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

技术特征：

1.一种上肢康复机器人的体感控制方法，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的体感控制方法，其特征在于：所述的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。

3.根据权利要求2所述的一种上肢康复机器人的体感控制方法，其特征在于：所述的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

4.根据权利要求2所述的一种上肢康复机器人的体感控制方法，其特征在于：所述的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。

5.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的体感控制方法，其特征在于：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。

6.一种上肢康复机器人的康复训练策略，其特征在于：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。