一种上肢康复机器人的体感控制方法及康复训练策略与流程

本发明涉及一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器。

背景技术：
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脑卒中已经成为危害人类身体健康的主要病因之一，且呈现年轻化趋势。随之而来的高致残率导致大部分卒中后患者肢体运动能力受损，严重影响患者生活质量。这类偏瘫患者需要尽早实施密集的高强度运动治疗以达到最佳康复效果。但对于患肢肌力不足，不能自主进行康复运动训练的患者，只能通过理疗师的辅助或者借助于康复训练设备。利用康复机器人辅助患者进行康复训练时，康复机器人的运动控制策略以及系统稳定性在一定程度上会影响康复效果。

目前外骨骼机器人采用的控制方式主要分为两种：一种是固化程序，由预先编好的程序控制机器人在康复训练时执行单一关节或者组合动作；另一种就是通过控制面板或控制器进行在线控制。前种控制方式，由于理疗师不一定熟悉编程设置，不容易满足根据患者康复程度作出即时调整训练方案的要求。后一种控制方式一般只能同时控制一个关节，即使能同时控制多关节也不容易满足协调性与符合人体运动习惯的要求，这使得训练和调整一些日常生活中的组合动作(如饮食、提裤等)就显得比较困难。将一种新型的体感人机交互技术应用于上肢康复机器人，研究一种更加自然、直观的体感控制方式，可以较好解决上述问题。关于机器人体感控制方法，过去也有研究，但大多需要在人体关节处安装陀螺仪、加速度传感器等信号采集装置，仍然存在安装繁琐、穿戴及操作不便等问题。

技术实现要素：
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本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种控制方式更加直观、自然、简单的上肢康复机器人的体感控制方法及康复训练策略。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种上肢康复机器人的体感控制方法，采用Kinect采集上肢运动数据，通过上位机对运动数据进行处理，获取控制信号，下位机将控制信号传给伺服驱动器，驱动外骨骼穿戴式机械手臂带动患肢进行康复训练，上位机为PC机，下位机为运动控制器。

本发明的进一步改进在于：上肢运动数据采集与处理方法为：

A、通过Kinect传感器捕捉人体6个关节的三维坐标，分别是肩部中心、髋部中心、健侧肢体肩关节、肘关节、腕关节，患侧肢体肩关节；

B、建立人体坐标系，根据获取的6个关节点数据，构建空间向量，计算关节角度；关节角度包括肘关节屈/伸角度α，肩关节外展/内收角度β，肩关节前屈/后伸角度γ；其中，肩关节外展/内收角度β定义为上臂向人体冠状面的投影与脊柱线的夹角，肩关节前屈/后伸角度γ定义为上臂与人体冠状面的夹角；

C、对计算得到的关节角度数据采用卡尔曼滤波算法平滑，根据Kinect的刷新频率，将状态改变矩阵中的数据刷新时间取补偿系统传输的耗时，提高系统实时性；

D、对平滑后的关节角度数据进行限速和限幅处理，通过设定最大运动角速度保证患者训练安全。

本发明的进一步改进在于：关节角度计算方法为：

a、建立人体坐标系，Kinect获取的6个骨架点标记为肩部中心S_C、髋部中心H_C、健侧肢体肩关节S_j、肘关节E、腕关节W，患侧肢体肩关节S_h，平面n为人体的冠状面，其中将人体分为前后两部分的平面，平面m＇平行于人体矢状面，其中将人体分为左右两部分的平面，平面h同时垂直于冠状面n和平面m＇；

b、肘关节屈/伸角度计算方法为：过肘关节点和腕关节点构建向量过肩关节点和肘关节点构建向量

肘关节屈/伸角度

C、肩关节外展/内收角度、肩关节前屈/后伸角度计算方法为：

过冠状面n内的髋部中心点H_C和肩关节点S_j、S_h，构建向量和计算冠状面n的法向量

计算在上的投影

计算在平面n中的投影向量

通过髋部中心点H_C和肩关节中间点S_C，构建向量

肩关节外展/内收角度

肩关节前屈/后伸角度

本发明的进一步改进在于：关节角度数据限速和限幅处理方法为：如果t时刻的角位置X_t与前一时刻角位置X_t-1之间的速度大于安全速度ω_set，强制把当前时刻的角位置替换为X_t＇，以保证最大速度不超过设定的安全速度ω_set；下一帧的数据依照上述方法同替换后的数据比较，当角度大小超过设定范围的上限或下限时，则将该角度强制赋值为上限或下限。

本发明的进一步改进在于：控制系统硬件包括Kinect、上位机、下位机、伺服驱动器、伺服电机、网络交换机以及供电部分，上位机与运动控制器通过网络交换机连接在同一局域网中进行信息交换，网络交换机与上位机通过无线网络形式连接，网络交换机与运动控制器采用双绞线相连。

一种上肢康复机器人的康复训练策略，康复训练策略包括以下三种模式：

第一种模式，镜像体感控制下的双侧肢体镜像同步康复训练：用患者健康一侧的肢体的自然动作直接控制机器人运动，带动患肢在机器人的辅助下执行与健侧肢体相同的动作，实现一种新型的双侧镜像同步康复训练。

第二种模式，同步体感控制下的主从式的康复训练：用理疗师与患者患肢同侧的肢体运动作为运动控制器，带动患肢在机器人的辅助下执行与理疗师健侧肢体相同的康复动作。

第三种模式，半主动式康复训练：Kinect捕捉理疗师的手掌位置，通过逆运动学求解上肢外骨骼康复机器人末端运动到理疗师手掌位置时各关节所需转动的角度，驱动伺服电机使上肢外骨骼康复机器人带动患者患肢运动，完成患者手掌与理疗师手掌触碰的动作，进行半主动康复训练模式。

本发明与现有技术相比具有以下优点：区别于传统外骨骼康复机器人的控制模式，本发明采用肢体动作体感控制，控制方式更加直观、自然、简单，可进行多关节实时联动控制，便于复杂动作的训练；体感主从实时控制模式，便于理疗师实时调整康复训练方案；患者可以通过自身健侧肢体的运动，带动患肢进行健肢-患肢双侧协调同步镜像运动，更有助于促进大脑神经元的修复，提高镜像疗法对整个患侧肢体的治疗效果。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为关节点获取与角度计算示意图；

图3为本发明的限速与限幅处理流程图；

图中：1：Kinect传感器；2：主控计算机；3：交换机；4：运动控制器；5：驱动器：6：开关；7：伺服电机；8：穿戴式机械手臂。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1示出了本发明上肢康复机器人的体感控制方法的一种实施方式，控制系统硬件包括Kinect、上位机(PC机)、下位机(运动控制器)、伺服驱动器、伺服电机、网络交换机以及供电部分。Kinect负责采集人体肩部中心、髋部中心、健侧肢体肩关节、肘关节、腕关节、患侧肢体肩关节6个关节的数据，上位机对关节数据进行处理，获取运动控制信号，下位机将控制信号传给伺服驱动器，驱动外骨骼穿戴式机械手臂带动患肢进行康复训练。康复训练模式有镜像体感控制、同步体感控制和半主动体感控制。本发明采用健侧肢体的动作作为运动控制器，区别于传统的康复机器人控制方法，具有体感直接控制的特性，且无需穿戴信号采集装置，操作方便，患者可以通过自身健肢的运动带动患肢在机器人的辅助下进行一种新型的双侧镜像同步康复训练，也可以通过理疗师与患者患肢同侧的肢体运动进行主从式的康复训练，还可以通过患者手掌与理疗师手掌“触碰”的动作进行“半主动”式康复训练。

本发明采用Kinect采集上肢运动数据，通过上位机对运动数据进行处理，获取控制信号，下位机将控制信号传给伺服驱动器，驱动外骨骼穿戴式机械手臂带动患肢进行康复训练。

上肢运动数据采集与处理方法为：

(1)通过Kinect传感器捕捉人体6个关节的三维坐标，分别为肩部中心S_C、髋部中心H_C、健侧肢体肩关节Sj、肘关节E、腕关节W，患侧肢体肩关节S_h。如图2所示。

(2)建立人体坐标系，根据获取的6个骨架点数据，构建空间向量，计算关节角度。关节角度包括肘关节屈/伸角度α，肩关节外展/内收角度β，肩关节前屈/后伸角度γ。其中，肩关节外展/内收角度β定义为上臂向人体冠状面的投影与脊柱线的夹角，肩关节前屈/后伸角度γ定义为上臂与人体冠状面的夹角。

关节角度计算示意图如图2所示。其中平面n为人体的冠状面(将人体分为前后两部分的平面)，平面m＇平行于人体矢状面(将人体分为左右两部分的平面)，平面h同时垂直于冠状面n和平面m＇。

①肘关节屈/伸角度计算

过肘关节点和腕关节点构建向量过肩关节点和肘关节点构建向量

肘关节屈/伸角度

②肩关节外展/内收角度、肩关节前屈/后伸角度计算

过冠状面n内的髋部中心点H_C和肩关节点S_j、S_h，构建向量和计算冠状面n的法向量

计算在上的投影

计算在平面n中的投影向量

通过髋部中心点H_C和肩关节中间点S_C，构建向量

则肩关节外展/内收角度

肩关节前屈/后伸角度

本发明的关节角度计算方法不是基于Kinect坐标平面，而是基于人体坐标系，使得用户不需要严格的正面对于Kinect传感器，方便了Kinect安放在视野较好的位置，从而避免因关节相互遮挡而引发数据不稳定的现象。

(3)对计算得到的关节角度数据采用卡尔曼滤波算法平滑，根据Kinect的刷新频率，将状态改变矩阵中的数据刷新时间取卡尔曼滤波提前推测可以作为数据缓冲和系统传输耗时的补偿，提高了系统的实时性。

(4)对平滑后的关节角度数据进行限速和限幅处理，通过设定最大运动角速度保证患者训练安全。

如果t时刻的角位置X_t与前一时刻角位置X_t-1之间的速度大于安全速度ω_set，强制把当前时刻的角位置替换为X_t＇，以保证最大速度不超过设定的安全速度ω_set。下一帧的数据依照上述方法同替换后的数据比较，当满足于安全速度后，数据曲线再次与原数据重合。设定运动角度范围是保证安全性的另一项措施，当角度大小超过设定范围的上限(下限)时，则将该角度强制赋值为上限(下限)。以肘关节屈/伸运动为例，安全速度设为ω_set＝80°/s，角度范围设为60°～180°。限速与限幅处理的处理流程如图3所示。

控制系统硬件包括Kinect、上位机(PC机)、下位机(运动控制器)、伺服驱动器、伺服电机、网络交换机以及供电部分。上位机与运动控制器通过网络交换机连接在同一局域网中进行信息交换，网络交换机与上位机通过无线网络形式连接，网络交换机与运动控制器采用双绞线相连。

一种上肢康复机器人的康复训练策略，康复训练策略包括以下三种模式：

第一种模式，镜像体感控制下的双侧肢体镜像同步康复训练：用患者健康一侧的肢体的自然动作直接控制机器人运动，带动患肢在机器人的辅助下执行与健侧肢体相同的动作，实现一种新型的双侧镜像同步康复训练。

第二种模式，同步体感控制下的主从式的康复训练：用理疗师与患者患肢同侧的肢体运动作为运动控制器，带动患肢在机器人的辅助下执行与理疗师健侧肢体相同的康复动作。

第三种模式，半主动式康复训练：Kinect捕捉理疗师的手掌位置，通过逆运动学求解上肢外骨骼康复机器人末端运动到理疗师手掌位置时各关节所需转动的角度，驱动伺服电机使上肢外骨骼康复机器人带动患者患肢运动，完成患者手掌与理疗师手掌触碰的动作，进行半主动康复训练模式。

半主动康复模式适用于有一定肌力的患者的康复训练，可以锻炼患者视觉与肢体运动间的协调能力，有助于提高患者的认知能力，可以进一步促进运动神经的康复。

本发明以Kinect体感传感器为信号采集装置，设计了一种上肢康复机器人的体感控制方法和训练策略，用理疗师肢体或者患者自身健康一侧的肢体作为运动控制器，中风患者可以通过健侧肢体的自然动作直接控制机器人的运动，带动患肢在机器人的辅助下进行一种新型的双侧镜像同步康复训练，主从式的康复训练和“半主动”式康复训练。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。