一种基于语音输入上肢外骨骼控制方法及控制装置转让专利
申请号 : CN202011422841.3
文献号 : CN112621715B
文献日 : 2022-03-08
发明人 : 刘俊 , 郭登极 , 林颖 , 何鹏 , 王旭晟 , 张希 , 胡新尧 , 叶晶 , 陈功
申请人 : 深圳市迈步机器人科技有限公司 , 深圳大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于语音输入的上肢外骨骼控制方法,应用于在工业场景中,通过获取由穿戴者上肢以外部位产生的交互信号,进行对所述上肢外骨骼的控制,其特征在于,所述方法包括:
获取第一交互信号,并依据所述第一交互信号确定上肢外骨骼的第一工作模式;
获取装配有所述上肢外骨骼的手臂的当前位置,以及用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的动态参数,并依据所述第一工作模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;具体地,依据所述第一工作模式确定装配有所述上肢外骨骼的手臂期望达到的第一终点位置以及对应于所述第一工作模式的第一完整力矩轨迹;
依据所述第一终点位置,所述当前位置,以及所述第一完整力矩轨迹确定第一初始力矩轨迹;依据所述第一初始力矩轨迹、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;
依据所述第一期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述依据所述第一期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作的步骤,包括:获取第二交互信号,并依据所述第二交互信号确定所述上肢外骨骼的第二工作模式;
若所述第二工作模式为暂停,则控制所述上肢外骨骼停止执行所述第一工作模式对应的动作;
或;
若所述第二工作模式为非暂停,则依据所述第二工作模式控制所述上肢外骨骼执行对应的动作。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述若所述第二工作模式为非暂停,则依据所述第二工作模式控制所述上肢外骨骼执行对应的动作的步骤,包括:若所述第二工作模式为非启动,则重新获取装配有所述上肢外骨骼的手臂的所述当前位置,以及用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的动态参数,并依据所述第二工作模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第二工作模式对应的动作时的第二期望力矩轨迹;
依据所述第二期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第二工作模式对应的动作。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述若所述第二工作模式为暂停,则控制所述上肢外骨骼停止执行所述第一工作模式对应的动作的步骤之后,还包括:获取第三交互信号,并依据所述第三交互信号确定所述上肢外骨骼的第三工作模式;
若所述第三工作模式为非暂停,则依据所述第三工作模式控制所述上肢外骨骼执行对应的动作。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述若所述第三工作模式为非暂停,则依据所述第三工作模式控制所述上肢外骨骼执行对应的动作的步骤,包括:若所述第三工作模式为启动,则依据所述第一期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼继续执行所述第一工作模式对应的动作;
或;
若所述第三工作模式为非启动,则重新获取装配有所述上肢外骨骼的手臂的所述当前位置,以及用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的 动态参数,并依据所述第三工作模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第三工作模式对应的动作时的第三期望力矩轨迹;
依据所述第三期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第三工作模式对应的动作。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述获取第一交互信号的步骤之后,还包括:
依据所述第一交互信号确定交互反馈信号;
依据所述交互反馈信号控制所述上肢外骨骼产生相应的交互反馈。
7.一种基于语音输入的上肢外骨骼控制装置,应用于在工业场景中,通过获取由穿戴者上肢以外部位产生的交互信号,进行对所述上肢外骨骼的控制,其特征在于,包括:工作模式生成模块,用于获取第一交互信号,并依据所述第一交互信号确定上肢外骨骼的第一工作模式;
期望力矩生成模块,用于获取装配有所述上肢外骨骼的手臂的当前位置,以及用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的动态参数,并依据所述第一工作模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;具体地,依据所述第一工作模式确定装配有所述上肢外骨骼的手臂期望达到的第一终点位置以及对应于所述第一工作模式的第一完整力矩轨迹;依据所述第一终点位置,所述当前位置,以及所述第一完整力矩轨迹确定第一初始力矩轨迹;依据所述第一初始力矩轨迹、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;
期望力矩输出模块,用于依据所述第一期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作。
8.一种设备,其特征在于,包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的方法。
说明书 :
一种基于语音输入上肢外骨骼控制方法及控制装置
技术领域
背景技术
运动康复病人等),各大研究机构和公司,设计了各种相关外骨骼设备,通过穿戴外骨骼设
备的方式,给人体上肢一个辅助力量。
置。
利于新人快速上手。
发明内容
设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第一
工作模式对应的动作时的所述第一期望力矩轨迹;
模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态
参数确定所述上肢外骨骼执行所述第二工作模式对应的动作时的第二期望力矩轨迹;
模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态
参数确定所述上肢外骨骼执行所述第三工作模式对应的动作时的第三期望力矩轨迹;
前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述
上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;
的上肢外骨骼控制方法的步骤。
骤。
对所述上肢外骨骼进行重力补偿的的动态参数,并依据所述第一工作模式、所述当前位置、
所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外
骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;依据所述第一期望力矩轨
迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作,使得穿戴者采用上肢以外部位
对所述上肢外骨骼进行控制,不会对依靠上肢进行的工作造成影响,同时简化了穿戴者的
控制复杂程度,让所有穿戴者都能快速上手进行所述上肢外骨骼的使用。
附图说明
普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附
图。
具体实施方式
是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前
提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
外部位产生的交互信号可以包括:由穿戴者嘴部发出声音或吹动气管产生的交互信号。
数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所
述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;
对所述上肢外骨骼进行重力补偿的的动态参数,并依据所述第一工作模式、所述当前位置、
所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外
骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;依据所述第一期望力矩轨
迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作,使得穿戴者采用上肢以外部位
对所述上肢外骨骼进行控制,不会对依靠上肢进行的工作造成影响,同时简化了穿戴者的
控制复杂程度,让所有穿戴者都能快速上手进行所述上肢外骨骼的使用。
对应的所述上肢外骨骼的位置(例如高位模式、水平模式和低位模式),还可以是单纯的启
动或暂停。
互组件(例如气动开关或脚踏板)输入的信号。
并将该指令词条设置为所述第一指令词条;其中,所述指令词条包括但不限于:“暂停”、“停
止”、“不动”、“继续”、“启动”、“高位”、“抬高”、“水平”、“中间”、“低位”和“降低”等;
所述第一工作模式;其中,所述数据库中包含的预设的工作模式至少包括三个,且每种工作
模式至少对应一个指令词条,每个指令词条仅对应一种工作模式;若交互信号中包含的指
令词条为“暂停”、“停止”、“不动”中的任意之一,则判定工作模式为暂停;若交互信号中包
含的指令词条为“继续”、“启动”中的任意之一,则判定工作模式为启动;若交互信号中包含
的指令词条为“高位”、“抬高”中的任意之一,则判定工作模式为高位模式;若交互信号中包
含的指令词条为“水平”、“中间”中的任意之一,则判定工作模式为水平模式;若交互信号中
包含的指令词条为“低位”、“降低”中的任意之一,则判定工作模式为低位模式;
态参数,并依据所述第一工作模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢
外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作
时的所述第一期望力矩轨迹”的具体过程。
模式为所述上肢外骨骼首次获取的工作模式并且为启动或暂停,则所述第一完整力矩轨迹
为零;若所述第一工作模式为位置,在数据库中查找与所述第一工作模式相对应的所述第
一终点位置和所述第一完整力矩轨迹;
肢外骨骼从预设的起始位置运动至与水平线保持所述第一夹角的完整的力矩轨迹;若所述
第一工作模式为水平模式,则所述第一终点位置为穿戴者大臂与水平线保持平行的位置,
所述第一完整力矩轨迹为所述上肢外骨骼从预设的起始位置运动至与水平线保持平行的
完整的力矩轨迹;若所述第一工作模式为低位模式,则所述第一终点位置为所述穿戴者大
臂与水平线保持第二夹角(例如与水平线成‑30°夹角)的位置,所述第一完整力矩轨迹为所
述上肢外骨骼从预设的起始位置运动至与水平线保持所述第二夹角的完整的力矩轨迹;
(例如,穿戴者首先将大臂抬举到符合个人工作习惯的高度,随后说出“修改高位坐标”,所
述上肢外骨骼即可将记录到的所述当前位置作为对应于高位模式的终点位置);
位置的部分,作为所述第一初始力矩轨迹;
望力矩轨迹;具体地,所述静态参数包括所述上肢外骨骼的长度、所述上肢外骨骼的重心位
置和所述上肢外骨骼的重量等;需要说明的是,通过依据所述第一初始力矩轨迹、所述动态
参数和所述静态参数确定所述第一期望力矩轨迹,可以补偿手臂和设备在抬举状态下的重
力,进一步提高工作舒适度。
电机的输出功率,以控制所述上肢外骨骼依据所述第一期望力矩轨迹对穿戴者大臂进行助
力。
输入的所述第二交互信号,依据所述第二交互信号确定所述第二工作模式(具体过程参照
上述实施例中对“依据所述第一交互信号确定所述第一工作模式”的说明,此处不再赘述);
骨骼停止执行所述第一工作模式对应的动作。
第二工作模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补
偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第二工作模式对应的动作时的第二期望力矩
轨迹;依据所述第二期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第二工作模式对应的动
作;(具体过程参照上述实施例中对“获取装配有所述上肢外骨骼的手臂的所述当前位置,
以及用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的的动态参数,并依据所述第一工作模式、所述
当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所
述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;依据所述第一期
望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作”的说明,此处不再赘
述)。
者输入的所述第三交互信号,依据所述第三交互信号确定所述第三工作模式;(具体过程参
照上述实施例中对“依据所述第一交互信号确定所述第一工作模式”的说明,此处不再赘
述);
进入运行状态,从而使得所述上肢外骨骼继续执行所述第一工作模式对应的动作。
第三工作模式、所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补
偿的静态参数确定所述上肢外骨骼执行所述第三工作模式对应的动作时的第三期望力矩
轨迹;依据所述第三期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第三工作模式对应的动作
(具体过程参照上述实施例中对“获取装配有所述上肢外骨骼的手臂的所述当前位置,以及
用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的的动态参数,并依据所述第一工作模式、所述当前
位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述上
肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;依据所述第一期望力
矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作”的说明,此处不再赘述)。
取暂停指令”的指令反馈词条;“继续”、“启动”等指令词条对应“已获取启动指令”的指令反
馈词条;“高位”、“抬高”等指令词条对应“已获取高位模式指令”的指令反馈词条;“水平”、
“中间”等指令词条对应“已获取水平模式指令”的指令反馈词条;“低位”、“降低”等指令词
条对应“已获取低位模式指令”的指令反馈词条);
显示屏)。
当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所
述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;
模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹。
统存储器28和处理单元16)的总线18。
域总线18。举例来说,这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线18,微通道
体系结构(MAC)总线18,增强型ISA总线18、音视频电子标准协会(VESA)局域总线18以及外
围组件互连(PCI)总线18。
动的、易失性/非易失性计算机体统存储介质。仅作为举例,存储系统34可以用于读写不可
移动的、非易失性磁介质(通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图3中未示出,可以提供用于对可
移动非易失性磁盘(如“软盘”)读写的磁盘驱动器,以及对可移动非易失性光盘(例如CD‑
ROM,DVD‑ROM或者其他光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下,每个驱动器可以通过一
个或者多个数据介质界面与总线18相连。存储器可以包括至少一个程序产品,该程序产品
具有一组(例如至少一个)程序模块42,这些程序模块42被配置以执行本申请各实施例的功
能。
块42以及程序数据,这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模
块42通常执行本申请所描述的实施例中的功能和/或方法。
和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其他计算设备进行通信的任何设备(例如网
卡,调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)界面22进行。并且,计算机设
备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)),广域网(WAN)和/
或公共网络(例如因特网)通信。如图所示,网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其
他模块通信。应当明白,尽管图3中未示出,可以结合计算机设备12使用其他硬件和/或软件
模块,包括但不限于:微代码、设备驱动器、冗余处理单元16、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、
磁带驱动器以及数据备份存储系统34等。
位置,以及用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的的动态参数,并依据所述第一工作模式、
所述当前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确
定所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;依据所述第
一期望力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作。
骨骼控制方法:
及用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的的动态参数,并依据所述第一工作模式、所述当
前位置、所述动态参数和预设的用于对所述上肢外骨骼进行重力补偿的静态参数确定所述
上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作时的第一期望力矩轨迹;依据所述第一期望
力矩轨迹控制所述上肢外骨骼执行所述第一工作模式对应的动作。
于——电、磁、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件,或者任意以上的组合。计算机
可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携
式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器
(EPOM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD‑ROM)、光存储器件、磁存储器件或者
上述的任意合适的组合。在本文件中,计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的
有形介质,该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是
计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质,该计算机可读介质可以发送、传播或者
传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
+,还包括常规的过程式程序设计语言——诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码
可以完全地在医护人员计算机上执行、部分地在医护人员计算机上执行、作为一个独立的
软件包执行、部分在医护人员计算机上部分在远程计算机上执行或者完全在远程计算机或
者服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中,远程计算机可以通过任意种类的网络——
包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到医护人员计算机,或者,可以连接到外部计算
机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。本说明书中的各个实施例均采用递进
的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同
相似的部分互相参见即可。
所述上肢外骨骼运动的电机;所述语音交互电路包括用于获取声音信号的麦克风,用于识
别声音信号的语音识别模块,用于输出声音反馈信号的音响,以及用于为所述麦克风、所述
语音识别模块和所述音响提供电连接的连接电路;所述语音识别模块分别与所述麦克风和
所述音响电连接;所述语音识别模块、所述主控板、所述驱动器和所述电机依次电连接。
语音词条时,所述语音识别模块会通过所述麦克风收集喊话关键词,转化为对应的数据信
号并通过音响播报当前输入的指令词条,使得使用者知道指令词条已经输入,然后所述语
音识别模块把对应的数据信号发送给下位机(即所述主控板),首先进行工作模式判断(低
位模式,水平模式,高位模式),以跳转至不同的模式,不同的工作模式对应写入不同的力矩
轨迹,以适应当前的工作环境,提高工作舒适度,输入的力矩轨迹进入力矩控制器,进行实
时控制,实现力的跟踪,接着与外界环境进行交互,在控制外环设置重力补偿反馈,补偿手
臂和机器的重力(图中Td为对应静态参数的力矩补偿轨迹,Tact为对应动态参数的力矩补偿
轨迹,Qact为期望力矩轨迹),完成实时控制系统的闭环控制,进一步提高工作舒适度。需要
说明的是,在工作状态下,穿戴者可以输入其他的语音命令(例如启动、暂停等),实现对外
骨骼的启动和暂停的控制,此外,还可以对助力大小等参数进行调整。
包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意
在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包
括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品
或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要
素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人
员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明
书内容不应理解为对本申请的限制。