳底踏板支撐，被護(hù)理者與腳踏板的接觸點(diǎn)n為下半身支撐位置，n的坐標(biāo)記為(xn，yn)，將同一坐標(biāo)系下兩個(gè)支撐位置的坐標(biāo)帶入式(3)和(4)中，重新解算兩個(gè)支撐位置分力的大?。?/p>

gxw＝fsxm+fxxn(3)

gyw＝fsym+fxyn(4)

式中，fs為上半身支撐力，fx為下半身支撐力，

從而得到機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型為：

fs＝f1(l1,l2,θ,α,g,h)

fx＝f2(l1,l2,θ,α,g,h)

模型中，函數(shù)f1和f2分別表示自變量為機(jī)器人下部固定部分高度l1、轉(zhuǎn)動(dòng)臂長(zhǎng)度l2、轉(zhuǎn)動(dòng)臂關(guān)節(jié)角θ、胸靠角度α、人體重力g和身高h(yuǎn)的關(guān)于上半身支撐力和下半身支撐力的關(guān)系式；

該解算模型將人體分為上半身和下半身，上半身的總重量等于上半身支撐力fs，因?yàn)樯习肷淼闹亓坑梢赶路鍪趾托乜績(jī)刹糠种纹胶?，得上半身總重量等于腋下力和胸靠力的矢量?包含力的大小和方向)，即式(5)，

根據(jù)公式(5)進(jìn)而可得到腋下扶手和胸靠?jī)蓚€(gè)接觸位置的理論值；

s2.構(gòu)建護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作的期望軌跡：

在兩名試驗(yàn)者身體的主要關(guān)節(jié)(肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié))處均貼高光亮片，通過錄像設(shè)備記錄人背人過程，根據(jù)被背者的主觀感受來采集合適的實(shí)驗(yàn)樣本，多次采集實(shí)驗(yàn)樣本，刪除人體不舒適的實(shí)驗(yàn)樣本，將人體舒適的實(shí)驗(yàn)樣本作為合理樣本，然后對(duì)合理樣本的整個(gè)過程中的高光亮片點(diǎn)的軌跡進(jìn)行描點(diǎn)，綜合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到一個(gè)理想的軌跡，將此軌跡作為護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作的期望軌跡，并將此期望軌跡輸入至護(hù)理機(jī)器人的上位機(jī)系統(tǒng)；

s3.將被護(hù)理者的身高、體重信息輸入至護(hù)理機(jī)器人的上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)人體各部分質(zhì)心位置和質(zhì)量的關(guān)系(表1)得到該被護(hù)理者的肢體各部分尺寸和質(zhì)量信息；同時(shí)需將護(hù)理機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)(下部固定部分高度l1和轉(zhuǎn)動(dòng)臂長(zhǎng)度l2)、人體正常狀態(tài)下的腦電波信號(hào)樣本和合理的握力手柄的握力范圍提前輸入至上位機(jī)系統(tǒng)；

s4.護(hù)理機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的期望軌跡動(dòng)作：

通過第一光電編碼器和第二光電編碼器，實(shí)時(shí)測(cè)量護(hù)理機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)臂和胸靠的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)所測(cè)得的角度值來控制機(jī)器人的當(dāng)前軌跡跟蹤預(yù)先設(shè)定的期望軌跡，采取穩(wěn)定控制策略，實(shí)時(shí)采集握力手柄處的握力值和被護(hù)理人的腦電波信號(hào)，當(dāng)采集的握力值或腦電波信號(hào)同時(shí)超出提前輸入上位機(jī)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)樣本的合理范圍，立刻跳到步驟s5；

s5.當(dāng)穩(wěn)定控制策略出現(xiàn)不合理狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)將第一光電編碼器和第二光電編碼器采集的護(hù)理機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂關(guān)節(jié)角θ和胸靠角度α發(fā)送到解算模型中，通過機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻上半身支撐力fs；再通過第三光電編碼器采集腋下扶手與胸靠的相對(duì)角度，利用式(5)得到胸靠、腋下扶手兩個(gè)接觸位置的理論接觸力；

s6.調(diào)整不合理姿態(tài)：

將步驟s5計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻腋下扶手、胸靠?jī)蓚€(gè)接觸位置的理論接觸力和由腋下扭矩傳感器和胸靠壓力傳感器測(cè)得的實(shí)際接觸力進(jìn)行對(duì)比匹配，得到誤差值δf，然后控制器發(fā)送相關(guān)指令改變胸靠處的電動(dòng)推桿行程(起主要調(diào)節(jié)作用)和腋下扶手位置處第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速(起輔助微調(diào)作用)，調(diào)整胸靠角度α和腋下扶手與胸靠的相對(duì)角度，使誤差值δf不大于±1n，然后跳回步驟s4。

結(jié)合圖2，本實(shí)施例移乘護(hù)理機(jī)器人是區(qū)別于雙臂抱人的方式，而是一種前抱式的移乘方式。分布在機(jī)器人平臺(tái)的主要有四個(gè)傳感器檢測(cè)位置：握力手柄、腋下扶手、胸靠、腳踏板。這四個(gè)位置分別布置握力手柄握力傳感器、腋下扶手扭矩傳感器、胸靠壓力傳感器、腳踏板壓力傳感器。該護(hù)理機(jī)器人主要完成將目標(biāo)人體由坐姿抱起至站姿。通過各個(gè)支撐位置處的傳感器測(cè)量實(shí)際接觸力力信息，來描述運(yùn)動(dòng)過程中人體的重心變化情況，最后將得到力信號(hào)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到后續(xù)的安全控制策略中。

圖3為機(jī)器人姿態(tài)和人體重力分配的解算模型原理圖。該解算模型為控制策略的核心內(nèi)容。將人體暫時(shí)考慮為多剛體模型，通過對(duì)機(jī)器人與人體的幾何關(guān)系描述，建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)人體重心的計(jì)算理論，在已知被護(hù)理者身高體重的前提下，可以由護(hù)理機(jī)器人姿態(tài)得到人體的重心位置，然后進(jìn)行人體重力的再劃分，進(jìn)而得到人體與護(hù)理機(jī)器人接觸位置的理論接觸力。

圖4為解算模型原理圖，已知護(hù)理機(jī)器人的姿態(tài)是由關(guān)節(jié)角θ和胸靠角度α來描述的，機(jī)器人的任何姿態(tài)都有與之對(duì)應(yīng)的人體姿態(tài)，人體的姿態(tài)決定人體的重心位置，而重心位置會(huì)影響人體重力分配，即人與機(jī)器人的接觸位置的接觸力大小，從而得到機(jī)器人姿態(tài)和人機(jī)接觸力的映射原理。

圖5為移乘機(jī)器人的動(dòng)作過程的控制總流程圖，過程如下：為了更好的保證目標(biāo)人體在被抱起的整個(gè)過程中的安全舒適性，提出一種護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法，即在穩(wěn)定控制策略下(無干擾)進(jìn)行自適應(yīng)控制調(diào)整(存在干擾因素)。前期通過人背人實(shí)驗(yàn)采集到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，得到期望軌跡，通過常規(guī)pid控制實(shí)現(xiàn)護(hù)理機(jī)器人的軌跡跟蹤控制。在移乘護(hù)理機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)，當(dāng)握力手柄處的握力傳感器檢測(cè)值小于提前設(shè)置的合理安全閾值時(shí)，或者采集的人體腦電波信號(hào)波動(dòng)范圍處于提前輸入上位機(jī)系統(tǒng)的腦電波合理樣本范圍內(nèi)時(shí)，判定人體此刻的狀態(tài)無集中受力或不舒服感覺，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前動(dòng)作，即穩(wěn)定控制策略。在移乘護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作周期內(nèi)，若當(dāng)握力手柄處的握力傳感器檢測(cè)到較大握力值，該較大握力值超出了合理安全閾值時(shí)，再結(jié)合被護(hù)理人的腦電波檢測(cè)信號(hào)是否存在突然的較大波動(dòng)，如果腦電波信號(hào)檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)峰值波動(dòng)，超出了預(yù)設(shè)的腦電波合理樣本閾值，判定人體在被抱起過程中可能存在不合理姿態(tài)或是人的自我體動(dòng)調(diào)整，此時(shí)的控制器迅速進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提取當(dāng)前胸靠壓力傳感器和腋下扶手扭矩傳感器的數(shù)值，同時(shí)將此時(shí)的護(hù)理機(jī)器人關(guān)節(jié)角θ和胸靠角度α輸入機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型，將當(dāng)前實(shí)際值減去解算模型得到的理論值，得到此時(shí)每個(gè)支撐位置的誤差值δf。最后將誤差值δf發(fā)送給控制器，由控制器計(jì)算補(bǔ)償值，通過控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠連接位置的電動(dòng)推桿和腋下扶手與胸靠的連接位置處的第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)胸靠和腋下扶手的角度的調(diào)整。相應(yīng)調(diào)整策略如下：當(dāng)?shù)玫降恼`差值δf處于合理范圍內(nèi)時(shí)，即δf小于1n且大于-1n，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前穩(wěn)定控制策略；當(dāng)?shù)玫降恼`差值δf大于1n，即人體受力過大，調(diào)整的方向應(yīng)該放松支撐部位的夾持力，調(diào)整支撐部位角度，使受力面盡可能大，消除局部集中受力；當(dāng)誤差值δf小于-1n，即人體受力過小，調(diào)整的方向應(yīng)該使支撐力變大，固定人體防止滑落受傷，以達(dá)到最優(yōu)的機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃控制。

本發(fā)明主要針對(duì)的是移乘護(hù)理類機(jī)器人，此類機(jī)器人的服務(wù)目標(biāo)是行動(dòng)不便的老年人，機(jī)器人在抱人移乘動(dòng)作過程中的安全問題至關(guān)重要。通過對(duì)生活中人背人動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析，背人的難易程度不僅與人的身高體重有直接關(guān)系，被背人的重心位置同樣是影響整個(gè)背人動(dòng)作的難易程度的重要因素。背人過程中被背者與主動(dòng)背人者的主要接觸部位有胳膊腋下、胸部、大腿，依靠這三個(gè)施力點(diǎn)的力來保持被背者的穩(wěn)定姿態(tài)，同時(shí)也會(huì)自動(dòng)調(diào)整手部向上托的力的大小和方向，來克服人的重心變化。移乘機(jī)器人不合理的動(dòng)作姿態(tài)主要有兩種情況：當(dāng)機(jī)器人的夾持力不足時(shí)，人體有自然滑落的動(dòng)作趨勢(shì)(此時(shí)人會(huì)自主的抓握手柄產(chǎn)生內(nèi)力來克服滑落)，容易造成二次傷害；當(dāng)機(jī)器人的加持部位力過大，強(qiáng)力的壓迫感會(huì)使人體感到不適(人也會(huì)自主的抓握手柄克服心理恐懼)，也容易對(duì)人體造成傷害。在保證人體安全的前提下，本發(fā)明提出更加合理的自適應(yīng)控制方法，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)的機(jī)器人動(dòng)作姿態(tài)控制。

本發(fā)明所述的護(hù)理機(jī)器人是區(qū)別于雙臂抱人的方式，而是一種前抱式的移乘方式(其實(shí)就是一種背人的方式，類似人背人的運(yùn)動(dòng)過程，背人者的背部和被背者的胸部接觸，而在機(jī)器人動(dòng)作時(shí)，是機(jī)器人的胸部和人體的胸部接觸，而動(dòng)作角度恰好與人背人是相反，類似武打動(dòng)作中的抱摔，故稱為前抱式)，四個(gè)接觸位置分別是握力手柄、腋下扶手、胸靠、腳踏板。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，由控制器對(duì)安裝在機(jī)器人相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人本體帶動(dòng)行動(dòng)不便的人體完成移乘過程，主要支撐位置的力傳感器(扭矩傳感器、胸靠3和腳踏板4的壓力傳感器)測(cè)量動(dòng)作過程中的力信息，并采集握力手柄的握力傳感器數(shù)值和人體的腦電波信號(hào)。通過對(duì)被護(hù)理人與機(jī)器人接觸位置的力信息和被護(hù)理人的腦電波信號(hào)的分析，判斷機(jī)器人姿態(tài)情況，制定合理的機(jī)器人行為安全控制策略，提高移乘護(hù)理過程的安全穩(wěn)定性。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。