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申请/专利权人：沈阳工业大学

摘要：本发明涉及理疗机器人技术领域，具体涉及一种多模态理疗机器人及方法，多模态理疗探头通过气动肌腱带动硅胶手掌运动，在硅胶手掌内设置硅胶手指，硅胶手掌与硅胶手掌相配合实现多功能和拟人化的理疗手法；多模态理疗探头通过快速更换装置与机械臂连接，实现多模态理疗探头与机械臂间的快速自动装卸；采用基于任务分解和分类的高效操作任务运动规划方法，使得理疗任务能够被智能地规划和执行；在硅胶手指中设置薄膜式压力传感器，多模态理疗探头与机械臂之间设置六维力传感器，并采用力位混合控制方法，实现了对接触力的精确测量和控制。

主权项：1.一种多模态理疗机器人的控制方法，基于一种多模态理疗机器人及其使用方法实现，一种多模态理疗机器人包括机械臂1和多模态理疗探头8，多模态理疗探头8与机械臂1的末端连接，其特征在于：所述多模态理疗探头8包括理疗探头上连接盘801和理疗探头下连接盘811，理疗探头下连接盘811的下表面连接有硅胶手掌815，理疗探头上连接盘801和理疗探头下连接盘811相互平行设置并通过若干个气动肌腱806连接，理疗探头控制器对气动肌腱806进行控制；所述气动肌腱806为刚柔耦合结构，能够带动理疗探头下连接盘811一起振动，进而带动硅胶手掌815运动；还包括快速更换装置7，多模态理疗探头8通过快速更换装置7与机械臂1连接，所述快速更换装置7包括快换装置上连接盘701和快换装置下连接盘702，快换装置上连接盘701与机械臂1连接，快换装置下连接盘702与多模态理疗探头8连接，所述的快换装置上连接盘701设置有电磁铁703，快换装置下连接盘702上表面设置有铁磁材质的锁紧板704，电磁铁703通电时能够吸附锁紧板704，使快换装置上连接盘701与快换装置下连接盘702紧密连接；电磁铁703断电时快换装置上连接盘701与快换装置下连接盘702脱离；所述多模态理疗探头8与机械臂1之间设置摄像头连接盘5，摄像头连接盘5连接深度摄像机6，深度摄像机6能够对多模态理疗探头8和使用者的坐标位置进行识别；包括控制主机，控制主机对机械臂的动作进行控制，控制主机内置专家系统，用户能够通过控制主机选择理疗方式，专家系统为用户提供的理疗方案，理疗方案包含理疗探头、理疗点、理疗轨迹及理疗时间信息，控制主机能够对理疗过程进行任务规划；所述快换装置上连接盘701侧面设置有快换装置控制槽710，快换装置控制槽710内设置快换装置控制器，快换装置控制器与电磁铁703电连接，快换装置控制器对电磁铁703进行控制；理疗探头上连接盘801固定连接有理疗探头控制盒805，理疗探头控制盒805内设置理疗探头控制器，理疗探头控制器对气动肌腱806和气缸808进行控制；理疗探头控制器和快换装置控制器均与控制主机电连接，控制主机对理疗探头控制器和快换装置控制器进行控制；一种多模态理疗机器人的使用方法，包括以下步骤：步骤1、使用者就位，在控制主机上选择理疗方案，专家系统给出包括理疗探头的选择、理疗点、理疗轨迹及理疗时间信息；步骤2、控制主机采用基于任务分解和分类的任务运动规划方法对理疗过程进行任务规划，划分为由基本运动描述的子任务；步骤3、控制主机通过深度摄像机6对所有不同理疗探头进行三维世界坐标识别，得到所有理疗探头的世界坐标，深度摄像机6向控制主机发送并记录所有理疗探头的世界坐标，控制主机根据任务需求选择理疗探头，控制快速更换装置7对理疗探头进行更换；步骤4、控制主机通过深度摄像机6对人体的三维轮廓图像进行图像识别，得到全部理疗点的三维坐标，深度摄像机6向控制主机发送并记录人体理疗点的世界坐标系数据；控制主机根据人体理疗点的世界坐标控制机械臂1带动理疗探头向理疗点移动，到达该理疗点后理疗探头启动理疗作业；步骤5、理疗探头8完成理疗作业后，控制主机根据步骤1给出的子任务判断是否需要进行下一个任务；如只需更换理疗点，控制主机根据步骤4中保存的理疗点世界坐标调整机械臂1位姿，进行下一个子任务；如只需更换理疗探头，控制主机根据步骤3中保存的理疗探头世界坐标，控制机械臂1带动理疗探头移动到卸载位置，快速更换装置7自动卸载理疗探头；如需更换理疗探头和理疗点，控制主机控制机械臂1和控制快速更换装置7进行理疗探头的更换，理疗探头更换完成后，控制主机根据理疗点世界坐标更换机械臂1位姿，理疗探头进行下一个子任务；如完成全部理疗任务，控制主机控制机械臂1和快速更换装置7卸载理疗探头，机械臂1恢复初始位姿；其特征在于，包括以下步骤：S1、进行视觉系统的标定，深度摄像机6识别物体在机械臂基坐标系下的坐标点xw,yw,zwT，控制主机控制机械臂1带动理疗探头移动到理疗点；S1.1、通过深度摄像机6获取物体在像素坐标系下的点u,vT以及深度值z；S1.2、将像素坐标系下的点u,vT转换成相机坐标系下的坐标xc,yc,zcT，转换公式如下： 其中，f是相机的物理焦距，dx是像素点的长度，dy是像素点的宽度；K表示相机的内参矩阵，K通过相机标定得到， fx＝fdx和fy＝fdy为相机的归一化焦距；S1.3、将深度摄像机6手眼标定得到相机坐标系转换为机械臂基坐标系，转换公式如下： 从而得到物体在机械臂基坐标系下的坐标点xw,yw,zwT；其中，X为相机坐标系与机械臂末端坐标系的转换关系，为机械臂基坐标系与机械臂末端坐标系的转换关系， R为机械臂坐标系与机械臂末端坐标系之间坐标变换的旋转矩阵，T为机械臂坐标系与机械臂末端坐标系之间坐标变换的平移矩阵；S2、采用五次多项式插值进行轨迹规划，轨迹函数θt为：θt＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5运动轨迹上的关节速度和加速度为： 其中， θ0为关节的起始点角度，θf为关节的终止点角度，为关节的起始点角速度，为关节的终止点角速度，为关节的起始点，为关节的终止点角加速度，tf为终止时间；S3、在理疗探头到达指定位置后，采用力位混合控制对理疗探头力度进行控制；S3.1、以末端期望的广义力Ft为输入参数，与力传感器测量获得力F作差得到力修正值力偏差Ft-F，经过PI参数调节并与雅可比矩阵的转置矩阵JT与进行矩阵相乘，得到第一部分关节控制力矩并组成了力控制部分的负反馈环；其中，Kf_p为力反馈环的比例系数，Kf_i是力反馈环的积分系数，S为选择矩阵，为选择矩阵S的共轭矩阵；S3.2、将当前末端产生的广义力F1与雅可比矩阵的转置矩阵JT进行矩阵相乘，得到第二部分关节控制力矩S3.3、以预期位置xt为输入参数，与实际位置x作差得到位置修正值位置偏差xt-x，经过PI参数调节并与雅可比矩阵的逆J-1和惯性力补偿项Mq进行矩阵相乘，得到第三部分关节控制力矩MqKx_p+Kx_isJ-1Sxt-x；其中实际位置x由关节速度q与雅可比矩阵J相乘得到，Kx_p为位置环的比例系数，Kx_i为位置环的积分系数；S3.4、以期望速度为输入参数，与实际速度作差得到速度修正值速度偏差经过PD参数调节并与雅可比矩阵的逆J-1和惯性力补偿项Mq进行矩阵相乘，得到第四部分关节控制力矩其中实际速度是由关节角速度与雅可比矩阵J相乘得到的，Kv_d为速度环的比例系数；S3.5、以预期加速度为输入参数，与作差，同时与雅可比矩阵的逆J-1和惯性项Mq进行矩阵相乘，得到第五部分关节控制力矩其中为雅可比矩阵的导数；S3.6、将第一部分关节控制力矩、第二部分关节控制力矩、第三部分关节控制力矩、第四部分关节控制力矩、第五部分关节控制力矩、科式力、重力补偿相加，得到整体关节控制力矩τ， 其中，Mq为惯性项；为科式力项，gq为重力补偿项。

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