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)：
：

腦卒中已經(jīng)成為危害人類(lèi)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(lái)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(lèi)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。目前，針對(duì)中風(fēng)患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療，仍然以康復(fù)醫(yī)師的手法為主同時(shí)輔以一些簡(jiǎn)單的器械訓(xùn)練，這種治療方法的效果很大程度上取決于醫(yī)療人員個(gè)體，康復(fù)動(dòng)作重復(fù)、單調(diào)、枯燥很難調(diào)動(dòng)患者的積極性，容易導(dǎo)致患者處于被動(dòng)接受治療的狀態(tài)。近年來(lái)隨著機(jī)器人技術(shù)和人機(jī)一體化系統(tǒng)理論的發(fā)展，外骨骼機(jī)器人在卒中后患者運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。

上肢外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的擬人肢體機(jī)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)是依據(jù)人體運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，可有效確立人體關(guān)節(jié)位置和保證適應(yīng)人體的運(yùn)動(dòng)范圍，另外外骨骼機(jī)器人和患者之間還可以直接進(jìn)行力和其它信息的傳遞(如運(yùn)動(dòng)角度和速度等)，非常適合運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練。作為一種自動(dòng)化的康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。但其不足是大多執(zhí)行的單關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練，多關(guān)節(jié)組合動(dòng)作的訓(xùn)練不容易滿(mǎn)足協(xié)調(diào)性，不易符合人體運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，也不能靈活地根據(jù)患者康復(fù)程度隨時(shí)調(diào)整訓(xùn)練方案，患者的訓(xùn)練是在固定程序的控制下被動(dòng)的進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的是為了克服以上的不足，提供一種操作方便、提高治療效果的體感控制的上肢外骨骼鏡像康復(fù)機(jī)器人。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種體感控制的上肢外骨骼鏡像康復(fù)機(jī)器人，包括Kinect傳感器、主控計(jì)算機(jī)、一個(gè)3自由度的外骨骼穿戴式機(jī)械手臂和機(jī)械手臂的體感控制系統(tǒng)，所述的Kinect傳感器負(fù)責(zé)采集與處理人體健側(cè)上肢的關(guān)節(jié)角度信息，并與主控計(jì)算機(jī)相連，所述的一個(gè)3自由度的外骨骼穿戴式機(jī)械手臂包括肘部屈/伸結(jié)構(gòu)、肩部前屈/后伸結(jié)構(gòu)和肩部外展/內(nèi)收結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述的Kinect采集與處理人體健側(cè)上肢的關(guān)節(jié)角度的方法與步驟為：

A、通過(guò)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(xiàn)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；

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，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(guò)設(shè)定的安全速度ω_set，當(dāng)運(yùn)動(dòng)角度大小超過(guò)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：肘部屈/伸結(jié)構(gòu)包括前臂連接環(huán)，前臂調(diào)節(jié)桿，壓塊，前臂支架，菱形座軸承，錐齒輪，減速器安裝支座，行星減速器，伺服電機(jī)，前臂調(diào)節(jié)桿通過(guò)壓塊與前臂支架連接，前臂連接環(huán)置于前臂調(diào)節(jié)桿的頂端，前臂調(diào)節(jié)桿和前臂支架之間可以相對(duì)滑動(dòng)，通過(guò)一對(duì)錐齒輪使伺服電機(jī)和行星減速器的軸線(xiàn)平行于上臂。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：肩部前屈/后伸結(jié)構(gòu)和肩部外展/內(nèi)收結(jié)構(gòu)包括上臂支架、上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿、軸承座、前屈/后伸軸、軸承、安裝板、前屈/后伸減速電機(jī)、肩部連桿、外展/內(nèi)收軸、軸承、軸承座、固定板、外展/內(nèi)收減速電機(jī)，前屈/后伸軸通過(guò)軸承安裝于軸承座中，軸承座通過(guò)螺栓固定在肩部連桿上，前屈/后伸減速電機(jī)利用安裝板與軸承座固定，前屈/后伸減速電機(jī)輸出軸套合在前屈/后伸軸中間的孔中，并通過(guò)鍵鏈接傳遞扭矩，前屈/后伸軸穿過(guò)肩部連桿，與上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿末端相固定，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上臂的前屈/后伸運(yùn)動(dòng)，上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿通過(guò)螺釘壓緊固定在上臂支架的凹槽里；肩部連桿通過(guò)螺釘固定在外展/內(nèi)收軸上，外展/內(nèi)收軸配合軸承安裝在軸承座中，軸承座通過(guò)螺栓固定在固定板上，外展/內(nèi)收減速電機(jī)同樣固定在固定板上，外展/內(nèi)收減速電機(jī)輸出軸套合在外展/內(nèi)收軸中間的孔中，并通過(guò)鍵連接傳遞扭矩，驅(qū)動(dòng)肩部連桿進(jìn)行外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述的機(jī)械手臂的體感控制系統(tǒng)包括上位機(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)通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過(guò)Ip地址連接網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換，運(yùn)動(dòng)控制的控制信號(hào)再經(jīng)由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)外骨骼機(jī)械手臂完成相應(yīng)的康復(fù)動(dòng)作。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明采用體感控制方式，區(qū)別于傳統(tǒng)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的控制模式，能夠?qū)崿F(xiàn)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，便于實(shí)時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練方案。使用者能夠用自身健側(cè)的肢體直接控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)患肢進(jìn)行一種新型的健肢-患肢雙側(cè)協(xié)調(diào)同步鏡像康復(fù)訓(xùn)練，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(shuō)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為肘部屈/伸結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為肩部前屈/后伸結(jié)構(gòu)和肩部外展/內(nèi)收結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

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：穿戴式機(jī)械手臂；1-1:前臂連接環(huán)；1-2:前臂調(diào)節(jié)桿；1-3:壓塊；1-4:前臂支架；1-5:菱形座軸承；1-6:錐齒輪；1-7:減速器安裝支座；1-8:行星減速器；1-9:伺服電機(jī)；2-1:上臂支架；2-2:上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿；2-3：第一軸承座；2-4：前屈/后伸軸；2-5：第一軸承；2-6：安裝板；2-7：前屈/后伸減速電機(jī)；2-8：肩部連桿；2-9：外展/內(nèi)收軸；2-10：第二軸承；2-11：第二軸承座；2-12：固定板；2-13：外展/內(nèi)收減速電機(jī)。

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(shuō)明中省略了與本發(fā)明無(wú)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。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)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)明體感控制的上肢外骨骼鏡像康復(fù)機(jī)器人的一種實(shí)施方式，包括：Kinect傳感器1、主控計(jì)算機(jī)2、一個(gè)3自由度的外骨骼穿戴式機(jī)械手臂5和機(jī)械手臂的體感控制系統(tǒng)4。Kinect傳感器負(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)的三維坐標(biāo)，獲取人體健側(cè)上肢的關(guān)節(jié)角度信息。穿戴式機(jī)械手臂包括肘部屈/伸結(jié)構(gòu)、肩部外展/內(nèi)收和肩部前屈/后伸結(jié)構(gòu)，并安裝有伺服電機(jī)、行星減速器，錐齒輪，前臂和上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手臂的體感控制系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器，它將采集到的健側(cè)上肢的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給康復(fù)機(jī)器人的控制器，控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)外骨骼穿戴式機(jī)械手臂，使患者的患側(cè)上肢與健側(cè)上肢進(jìn)行相同的動(dòng)作。通過(guò)健側(cè)上肢的動(dòng)作來(lái)使機(jī)械手臂做相同的動(dòng)作，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。

1、Kinect采集與處理人體健側(cè)上肢的關(guān)節(jié)角度的方法與步驟為：

(1)通過(guò)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)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；

(2)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(xiàn)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；

(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，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(guò)設(shè)定的安全速度ω_set，當(dāng)運(yùn)動(dòng)角度大小超過(guò)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。

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(guò)肘關(guān)節(jié)點(diǎn)和腕關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建向量過(guò)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(guò)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(guò)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(hù)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。

2、外骨骼穿戴式機(jī)械手臂包括肘部屈/伸結(jié)構(gòu)、肩部前屈/后伸結(jié)構(gòu)和肩部外展/內(nèi)收結(jié)構(gòu)。

肘部結(jié)構(gòu)包括前臂連接環(huán)1-1，前臂調(diào)節(jié)桿1-2，壓塊1-3，前臂支架1-4，菱形座軸承1-5，錐齒輪1-6，減速器安裝支座1-7，行星減速器1-8，伺服電機(jī)1-9。通過(guò)一對(duì)錐齒輪1-6，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)1-9和行星減速器1-8的軸線(xiàn)平行于上臂，減少了空間占用。同時(shí)，這樣的安裝方式，也減小了因肘部電機(jī)和減速器自重產(chǎn)生的力矩。從動(dòng)錐齒輪1-6回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與人體肘部屈/伸軸線(xiàn)共線(xiàn)，這樣的設(shè)計(jì)確保了人體肘部轉(zhuǎn)動(dòng)角度同從動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度一致，避免了體感控制時(shí)的角度轉(zhuǎn)化問(wèn)題。前臂調(diào)節(jié)桿1-2和前臂支架1-4之間可以相對(duì)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)前臂長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，增加使用舒適度，圖3為肘部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為肩部結(jié)構(gòu)示意圖。前屈/后伸軸2-4通過(guò)第一軸承2-5安裝于軸承座2-3中，第一軸承座2-3通過(guò)螺栓固定在肩部連桿2-8上。前屈/后伸減速電機(jī)2-7利用安裝板2-6與軸承座2-3固定，減速電機(jī)2-7輸出軸套合在前屈/后伸軸2-4中間的孔中，并通過(guò)鍵鏈接傳遞扭矩。前屈/后伸軸2-4穿過(guò)肩部連桿2-8，與上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿2-2末端相固定，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上臂的前屈/后伸運(yùn)動(dòng)。上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿2-2在上臂支架2-1的凹槽里滑動(dòng)到要求位置后，通過(guò)螺釘壓緊固定，實(shí)現(xiàn)上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)。

肩部連桿2-8通過(guò)螺釘固定在肩部外展/內(nèi)收軸2-9上，外展/內(nèi)收軸2-9配合第二軸承2-10安裝在第二軸承座2-11中，軸承座通過(guò)螺栓固定在固定板2-12上，外展/內(nèi)收減速電機(jī)2-13同樣固定在固定板2-12上，減速電機(jī)2-13輸出軸套合在外展/內(nèi)收軸2-9中間的孔中，并通過(guò)鍵連接傳遞扭矩，驅(qū)動(dòng)肩部連桿2-8進(jìn)行外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。整個(gè)肩部結(jié)構(gòu)通過(guò)固定板2-12，安裝在機(jī)架上，患者不必承受任何部件的重量。采用內(nèi)孔軸直接與減速器輸出軸相連的設(shè)計(jì)，使得肩部結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡(jiǎn)潔。

3、機(jī)械手臂的體感控制系統(tǒng)

機(jī)械手臂的體感控制系統(tǒng)包括上位機(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)通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，通過(guò)Ip地址連接網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換，運(yùn)動(dòng)控制的控制信號(hào)再經(jīng)由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)外骨骼機(jī)械手臂完成相應(yīng)的康復(fù)動(dòng)作。

控制系統(tǒng)通過(guò)Kinect采集健側(cè)上肢的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，由上位機(jī)對(duì)健側(cè)上肢的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成相應(yīng)的脈沖頻率和脈沖當(dāng)量，并采用絕對(duì)運(yùn)動(dòng)模式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，可以避免轉(zhuǎn)換角度“增量”的過(guò)程，同時(shí)也避免了“增量”轉(zhuǎn)化為脈沖當(dāng)量產(chǎn)生的累積誤差。上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的姿態(tài)可以根據(jù)健側(cè)上肢體的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)更新，進(jìn)行隨動(dòng)控制。本發(fā)明使用動(dòng)態(tài)修改的方式更新當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度v_i，實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置實(shí)時(shí)更新，并減少電機(jī)加減速過(guò)程，v_i根據(jù)電機(jī)當(dāng)前編碼器位置與當(dāng)前人體上肢角度差值決定，即：

式中，θ_ti是指當(dāng)前體感獲取的上肢角度，θ_bi是指當(dāng)前電機(jī)編碼器的位置，Δt是指運(yùn)動(dòng)控制命令刷新周期。

4、工作模式和工作流程如下：

上肢外骨骼鏡像康復(fù)機(jī)器人的工作模式有：鏡像康復(fù)訓(xùn)練模式、主從康復(fù)訓(xùn)練模式和手動(dòng)輸入操作三種模式。默認(rèn)工作狀態(tài)為右臂穿戴，系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，選擇患肢為左臂還是右臂，選擇右臂時(shí)機(jī)械臂保持默認(rèn)位置，選擇左臂時(shí)外骨骼穿戴式機(jī)械手臂通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)外展/內(nèi)收軸旋轉(zhuǎn)180°，將機(jī)械臂調(diào)整為左臂穿戴狀態(tài)。接著就是選擇訓(xùn)練模式，選擇鏡像模式時(shí)，Kinect捕捉患者健康肢體的動(dòng)作，計(jì)算機(jī)屏幕顯示患者健康肢體的鏡像場(chǎng)景，對(duì)患者進(jìn)行視覺(jué)刺激，同時(shí)外骨骼機(jī)械臂帶動(dòng)患肢完成相應(yīng)的鏡像動(dòng)作；選擇主從模式時(shí)，Kinect捕捉理療師與患者患肢同側(cè)的上肢動(dòng)作，計(jì)算機(jī)屏幕顯示患者康復(fù)訓(xùn)練的監(jiān)控畫(huà)面，方便理療師進(jìn)行判斷和觀察，同時(shí)外骨骼機(jī)械臂帶動(dòng)患者患肢完成相應(yīng)的從動(dòng)動(dòng)作；當(dāng)需要進(jìn)行精確的角度與速度控制時(shí)，便可以通過(guò)手動(dòng)輸入的操作模式。

“體感控制”又分為兩種方式：被動(dòng)訓(xùn)練與半主動(dòng)訓(xùn)練方式。被動(dòng)訓(xùn)練是指上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人在健康手臂的動(dòng)作“指引”下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)患者患肢進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)，這里的“健康手臂”可以是指理療師的，也可以指偏癱患者健康一側(cè)的上肢。正常情況下，理療師選擇使用與患者患肢同一側(cè)的肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)，即“同步控制”；患者運(yùn)用健肢對(duì)患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)，形成“鏡像控制”。對(duì)于有一定自主動(dòng)作意識(shí)的患者，可以運(yùn)用“半主動(dòng)”訓(xùn)練模式進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。該模式通過(guò)Kinect捕捉理療師的手掌位置，通過(guò)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。“半主動(dòng)”訓(xùn)練模式充分考慮了患者的主觀意識(shí)，有利于病情較輕的患者較快提高運(yùn)動(dòng)能力，促進(jìn)腦部神經(jīng)重構(gòu)。

上肢外骨骼鏡像康復(fù)機(jī)器人的工作流程：選擇工作模式，根據(jù)工作模式獲取所需的骨架點(diǎn)，計(jì)算患者健側(cè)上肢或理療師同側(cè)上肢體的肩、肘關(guān)節(jié)角度，對(duì)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行卡爾曼濾波處理、限速和限幅處理，根據(jù)光電編碼器分辨率將角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，根據(jù)時(shí)間間隔計(jì)算脈沖頻率，發(fā)送給控制器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使患者患肢完成與患者健側(cè)上肢或理療師同側(cè)上肢體相同的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。

本發(fā)明以Kinect體感傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的體感控制的上肢鏡像康復(fù)機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人采用外骨骼穿戴式機(jī)械手臂，穿戴在患者患肢，中風(fēng)患者可以通過(guò)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，也可以通過(guò)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。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：雖然以上已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)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(shuō)明書(shū)所描述的過(guò)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(kāi)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(lái)要被開(kāi)發(fā)的過(guò)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(guò)程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。