(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 202210606495.7 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 沈阳工业大 学 地址 110000 辽宁省沈阳市经济技 术开发 区沈辽西路1 11号 (72)发明人 孙柏青　李泽新　张秋豪　李勇　 杨俊友　 (74)专利代理 机构 北京棘龙知识产权代理有限 公司 11740 专利代理师 张德强 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 站坐交互中护理机 器人智能辅助方法 (57)摘要 站坐交互中护理机器人智能辅助方法属于 站坐交互中护理机器人智能辅助的应用技术领 域， 尤其涉及肢体残障人群站坐交互障碍问题的 解决。 本发 明提出一种基于模型预测的护理机器 人智能辅助控制方法， 这个控制方法能够解决肢 体残障人群的站坐交互障碍问题， 实现站坐交互 中人体受到座椅冲击力的减弱。 本发 明采用如下 技术方案， 本发明包括以下步骤： 步骤一： 对人体 的生物模型进行简化,结合简化后的人体结构， 构建描述人体生物结构的空间几何模 型， 描述站 坐交互中人体部位间的几何关系； 步骤二： 基于 垂直维度与步骤一中的人体空间几何模型构建 人体进行站坐交 互的动力学模型。 权利要求书5页 说明书10页 附图2页 CN 114912290 A 2022.08.16 CN 114912290 A 1.站坐交 互中护理机器人智能辅助方法， 其特 征在于包括以下步骤： 步骤一： 对人体的生物模型进行简化,结合简化后的人体结构， 构建描述人体生物结构 的空间几何模型， 描述站坐交 互中人体部位间的几何关系； 步骤二： 基于垂直维度与步骤一中的人体空间几何模型构建人体进行站坐交互 的动力 学模型； 模型中人体在垂直维度的运动过程被分为了两个阶段， 第一阶段人体只受到来自 座椅柔软部 分软弹簧的弹力和重力， 第二阶段人体不但受到一个恒定不变的软弹簧的弹力 和重力， 还要受到来自座椅底部坚硬部分的硬弹簧的弹力； 步骤三： 人体站坐交互的动力学模型的预测计算； 在不考虑纵向受到外力的情况下， 基 于当前采样周期的刚体质心的位移、 速度和加速度通过模型中的动力学方程预测出下一个 采样周期的质心位移、 速度和 加速度； 步骤四： 在步骤二动力学模型的基础上建立护理机器人的智能辅助模型； 将人体看作 是一个质量块， 并将护理机器人也看作为一个质量块； 人体与护理机器人之间由两组弹簧 阻尼相连， 第一组弹簧阻尼包括人体大腿柔软部位的弹簧阻尼和护理机器人椅面柔软部分 的弹簧阻尼， 第二组弹簧阻尼包括人体大腿骨骼坚硬部 分和护理机器人椅面坚硬部 分的弹 簧阻尼； 以上弹簧阻尼的大小均取决于人体与护理机器人的相对位移； 相对位移变化， 弹簧 阻尼值也随之线性变化； 步骤五： 通过传感器获取人体接触座椅瞬间的状态变量， 其中包括人与机器人的位移、 速度、 加速度； 将得到的状态变量输入到状态观测器A中， 使状态观测器A 开始循环计算未来 状态变量x的预测序列； 获得的预测序列为在不考虑机器人辅助力条件下人与护理机器人 在未来采样周期中的状态； 步骤六： 将预测的状态变量序列输入至对象模型， 在经过计算后输出在不考虑机器人 辅助力条件下座椅对人的作用力F椅预序列； 这个序列从当前采样周期开始至采样过程结束； 得到的F椅预序列经过滤波处理后得到期 望的座椅对人体作用力F期望序列， 并从这个序列中取 下一周期的F期望， 将它与上一周期系统的输出F椅(首个周期座椅对人体的作用力为0)作差得 到系统的控制误差e； 步骤七： 把控制误差e输入至最优控制器中计算得出下一周期控制机器人的作用力 frobot的大小； 再将上一周期状态观测器B输出的状态变量(首个周期采用初始状态变量)和 最优控制器输出的frobot输入至状态观测器B中得到 最终模拟真 实系统的下一周期的状态变 量x2； 这里得到的状态变 量x2， 不但会成为 下一采样周期状态观测器A的输入， 还会成为 下一 采样周期的状态 观测器B输入的一部分； 步骤八： 将状态 变量x2代入至对象模型中模拟真实环境得出系统的输 出F椅， 同时将F椅反 馈至最优控制器的输入部分， 用于计算 误差。 2.根据权利要求1所述站坐交互中护理机器人智能辅助方法， 其特征在于所述步骤二 中， 第一阶段动力学 方程： m1为人体躯干质量， m2为人体大腿质量， 为软弹簧的弹性系数， 为软弹簧的阻 尼系数， y1为大腿所在刚体的质心纵向位移， 为大腿所在刚体的质心纵向移动速度， 为 大腿所在刚体的质心纵向加速度； fy为纵向受到的外力； 第二阶段动力学 方程：权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114912290 A 2为硬弹簧的弹性系数， 为硬弹簧的阻尼系数， fK为恒定不变的来自软弹簧的弹 力。 3.根据权利要求1所述站坐交互中护理机器人智能辅助方法， 其特征在于所述步骤三 中， 假设当前周期的速度为 则可知下一个采样点的速度应为(采样时间设为s)： 参考上式可知， 下一个采样点周期的加速度 可解得为： 其中下一个采样点周期的速度 的计算公式如下： 联立上述方程可解得 下一个采样周期的质心位移、 速度和 加速度。 4.根据权利要求1所述站坐交互中护理机器人智能辅助方法， 其特征在于所述步骤四， 在站坐交互接触后过程的第一阶段， 不考虑第二组弹簧阻尼的影响， 仅考虑第一组弹簧阻 尼的影响， 人体受到来自护理机器人椅面柔软部分弹簧阻尼力和自身的重力； 而护理机器 人则受到来自人体大腿柔软部位的弹簧阻尼 力、 自身的重力和控制机器人升降电机对机器 人的作用力； 在站坐交互接触后过程的第 二阶段， 认为受到第 一阶段弹簧阻尼力为定值且为第 一阶 段受到的最大弹簧阻尼受力值， 同时考虑第二组弹簧阻尼的影响， 人体受到来自护理机器 人坚硬部分的弹簧阻尼力、 前面阶段中来自机器人弹簧阻尼力的最大值以及自身的重力； 而护理机器人则受到来自人体大腿骨骼坚硬部 分的弹簧阻尼 力、 第一阶段受到来自人弹簧 阻尼的最大值、 自身的重力和控制机器人升降电机对机器人的作用力； 人体站坐交 互第一阶段的人 ‑机动力学 方程为： 其中m人为人体除小腿外的质量， y人为人体大腿部位运动的位移， 为人体大腿部位运 动的速度， 为人体大腿部位运动的加速度， m机为机器人的质量， y机为机器人运动的位移， 为机器人运动的速度， 为机器人运动的加速度， Ksoft为连接人体与机器人柔软部分 的弹簧系数， Csoft为连接人体与机器人柔软部分的阻尼系数， frobot为控制机器人升降电机 对机器人的作用力； 人体站坐交 互第二阶段的人 ‑机动力学 方程为： 其中Khard为连接人体与机器人坚硬部分的弹簧系数， Chard为连接人体与机器人坚硬部 分的阻尼系数， fsoft1为第一阶段人受到来自机器人弹簧阻尼力的最大值， fsoft2为第一阶段 机器人受到来自机器人弹簧阻尼力的最大值。权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114912290 A 3