本發(fā)明涉及一種體感控制的上肢外骨骼鏡像康復(fù)機(jī)器。

背景技術(shù)：
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腦卒中已經(jīng)成為危害人類身體健康的主要病因之一，且呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì)。隨之而來的高致殘率導(dǎo)致大部分卒中后患者肢體運(yùn)動(dòng)能力受損，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。這類偏癱患者需要盡早實(shí)施密集的高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)治療以達(dá)到最佳康復(fù)效果。但對(duì)于患肢肌力不足，不能自主進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的患者，只能通過理療師的輔助或者借助于康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。利用康復(fù)機(jī)器人輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制策略以及系統(tǒng)穩(wěn)定性在一定程度上會(huì)影響康復(fù)效果。

目前外骨骼機(jī)器人采用的控制方式主要分為兩種：一種是固化程序，由預(yù)先編好的程序控制機(jī)器人在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)執(zhí)行單一關(guān)節(jié)或者組合動(dòng)作；另一種就是通過控制面板或控制器進(jìn)行在線控制。前種控制方式，由于理療師不一定熟悉編程設(shè)置，不容易滿足根據(jù)患者康復(fù)程度作出即時(shí)調(diào)整訓(xùn)練方案的要求。后一種控制方式一般只能同時(shí)控制一個(gè)關(guān)節(jié)，即使能同時(shí)控制多關(guān)節(jié)也不容易滿足協(xié)調(diào)性與符合人體運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的要求，這使得訓(xùn)練和調(diào)整一些日常生活中的組合動(dòng)作(如飲食、提褲等)就顯得比較困難。將一種新型的體感人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用于上肢康復(fù)機(jī)器人，研究一種更加自然、直觀的體感控制方式，可以較好解決上述問題。關(guān)于機(jī)器人體感控制方法，過去也有研究，但大多需要在人體關(guān)節(jié)處安裝陀螺儀、加速度傳感器等信號(hào)采集裝置，仍然存在安裝繁瑣、穿戴及操作不便等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是為了克服以上的不足，提供一種控制方式更加直觀、自然、簡單的上肢康復(fù)機(jī)器人的體感控制方法及康復(fù)訓(xùn)練策略。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種上肢康復(fù)機(jī)器人的體感控制方法，采用Kinect采集上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取控制信號(hào)，下位機(jī)將控制信號(hào)傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)外骨骼穿戴式機(jī)械手臂帶動(dòng)患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為運(yùn)動(dòng)控制器。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理方法為：

A、通過Kinect傳感器捕捉人體6個(gè)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)，分別是肩部中心、髖部中心、健側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)，患側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)；

B、建立人體坐標(biāo)系，根據(jù)獲取的6個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間向量，計(jì)算關(guān)節(jié)角度；關(guān)節(jié)角度包括肘關(guān)節(jié)屈/伸角度α，肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度β，肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度γ；其中，肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度β定義為上臂向人體冠狀面的投影與脊柱線的夾角，肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度γ定義為上臂與人體冠狀面的夾角；

C、對(duì)計(jì)算得到的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波算法平滑，根據(jù)Kinect的刷新頻率，將狀態(tài)改變矩陣中的數(shù)據(jù)刷新時(shí)間取補(bǔ)償系統(tǒng)傳輸?shù)暮臅r(shí)，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性；

D、對(duì)平滑后的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行限速和限幅處理，通過設(shè)定最大運(yùn)動(dòng)角速度保證患者訓(xùn)練安全。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：關(guān)節(jié)角度計(jì)算方法為：

a、建立人體坐標(biāo)系，Kinect獲取的6個(gè)骨架點(diǎn)標(biāo)記為肩部中心S_C、髖部中心H_C、健側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)S_j、肘關(guān)節(jié)E、腕關(guān)節(jié)W，患側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)S_h，平面n為人體的冠狀面，其中將人體分為前后兩部分的平面，平面m＇平行于人體矢狀面，其中將人體分為左右兩部分的平面，平面h同時(shí)垂直于冠狀面n和平面m＇；

b、肘關(guān)節(jié)屈/伸角度計(jì)算方法為：過肘關(guān)節(jié)點(diǎn)和腕關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建向量過肩關(guān)節(jié)點(diǎn)和肘關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建向量

肘關(guān)節(jié)屈/伸角度

C、肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度、肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度計(jì)算方法為：

過冠狀面n內(nèi)的髖部中心點(diǎn)H_C和肩關(guān)節(jié)點(diǎn)S_j、S_h，構(gòu)建向量和計(jì)算冠狀面n的法向量

計(jì)算在上的投影

計(jì)算在平面n中的投影向量

通過髖部中心點(diǎn)H_C和肩關(guān)節(jié)中間點(diǎn)S_C，構(gòu)建向量

肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度

肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)限速和限幅處理方法為：如果t時(shí)刻的角位置X_t與前一時(shí)刻角位置X_t-1之間的速度大于安全速度ω_set，強(qiáng)制把當(dāng)前時(shí)刻的角位置替換為X_t＇，以保證最大速度不超過設(shè)定的安全速度ω_set；下一幀的數(shù)據(jù)依照上述方法同替換后的數(shù)據(jù)比較，當(dāng)角度大小超過設(shè)定范圍的上限或下限時(shí)，則將該角度強(qiáng)制賦值為上限或下限。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：控制系統(tǒng)硬件包括Kinect、上位機(jī)、下位機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及供電部分，上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接在同一局域網(wǎng)中進(jìn)行信息交換，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)形式連接，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器采用雙絞線相連。

一種上肢康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練策略，康復(fù)訓(xùn)練策略包括以下三種模式：

第一種模式，鏡像體感控制下的雙側(cè)肢體鏡像同步康復(fù)訓(xùn)練：用患者健康一側(cè)的肢體的自然動(dòng)作直接控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)患肢在機(jī)器人的輔助下執(zhí)行與健側(cè)肢體相同的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)一種新型的雙側(cè)鏡像同步康復(fù)訓(xùn)練。

第二種模式，同步體感控制下的主從式的康復(fù)訓(xùn)練：用理療師與患者患肢同側(cè)的肢體運(yùn)動(dòng)作為運(yùn)動(dòng)控制器，帶動(dòng)患肢在機(jī)器人的輔助下執(zhí)行與理療師健側(cè)肢體相同的康復(fù)動(dòng)作。

第三種模式，半主動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練：Kinect捕捉理療師的手掌位置，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)到理療師手掌位置時(shí)各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)使上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者患肢運(yùn)動(dòng)，完成患者手掌與理療師手掌觸碰的動(dòng)作，進(jìn)行半主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：區(qū)別于傳統(tǒng)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的控制模式，本發(fā)明采用肢體動(dòng)作體感控制，控制方式更加直觀、自然、簡單，可進(jìn)行多關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)控制，便于復(fù)雜動(dòng)作的訓(xùn)練；體感主從實(shí)時(shí)控制模式，便于理療師實(shí)時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練方案；患者可以通過自身健側(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)患肢進(jìn)行健肢-患肢雙側(cè)協(xié)調(diào)同步鏡像運(yùn)動(dòng)，更有助于促進(jìn)大腦神經(jīng)元的修復(fù)，提高鏡像療法對(duì)整個(gè)患側(cè)肢體的治療效果。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為關(guān)節(jié)點(diǎn)獲取與角度計(jì)算示意圖；

圖3為本發(fā)明的限速與限幅處理流程圖；

圖中：1：Kinect傳感器；2：主控計(jì)算機(jī)；3：交換機(jī)；4：運(yùn)動(dòng)控制器；5：驅(qū)動(dòng)器：6：開關(guān)；7：伺服電機(jī)；8：穿戴式機(jī)械手臂。

具體實(shí)施方式：

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中描述的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它實(shí)施方式中示出的元素和特征相結(jié)合。應(yīng)當(dāng)注意，為了清楚的目的，說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1示出了本發(fā)明上肢康復(fù)機(jī)器人的體感控制方法的一種實(shí)施方式，控制系統(tǒng)硬件包括Kinect、上位機(jī)(PC機(jī))、下位機(jī)(運(yùn)動(dòng)控制器)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及供電部分。Kinect負(fù)責(zé)采集人體肩部中心、髖部中心、健側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、患側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)6個(gè)關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)對(duì)關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，下位機(jī)將控制信號(hào)傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)外骨骼穿戴式機(jī)械手臂帶動(dòng)患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練?？祻?fù)訓(xùn)練模式有鏡像體感控制、同步體感控制和半主動(dòng)體感控制。本發(fā)明采用健側(cè)肢體的動(dòng)作作為運(yùn)動(dòng)控制器，區(qū)別于傳統(tǒng)的康復(fù)機(jī)器人控制方法，具有體感直接控制的特性，且無需穿戴信號(hào)采集裝置，操作方便，患者可以通過自身健肢的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患肢在機(jī)器人的輔助下進(jìn)行一種新型的雙側(cè)鏡像同步康復(fù)訓(xùn)練，也可以通過理療師與患者患肢同側(cè)的肢體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行主從式的康復(fù)訓(xùn)練，還可以通過患者手掌與理療師手掌“觸碰”的動(dòng)作進(jìn)行“半主動(dòng)”式康復(fù)訓(xùn)練。

本發(fā)明采用Kinect采集上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取控制信號(hào)，下位機(jī)將控制信號(hào)傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)外骨骼穿戴式機(jī)械手臂帶動(dòng)患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理方法為：

(1)通過Kinect傳感器捕捉人體6個(gè)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)，分別為肩部中心S_C、髖部中心H_C、健側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)Sj、肘關(guān)節(jié)E、腕關(guān)節(jié)W，患側(cè)肢體肩關(guān)節(jié)S_h。如圖2所示。

(2)建立人體坐標(biāo)系，根據(jù)獲取的6個(gè)骨架點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間向量，計(jì)算關(guān)節(jié)角度。關(guān)節(jié)角度包括肘關(guān)節(jié)屈/伸角度α，肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度β，肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度γ。其中，肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度β定義為上臂向人體冠狀面的投影與脊柱線的夾角，肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度γ定義為上臂與人體冠狀面的夾角。

關(guān)節(jié)角度計(jì)算示意圖如圖2所示。其中平面n為人體的冠狀面(將人體分為前后兩部分的平面)，平面m＇平行于人體矢狀面(將人體分為左右兩部分的平面)，平面h同時(shí)垂直于冠狀面n和平面m＇。

①肘關(guān)節(jié)屈/伸角度計(jì)算

過肘關(guān)節(jié)點(diǎn)和腕關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建向量過肩關(guān)節(jié)點(diǎn)和肘關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建向量

肘關(guān)節(jié)屈/伸角度

②肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度、肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度計(jì)算

過冠狀面n內(nèi)的髖部中心點(diǎn)H_C和肩關(guān)節(jié)點(diǎn)S_j、S_h，構(gòu)建向量和計(jì)算冠狀面n的法向量

計(jì)算在上的投影

計(jì)算在平面n中的投影向量

通過髖部中心點(diǎn)H_C和肩關(guān)節(jié)中間點(diǎn)S_C，構(gòu)建向量

則肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收角度

肩關(guān)節(jié)前屈/后伸角度

本發(fā)明的關(guān)節(jié)角度計(jì)算方法不是基于Kinect坐標(biāo)平面，而是基于人體坐標(biāo)系，使得用戶不需要嚴(yán)格的正面對(duì)于Kinect傳感器，方便了Kinect安放在視野較好的位置，從而避免因關(guān)節(jié)相互遮擋而引發(fā)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

(3)對(duì)計(jì)算得到的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波算法平滑，根據(jù)Kinect的刷新頻率，將狀態(tài)改變矩陣中的數(shù)據(jù)刷新時(shí)間取卡爾曼濾波提前推測(cè)可以作為數(shù)據(jù)緩沖和系統(tǒng)傳輸耗時(shí)的補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(4)對(duì)平滑后的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行限速和限幅處理，通過設(shè)定最大運(yùn)動(dòng)角速度保證患者訓(xùn)練安全。

如果t時(shí)刻的角位置X_t與前一時(shí)刻角位置X_t-1之間的速度大于安全速度ω_set，強(qiáng)制把當(dāng)前時(shí)刻的角位置替換為X_t＇，以保證最大速度不超過設(shè)定的安全速度ω_set。下一幀的數(shù)據(jù)依照上述方法同替換后的數(shù)據(jù)比較，當(dāng)滿足于安全速度后，數(shù)據(jù)曲線再次與原數(shù)據(jù)重合。設(shè)定運(yùn)動(dòng)角度范圍是保證安全性的另一項(xiàng)措施，當(dāng)角度大小超過設(shè)定范圍的上限(下限)時(shí)，則將該角度強(qiáng)制賦值為上限(下限)。以肘關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動(dòng)為例，安全速度設(shè)為ω_set＝80°/s，角度范圍設(shè)為60°～180°。限速與限幅處理的處理流程如圖3所示。

控制系統(tǒng)硬件包括Kinect、上位機(jī)(PC機(jī))、下位機(jī)(運(yùn)動(dòng)控制器)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及供電部分。上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接在同一局域網(wǎng)中進(jìn)行信息交換，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)形式連接，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器采用雙絞線相連。

一種上肢康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練策略，康復(fù)訓(xùn)練策略包括以下三種模式：

第一種模式，鏡像體感控制下的雙側(cè)肢體鏡像同步康復(fù)訓(xùn)練：用患者健康一側(cè)的肢體的自然動(dòng)作直接控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)患肢在機(jī)器人的輔助下執(zhí)行與健側(cè)肢體相同的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)一種新型的雙側(cè)鏡像同步康復(fù)訓(xùn)練。

第二種模式，同步體感控制下的主從式的康復(fù)訓(xùn)練：用理療師與患者患肢同側(cè)的肢體運(yùn)動(dòng)作為運(yùn)動(dòng)控制器，帶動(dòng)患肢在機(jī)器人的輔助下執(zhí)行與理療師健側(cè)肢體相同的康復(fù)動(dòng)作。

第三種模式，半主動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練：Kinect捕捉理療師的手掌位置，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)到理療師手掌位置時(shí)各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)使上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者患肢運(yùn)動(dòng)，完成患者手掌與理療師手掌觸碰的動(dòng)作，進(jìn)行半主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式。

半主動(dòng)康復(fù)模式適用于有一定肌力的患者的康復(fù)訓(xùn)練，可以鍛煉患者視覺與肢體運(yùn)動(dòng)間的協(xié)調(diào)能力，有助于提高患者的認(rèn)知能力，可以進(jìn)一步促進(jìn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的康復(fù)。

本發(fā)明以Kinect體感傳感器為信號(hào)采集裝置，設(shè)計(jì)了一種上肢康復(fù)機(jī)器人的體感控制方法和訓(xùn)練策略，用理療師肢體或者患者自身健康一側(cè)的肢體作為運(yùn)動(dòng)控制器，中風(fēng)患者可以通過健側(cè)肢體的自然動(dòng)作直接控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)患肢在機(jī)器人的輔助下進(jìn)行一種新型的雙側(cè)鏡像同步康復(fù)訓(xùn)練，主從式的康復(fù)訓(xùn)練和“半主動(dòng)”式康復(fù)訓(xùn)練。

最后應(yīng)說明的是：雖然以上已經(jīng)詳細(xì)說明了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解在不超出由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種改變、替代和變換。而且，本發(fā)明的范圍不僅限于說明書所描述的過程、設(shè)備、手段、方法和步驟的具體實(shí)施例。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開內(nèi)容將容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以使用執(zhí)行與在此所述的相應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結(jié)果的、現(xiàn)有和將來要被開發(fā)的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權(quán)利要求旨在在它們的范圍內(nèi)包括這樣的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。