本發(fā)明涉及一種體感控制的上肢外骨骼鏡像康復(fù)機器。
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。隨之而來的高致殘率導(dǎo)致大部分卒中后患者肢體運動能力受損,嚴重影響患者生活質(zhì)量。這類偏癱患者需要盡早實施密集的高強度運動治療以達到最佳康復(fù)效果。但對于患肢肌力不足,不能自主進行康復(fù)運動訓(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)機器人輔助患者進行康復(fù)訓(xùn)練時,康復(fù)機器人的運動控制策略以及系統(tǒng)穩(wěn)定性在一定程度上會影響康復(fù)效果。
目前外骨骼機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器人在康復(fù)訓(xùn)練時執(zhí)行單一關(guān)節(jié)或者組合動作;另一種就是通過控制面板或控制器進行在線控制。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)程度作出即時調(diào)整訓(xùn)練方案的要求。后一種控制方式一般只能同時控制一個關(guān)節(jié),即使能同時控制多關(guān)節(jié)也不容易滿足協(xié)調(diào)性與符合人體運動習(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作(如飲食、提褲等)就顯得比較困難。將一種新型的體感人機交互技術(shù)應(yīng)用于上肢康復(fù)機器人,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)方案來實現(xiàn):一種上肢康復(fù)機器人的體感控制方法,采用Kinect采集上肢運動數(shù)據(jù),通過上位機對運動數(shù)據(jù)進行處理,獲取控制信號,下位機將控制信號傳給伺服驅(qū)動器,驅(qū)動外骨骼穿戴式機械手臂帶動患肢進行康復(fù)訓(xùn)練,上位機為PC機,下位機為運動控制器。
本發(fā)明的進一步改進在于:上肢運動數(shù)據(jù)采集與處理方法為:
A、通過Kinect傳感器捕捉人體6個關(guān)節(jié)的三維坐標,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、建立人體坐標系,根據(jù)獲取的6個關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù),構(gòu)建空間向量,計算關(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、對計算得到的關(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)刷新時間取補償系統(tǒng)傳輸?shù)暮臅r,提高系統(tǒng)實時性;
D、對平滑后的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進行限速和限幅處理,通過設(shè)定最大運動角速度保證患者訓(xùn)練安全。
本發(fā)明的進一步改進在于:關(guān)節(jié)角度計算方法為:
a、建立人體坐標系,Kinect獲取的6個骨架點標記為肩部中心SC、髖部中心HC、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)Sh,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同時垂直于冠狀面n和平面m';
b、肘關(guān)節(jié)屈/伸角度計算方法為:過肘關(guān)節(jié)點和腕關(guān)節(jié)點構(gòu)建向量過肩關(guān)節(jié)點和肘關(guān)節(jié)點構(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/后伸角度計算方法為:
過冠狀面n內(nèi)的髖部中心點HC和肩關(guān)節(jié)點Sj、Sh,構(gòu)建向量和計算冠狀面n的法向量
計算在上的投影
計算在平面n中的投影向量
通過髖部中心點HC和肩關(guān)節(jié)中間點SC,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)明的進一步改進在于:關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)限速和限幅處理方法為:如果t時刻的角位置Xt與前一時刻角位置Xt-1之間的速度大于安全速度ωset,強制把當(dāng)前時刻的角位置替換為Xt',以保證最大速度不超過設(shè)定的安全速度ωset;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,則將該角度強制賦值為上限或下限。
本發(fā)明的進一步改進在于:控制系統(tǒng)硬件包括Kinect、上位機、下位機、伺服驅(qū)動器、伺服電機、網(wǎng)絡(luò)交換機以及供電部分,上位機與運動控制器通過網(wǎng)絡(luò)交換機連接在同一局域網(wǎng)中進行信息交換,網(wǎng)絡(luò)交換機與上位機通過無線網(wǎng)絡(luò)形式連接,網(wǎng)絡(luò)交換機與運動控制器采用雙絞線相連。
一種上肢康復(fù)機器人的康復(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)的肢體的自然動作直接控制機器人運動,帶動患肢在機器人的輔助下執(zhí)行與健側(cè)肢體相同的動作,實現(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)的肢體運動作為運動控制器,帶動患肢在機器人的輔助下執(zhí)行與理療師健側(cè)肢體相同的康復(fù)動作。
第三種模式,半主動式康復(fù)訓(xùn)練:Kinect捕捉理療師的手掌位置,通過逆運動學(xué)求解上肢外骨骼康復(fù)機器人末端運動到理療師手掌位置時各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)動的角度,驅(qū)動伺服電機使上肢外骨骼康復(fù)機器人帶動患者患肢運動,完成患者手掌與理療師手掌觸碰的動作,進行半主動康復(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:區(qū)別于傳統(tǒng)外骨骼康復(fù)機器人的控制模式,本發(fā)明采用肢體動作體感控制,控制方式更加直觀、自然、簡單,可進行多關(guān)節(jié)實時聯(lián)動控制,便于復(fù)雜動作的訓(xùn)練;體感主從實時控制模式,便于理療師實時調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練方案;患者可以通過自身健側(cè)肢體的運動,帶動患肢進行健肢-患肢雙側(cè)協(xié)調(diào)同步鏡像運動,更有助于促進大腦神經(jīng)元的修復(fù),提高鏡像療法對整個患側(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)點獲取與角度計算示意圖;
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:主控計算機;3:交換機;4:運動控制器;5:驅(qū)動器:6:開關(guān);7:伺服電機;8:穿戴式機械手臂。
具體實施方式:
為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚,下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例,而不是全部的實施例。在本發(fā)明的一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它實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)明中的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明保護的范圍。
如圖1示出了本發(fā)明上肢康復(fù)機器人的體感控制方法的一種實施方式,控制系統(tǒng)硬件包括Kinect、上位機(PC機)、下位機(運動控制器)、伺服驅(qū)動器、伺服電機、網(wǎng)絡(luò)交換機以及供電部分。Kinect負責(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個關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù),上位機對關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)進行處理,獲取運動控制信號,下位機將控制信號傳給伺服驅(qū)動器,驅(qū)動外骨骼穿戴式機械手臂帶動患肢進行康復(fù)訓(xùn)練。康復(fù)訓(xùn)練模式有鏡像體感控制、同步體感控制和半主動體感控制。本發(fā)明采用健側(cè)肢體的動作作為運動控制器,區(qū)別于傳統(tǒng)的康復(fù)機器人控制方法,具有體感直接控制的特性,且無需穿戴信號采集裝置,操作方便,患者可以通過自身健肢的運動帶動患肢在機器人的輔助下進行一種新型的雙側(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)的肢體運動進行主從式的康復(fù)訓(xùn)練,還可以通過患者手掌與理療師手掌“觸碰”的動作進行“半主動”式康復(fù)訓(xùn)練。
本發(fā)明采用Kinect采集上肢運動數(shù)據(jù),通過上位機對運動數(shù)據(jù)進行處理,獲取控制信號,下位機將控制信號傳給伺服驅(qū)動器,驅(qū)動外骨骼穿戴式機械手臂帶動患肢進行康復(fù)訓(xùn)練。
上肢運動數(shù)據(jù)采集與處理方法為:
(1)通過Kinect傳感器捕捉人體6個關(guān)節(jié)的三維坐標,分別為肩部中心SC、髖部中心HC、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)Sh。如圖2所示。
(2)建立人體坐標系,根據(jù)獲取的6個骨架點數(shù)據(jù),構(gòu)建空間向量,計算關(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同時垂直于冠狀面n和平面m'。
①肘關(guān)節(jié)屈/伸角度計算
過肘關(guān)節(jié)點和腕關(guān)節(jié)點構(gòu)建向量過肩關(guān)節(jié)點和肘關(guān)節(jié)點構(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/后伸角度計算
過冠狀面n內(nèi)的髖部中心點HC和肩關(guān)節(jié)點Sj、Sh,構(gòu)建向量和計算冠狀面n的法向量
計算在上的投影
計算在平面n中的投影向量
通過髖部中心點HC和肩關(guān)節(jié)中間點SC,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)角度計算方法不是基于Kinect坐標平面,而是基于人體坐標系,使得用戶不需要嚴格的正面對于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)對計算得到的關(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)刷新時間取卡爾曼濾波提前推測可以作為數(shù)據(jù)緩沖和系統(tǒng)傳輸耗時的補償,提高了系統(tǒng)的實時性。
(4)對平滑后的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進行限速和限幅處理,通過設(shè)定最大運動角速度保證患者訓(xùn)練安全。
如果t時刻的角位置Xt與前一時刻角位置Xt-1之間的速度大于安全速度ωset,強制把當(dāng)前時刻的角位置替換為Xt',以保證最大速度不超過設(shè)定的安全速度ωset。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)定運動角度范圍是保證安全性的另一項措施,當(dāng)角度大小超過設(shè)定范圍的上限(下限)時,則將該角度強制賦值為上限(下限)。以肘關(guān)節(jié)屈/伸運動為例,安全速度設(shè)為ωset=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(PC機)、下位機(運動控制器)、伺服驅(qū)動器、伺服電機、網(wǎng)絡(luò)交換機以及供電部分。上位機與運動控制器通過網(wǎng)絡(luò)交換機連接在同一局域網(wǎng)中進行信息交換,網(wǎng)絡(luò)交換機與上位機通過無線網(wǎng)絡(luò)形式連接,網(wǎng)絡(luò)交換機與運動控制器采用雙絞線相連。
一種上肢康復(fù)機器人的康復(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)的肢體的自然動作直接控制機器人運動,帶動患肢在機器人的輔助下執(zhí)行與健側(cè)肢體相同的動作,實現(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)的肢體運動作為運動控制器,帶動患肢在機器人的輔助下執(zhí)行與理療師健側(cè)肢體相同的康復(fù)動作。
第三種模式,半主動式康復(fù)訓(xùn)練:Kinect捕捉理療師的手掌位置,通過逆運動學(xué)求解上肢外骨骼康復(fù)機器人末端運動到理療師手掌位置時各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)動的角度,驅(qū)動伺服電機使上肢外骨骼康復(fù)機器人帶動患者患肢運動,完成患者手掌與理療師手掌觸碰的動作,進行半主動康復(fù)訓(xùn)練模式。
半主動康復(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動間的協(xié)調(diào)能力,有助于提高患者的認知能力,可以進一步促進運動神經(jīng)的康復(fù)。
本發(fā)明以Kinect體感傳感器為信號采集裝置,設(shè)計了一種上肢康復(fù)機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)的肢體作為運動控制器,中風(fēng)患者可以通過健側(cè)肢體的自然動作直接控制機器人的運動,帶動患肢在機器人的輔助下進行一種新型的雙側(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”式康復(fù)訓(xùn)練。
最后應(yīng)說明的是:雖然以上已經(jīng)詳細說明了本發(fā)明及其優(yōu)點,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。