一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统技术方案

本发明专利技术涉及医疗康复机器人技术领域，具体涉及一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统，将待抓取训练目标置于患者触碰范围内，患者注视目标物产生抓取意图，由医师在上位机下达系统启动指令，系统基于Azure Kinect对目标物进行实时跟踪定位，获取其空间坐标后发送至上位机，通过坐标转换将目标物坐标由Azure Kinect坐标系转换至机器人坐标系下，由机器人正、逆解及轨迹规划计算出机器人本体每个关节运动参数，通过Snap

【技术实现步骤摘要】
一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统


[0001]本专利技术涉及医疗康复机器人
，具体涉及一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统。

技术介绍

[0002]脑卒中是我国成年人致死、致残的首位病因，它是由于急性脑血管循环障碍而引起持续性大脑半球或脑干局部性神经功能缺损，具有发病率高、致残率高、死亡率高和复发率高的特点。脑卒中患者通常会出现上肢功能障碍，对患者进行重复刺激训练和一定强度的特定任务训练，是上肢功能康复治疗的重要手段。由于上肢康复机器人具有无疲劳、定量化、个体化的优点，一方面可提供大剂量、高重复运动训练，另一方面可提供客观即时的训练数据和评估数据，机器人辅助康复治疗已经成为脑卒中后肢体功能康复的有效方案。
[0003]目前，上肢康复机器人主要有外骨骼式和末端牵引式，由于外骨骼式康复机器人具有动作精准、可靠性高等优点，其市场应用前景广阔。但其存在以下缺点：
[0004]1、现有的上肢外骨骼康复机器人的控制技术主要以被动控制为主，被动控制方法是预先建立一套固定的运动模式，无法实现个性化。有研究表明，患者在康复治疗过程中主观参与程度越高，治疗效果越好，而单纯的被动康复不仅治疗效果不佳，并且枯燥的训练容易引起患者的抵触情绪。
[0005]2、少部分采用主动控制方法的上肢外骨骼康复机器人，为体现患者的主动参与程度，主要是结合肌电、脑电等生理信号实时控制机器人的运动，由于信号易出现误判，在训练时可能导致康复机器人执行错误的运动动作，不仅无法保证训练效果，还会给患者造成损伤；另一方面，患者需要穿戴相应的传感设备，舒适性欠佳。

技术实现思路

[0006]针对以上问题，本专利技术提供了一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统，使患者在产生主观运动意图的前提下，在外骨骼机器人的辅助下进行目标物的跟踪和抓取训练，提高了患者的主观参与程度，将患者的主观运动意识与客观获取的感觉信息融合，更好地实现患者和机器人互动。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、医师根据患者实际情况，在上位机中输入上肢长度、外骨骼每个关节的转动速度和各个关节的转动角度范围；
[0010]步骤二、医师将训练目标置于患者触碰范围内，并要求患者注视目标物并对其产生抓取意图，医师在上位机下达系统启动指令；
[0011]步骤三、由Azure Kinect实时采集目标物区域的深度图和彩色图，对目标物进行实时跟踪定位，并记录目标物静止时刻的空间坐标；
[0012]步骤四、通过坐标转换将目标物空间坐标由Azure Kinect坐标系转换至机器人坐标系，具体；
[0013]步骤五、由机器人正、逆解及轨迹规划计算出外骨骼每个关节的运动参数；
[0014]步骤六、将上位机和PLC在同一网段下，通过TCP/IP协议相连接，并由Snap7协议进行数据读写；当上位机与PLC通信成功，并成功读取PLC模拟量输入模块中的角度传感器数值，进行下一步；
[0015]步骤七、上位机将每个关节所需转动角度与转动速度下发至PLC中，PLC将数值转换为高速脉冲(PTO)发送给伺服电机驱动器，驱动电机在额定转速下转动对应角度，并通过多线程的方式，实时读取角度传感器的值返回给上位机；
[0016]步骤八、上肢外骨骼康复机器人辅助患者抓取目标物，完成后返回初始位置。
[0017]优选地，所述步骤(三)中，具体过程如下：
[0018](1)根据目标物三维点云数据，利用点云分割、坐标映射提取目标物；
[0019](2)在HSV颜色空间建立融合深度信息的目标物“颜色
‑
形状”模型；
[0020](3)对由Azure Kinect实时采集的RGB图像进行深度、颜色过滤；
[0021](4)运用深度方差对目标物和相似颜色背景进行连通域分割，获得潜在目标；
[0022](5)通过目标物形状偏差率、直方图巴氏距离及目标物质心区域的深度均值完成目标跟踪定位。
[0023]优选地，所述步骤(五)中，具体过程如下：
[0024](1)读取预先建立的机器人D
‑
H参数表，将上肢外骨骼康复机械臂简化为连杆模型，建立各连杆坐标系，求得运动学正解，解得机器人每个关节转动对应角度时，患者手部对应空间坐标位置；
[0025](2)通过几何法进行逆运动学求解，根据空间中目标物的位置，解出康复机器人辅助患者将手运动到这一位置时，各关节所需转动的角度；
[0026](3)将逆解求出的角度，再一次进行正解，当第二次正解求得的空间坐标与目标物坐标相符时，进入下一步骤；
[0027](4)进行机器人轨迹规划，读取角度传感器测量得到的关节角度值和医师预先设置的关节转动角度范围，当上述(1)(2)(3)步骤求解的关节转动角度在该范围内，则进行运动；否则将超出范围的关节转动角度修改至允许范围内的最大值。
[0028]本专利技术还提供了一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制系统，所述控制系统的硬件结构包括：Azure Kinect传感器、主控计算机、路由器、PLC及PLC模拟量输入模块、伺服电机驱动器、伺服电机、角度传感器和三自由度上肢外骨骼机械本体。
[0029]其中，所述Azure Kinect传感器通过USB3.0与主控计算机连接，所述PLC及PLC模拟量输入模块安装一起，且PLC上设有网线插口，PLC通过网线与路由器的Lan口连接，并将 PLC、路由器和主控计算机的IP地址修改至同一网段下，实现上位机和PLC的无线通信；
[0030]其中，所述伺服电机驱动器通过信号线与PLC连接，所述伺服电机通过信号线与伺服电机驱动器连接，所述角度传感器安装在三自由度上肢外骨骼机械本体的对应关节上，且角度传感器通过信号线与PLC模拟量输入模块连接。
[0031]优选地，所述三自由度上肢外骨骼机械本体包括肩部外展/内收、前屈/后伸及肘部屈/伸的三个自由度。
[0032]通过采用上述技术方案，其控制系统使患者在产生主观运动意图的前提下，在外骨骼机器人的辅助下进行目标物的跟踪和抓取训练，提高了患者的主观参与程度，将患者的主观运动意识与客观获取的感觉信息融合，更好地实现患者和机器人互动。同时，控制方法具有训练目标的多样性，还可以提高患者的训练兴趣和积极性。
[0033]本专利技术有益效果：
[0034]1、本专利技术在外骨骼康复机器人的辅助下，患者通过肩关节和肘关节的协同动作，在上肢运动范围内对目标物进行抓取训练。
[0035]2、本专利技术相较于传统的被动式康复训练方式，其目标驱动式康复训练方法能够充分激发患者的主观运动意图，达到更好地康复治疗效果。
[0036]3、本专利技术相较于当前肌电信号以及脑电波技术，目标跟踪定位方法更成熟稳定，而且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、医师根据患者实际情况，在上位机中输入上肢长度、外骨骼每个关节的转动速度和各个关节的转动角度范围；步骤二、医师将训练目标置于患者触碰范围内，并要求患者注视目标物并对其产生抓取意图，医师在上位机下达系统启动指令；步骤三、由Azure Kinect实时采集目标物区域的深度图和彩色图，对目标物进行实时跟踪定位，并记录目标物静止时刻的空间坐标；步骤四、通过坐标转换将目标物空间坐标由Azure Kinect坐标系转换至机器人坐标系；步骤五、由机器人正、逆解及轨迹规划计算出外骨骼每个关节的运动参数；步骤六、将上位机和PLC在同一网段下，通过TCP/IP协议相连接，并由Snap7协议进行数据读写；当上位机与PLC通信成功，并成功读取PLC模拟量输入模块中的角度传感器数值，进行下一步；步骤七、上位机将每个关节所需转动角度与转动速度下发至PLC中，PLC将数值转换为高速脉冲(PTO)发送给伺服电机驱动器，驱动电机在额定转速下转动对应角度，并通过多线程的方式，实时读取角度传感器的值返回给上位机；步骤八、上肢外骨骼康复机器人辅助患者抓取目标物，完成后返回初始位置。2.根据权利要求1所述的一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤(三)中，具体过程如下：(1)根据目标物三维点云数据，利用点云分割、坐标映射提取目标物；(2)在HSV颜色空间建立融合深度信息的目标物“颜色
‑
形状”模型；(3)对由Azure Kinect实时采集的RGB图像进行深度、颜色过滤；(4)运用深度方差对目标物和相似颜色背景进行连通域分割，获得潜在目标；(5)通过目标物形状偏差率、直方图巴氏距离及目标物质心区域的深度均值完成目标跟踪定位。3.根据权利要求1所述的一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿畅，张啸天，周建萍，张文波，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：