一种艾灸机器人人机安全监控系统及监控方法技术方案

本发明专利技术公开了一种艾灸机器人人机安全监控系统及监控方法，包括以下步骤：搭建艾灸机器人人机安全监控系统，使用Kinect相机建立人体关键点模型，融合艾灸头获取人体关键部位的厚度信息，建立人体和机械臂的安全监测模型，构建人体与机械臂的碰撞检测对，使用求解凸体间最短距离的算法求解碰撞检测对之间的最短距离，构建最短碰撞检测对之间的虚拟排斥力，使用基于虚拟排斥力的机械臂避障运动控制方法保证人体与机械臂之间的安全距离。本方法的优势在于：一、建立了精确的人体安全监测模型，实时监测人体的运动；二、实时监测人体与机械臂之间的距离，采用虚拟排斥力确保人机之间始终保持安全距离，保证人体在艾灸过程中与机械臂安全舒适的交互。

【技术实现步骤摘要】
一种艾灸机器人人机安全监控系统及监控方法
本专利技术涉及医疗保健设备领域，特别涉及一种艾灸机器人的人机安全控制技术。
技术介绍
艾灸是中医针灸学中的灸法，使用艾叶的艾热刺激人体表穴位或者特定部位，通过激发经气的活动调整人体的生理生化功能，从能达到防病治病的目的。传统的艾灸机器人仅仅使用机械臂代替人臂手持艾条，使用拖动示教的方式控制机械臂进行艾灸，并没有建立人体与机械臂的安全监测模型，无法实时监测人体的运动，同时也无法保证人机交互时的安全距离。因此，无法在保证人机安全交互的前提下实现自动艾灸。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种艾灸机器人人机安全监控系统及监控方法，建立了人体与机械臂的安全监测模型，实时监测人体的运动和人体与机械臂之间的距离，采用虚拟排斥力确保人机之间始终保持安全距离，可以在保证人机安全交互的前提下实现自动艾灸。本专利技术的技术方案是，一种艾灸机器人人机安全监控系统，其特征是包括艾灸床、Kinect相机、艾灸机械臂、艾灸头、艾棒、艾灸机器人控制器；将艾棒与艾灸头安装到艾灸机械臂末端，将Kinect相机固定在艾灸床上方并保持Kinect相机摄像头焦距与视场适中的位置，使摄像头视场正对艾灸床床面，将艾灸机械臂固定到地面；使用串口通讯将Kinect相机与艾灸机器人控制器连接并进行实时通信，使用总线将艾灸头与艾灸机器人控制器连接并实时通信。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：步骤一：搭建艾灸机器人人机安全监控系统；步骤二：获取艾灸机械臂关节位置传感器数据、kinect相机图像及深度数据、艾灸头深度数据；步骤三：监测人体运动状态，包括：(1)建立人体关键点模型，使用Kinect相机对人体关键点运动状态进行监测；(2)融合Kinect相机和艾灸头获取人体厚度信息；步骤四：建立人体运动安全监测模型和机械臂安全监测模型，包括：(1)根据人体关键点和相应人体厚度信息建立基于包围盒的人体安全监测模型；(2)根据机械臂的关节位置信息和运动学建立基于包围盒的艾灸机械臂安全监测模型；步骤五：实时计算人机交互安全距离，包括：(1)基于艾灸机械臂安全监测模型构建艾灸机械臂自碰撞监测系统，对艾灸机械臂进行自碰撞检测；(2)基于人体安全监测模型和艾灸机械臂安全监测模型，构建人体与艾灸机械臂之间的碰撞检测对；(3)实时计算碰撞检测对之间的最短距离；步骤六：构建最短碰撞检测对之间的虚拟排斥力，使用基于虚拟排斥力的机械臂避障运动控制方法保证人体与艾灸机械臂之间的安全距离。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是，步骤二获取艾灸机械臂关节位置传感器数据、kinect相机图像及深度数据、艾灸头深度数据的具体方法是：使用棋牌法标定Kinect相机，采集当前人体的图像信息、深度信息及艾棒的位置信息；通过艾灸机械臂关节位置传感器采集艾灸机械臂当前的位姿信息；使用艾灸头采集当前艾灸头到人体的距离，将采集到的数据发送到艾灸机器人控制器中，以一定的控制周期进行实时处理。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是，步骤三(1)建立人体关键点模型，使用Kinect相机对人体关键点运动状态进行监测的具体方法是：当人体处于Kinect相机的视场范围内时，使用Kinect摄像头建立人体14个关键点模型；其中14个关键点是：头部，脊椎上部，左臂肩关节，右臂肩关节，左臀，右臀，左臂肘关节，左臂腕关节，右臂肘关节，右臂腕关节，左腿膝盖，右腿膝盖，左踝关节，右踝关节；使用机器学习的方法来识别Kinect相机获取的图像中人体的关键部位并获取14个关键点的位置和深度数据Pi(xc,yc,zc)，其中i＝6,7…19表示人体关键点。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是：步骤三(2)融合Kinect相机和艾灸头获取人体厚度信息以解决Kinect相机获取深度信息不准确的问题，具体方法是：1)建立Kinect相机坐标系与艾灸机械臂基坐标的坐标变换，将人体14个关键点在相机坐标系下的位置、深度数据Pi(xc,yc,zc)转换为机械臂基坐标系下的人体骨骼关键点位置、深度数据Pi(xb,yb,zb)，其中其中i＝6,7…19表示人体关键点；2)为保证机械臂不会与人体发生碰撞，以Pi(xb,yb,zb+a)为轨迹点，设置艾灸机械臂测试轨迹，其中a为保证艾灸头采集精度最佳且艾灸机械臂不会与人体发生碰撞的安全距离；3)控制艾灸机械臂以一定的速度按测试轨迹运动，运行经过各个关键点，采集艾灸头到相应相应人体关键点的深度数据，以修正Kinect相机采集到的人体关键点深度数据，结合Kinect相机相对于艾灸床的位置计算相应关键点人体厚度信息Di，以用于人体安全监测模型的构建。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是：步骤四(1)中根据人体关键点和相应厚度信息使用球扫掠凸体建立的人体安全监测模型的具体方法是：以人体头部、四肢上两个关键点Pv(xb,yb,zb)、Pj(xb,yb,zb)为圆心，这两个关键点厚度Dv、Dj为直径建立圆Ov、Oj，以圆Ov、Oj的内切正多边形的顶点为顶点建立凸体convP，使用convP和半径r构建球扫掠凸体V(r,P)，其中r为人体头部、四肢球扫掠凸体的允许误差项；以躯干上五个关键点Pk(xb,yb,zb)和相应关键点厚度Dk，构建以为顶点的凸体convP'，使用convP'和半径r'构建球扫掠凸体V'(r',P')，其中r'为人体躯干球扫掠凸体的允许误差项；将一个球扫掠凸体V(r,P)或V'(r',P')称为一个人体碰撞监测模块，所有的人体碰撞监测模块构成人体安全监测模型；其中v,j,k表示人体关键点，v＝6,8,9,12,13,14,15,16,17,18,19，j＝6,8,9,12,13,14,15,16,17,18,19，k＝7,8,9,10,11。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是：步骤四(2)中使用球扫掠凸体建立基于包围盒的艾灸机械臂安全监测模型的具体方法是：根据机械臂一个连杆的三维模型，以关节前端面内切多边形顶点、关节后端面内切多边形顶点为顶点建立凸体convP”，使用convP”和半径r”，构建球扫掠凸体V”(r”,P”)；将一个球扫掠凸体V”(r”,P”)称为一个机械臂碰撞监测模块，所有的机械臂碰撞监测模块构成机械臂安全监测模型，其中r”为机械臂球扫掠凸体的允许误差项。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是：所述包围盒包括轴向包围盒、球包围盒、方向包围盒、离散方向多面体包围盒、扫掠体包围盒。一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是：步骤五(3)使用求解凸体间最短距离的算法实时计算每个碰撞检测对之间的最短距离Lmn和最近点的坐标其中m表示第m个人体碰撞监测模块；n表示第n个机械臂碰撞监测模块；表示碰撞检测对mn发生碰撞时在第m个人体碰撞监测模块上的碰撞点；表示碰撞检测对mn发生碰撞时在第n个机械臂碰撞监测模块上的碰撞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种艾灸机器人人机安全监控系统，其特征是包括艾灸床、Kinect相机(1)、艾灸机械臂(2)、艾灸头(3)、艾棒(4)、艾灸机器人控制器(5)；将艾灸头(3)和艾棒(4)安装到艾灸机械臂(2)末端，将Kinect相机(1)固定在艾灸床上方并保持Kinect相机摄像头焦距与视场适中的位置，使摄像头视场正对艾灸床床面；使用串口通讯将Kinect相机(1)与艾灸机器人控制器(5)连接并进行实时通信，使用总线将艾灸头(3)与艾灸机器人控制器(5)连接并实时通信。/n

【技术特征摘要】
1.一种艾灸机器人人机安全监控系统，其特征是包括艾灸床、Kinect相机(1)、艾灸机械臂(2)、艾灸头(3)、艾棒(4)、艾灸机器人控制器(5)；将艾灸头(3)和艾棒(4)安装到艾灸机械臂(2)末端，将Kinect相机(1)固定在艾灸床上方并保持Kinect相机摄像头焦距与视场适中的位置，使摄像头视场正对艾灸床床面；使用串口通讯将Kinect相机(1)与艾灸机器人控制器(5)连接并进行实时通信，使用总线将艾灸头(3)与艾灸机器人控制器(5)连接并实时通信。


2.一种艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
步骤一：搭建艾灸机器人人机安全监控系统；
步骤二：获取艾灸机械臂关节位置传感器数据、kinect相机图像及深度数据、艾灸头深度数据；
步骤三：监测人体运动状态，包括：
(1)建立人体关键点模型，使用Kinect相机对人体关键点运动状态进行监测；
(2)融合Kinect相机和艾灸头获取人体厚度信息；
步骤四：建立人体运动安全监测模型和机械臂安全监测模型，包括：
(1)根据人体关键点和相应人体厚度信息建立基于包围盒的人体安全监测模型；
(2)根据机械臂的关节位置信息和运动学建立基于包围盒的艾灸机械臂安全监测模型；
步骤五：实时计算人机交互安全距离，包括：
(1)基于艾灸机械臂安全监测模型构建艾灸机械臂自碰撞监测系统，对艾灸机械臂进行自碰撞检测；
(2)基于人体安全监测模型和艾灸机械臂安全监测模型，构建人体与艾灸机械臂之间的碰撞检测对；
(3)实时计算碰撞检测对之间的最短距离；
步骤六：构建最短碰撞检测对之间的虚拟排斥力，使用基于虚拟排斥力的机械臂避障运动控制方法保证人体与艾灸机械臂之间的安全距离。


3.如权利要求2所述的艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是，步骤二获取艾灸机械臂关节位置传感器数据、kinect相机图像及深度数据、艾灸头深度数据的具体方法是：使用棋牌法标定Kinect相机(1)，采集当前人体的图像信息、深度信息及艾棒的位置信息；通过艾灸机械臂关节位置传感器采集艾灸机械臂(2)当前的位姿信息；使用艾灸头(3)采集当前艾灸头到人体的距离，将采集到的数据发送到艾灸机器人控制器(5)中，以一定的控制周期进行实时处理。


4.如权利要求2所述的艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是，步骤三(1)建立人体关键点模型，使用Kinect相机对人体关键点运动状态进行监测的具体方法是：当人体处于Kinect相机的视场范围内时，使用Kinect摄像头建立人体14个关键点模型；其中14个关键点是：头部，脊椎上部，左臂肩关节，右臂肩关节，左臀，右臀，左臂肘关节，左臂腕关节，右臂肘关节，右臂腕关节，左腿膝盖，右腿膝盖，左踝关节，右踝关节；使用机器学习的方法来识别Kinect相机获取的图像中人体的关键部位并获取14个关键点的位置和深度数据Pi(xc,yc,zc)，其中i＝6,7…19表示人体关键点。


5.如权利要求4所述的艾灸机器人人机安全监控方法，其特征是：步骤三(2)融合Kinect相机和艾灸头获取人体厚度信息以解决Kinect相机获取深度信息不准确的问题，具体方法是：
1)建立Kinect相机坐标系与艾灸机械臂基坐标的坐标变换，将人体14个关键点在相机坐标系下的位置、深度数据Pi(xc,yc,zc)转换为机械臂基坐标系下的人体骨骼关键点位置、深度数据Pi(xb,yb,zb)，其中i＝6,7…19表示人体关键点；
2)为保证机械臂不会与人体发生碰撞，以Pi(xb,yb,zb+a)为轨迹点，设置艾灸机械臂测试轨迹，其中a为保证艾灸头采集精度最佳且艾灸机械臂不会与人体发生碰撞的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晶，朱蓉军，禹超，
申请(专利权)人：夏晶，
类型：发明
国别省市：陕西;61