CN104317196B - 一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,包括:通过上肢外骨骼中的肌电仪采集人体肌电信号,对肌电信号进行滤波预处理;将经过预处理的肌电信号作为输入信号通过EMG‑角度线性模型进行处理并获得关节期望角度值;对单位时间段内的肌电信号提取特征值后通过AdaBoostSVM算法得到关节期望运动方向;把得到的关节期望角度值和关节期望运动方向与实际关节状态经过模糊控制算法处理,得到控制信号,驱动上肢外骨骼进行运动到达期望的位置;将上肢外骨骼在运动中的实际位置在3D虚拟环境中同步显示。本发明使操作者通过穿戴外骨骼获取康复训练的乐趣,也可通过虚拟现实环境观察自己的动作达到上肢康复训练的目的。

Description

一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及本发明属于康复医疗器械领域,尤其涉及一种基于虚拟现实的上肢康 复训练机器人控制方法。
背景技术
[0002] 康复医学是20世纪中期出现的新兴学科,其目的在于通过物理疗法,运动疗法,生 活训练,技能训练,言语训练和心理咨询等多种手段减轻和消除患者的功能障碍,使身体残 留部分的功能得到最充分的发挥,弥补和重建患者的功能缺失,达到最大可能的生活自理, 劳动和工作的能力。据统计,目前我国由于中风、脊髓损伤以及各种事故引起的肢体功能障 碍患者有877万人,而其中半数以上可以通过训练改善肢体功能。传统的康复训练是首先是 从专业医生手把手的指导下开始,而后由病人的健康上肢或其家属、护士人工对病人患肢 进行反复牵引。随着科学技术的发展,医疗机器人技术得到快速发展。尽管目前已经有多种 康复机器人,但在许多方面还达不到临床应用的要求,需要深入、系统的研究和探索。因此, 对机器人进行改良,研制其它临床康复方法的康复机器人是非常有必要的。经过对于现有 的技术文献检索发现。
[0003] 中国发明专利公开号:CN102258849A,名称:上肢偏瘫康复机器人。仅能通过机械 辅助病人被动康复,患者无法直观形象的感知自己的手臂状态、方式是否正常,且缺乏训练 乐趣,长期的不正常的枯燥训练可能导致患者习惯自身的错误,导致后期康复更加复杂。
[0004] 中国发明专利公开号:CN101829003A,名称:外骨骼式上肢康复机器人。患者仅能 通过穿戴外骨骼,进行常规的上肢康复,患者无法形象直观的感知自己的上肢状态、方式是 否正常。对于康复周期较长的患者,重复的枯燥训练缺乏乐趣,也更容易变得浮躁,逐渐习 惯自身错误,导致后期康复效果不佳甚至更难以纠正。
发明内容
[0005] 针对上述技术问题,本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。本发明针 对现有技术存在的上述不足,提供一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,来 帮助患者逐渐恢复上肢运动能力,患者可通过穿戴上肢的外骨骼进行上肢运动功能康复, 并且利用提供的虚拟现实的交互环境,从虚拟环境反馈中感知、调整、纠正不正常运动状 态,患者也可通过自主运动,完成虚拟现实中的相关任务,从中获得训练乐趣,增加患者主 动康复的积极性,逐渐让患者拥有自主上肢运动的能力。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007] —种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,包括步骤:
[0008] 步骤一、通过上肢外骨骼中的肌电仪采集人体肌电信号,对肌电信号进行滤波预 处理;
[0009] 步骤二、将经过预处理的肌电信号作为输入信号通过EMG-角度线性模型进行处理 并获得关节期望角度值;
[0010] 步骤三、对单位时间段内的预处理肌电信号提取特征值后通过AdaBoostSVM算法 进行分类判断得到关节期望运动方向;
[0011] 步骤四、把得到的关节期望角度值和关节期望运动方向与实际关节状态经过模糊 控制算法处理,得到控制信号,驱动上肢外骨骼进行运动,从而使上肢外骨骼到达期望的位 置;
[0012] 步骤五、将上肢外骨骼在运动中的实际位置在3D虚拟现实交互环境中同步显示。
[0013] 进一步地,所述步骤2具体包括:
[0014] 步骤21、通过公式
Figure CN104317196BD00051
[0016] 对单位时间内经过预处理的肌电信号求积分均值,得到AIEMG1 (m),其中,m为采样 占.
[0017] 步骤22、通过公式
Figure CN104317196BD00052
[0019] 对AIEMGi (m)求均值得到伙;》),其中,L为关节电极个数;
[0020] 步骤23、假定肌电信号与关节角度成线性关系,根据公式
Figure CN104317196BD00053
[0022]求得预测关节角度值,其中,^iax为上肢i关节屈伸角度的最大值,C1和fT'分别 为的最小值和最大值。
[0023] 进一步地,所述步骤3具体包括:
[0024] 步骤31、对单位时间段内的预处理肌电信号提取特征绝对平均值MAV、过零点数 ZC、斜率变化数SSC和波形长度WL;
[0025] 步骤32、然后通过AdaBoostSVM算法进行分类判断得到关节期望运动方向。
[0026] 进一步地,所述步骤4具体包括:
[0027] 步骤41、根据所得到的关节期望角度值和期望方向得出准确的关节期望位置;
[0028] 步骤42、将关节期望位置与实际关节状态经过模糊控制算法处理,计算对电机的 控制输入,得到控制信号,控制伺服电机按要求克服变阻抗进行运动,实现上肢外骨骼辅助 患者进行运动。驱动上肢外骨骼进行运动,其中,所述模糊控制算法采用六个隶属度函数方 程:
Figure CN104317196BD00054
Figure CN104317196BD00061
[0038] 将求得的UD (x I Θ)作为控制器输出,把控制器输出作为力矩指令发送到指定的关 节,控制相应电机运动,达到期望位置。
[0039] 进一步地,步骤5中所述的3D虚拟现实交互环境是软件部分,它提供一个3D的虚拟 环境,包括一些简单的游戏及游览功能,环境中操作者被虚拟为游戏的主人公,操作者可通 过穿戴外骨骼完成动作对虚拟现实中的人物进行操作,去通过完成设定的任务,获取康复 训练的乐趣,也可通过虚拟现实环境,观察自己的动作,感知、调整、纠正不正常运动状态。
[0040] 本发明通过采集并处理操作者的肌电信号获取操作者的期望位置状态,继而发出 控制信号,驱动上肢外骨骼进行运动,从而使上肢外骨骼到达期望的位置,同时还将上肢外 骨骼在运动中的实际位置在3D虚拟现实交互环境中同步显示的方式获取康复训练的乐趣, 也可通过虚拟现实环境,观察自己的动作,感知、调整、纠正不正常运动状态。
附图说明
[0041] 图1是虚拟行走步态康复仪的结构示意图。
[0042] 图2是康复仪平台的结构示意图。
[0043] 图3是3D虚拟现实平台的结构示意图。
[0044] 图4是可穿戴上肢外骨骼的结构示意图。
[0045] 图5是肩侧关节外骨骼的结构示意图。
[0046] 图6是上臂外骨骼杆件的结构示意图。
[0047] 图7是肘展关节外骨骼的结构示意图。
[0048] 图8是前臂外骨骼杆件的结构示意图。
[0049] 图9是腕部关节外骨骼的结构示意图。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述,实施例不 能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
[0051] 如图1所示,本实施例所提供的一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方 法应用于如图1所示的虚拟行走步态康复仪,所述的虚拟行走步态康复仪包括:康复仪平台 1,可穿戴上肢外骨骼2,3D虚拟现实平台3。其中康复仪平台1安放于地面,提供了一个支撑 可穿戴外骨骼和3D显示器的平台;可穿戴上肢外骨骼2穿戴于患者上肢,帮助患者完成上肢 动作,进行上肢康复训练;3D虚拟现实平台3放置于康复仪平台1前面,为患者提供三维的虚 拟现实环境。
[0052] 如图2所示,所述康复仪平台1包括:康复仪底座4,可移动滚轮5,座椅6,靠背7,外 骨骼接口 8。其中,康复仪底座3安放于地面;可移动滚轮5安装于康复仪底座4下,便于平台 的移动;座椅6和靠背7为患者提供了一个舒适放松的操作环境;外骨骼接口 8设置在康复仪 平台1的两侧,分别用来与可穿戴外骨骼连接,并可根据患者需要上下移动,寻找最舒适的 位置,使患者可以进行上肢康复训练。
[0053] 如图3所示,所述3D虚拟现实平台3包括:具有3D显示器的便携计算机9,桌子10。其 中,便携计算机9放置于桌子10,通过3D显示器为患者提供虚拟现实的交互环境。
[0054] 如图4所示,所述可穿戴上肢外骨骼2包括:肩侧关节外骨骼11,肩展关节外骨骼 12,肘展关节外骨骼13,肘转关节外骨骼14,腕关节外骨骼15,前臂外骨骼杆件16,肘部连接 杆件17,外骨骼外接杆件18。肩侧关节外骨骼11与肩展关节外骨骼12相连,提供患者肩关节 侧展与抬臂运动能力;肘部连接外杆件17与肘部关节外骨骼13相连,穿戴于患者上臂,提供 肘关节屈伸运动能力;肘转关节外骨骼14与前臂外骨骼杆件16相连,提供肘部旋转运动能 力,带动前臂旋转;腕部关节外骨骼15与前臂外骨骼杆件16相连,提供腕部关节屈伸运动能 力,穿戴于手部;外骨骼外接杆件18与肩侧关节外骨骼11相连,用来与康复仪平台1相接,起 固定支撑作用。
[0055] 如图5所示,所述肩侧关节外骨骼11包括:外骨骼外接杆件18,肩关节侧展电机19, 肩关节杆件20。其中,外骨骼外接杆件18与肩关节侧展电机19相连;肩侧关节侧展电机19使 用谐波减速器,输出为两个法兰,驱动肩关节侧展自由度。其外法兰与肩关节杆件20相连。 所述肩展关节外骨骼12包括:肩关节屈伸电机21,上臂外骨骼杆件22。其中,肩关节屈伸电 机21与肩关节杆件20相连,使用谐波减速器,输出为两个法兰,驱动肩展关节屈伸自由度, 其外法兰与上臂外骨骼杆件22相连。
[0056] 如图6所示,所述上臂外骨骼杆件17包括:上臂外骨骼杆件22相连,肘展关节杆件 23。其中上臂外骨骼杆件22与肘展关节杆件23相连,可以固定患者上臂,并可无级调节长 度。
[0057] 如图7所示,所述肘展关节外骨骼13包括:肘展关节杆件23,肘展关节套件24,肘展 关节屈伸电机25,肘部关节杆件26。其中肘展关节杆件23与肘展关节屈伸电机25相连;其 中,肘展关节屈伸电机25使用谐波减速器,输出为两个法兰,驱动肘展屈伸自由度,其外法 兰与肘部关节杆件26相连,内法兰与肘展关节杆件23相连。所述肘转关节外骨骼14包括:肘 转关节屈伸电机27,肘转关节杆件28,肘转关节套件。其中肘转关节屈伸电机27使用谐波减 速器,驱动周转屈伸自由度。
[0058] 如图8所示,所述前臂外骨骼杆件16包括:肘转关节杆件28,前臂连接杆件29,腕部 关节杆件30。肘转关节杆件28与前臂连接杆件29相连,前臂连接杆件29与腕部关节杆件30 相连,可以无级调节长度,用来固定患者前臂。
[0059] 如图9所示,所述腕部关节外骨骼15包括:腕部关节杆件30,手部支撑杆件31,手部 支撑杆件31用来固定患者手部。
[0060] 本实施例的一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,包括步
[0061] 骤:
[0062] 步骤一、通过上肢外骨骼中的肌电仪采集人体肌电信号,对肌电信号进行滤波预 处理;
[0063] 步骤二、将经过预处理的肌电信号作为输入信号通过EMG-角度线性模型进行处理 并获得关节期望角度值;
[0064] 步骤三、对单位时间段内的预处理肌电信号提取特征值后通过AdaBoostSVM算法 进行分类判断得到关节期望运动方向;
[0065] 步骤四、把得到的关节期望角度值和关节期望运动方向与实际关节状态经过模糊 控制算法处理,得到控制信号,驱动上肢外骨骼进行运动,从而使上肢外骨骼到达期望的位 置;
[0066] 步骤五、将上肢外骨骼在运动中的实际位置在3D虚拟现实交互环境中同步显示。 [0067] 进一步地,所述步骤2具体包括:
[0068] 步骤21、通过公式
Figure CN104317196BD00081
[0070] 对单位时间内经过预处理的肌电信号求积分均值,得到AIEMG1 (m),其中,m为采样 占.
[0071] 步骤22、通过公式
Figure CN104317196BD00082
[0073] 对AIEMGi (m)求均值得到?心〃),其中,L为关节电极个数;
[0074] 步骤23、假定肌电信号与关节角度成线性关系,根据公式
Figure CN104317196BD00083
[0076] 求得预测关节角度值,其中,f &为上肢i关节屈伸角度的最大值,C1和《ΓΧ分别 为汍〃 Ο的最小值和最大值。
[0077] 进一步地,所述步骤3具体包括:
[0078] 步骤31、对单位时间段内的预处理肌电信号提取特征绝对平均值MAV、过零点数 ZC、斜率变化数SSC和波形长度WL;
[0079] 步骤32、然后通过AdaBoostSVM算法进行分类判断得到关节期望运动方向。
[0080] 进一步地,所述步骤4具体包括:
[0081] 步骤41、根据所得到的关节期望角度值和期望方向得出准确的关节期望位置;
[0082] 步骤42、将关节期望位置与实际关节状态经过模糊控制算法处理,计算对电机的 控制输入,得到控制信号,控制伺服电机按要求克服变阻抗进行运动,实现上肢外骨骼辅助 患者进行运动。驱动上肢外骨骼进行运动,其中,所述模糊控制算法采用六个隶属度函数方 程:
Figure CN104317196BD00091
[0092] 将求得的UD (x I Θ)作为控制器输出,把控制器输出作为力矩指令发送到指定的关 节,控制相应电机运动,达到期望位置。
[0093] 进一步地,步骤5中所述的3D虚拟现实交互环境是软件部分,它提供一个3D的虚拟 环境,包括一些简单的游戏及游览功能,环境中操作者被虚拟为游戏的主人公,操作者可通 过穿戴外骨骼完成动作对虚拟现实中的人物进行操作,去通过完成设定的任务,获取康复 训练的乐趣,也可通过虚拟现实环境,观察自己的动作,感知、调整、纠正不正常运动状态。
[0094] 本发明通过采集并处理操作者的肌电信号获取操作者的期望位置状态,继而发出 控制信号,驱动上肢外骨骼进行运动,从而使上肢外骨骼到达期望的位置,同时还将上肢外 骨骼在运动中的实际位置在3D虚拟现实交互环境中同步显示的方式获取康复训练的乐趣, 也可通过虚拟现实环境,观察自己的动作,感知、调整、纠正不正常运动状态。
[0095] 本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明 的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出 其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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,均应包含在本发明权利要求的保护 范围之内。

Claims (4)

1. 一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,其特征在于,包括步骤: 步骤一、通过上肢外骨骼中的肌电仪采集人体肌电信号,对肌电信号进行滤波预处理; 步骤二、将经过预处理的肌电信号作为输入信号通过EMG-角度线性模型进行处理并获 得关节期望角度值; 步骤三、对单位时间段内的预处理肌电信号提取特征值后通过AdaBoostSVM算法进行 分类判断得到关节期望运动方向; 步骤四、把得到的关节期望角度值和关节期望运动方向与实际关节状态经过模糊控制 算法处理,得到控制信号,驱动上肢外骨骼进行运动,从而使上肢外骨骼到达期望的位置; 步骤五、将上肢外骨骼在运动中的实际位置在3D虚拟现实交互环境中同步显示; 所述步骤二具体包括: 步骤21、通过公式
Figure CN104317196BC00021
对单位时间内经过预处理的肌电信号求积分均值,得到AIEMGKm),其中,m为采样点; 步骤22、通过公式
Figure CN104317196BC00022
对AIEMGi (m)求均值得到<9(«),其中,L为关节电极个数; 步骤23、假定肌电信号与关节角度成线性关系,根据公式
Figure CN104317196BC00023
求得预测关节角度值,其中,为上肢i关节屈伸角度的最大值,^111和TX分别为 的最小值和最大值。
2. 根据权利要求1所述的基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,其特征在于, 所述步骤三具体包括: 步骤31、对单位时间段内的预处理肌电信号提取特征绝对平均值MAV、过零点数ZC、斜 率变化数SSC和波形长度WL; 步骤32、然后通过AdaBoostSVM算法进行分类判断得到关节期望运动方向。
3. 根据权利要求1所述的基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,其特征在于, 所述步骤四具体包括: 步骤41、根据所得到的关节期望角度值和期望方向得出准确的关节期望位置; 步骤42、将关节期望位置与实际关节状态经过模糊控制算法处理,计算对电机的控制 输入,得到控制信号,控制伺服电机按要求克服变阻抗进行运动,实现上肢外骨骼辅助患者 进行运动,驱动上肢外骨骼进行运动,其中,所述模糊控制算法采用六个隶属度函数方程:
Figure CN104317196BC00024
Figure CN104317196BC00025
,采用模糊推理 机为:
Figure CN104317196BC00031
采用的自适应律为:
Figure CN104317196BC00032
其中:Y为正常数,
Figure CN104317196BC00033
采用的模糊控制器输出为:
Figure CN104317196BC00034
将求得的UD (X I 0)作为控制器输出,把控制器输出作为力矩指令发送到指定的关节,控 制相应电机运动,达到期望位置。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的上肢康复训练机器人控制方法,其特征在于, 步骤五中所述的3D虚拟现实交互环境是软件部分,它提供一个3D的虚拟环境,包括一些简 单的游戏及游览功能,环境中操作者被虚拟为游戏的主人公,操作者可通过穿戴外骨骼完 成动作对虚拟现实中的人物进行操作,去通过完成设定的任务,获取康复训练的乐趣,也可 通过虚拟现实环境,观察自己的动作,感知、调整、纠正不正常运动状态。
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