【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于康复设备人机交互，具体为一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法。
技术介绍
1、上肢康复机器人中，针对下位机的人机交互手柄的控制，以改善用户康复训练的体验及效果，始终是本领域技术人员的研究重点。现有的康复训练方法或多或少的存在着缺陷和不足，这些技术方案如下：
2、一种康复训练方法，在用户进行上肢训练时，通过测量用户的最大运动距离，来定制适合的运动曲线范围。这一方法的测量参数单一，会导致测试评估结果不够准确，进而使得后续路径规划失真，训练效果由此减弱，严重时可能对用户造成进一步的损伤。但若是想要提升测量参数的类型数量，就需要增加对应测量参数的传感器，进行额外的测量过程，消耗更多的通讯成本，以确保用户能获取由全部信息组成的最终评估结果；这一方式对实时性要求较高的康复设备来说是一个挑战。
3、同时，在用户体验上，现有的上肢康复训练过程中仅匹配了虚拟场景与现实手柄的位置信息，未给予用户与虚拟场景中匹配的本体感官刺激，即没有针对手柄这一执行器的扩展控制策略，如碰撞后的震动、虚拟方向限位等。因此，现有的控制方法会导致用户的沉浸感大幅下降，用户训练意愿不强，训练效果的提升就很有限。但虚拟场景与现实手柄移动的同步碰撞振动、限位等体验功能，在现有的上肢康复机器人中不易实现；一旦算法或参数设置不当，轻则导致沉浸感不强，重则可能损伤用户健康。恰到好处的碰撞和限位对整个系统的实时通讯和控制算法都具有一定的难度要求。
4、现有技术也提供了虚拟限位相关的方法，但目前的方案是通过切换阻抗控制策略，来改
技术实现思路
1、针对
技术介绍
的现状，本专利技术提出了一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，该方法能解决用户康复等级测量参数单一的问题，先采用准确度、速度和肌力同时测量评估的方式，尽可能获取准确的用户评估结果，从而构建对应的虚拟场景与交互任务，保证用户的训练效果；本专利技术还给予用户与虚拟场景相匹配的本体感官刺激，以增强用户的训练意愿和训练体验，最终同样有效提升康复训练效果。
2、本专利技术采用了以下技术方案来实现目的：
3、一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其中上肢康复机器人包括具有显示屏的上位机和以人机交互手柄作为执行器的下位机；所述控制方法包括如下步骤：
4、s1、获取用户的上肢运动测量数据，包括准确度、速度和肌力；
5、s2、将上肢运动测量数据转换为用户的肌力康复等级；
6、s3、依据不同的肌力康复等级，映射出不同的虚拟场景信息；
7、s4、依据虚拟场景信息，控制上肢康复机器人的执行器动作，模拟出用户适配的力学场景；
8、s5、用户通过力学场景执行康复训练；在康复训练过程中，依据虚拟场景信息，控制执行器做出限位和软碰撞反馈动作。
9、具体的，步骤s1中，上位机的显示屏展示出预设的运动曲线，用户依照运动曲线，在下位机的人机交互手柄辅助下，完成上肢运动测量过程；所述运动曲线由一系列具有特定位置的增益点连接构成。
10、进一步的，上肢运动测量过程具体为：上位机将运动曲线的增益点参数发送至下位机，下位机依据增益点参数，确定人机交互手柄的动作指令，动作指令包括最大移动速度和不同增益点处的反馈力大小；随后，用户操作人机交互手柄，使人机交互手柄在下位机和用户共同施力的情况下沿着运动曲线的路径移动；移动过程中，下位机持续记录人机交互手柄到达的增益点数量、移动速度和用户施力大小，并在移动结束后将所有记录数据上传至上位机中，完成上肢运动测量过程。
11、进一步的，步骤s2中，将移动过程中人机交互手柄到达的增益点数量记为n，并计算出人机交互手柄的移动速度平均值v和用户施力平均值f，随后依照如下公式计算出用户肌力值d：
12、d＝f×(80-a)×g
13、式中，a为用户的实际年龄；g为性别参数，用户为男性时取值1，为女性时取值0.75；随后，通过预设特定的肌力康复加权平均系数，计算出增益点数量n、移动速度平均值v和用户肌力值d三者的加权平均数l；依据加权平均数l的大小，划分出5个不同的肌力康复等级，并确定出当前用户所在的肌力康复等级。
14、具体的，步骤s3中，用户选定虚拟场景类型，上位机随后依据用户所在的肌力康复等级和选定的虚拟场景类型，映射出对应的虚拟场景信息，虚拟场景信息中包括依据肌力康复等级而预设的难度系数；随后，上位机将虚拟场景信息发送至下位机。
15、进一步的，步骤s4中，下位机接受虚拟场景信息，依据用户所在的肌力康复等级，计算出人机交互手柄在虚拟场景中不同位置时应产生的物理交互力大小，控制人机交互手柄的电机在对应位置处动作；同时，下位机实时获取人机交互手柄的位置信息，并将位置信息上传至上位机中，上位机通过显示屏展示人机交互手柄所在点与虚拟场景目标点，用户移动人机交互手柄，完成适配的力学场景模拟过程，执行康复训练。
16、具体的，人机交互手柄在虚拟场景中不同位置时应产生的物理交互力大小由人机交互手柄的电机输出力矩fx提供，电机输出力矩fx作用于下位机确定的数个控制周期中，各个连续的控制周期间具有特定控制间隔。当虚拟场景信息中预设的难度系数随着肌力康复等级的提高而上升时，电机输出力矩fx的计算结果相应改变，实现人机交互手柄的动作控制。
17、进一步的，步骤s5中，当显示屏展示的人机交互手柄对象移动过程中触碰到限位件时，依据限位件的所在方向，上位机向下位机发送限位指令；下位机接收到限位指令后，控制人机交互手柄做出限位反馈动作，通过改变对应限位方向的电机输出力矩fx大小，使人机交互手柄的移动受到限制而停止，实现真实物理交互与虚拟任务的一致性。
18、进一步的，步骤s5中，当显示屏展示的人机交互手柄对象移动过程中触碰到软碰撞点位时，在预设数量的控制周期内，下位机此时计算出具有震动效果的物理交互力所对应的电机输出力矩fx，从而做出软碰撞反馈动作。
19、综上所述，由于采用了本技术方案，本专利技术的有益效果如下：
20、1、本专利技术解决了现有技术中测量参数单一的问题，通过准确度、速度和肌力相结合的测量方式，得到准确的用户肌力康复等级；评估过程全面，量化康复效果，使用户对自身情况更加了解。
21、2、本专利技术解决了肌力数据未较好融入虚拟场景模拟的问题，将得到的肌力康复等级映射至不同的虚拟场景中，通过执行器的控制，能给予用户最适配的训练参数，确保安全的情况下更快的帮助用户康复。
22、3、本专利技术解决了康复训练过程中用户沉浸感不强的问题，创建了一种安全温和的限位及碰撞物理交互实现方法，能给予用户安全真实的本体感官刺激，提升用户的沉浸感，增加用户在康复训练中的交互友好度。
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1.一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其中上肢康复机器人包括具有显示屏的上位机和以人机交互手柄作为执行器的下位机，其特征在于：步骤S1中，上位机的显示屏展示出预设的运动曲线，用户依照运动曲线，在下位机的人机交互手柄辅助下，完成上肢运动测量过程；所述运动曲线由一系列具有特定位置的增益点连接构成。
3.根据权利要求2所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于，上肢运动测量过程具体为：上位机将运动曲线的增益点参数发送至下位机，下位机依据增益点参数，确定人机交互手柄的动作指令，动作指令包括最大移动速度和不同增益点处的反馈力大小；随后，用户操作人机交互手柄，使人机交互手柄在下位机和用户共同施力的情况下沿着运动曲线的路径移动；移动过程中，下位机持续记录人机交互手柄到达的增益点数量、移动速度和用户施力大小，并在移动结束后将所有记录数据上传至上位机中，完成上肢运动测量过程。
4.根据权利要求3所述的一种优化上肢康复
5.根据权利要求2所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：步骤S3中，用户选定虚拟场景类型，上位机随后依据用户所在的肌力康复等级和选定的虚拟场景类型，映射出对应的虚拟场景信息，虚拟场景信息中包括依据肌力康复等级而预设的难度系数；随后，上位机将虚拟场景信息发送至下位机。
6.根据权利要求5所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：步骤S4中，下位机接受虚拟场景信息，依据用户所在的肌力康复等级，计算出人机交互手柄在虚拟场景中不同位置时应产生的物理交互力大小，控制人机交互手柄的电机在对应位置处动作；同时，下位机实时获取人机交互手柄的位置信息，并将位置信息上传至上位机中，上位机通过显示屏展示人机交互手柄所在点与虚拟场景目标点，用户移动人机交互手柄，完成适配的力学场景模拟过程，执行康复训练。
7.根据权利要求6所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：人机交互手柄在虚拟场景中不同位置时应产生的物理交互力大小由人机交互手柄的电机输出力矩Fx提供，电机输出力矩Fx作用于下位机确定的数个控制周期中，各个连续的控制周期间具有特定控制间隔；电机输出力矩Fx通过如下公式计算：
8.根据权利要求7所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：虚拟场景中人机交互手柄对象的惯性系数M和移动阻尼系数B由虚拟场景信息中预设的难度系数决定；当难度系数随着肌力康复等级的提高而上升时，对应的惯性系数M减小、移动阻尼系数B增大，从而改变电机输出力矩Fx的计算结果，实现对人机交互手柄的动作控制。
9.根据权利要求7所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：步骤S5中，当显示屏展示的人机交互手柄对象移动过程中触碰到限位件时，依据限位件的所在方向，上位机向下位机发送限位指令；下位机接收到限位指令后，控制人机交互手柄做出限位反馈动作，通过改变对应限位方向的电机输出力矩Fx大小，使人机交互手柄的移动受到限制而停止。
10.根据权利要求7所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：步骤S5中，当显示屏展示的人机交互手柄对象移动过程中触碰到软碰撞点位时，在预设数量的控制周期内，下位机将电机输出力矩Fx计算公式中的惯性系数M和移动阻尼系数B均置为预设的软碰撞系数值；此时计算出的电机输出力矩Fx使人机交互手柄在对应的数个控制周期内产生具有震动效果的物理交互力，从而做出软碰撞反馈动作。
...【技术特征摘要】
1.一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其中上肢康复机器人包括具有显示屏的上位机和以人机交互手柄作为执行器的下位机，其特征在于：步骤s1中，上位机的显示屏展示出预设的运动曲线，用户依照运动曲线，在下位机的人机交互手柄辅助下，完成上肢运动测量过程；所述运动曲线由一系列具有特定位置的增益点连接构成。
3.根据权利要求2所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于，上肢运动测量过程具体为：上位机将运动曲线的增益点参数发送至下位机，下位机依据增益点参数，确定人机交互手柄的动作指令，动作指令包括最大移动速度和不同增益点处的反馈力大小；随后，用户操作人机交互手柄，使人机交互手柄在下位机和用户共同施力的情况下沿着运动曲线的路径移动；移动过程中，下位机持续记录人机交互手柄到达的增益点数量、移动速度和用户施力大小，并在移动结束后将所有记录数据上传至上位机中，完成上肢运动测量过程。
4.根据权利要求3所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：步骤s2中，将移动过程中人机交互手柄到达的增益点数量记为n，并计算出人机交互手柄的移动速度平均值v和用户施力平均值f，随后依照如下公式计算出用户肌力值d：
5.根据权利要求2所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：步骤s3中，用户选定虚拟场景类型，上位机随后依据用户所在的肌力康复等级和选定的虚拟场景类型，映射出对应的虚拟场景信息，虚拟场景信息中包括依据肌力康复等级而预设的难度系数；随后，上位机将虚拟场景信息发送至下位机。
6.根据权利要求5所述的一种优化上肢康复机器人交互效果的执行器控制方法，其特征在于：步骤s4中，下位机接受虚拟场景信息，依据用户所在的肌力康复等级，计算出人机交互手柄在虚...
【专利技术属性】
技术研发人员：张泰略，
申请(专利权)人：华西精创医疗科技成都有限公司，
类型：发明
国别省市：
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