[发明专利]一种上肢康复机器人的重力补偿方法

说明书

本发明属于机器人重力补偿相关技术领域，并公开了一种上肢康复机器人的重力补偿方法。包括下列步骤：S1对于包括多个关节的上肢康复机器人，构建该机器人的运动轨迹，采集运动轨迹中不同位姿处每个关节的力矩和位姿；S2构建以关节的位姿为输入，关节的力矩作为输出的预测模型；S3求解预测模型中的待辨识系数，改变所述机器人的位姿，测量当前位姿下每个关节的实时力矩和实时位姿，利用所述实时位姿和预测模型计算获得预测力矩，所述实时力矩减去该预测力矩即实现该机器人的重力补偿。通过本发明，减少采集过程中多变量的累积误差，提高补偿精度，降低计算复杂度，提高重力参数的辨识精度和重力运算速度。

技术领域

本发明属于机器人重力补偿相关技术领域，更具体地，涉及一种上肢康复机器人的重力补偿方法。

背景技术

机器人重力补偿参数求解是机器人控制非常重要的一步，尤其对于串联式上肢康复机器人而言，先对机器人本体重力进行补偿是识别患肢运动意图的必要步骤。重力补偿参数求解方法主要有被动补偿和主动补偿两种，被动补偿通过设计者的经验或者是理论计算得到机器人关节负载的最大重力值，然后选择能够平衡关节负载最大重力的一定比例的配重块或者是辅助弹簧，最后通过设计简单的配重结构便可以实现对重力一定程度的补偿。主动补偿主要是通过建立机器人动力学方程，然后通过三维软件仿真得到各个关节的重力，最终通过实时改变前馈力矩补偿的值，便可以在任意位置实现对重力矩的补偿，主动补偿相对于被动补偿的优势在于它可以补偿任意位置的重力矩。

但是，上述两种方法都存在一些没有解决的问题：由于上肢机器人在运动的过程中，各个关节所受重力随运动位置的不同而不同，被动补偿无法补偿任意位置的重力；通过建立动力学模型的，在三维软件中推导出重力补偿参数值的主动补偿方法，没有考虑机器人的结构在加工装配中的精度以及材料的分配不均匀，从而直接从软件中仿真得到的模型参数与实际偏差较大。

专利CN201810331540中公开了一种工业机器人柔性伺服控制方法，其将加速度项、速度项和位置项耦合在一起，综合考虑，依次求解了速度、加速度带来的影响，这些影响都是不能精确求得的，所以该方法求得的结果是很不准确的，并且建模复杂，计算量大，实际使用前景不理想；

CN201511030390中公开了一种触觉反馈装置及其变阻尼控制方法和应用，将重力补偿的力矩作为已知量，并没有对重力补偿的步骤进行阐述，即其内容讲述的并非是机器人的重力补偿，它是强调的控制方法。上述两个专利中要么实现的是加速度项、速度项和位置项耦合建立的重力补偿模型，要么没有公开具体的重力补偿方法；因此，急需一种根据机器人各关节位置与重力的函数关系，建立仅考虑重力矩项的模型的补偿方法，以解决现有被动补偿方法不能补偿任意位置的重力，主动补偿方法不能准确建模的技术难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种上肢康复机器人的重力补偿方法，通过将加速度项、速度项、和位置项解耦合，减少采集过程中多变量的累积误差，提高补偿精度，降低计算复杂度，同时将摩擦力与重力解耦合，极大的提高了重力参数的辨识精度和重力运算速度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种上肢康复机器人的重力补偿方法，包括下列步骤：

S1对于包括多个关节的上肢康复机器人，构建该机器人的运动轨迹，采集运动轨迹中不同位姿处每个关节的力矩和位姿；

S2建立世界坐标系并以该世界坐标系作为基坐标系，对于每个关节，建立每个关节各自的关节坐标系并求解各自坐标系中的重力加速度g，求解构建每个关节坐标系与所述基坐标系的旋转矩阵R和雅克比矩阵J；利用雅克比、旋转矩阵和重力加速度，构建以关节的位姿为输入，关节的力矩作为输出的预测模型；

S3利用步骤S1中采集的力矩和位姿的数据计算所述预测模型中的待辨识系数，改变所述机器人的位姿，测量当前位姿下每个关节的实时力矩和实时位姿，利用所述实时位姿和预测模型计算获得预测力矩，所述实时力矩减去该预测力矩即实现该机器人的重力补偿。