(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210569906.X (22)申请日 2022.05.24 (71)申请人 沈阳工业大 学 地址 110870 辽宁省沈阳市沈阳 经济技术 开发区沈辽西路1 11号 (72)发明人 王义娜　王天杰　刘赛男　郝文杰　 孙柏青　杨俊友　王硕玉　 (74)专利代理 机构 沈阳亚泰专利商标代理有限 公司 21107 专利代理师 邵明新 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种关节力估计方法 (57)摘要 本发明属于关节力估计技术领域， 尤其涉及 一种关节力估计方法。 其保证了老人起立过程的 平稳性同时使辅助机器人提供适 当的接触力， 使 辅助机器人的功能性和可靠性得到有效的提升。 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参考轨迹； 步骤3、 在 辅助机器人与用户接触时， 基于参考轨迹估计辅 助机器人肩关节力矩， 控制机器人按照该轨迹完 成辅助任务。 权利要求书3页 说明书9页 附图6页 CN 114770519 A 2022.07.22 CN 114770519 A 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、 基于设计的机器人助立轨迹， 将机器人关节角度数据和接触力切向力、 法向力 分量作为输入， 机器人肩关节输出力矩作为输出训练神经网络。 使辅助机器人沿着设计的 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。 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θa、 膝关节角度记为θk、 髋关节角度记为θx。 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； 人体重心包含着人体运动过程中的姿态信息， 它并不是固定的， 随着人体 的运动重心位置也会发生改变， 重心的位置能够反映人体的稳定性。 人体重心的运动轨 迹计算方法： 式中， i为身体各部位的编号， xi是部位i重心在x坐标系的位置， mi是身体部位i的质量； 若x<xd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1所述的一种关节力估计方法， 其特征在于： 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为权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114770519 A 2大腿的质量， W3为躯干的质量。 5.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θa,膝关节角度记为θk,髋关 节角度记为θx， 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为膝关节在基坐标系下的横 坐标， y30为基坐标系下的纵坐标， θa、 θk、 θx分别踝关节、 膝关节、 肩关节的角度。 6.根据权利要求4所述的一种关节力估计方法， 其特征在于： 步骤3包括： 对机器人辅助 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完成对服务机器人与用户接触力的控制； 具体 过程如下： 机器人与用户交 互过程进行受力分析： 状态空间表达式： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114770519 A 3