本发明涉及机器人技术和康复医疗技术领域，更具体涉及一种六自由度的上肢康复机器人控制系统。
背景技术：
脑卒中、中风和脊髓损伤等造成的运动神经损伤会导致上肢运动功能障碍，给患者的身心造成重大的影响。患者患病后能够在有效时间内接受正确的康复治疗，一定程度上可以辅助患者恢复上肢运动能力。
传统方式是康复治疗师一对一的进行康复治疗，需要大量康复治疗师的参与，并且康复时间长。在康复训练中使用康复机器人可以取代康复理疗师大部分的繁重工作，并且对康复数据的处理更准确，能从精确数据上将患者情况进行分类，治疗更加有针对性。
目前上肢康复机器人的研究仍处于发展阶段，采用的康复系统多是借鉴于工业控制中的关节型机械人系统，控制系统结构复杂，功能模块分布在不同的采集卡上，采集卡之间通过外部总线的方式进行数据传输，大大降低系统的执行效率，延长系统周期时间，伺服系统和控制器之间的通信方式不能提供关节处电机高同步性的要求；此外现有的康复系统多是机械式的带动患者手臂运动，操作模式单一，患者残余肢体力得不到有效利用，患者不能主动参与其中，不利于患者的积极参与和康复效果的准确反馈。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于如何简化控制系统结构，提高控制系统执行效率，提高设备关节同步性。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种六自由度的上肢康复机器人控制系统，所述控制系统为以太网总线型拓扑结构，包括控制系统软件、工控机和与工控机连接的人机交互设备以及总线控制模块；
所述控制系统软件搭载在工控机中运行；
所述人机交互设备连接工控机，用于显示并选择控制系统软件提供给用户的互动训练模式，所述控制系统软件根据用户选择的互动训练模式执行相应的轨迹运动程序；
所述总线控制模块通过内部总线与一路pwm模块、模拟量模块和数字量模块连接，所述总线控制模块通过以太网线与5路伺服驱动器连接；
所述5路伺服驱动器通过电缆分别与5路直流伺服电机相连，控制机械臂上的控制前臂旋前/旋后、肘关节屈/伸、肩关节水平内收/外展、肩关节屈/伸、肩关节内旋/外旋电机旋转；
所述5路直流伺服电机上的绝对值编码器通过电缆连接5路伺服驱动器，5路伺服驱动器通过总线控制模块与工控机连接，提供数据给工控机内软件进行数据处理；
所述1路pwm模块通过电缆连接到舵机，实现对机械臂上腕关节屈/伸控制；
所述模拟量模块连接舵机末端的电位计将实际电机位置值通过模拟量模块传输到总线控制模块；
所述模拟量模块连接六维力传感器，将机械臂末端的空间力和力矩传输到总线控制模块，所述总线控制模块将模拟量数据通过以太网总线传输到工控机，提供给工控机内软件进行数据处理；
所述数字量模块连接急停开关和限位开关，所述数字量模块将数字量数据采集到总线控制模块，总线控制模块将模拟量数据通过以太网总线传输到工控机，提供给工控机内软件进行数据处理。
进一步地，所述控制系统软件包括系统任务管理模块、运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块、界面显示模块和总线处理模块；所述系统任务管理模块对运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块、界面显示模块和总线处理模块进行任务分配，所述运动控制模块通过内置轨迹运动程序对5路直流伺服电机和舵机的运动进行控制，所述数据采集处理模块对采集到的5路直流伺服电机绝对值编码器数据和舵机电位计数据进行处理，所述逻辑处理模块对接收到的数字量模块数据进行逻辑处理，所述界面显示模块将软件控制系统中需要显示的数据处理并发送到人机交互设备，所述总线处理模块将运动控制模块中产生的控制指令发送给总线控制模块，并将从总线控制模块中接收到的数据发送给运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块和界面显示模块。
进一步地，所述系统任务管理模块、运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块、界面显示模块和总线处理模块集成在同一个控制系统软件中。
进一步地，所述运动控制模块中的内置轨迹运动程序为模拟正常生活环境中手臂的常规活动的游戏程序。
进一步地，所述内置轨迹运动程序包括平面轨迹运动程序、平面阻抗/助动轨迹运动程序、三维轨迹运动程序以及三维阻抗/助动轨迹运动程序。
进一步地，所述数据采集处理模块包括关节实际角度数据处理程序和六维力传感器数据处理程序，所述关节实际角度数据处理程序将采集到的编码器数据转换成关节的实际转动角度值，所述六维力传感器数据处理程序将采集到的六维力数据通过矩阵转换，转换成实际在x,y,z方向的力值和力矩值。
进一步地，所述人机交互设备包括鼠标键盘和液晶显示器，所述鼠标键盘用于在液晶显示器界面上进行操作，所述液晶显示器显示控制系统软件提供给用户的互动训练模式。
进一步地，所述控制系统软件提供给用户的互动训练模式包括主动控制模式、被动控制模式、助动控制模式和阻抗控制模式。
进一步地，所述主动控制模式对应的轨迹运动程序执行过程为：患者患肢带动机械臂运动，患者带动患肢运动过程中，带动5路直流伺服电机转动，绝对值编码器及电位计数据实时传输到数据采集处理模块中，数据采集处理模块将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应人机交互界面上目标的位置移动，实现主动控制下互动的效果，控制系统同时记录下训练中的数据信息。
进一步地，所述被动控制模式对应的轨迹运动程序执行过程为：运动控制模块通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，同时5路直流伺服电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器和电位计传输给软件控制系统中的运动控制模块，运动控制模块将绝对值编码器和电位计反馈的实际值与从轨迹运动程序中获得转换后的指令位置值进行比较，做位置值的补偿，最终运动控制模块通过总线将补偿后的关节角度值发送给5路伺服驱动器和1路pwm模块，控制5路直流伺服电机转动确定的角度，控制系统同时记录下训练中的数据信息。
进一步地，所述助动控制模式对应的轨迹运动程序执行过程为：根据轨迹运动程序中路径描述的笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，运动控制模块通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，同时5路直流伺服电机转动的实际角度值通过绝对值编码器和电位计传输给运动控制模块，运动控制模块将绝对值编码器和电位计反馈的实际值与从轨迹运动程序中获得转换后的指令位置值进行比较，做位置值的补偿，得到位置环的期望输入值，另外，六维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的3个力fx，fy，fz和3个方向的力矩mx，my，mz数据反馈给运动控制模块，转换为轨迹控制程序中位置环、速度环和电流环控制方程应用参数，完成力矩模式下控制电机转动确定的角度，带动机械臂关节转动确定角度，控制系统同时记录下训练中的数据信息。
进一步地，所述阻抗控制模式对应的轨迹运动程序执行过程为：根据轨迹运动程序中路径描述的笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，运动控制模块通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，同时5路直流伺服电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器和电位计传输给运动控制模块，运动控制模块将绝对编码器和电位计反馈的实际值与从轨迹运动程序中获得转换后的指令位置值进行比较，做位置值的补偿，得到位置环的期望输入值，另外，六维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的3个力fx，fy，fz和3个方向的力矩mx，my，mz数据反馈给运动控制模块，转换为位置环、速度环和电流环控制方程应用参数，完成力矩模式下控制电机转动确定的角度，带动机械臂关节转动确定角度。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明提供的控制系统在康复训练机器人设备上采用总线型互联网拓扑结构及技术，设备执行端所有器件都直接通过总线连接，简化控制系统结构，简化接线，减少系统周期时间，提高设备关节同步性；
(2)本发明提供的控制系统将控制系统软件都集成在一个开发环境下，执行在同一个硬件平台，减少控制器硬件，实现大量的数据存储，有益于患者训练报告的归纳，可以运行大量规划好适合患者康复治疗的游戏应用，同时将多控制器之间的外部通信方式改换成软件程序的调用，简化系统结构，增加系统的稳定性；
(3)本发明提供的控制系统中采用六维力传感器作为患者患肢与设备之间的接口，通过运动学正向/逆向运算和阻抗运算实现患者可参与的多种训练模式转换；
(4)本发明提供的控制系统可以通过采集患者患肢的残余力，让患者在训练中更有主动性，并能够感受到，提高患者残余训练积极性，增加康复训练数据准确性。
附图说明
图1为本发明实施例上肢康复机器人控制系统框图；
图2为本发明实施例上肢康复机器人控制系统主动控制模式流程图；
图3为本发明实施例上肢康复机器人控制系统被动控制模式流程图；
图4为本发明实施例上肢康复机器人控制系统助动控制模式流程图；
图5为本发明实施例上肢康复机器人控制系统阻抗控制模式流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实施例所述的上肢康复机器人控制系统为以太网总线型拓扑结构，其结构框图见图1，包括工控机以及搭载在工控机中运行的控制系统软件和与工控机连接的液晶显示器、鼠标键盘以及总线控制模块；所述总线控制模块通过内部总线与一路pwm模块、模拟量模块和数字量模块连接，所述总线控制模块通过以太网线与5路伺服驱动器连接。
所述5路伺服驱动器通过电缆分别与5路直流伺服电机相连，控制机械臂上的控制前臂旋前/旋后、肘关节屈/伸、肩关节水平内收/外展、肩关节屈/伸、肩关节内旋/外旋电机旋转。
所述5路直流伺服电机上的绝对值编码器通过电缆连接5路伺服驱动器，5路伺服驱动器通过总线控制模块与工控机连接，提供数据给工控机内软件进行数据处理。
所述1路pwm模块通过电缆连接到舵机，实现对机械臂上腕关节屈/伸控制。
所述模拟量模块连接舵机末端的电位计将实际电机位置值通过模拟量模块传输到总线控制模块。
所述模拟量模块连接六维力传感器，将机械臂末端的空间力和力矩传输到总线控制模块，总线控制模块将模拟量数据通过以太网总线传输到工控机，提供给工控机内软件进行数据处理。
所述数字量模块连接急停开关和限位开关，所述数字量模块将急停开关和限位开关的数字量数据采集到总线控制模块，所述总线控制模块将模拟量数据通过以太网总线传输到工控机，提供给工控机内软件进行数据处理。
所述控制系统软件包括系统任务管理模块、运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块、界面显示模块和总线处理模块；所述系统任务管理模块、运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块、界面显示模块和总线处理模块集成在同一个控制系统软件中；所述系统任务管理模块对运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块、界面显示模块和总线处理模块进行任务分配，所述运动控制模块通过内置轨迹运动程序对5路直流伺服电机和舵机的运动进行控制，所述数据采集处理模块对采集到的5路直流伺服电机绝对值编码器数据和舵机电位计数据进行处理，所述逻辑处理模块对接收到的数字量模块数据进行逻辑处理，所述界面显示模块将软件控制系统中需要显示的数据处理并发送到人机交互设备，所述总线处理模块将运动控制模块中产生的控制指令发送给总线控制模块，并将从总线控制模块中接收到的数据发送给运动控制模块、数据采集处理模块、逻辑处理模块和界面显示模块。
所述运动控制模块中内置的轨迹运动程序包括平面轨迹运动程序、平面阻抗/助动轨迹运动程序、三维轨迹运动程序以及三维阻抗/助动轨迹运动程序。
所述数据采集处理模块包括关节实际角度数据处理程序和六维力传感器数据处理程序，所述关节实际角度数据处理程序将采集到的编码器数据转换成关节的实际转动角度值，所述六维力传感器数据处理程序将采集到的六维力数据通过矩阵转换，转换成实际在x,y,z方向的力值和力矩值。
所述鼠标键盘用于在液晶显示器界面上进行操作，所述液晶显示器显示控制系统软件提供给用户的互动训练模式，所述控制系统软件根据用户选择的互动训练模式执行相应的轨迹运动程序。
所述控制系统软件提供给用户的互动训练模式包括主动控制模式、被动控制模式、助动控制模式和阻抗控制模式。
本实施例的上肢被动康复机器人控制系统中运行根据康复治疗师治疗方案规划过的轨迹运动程序，所述轨迹运动程序在液晶显示器上通过游戏的形式进行展现，游戏的内容是模拟正常生活环境中手臂的常规活动如吃饭，喝水，采摘，移动物体等。目的是增强患者的参与感，提高训练效果，通过模拟日常生活动作，让患者更早回归到正常生活中。
上肢被动康复机器人控制系统根据鼠标键盘的选择分别执行主动控制、被动控制、助动控制及阻抗控制。上肢被动康复机器人控制系统在主动控制模式下，执行预先设置好的游戏程序，患者患肢带动机械臂运动，参与游戏的互动。主动控制模式的工作流程图见图2，具体为：在液晶显示屏上选择主动控制模式，选择游戏是否进行，不进行游戏时则回到模式选择界面，当游戏进行时，患者带动患肢运动，带动5路直流伺服电机转动，从而带动机械臂，并根据机械臂的移动情况作出判断，当机械臂移动时，5路直流伺服电机上的绝对值编码器及电位计数据实时传输到工控机中的数据采集处理模块中，数据采集处理将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应液晶显示器上目标的位置移动，实现主动控制下互动的效果，上肢被动康复机器人控制系统同时记录下训练中的数据信息，康复治疗师根据统计的数据分析康复训练效果及制定下一阶段的康复计划；若机械臂不移动，则控制系统记录并统计游戏环境下患者操作情况，直至训练结束。
上肢被动康复机器人控制系统在被动控制模式下，根据预先设定好的游戏程序，由机械臂带动患者患肢进行活动。被动控制模式的工作流程图见图3，具体为：在液晶显示屏上选择被动控制模式，并选择游戏是否执行，当游戏不执行时，回到模式选择界面，当游戏执行时，根据选定的游戏程序路径描述的是笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，同时5路直流伺服电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器和电位计传输给工控机中的运动控制模块，运动控制模块将绝对值编码器和电位计反馈的实际值与从游戏程序中获得转换后的指令位置值进行比较，当比较处理完成时，做位置值的补偿，最终运动控制模块中的轨迹运动程序通过总线将补偿后的关节角度值发送给5路伺服驱动器和一路pwm模块，控制5路直流伺服电机转动确定的角度，当比较处理未完成时，再次进行比较处理，直至比较处理完成，完成位置值的补偿，控制系统同时记录下训练中的数据信息，康复治疗师根据统计的数据分析康复训练效果及制定下一阶段的康复计划。
上肢被动康复机器人控制系统在助动控制模式下，上肢被动康复机器人控制系统同时结合主动控制、被动控制及力控制原理，根据预先设定好的游戏程序，由机械臂带动患者患肢进行活动的同时也将患者患肢的残余力充分利用，使患者得到更加精确的康复治疗。助动控制模式的工作流程图见图4，具体为：在液晶显示器界面上选择助动控制模式，并确定是否执行游戏程序，当不执行游戏程序时，返回模式选择界面，当选择执行游戏程序时，根据游戏程序中路径描述的笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，同时5路直流伺服电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器和电位计传输给工控机中的运动控制模块，运动控制模块将绝对值编码器和电位计反馈的实际值与从游戏程序中获得转换后的指令位置值进行比较，做位置值的补偿，得到位置环的期望输入值，另外，六维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的3个力fx，fy，fz和3个方向的力矩mx，my，mz数据反馈给工控机中的运动控制模块，转换为位置环、速度环和电流环控制方程应用参数，然后将各关节位置环期望位置值与位置环、速度环和电流环控制方程应用参数采用助动控制闭环数据处理，并判断数据处理是否完成，若数据处理完成，则完成力矩模式下控制电机转动确定的角度，带动机械臂关节转动确定角度，控制系统同时统计游戏环境下患者操作情况；若数据处理未完成，则返回助动控制闭环数据处理步骤，继续进行数据处理，直至游戏结束。
上肢被动康复机器人控制系统在阻抗控制模式下，上肢被动康复机器人控制系统同时结合主动控制、被动控制及力控制原理，根据预先设定好的游戏程序，由机械臂带动患者患肢进行活动的同时也将患者患肢的残余力充分利用，使患者得到更加精确的康复治疗。阻抗控制模式的工作流程图见图5，具体为：通过液晶显示器界面选择阻抗控制模式，并选择是否执行相应的游戏程序，若不执行该游戏，则返回模式选择界面，若执行游戏，则根据游戏程序中路径描述的笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，同时5路直流伺服电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器和电位计传输给工控机中的运动控制模块，运动控制模块将绝对值编码器和电位计反馈的实际值与从游戏程序中获得转换后的指令位置值进行比较，做位置值的补偿，得到位置环的期望输入值，另外，六维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的3个力fx，fy，fz和3个方向的力矩mx，my，mz数据反馈给工控机中的运动控制模块，转换为位置环、速度环和电流环控制方程应用参数，然后将各关节位置环期望位置值与位置环、速度环和电流环控制方程应用参数采用阻抗控制闭环数据处理，并判断数据处理是否完成，若数据处理完成，则完成力矩模式下控制电机转动确定的角度，带动机械臂关节转动确定角度，控制系统同时统计游戏环境下患者操作情况；若数据处理未完成，则返回阻抗控制闭环数据处理步骤，继续进行数据处理，直至游戏结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。