一種體感控制的上肢外骨骼鏡像康復機器人的製作方法
2023-12-08 01:07:26
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。目前，針對中風患者的運動康復治療，仍然以康復醫師的手法為主同時輔以一些簡單的器械訓練，這種治療方法的效果很大程度上取決於醫療人員個體，康復動作重複、單調、枯燥很難調動患者的積極性，容易導致患者處於被動接受治療的狀態。近年來隨著機器人技術和人機一體化系統理論的發展，外骨骼機器人在卒中後患者運動康復領域得到了快速的發展。
上肢外骨骼機器人是一種可穿戴的擬人肢體機構，其機械結構是依據人體運動設計，可有效確立人體關節位置和保證適應人體的運動範圍，另外外骨骼機器人和患者之間還可以直接進行力和其它信息的傳遞(如運動角度和速度等)，非常適合運動功能障礙患者的康復訓練。作為一種自動化的康復醫療設備，有著廣闊的市場應用前景。但其不足是大多執行的單關節康復訓練，多關節組合動作的訓練不容易滿足協調性，不易符合人體運動習慣，也不能靈活地根據患者康復程度隨時調整訓練方案，患者的訓練是在固定程序的控制下被動的進行。
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機器人。
本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種體感控制的上肢外骨骼鏡像康復機器人，包括Kinect傳感器、主控計算機、一個3自由度的外骨骼穿戴式機械手臂和機械手臂的體感控制系統，所述的Kinect傳感器負責採集與處理人體健側上肢的關節角度信息，並與主控計算機相連，所述的一個3自由度的外骨骼穿戴式機械手臂包括肘部屈/伸結構、肩部前屈/後伸結構和肩部外展/內收結構。
本發明的進一步改進在於：所述的Kinect採集與處理人體健側上肢的關節角度的方法與步驟為：
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；
D、對平滑後的關節角度數據進行限速和限幅處理，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，當運動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：肘部屈/伸結構包括前臂連接環，前臂調節杆，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，前臂調節杆通過壓塊與前臂支架連接，前臂連接環置於前臂調節杆的頂端，前臂調節杆和前臂支架之間可以相對滑動，通過一對錐齒輪使伺服電機和行星減速器的軸線平行於上臂。
本發明的進一步改進在於：肩部前屈/後伸結構和肩部外展/內收結構包括上臂支架、上臂長度調節杆、軸承座、前屈/後伸軸、軸承、安裝板、前屈/後伸減速電機、肩部連杆、外展/內收軸、軸承、軸承座、固定板、外展/內收減速電機，前屈/後伸軸通過軸承安裝於軸承座中，軸承座通過螺栓固定在肩部連杆上，前屈/後伸減速電機利用安裝板與軸承座固定，前屈/後伸減速電機輸出軸套合在前屈/後伸軸中間的孔中，並通過鍵連結傳遞扭矩，前屈/後伸軸穿過肩部連杆，與上臂長度調節杆末端相固定，將旋轉運動轉化為上臂的前屈/後伸運動，上臂長度調節杆通過螺釘壓緊固定在上臂支架的凹槽裡；肩部連杆通過螺釘固定在外展/內收軸上，外展/內收軸配合軸承安裝在軸承座中，軸承座通過螺栓固定在固定板上，外展/內收減速電機同樣固定在固定板上，外展/內收減速電機輸出軸套合在外展/內收軸中間的孔中，並通過鍵連接傳遞扭矩，驅動肩部連杆進行外展/內收運動。
本發明的進一步改進在於：所述的機械手臂的體感控制系統包括上位機、下位機、伺服驅動器、伺服電機、網絡交換機以及供電部分，上位機通過有線或無線網絡連接到網絡交換機，通過Ip地址連接網絡中的運動控制器進行數據傳輸與交換，運動控制的控制信號再經由伺服驅動器驅動伺服電機，帶動外骨骼機械手臂完成相應的康復動作。
本發明與現有技術相比具有以下優點：本發明採用體感控制方式，區別於傳統外骨骼康復機器人的控制模式，能夠實現多關節實時聯動控制，便於複雜動作的訓練，便於實時調整康復訓練方案。使用者能夠用自身健側的肢體直接控制機器人運動，帶動患肢進行一種新型的健肢-患肢雙側協調同步鏡像康復訓練，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為肘部屈/伸結構的結構示意圖；
圖4為肩部前屈/後伸結構和肩部外展/內收結構的結構示意圖；
圖中：1：Kinect傳感器；2：主控計算機；3：交換機；4：運動控制器；5：穿戴式機械手臂；1-1:前臂連接環；1-2:前臂調節杆；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；2-1:上臂支架；2-2:上臂長度調節杆；2-3：第一軸承座；2-4：前屈/後伸軸；2-5：第一軸承；2-6：安裝板；2-7：前屈/後伸減速電機；2-8：肩部連杆；2-9：外展/內收軸；2-10：第二軸承；2-11：第二軸承座；2-12：固定板；2-13：外展/內收減速電機。
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示出了本發明體感控制的上肢外骨骼鏡像康復機器人的一種實施方式，包括：Kinect傳感器1、主控計算機2、一個3自由度的外骨骼穿戴式機械手臂5和機械手臂的體感控制系統4。Kinect傳感器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個關節的三維坐標，獲取人體健側上肢的關節角度信息。穿戴式機械手臂包括肘部屈/伸結構、肩部外展/內收和肩部前屈/後伸結構，並安裝有伺服電機、行星減速器，錐齒輪，前臂和上臂長度調節機構。機械手臂的體感控制系統包括網絡交換機、運動控制器和伺服驅動器，它將採集到的健側上肢的關節角度數據實時傳遞給康復機器人的控制器，控制伺服電機驅動外骨骼穿戴式機械手臂，使患者的患側上肢與健側上肢進行相同的動作。通過健側上肢的動作來使機械手臂做相同的動作，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。
1、Kinect採集與處理人體健側上肢的關節角度的方法與步驟為：
(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；
(2)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；
(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，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，當運動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。
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。
2、外骨骼穿戴式機械手臂包括肘部屈/伸結構、肩部前屈/後伸結構和肩部外展/內收結構。
肘部結構包括前臂連接環1-1，前臂調節杆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1-9。通過一對錐齒輪1-6，使驅動電機1-9和行星減速器1-8的軸線平行於上臂，減少了空間佔用。同時，這樣的安裝方式，也減小了因肘部電機和減速器自重產生的力矩。從動錐齒輪1-6迴轉軸線與人體肘部屈/伸軸線共線，這樣的設計確保了人體肘部轉動角度同從動錐齒輪轉動角度一致，避免了體感控制時的角度轉化問題。前臂調節杆1-2和前臂支架1-4之間可以相對滑動，實現對前臂長度的調節，增加使用舒適度，圖3為肘部結構示意圖。
圖4為肩部結構示意圖。前屈/後伸軸2-4通過第一軸承2-5安裝於軸承座2-3中，第一軸承座2-3通過螺栓固定在肩部連杆2-8上。前屈/後伸減速電機2-7利用安裝板2-6與軸承座2-3固定，減速電機2-7輸出軸套合在前屈/後伸軸2-4中間的孔中，並通過鍵連結傳遞扭矩。前屈/後伸軸2-4穿過肩部連杆2-8，與上臂長度調節杆2-2末端相固定，將旋轉運動轉化為上臂的前屈/後伸運動。上臂長度調節杆2-2在上臂支架2-1的凹槽裡滑動到要求位置後，通過螺釘壓緊固定，實現上臂長度調節。
肩部連杆2-8通過螺釘固定在肩部外展/內收軸2-9上，外展/內收軸2-9配合第二軸承2-10安裝在第二軸承座2-11中，軸承座通過螺栓固定在固定板2-12上，外展/內收減速電機2-13同樣固定在固定板2-12上，減速電機2-13輸出軸套合在外展/內收軸2-9中間的孔中，並通過鍵連接傳遞扭矩，驅動肩部連杆2-8進行外展/內收運動。整個肩部結構通過固定板2-12，安裝在機架上，患者不必承受任何部件的重量。採用內孔軸直接與減速器輸出軸相連的設計，使得肩部結構更加緊湊、簡潔。
3、機械手臂的體感控制系統
機械手臂的體感控制系統包括上位機(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。上位機通過有線或無線網絡連接到網絡交換機，通過Ip地址連接網絡中的運動控制器進行數據傳輸與交換，運動控制的控制信號再經由伺服驅動器驅動伺服電機，帶動外骨骼機械手臂完成相應的康復動作。
控制系統通過Kinect採集健側上肢的運動數據，由上位機對健側上肢的關節角度數據進行處理，生成相應的脈衝頻率和脈衝當量，並採用絕對運動模式對伺服電機進行控制，可以避免轉換角度「增量」的過程，同時也避免了「增量」轉化為脈衝當量產生的累積誤差。上肢外骨骼康復機器人的姿態可以根據健側上肢體的運動實時更新，進行隨動控制。本發明使用動態修改的方式更新當前時間段內的電機運動速度vi，實現電機位置實時更新，並減少電機加減速過程，vi根據電機當前編碼器位置與當前人體上肢角度差值決定，即：
式中，θti是指當前體感獲取的上肢角度，θbi是指當前電機編碼器的位置，Δt是指運動控制命令刷新周期。
4、工作模式和工作流程如下：
上肢外骨骼鏡像康復機器人的工作模式有：鏡像康復訓練模式、主從康復訓練模式和手動輸入操作三種模式。默認工作狀態為右臂穿戴，系統開始工作時，選擇患肢為左臂還是右臂，選擇右臂時機械臂保持默認位置，選擇左臂時外骨骼穿戴式機械手臂通過電機帶動外展/內收軸旋轉180°，將機械臂調整為左臂穿戴狀態。接著就是選擇訓練模式，選擇鏡像模式時，Kinect捕捉患者健康肢體的動作，計算機屏幕顯示患者健康肢體的鏡像場景，對患者進行視覺刺激，同時外骨骼機械臂帶動患肢完成相應的鏡像動作；選擇主從模式時，Kinect捕捉理療師與患者患肢同側的上肢動作，計算機屏幕顯示患者康復訓練的監控畫面，方便理療師進行判斷和觀察，同時外骨骼機械臂帶動患者患肢完成相應的從動動作；當需要進行精確的角度與速度控制時，便可以通過手動輸入的操作模式。
「體感控制」又分為兩種方式：被動訓練與半主動訓練方式。被動訓練是指上肢外骨骼康復機器人在健康手臂的動作「指引」下進行運動，從而帶動患者患肢進行康復運動，這裡的「健康手臂」可以是指理療師的，也可以指偏癱患者健康一側的上肢。正常情況下，理療師選擇使用與患者患肢同一側的肢體進行康復訓練指導，即「同步控制」；患者運用健肢對患肢進行康復訓練指導，形成「鏡像控制」。對於有一定自主動作意識的患者，可以運用「半主動」訓練模式進行康復訓練。該模式通過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。「半主動」訓練模式充分考慮了患者的主觀意識，有利於病情較輕的患者較快提高運動能力，促進腦部神經重構。
上肢外骨骼鏡像康復機器人的工作流程：選擇工作模式，根據工作模式獲取所需的骨架點，計算患者健側上肢或理療師同側上肢體的肩、肘關節角度，對關節角度進行卡爾曼濾波處理、限速和限幅處理，根據光電編碼器解析度將角度數據轉化為脈衝數，根據時間間隔計算脈衝頻率，發送給控制器，驅動伺服電機，使患者患肢完成與患者健側上肢或理療師同側上肢體相同的康復訓練動作。
本發明以Kinect體感傳感器為基礎，設計一種新型的體感控制的上肢鏡像康復機器人，康復機器人採用外骨骼穿戴式機械手臂，穿戴在患者患肢，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，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。
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。