一種上肢康復機器人的體感控制方法及康復訓練策略與流程
2023-12-08 01:04:51 1
本發明涉及一種體感控制的上肢外骨骼鏡像康復機器。
背景技術：
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腦卒中已經成為危害人類身體健康的主要病因之一，且呈現年輕化趨勢。隨之而來的高致殘率導致大部分卒中後患者肢體運動能力受損，嚴重影響患者生活質量。這類偏癱患者需要儘早實施密集的高強度運動治療以達到最佳康復效果。但對於患肢肌力不足，不能自主進行康復運動訓練的患者，只能通過理療師的輔助或者藉助於康復訓練設備。利用康復機器人輔助患者進行康復訓練時，康復機器人的運動控制策略以及系統穩定性在一定程度上會影響康復效果。
目前外骨骼機器人採用的控制方式主要分為兩種：一種是固化程序，由預先編好的程序控制機器人在康復訓練時執行單一關節或者組合動作；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，由於理療師不一定熟悉編程設置，不容易滿足根據患者康復程度作出即時調整訓練方案的要求。後一種控制方式一般只能同時控制一個關節，即使能同時控制多關節也不容易滿足協調性與符合人體運動習慣的要求，這使得訓練和調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互動技術應用於上肢康復機器人，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。關於機器人體感控制方法，過去也有研究，但大多需要在人體關節處安裝陀螺儀、加速度傳感器等信號採集裝置，仍然存在安裝繁瑣、穿戴及操作不便等問題。
技術實現要素：
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本發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、簡單的上肢康復機器人的體感控制方法及康復訓練策略。
本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種上肢康復機器人的體感控制方法，採用Kinect採集上肢運動數據，通過上位機對運動數據進行處理，獲取控制信號，下位機將控制信號傳給伺服驅動器，驅動外骨骼穿戴式機械手臂帶動患肢進行康復訓練，上位機為PC機，下位機為運動控制器。
本發明的進一步改進在於：上肢運動數據採集與處理方法為：
A、通過Kinect傳感器捕捉人體6個關節的三維坐標，分別是肩部中心、髖部中心、健側肢體肩關節、肘關節、腕關節，患側肢體肩關節；
B、建立人體坐標系，根據獲取的6個關節點數據，構建空間向量，計算關節角度；關節角度包括肘關節屈/伸角度α，肩關節外展/內收角度β，肩關節前屈/後伸角度γ；其中，肩關節外展/內收角度β定義為上臂向人體冠狀面的投影與脊柱線的夾角，肩關節前屈/後伸角度γ定義為上臂與人體冠狀面的夾角；
C、對計算得到的關節角度數據採用卡爾曼濾波算法平滑，根據Kinect的刷新頻率，將狀態改變矩陣中的數據刷新時間取補償系統傳輸的耗時，提高系統實時性；
D、對平滑後的關節角度數據進行限速和限幅處理，通過設定最大運動角速度保證患者訓練安全。
本發明的進一步改進在於：關節角度計算方法為：
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、健側肢體肩關節Sj、肘關節E、腕關節W，患側肢體肩關節Sh，平面n為人體的冠狀面，其中將人體分為前後兩部分的平面，平面m＇平行於人體矢狀面，其中將人體分為左右兩部分的平面，平面h同時垂直於冠狀面n和平面m＇；
b、肘關節屈/伸角度計算方法為：過肘關節點和腕關節點構建向量過肩關節點和肘關節點構建向量
肘關節屈/伸角度
C、肩關節外展/內收角度、肩關節前屈/後伸角度計算方法為：
過冠狀面n內的髖部中心點HC和肩關節點Sj、Sh，構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和肩關節中間點SC，構建向量
肩關節外展/內收角度
肩關節前屈/後伸角度
本發明的進一步改進在於：關節角度數據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之間的速度大於安全速度ωset，強制把當前時刻的角位置替換為Xt＇，以保證最大速度不超過設定的安全速度ωset；下一幀的數據依照上述方法同替換後的數據比較，當角度大小超過設定範圍的上限或下限時，則將該角度強制賦值為上限或下限。
本發明的進一步改進在於：控制系統硬體包括Kinect、上位機、下位機、伺服驅動器、伺服電機、網絡交換機以及供電部分，上位機與運動控制器通過網絡交換機連接在同一區域網中進行信息交換，網絡交換機與上位機通過無線網絡形式連接，網絡交換機與運動控制器採用雙絞線相連。
一種上肢康復機器人的康復訓練策略，康復訓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肢體鏡像同步康復訓練：用患者健康一側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行與健側肢體相同的動作，實現一種新型的雙側鏡像同步康復訓練。
第二種模式，同步體感控制下的主從式的康復訓練：用理療師與患者患肢同側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行與理療師健側肢體相同的康復動作。
第三種模式，半主動式康復訓練：Kinect捕捉理療師的手掌位置，通過逆運動學求解上肢外骨骼康復機器人末端運動到理療師手掌位置時各關節所需轉動的角度，驅動伺服電機使上肢外骨骼康復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，進行半主動康復訓練模式。
本發明與現有技術相比具有以下優點：區別於傳統外骨骼康復機器人的控制模式，本發明採用肢體動作體感控制，控制方式更加直觀、自然、簡單，可進行多關節實時聯動控制，便於複雜動作的訓練；體感主從實時控制模式，便於理療師實時調整康復訓練方案；患者可以通過自身健側肢體的運動，帶動患肢進行健肢-患肢雙側協調同步鏡像運動，更有助於促進大腦神經元的修復，提高鏡像療法對整個患側肢體的治療效果。
附圖說明：
圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為關節點獲取與角度計算示意圖；
圖3為本發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：驅動器：6：開關；7：伺服電機；8：穿戴式機械手臂。
具體實施方式：
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。在本發明的一種實施方式中描述的元素和特徵可以與一個或更多個其它實施方式中示出的元素和特徵相結合。應當注意，為了清楚的目的，說明中省略了與本發明無關的、本領域普通技術人員已知的部件和處理的表示和描述。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1示出了本發明上肢康復機器人的體感控制方法的一種實施方式，控制系統硬體包括Kinect、上位機(PC機)、下位機(運動控制器)、伺服驅動器、伺服電機、網絡交換機以及供電部分。Kinect負責採集人體肩部中心、髖部中心、健側肢體肩關節、肘關節、腕關節、患側肢體肩關節6個關節的數據，上位機對關節數據進行處理，獲取運動控制信號，下位機將控制信號傳給伺服驅動器，驅動外骨骼穿戴式機械手臂帶動患肢進行康復訓練。康復訓練模式有鏡像體感控制、同步體感控制和半主動體感控制。本發明採用健側肢體的動作作為運動控制器，區別於傳統的康復機器人控制方法，具有體感直接控制的特性，且無需穿戴信號採集裝置，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鏡像同步康復訓練，也可以通過理療師與患者患肢同側的肢體運動進行主從式的康復訓練，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」式康復訓練。
本發明採用Kinect採集上肢運動數據，通過上位機對運動數據進行處理，獲取控制信號，下位機將控制信號傳給伺服驅動器，驅動外骨骼穿戴式機械手臂帶動患肢進行康復訓練。
上肢運動數據採集與處理方法為：
(1)通過Kinect傳感器捕捉人體6個關節的三維坐標，分別為肩部中心SC、髖部中心HC、健側肢體肩關節Sj、肘關節E、腕關節W，患側肢體肩關節Sh。如圖2所示。
(2)建立人體坐標系，根據獲取的6個骨架點數據，構建空間向量，計算關節角度。關節角度包括肘關節屈/伸角度α，肩關節外展/內收角度β，肩關節前屈/後伸角度γ。其中，肩關節外展/內收角度β定義為上臂向人體冠狀面的投影與脊柱線的夾角，肩關節前屈/後伸角度γ定義為上臂與人體冠狀面的夾角。
關節角度計算示意圖如圖2所示。其中平面n為人體的冠狀面(將人體分為前後兩部分的平面)，平面m＇平行於人體矢狀面(將人體分為左右兩部分的平面)，平面h同時垂直於冠狀面n和平面m＇。
①肘關節屈/伸角度計算
過肘關節點和腕關節點構建向量過肩關節點和肘關節點構建向量
肘關節屈/伸角度
②肩關節外展/內收角度、肩關節前屈/後伸角度計算
過冠狀面n內的髖部中心點HC和肩關節點Sj、Sh，構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和肩關節中間點SC，構建向量
則肩關節外展/內收角度
肩關節前屈/後伸角度
本發明的關節角度計算方法不是基於Kinect坐標平面，而是基於人體坐標系，使得用戶不需要嚴格的正面對於Kinect傳感器，方便了Kinect安放在視野較好的位置，從而避免因關節相互遮擋而引發數據不穩定的現象。
(3)對計算得到的關節角度數據採用卡爾曼濾波算法平滑，根據Kinect的刷新頻率，將狀態改變矩陣中的數據刷新時間取卡爾曼濾波提前推測可以作為數據緩衝和系統傳輸耗時的補償，提高了系統的實時性。
(4)對平滑後的關節角度數據進行限速和限幅處理，通過設定最大運動角速度保證患者訓練安全。
如果t時刻的角位置Xt與前一時刻角位置Xt-1之間的速度大於安全速度ωset，強制把當前時刻的角位置替換為Xt＇，以保證最大速度不超過設定的安全速度ωset。下一幀的數據依照上述方法同替換後的數據比較，當滿足於安全速度後，數據曲線再次與原數據重合。設定運動角度範圍是保證安全性的另一項措施，當角度大小超過設定範圍的上限(下限)時，則將該角度強制賦值為上限(下限)。以肘關節屈/伸運動為例，安全速度設為ωset＝80°/s，角度範圍設為60°～180°。限速與限幅處理的處理流程如圖3所示。
控制系統硬體包括Kinect、上位機(PC機)、下位機(運動控制器)、伺服驅動器、伺服電機、網絡交換機以及供電部分。上位機與運動控制器通過網絡交換機連接在同一區域網中進行信息交換，網絡交換機與上位機通過無線網絡形式連接，網絡交換機與運動控制器採用雙絞線相連。
一種上肢康復機器人的康復訓練策略，康復訓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肢體鏡像同步康復訓練：用患者健康一側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行與健側肢體相同的動作，實現一種新型的雙側鏡像同步康復訓練。
第二種模式，同步體感控制下的主從式的康復訓練：用理療師與患者患肢同側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行與理療師健側肢體相同的康復動作。
第三種模式，半主動式康復訓練：Kinect捕捉理療師的手掌位置，通過逆運動學求解上肢外骨骼康復機器人末端運動到理療師手掌位置時各關節所需轉動的角度，驅動伺服電機使上肢外骨骼康復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，進行半主動康復訓練模式。
半主動康復模式適用於有一定肌力的患者的康復訓練，可以鍛鍊患者視覺與肢體運動間的協調能力，有助於提高患者的認知能力，可以進一步促進運動神經的康復。
本發明以Kinect體感傳感器為信號採集裝置，設計了一種上肢康復機器人的體感控制方法和訓練策略，用理療師肢體或者患者自身健康一側的肢體作為運動控制器，中風患者可以通過健側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鏡像同步康復訓練，主從式的康復訓練和「半主動」式康復訓練。
最後應說明的是：雖然以上已經詳細說明了本發明及其優點，但是應當理解在不超出由所附的權利要求所限定的本發明的精神和範圍的情況下可以進行各種改變、替代和變換。而且，本發明的範圍不僅限於說明書所描述的過程、設備、手段、方法和步驟的具體實施例。本領域內的普通技術人員從本發明的公開內容將容易理解，根據本發明可以使用執行與在此所述的相應實施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結果的、現有和將來要被開發的過程、設備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權利要求旨在在它們的範圍內包括這樣的過程、設備、手段、方法或者步驟。