CN106618958A - 一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，包括：Kinect传感器、主控计算机、一个3自由度的外骨骼穿戴式机械手臂和机械手臂的体感控制系统。Kinect传感器负责采集与处理人体健侧上肢的关节角度信息，外骨骼穿戴式机械手臂包括肘部屈/伸结构、肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构。本发明具有体感直接控制的特性，且无需穿戴信号采集装置，操作方便，患者可以通过自身健肢的运动带动患肢在机器人的辅助下进行一种新型的双侧镜像同步康复训练，也可以通过理疗师与患者患肢同侧的肢体运动进行主从式的康复训练。
Description
技术领域：
本发明涉及一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器。
背景技术：
脑卒中已经成为危害人类身体健康的主要病因之一，且呈现年轻化趋势。随之而来的高致残率导致大部分卒中后患者肢体运动能力受损，严重影响患者生活质量。这类偏瘫患者需要尽早实施密集的高强度运动治疗以达到最佳康复效果。目前，针对中风患者的运动康复治疗，仍然以康复医师的手法为主同时辅以一些简单的器械训练，这种治疗方法的效果很大程度上取决于医疗人员个体，康复动作重复、单调、枯燥很难调动患者的积极性，容易导致患者处于被动接受治疗的状态。近年来随着机器人技术和人机一体化系统理论的发展，外骨骼机器人在卒中后患者运动康复领域得到了快速的发展。
上肢外骨骼机器人是一种可穿戴的拟人肢体机构，其机械结构是依据人体运动设计，可有效确立人体关节位置和保证适应人体的运动范围，另外外骨骼机器人和患者之间还可以直接进行力和其它信息的传递(如运动角度和速度等)，非常适合运动功能障碍患者的康复训练。作为一种自动化的康复医疗设备，有着广阔的市场应用前景。但其不足是大多执行的单关节康复训练，多关节组合动作的训练不容易满足协调性，不易符合人体运动习惯，也不能灵活地根据患者康复程度随时调整训练方案，患者的训练是在固定程序的控制下被动的进行。
发明内容：
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种操作方便、提高治疗效果的体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，包括Kinect传感器、主控计算机、一个3自由度的外骨骼穿戴式机械手臂和机械手臂的体感控制系统，所述的Kinect传感器负责采集与处理人体健侧上肢的关节角度信息，并与主控计算机相连，所述的一个3自由度的外骨骼穿戴式机械手臂包括肘部屈/伸结构、肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构。
本发明的进一步改进在于：所述的Kinect采集与处理人体健侧上肢的关节角度的方法与步骤为：
A、通过Kinect传感器捕捉人体6个关节的三维坐标，分别是肩部中心、髋部中心、健侧肢体肩关节、肘关节、腕关节，患侧肢体肩关节；
B、建立人体坐标系，根据获取的6个关节点数据，构建空间向量，计算关节角度；关节角度包括肘关节屈/伸角度α，肩关节外展/内收角度β，肩关节前屈/后伸角度γ；其中，肩关节外展/内收角度β定义为上臂向人体冠状面的投影与脊柱线的夹角，肩关节前屈/后伸角度γ定义为上臂与人体冠状面的夹角；
C、对计算得到的关节角度数据采用卡尔曼滤波算法平滑，根据Kinect的刷新频率，将状态改变矩阵中的数据刷新时间取卡尔曼滤波提前推测可以作为数据缓冲和系统传输耗时的补偿，提高了系统的实时性；
D、对平滑后的关节角度数据进行限速和限幅处理，如果t时刻的角位置Xt与前一时刻角位置Xt-1之间的速度大于安全速度ωset，强制把当前时刻的角位置替换为Xt＇，以保证最大速度不超过设定的安全速度ωset，当运动角度大小超过设定范围的上限或下限时，则将该角度强制赋值为上限或下限。
本发明的进一步改进在于：肘部屈/伸结构包括前臂连接环，前臂调节杆，压块，前臂支架，菱形座轴承，锥齿轮，减速器安装支座，行星减速器，伺服电机，前臂调节杆通过压块与前臂支架连接，前臂连接环置于前臂调节杆的顶端，前臂调节杆和前臂支架之间可以相对滑动，通过一对锥齿轮使伺服电机和行星减速器的轴线平行于上臂。
本发明的进一步改进在于：肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构包括上臂支架、上臂长度调节杆、轴承座、前屈/后伸轴、轴承、安装板、前屈/后伸减速电机、肩部连杆、外展/内收轴、轴承、轴承座、固定板、外展/内收减速电机，前屈/后伸轴通过轴承安装于轴承座中，轴承座通过螺栓固定在肩部连杆上，前屈/后伸减速电机利用安装板与轴承座固定，前屈/后伸减速电机输出轴套合在前屈/后伸轴中间的孔中，并通过键链接传递扭矩，前屈/后伸轴穿过肩部连杆，与上臂长度调节杆末端相固定，将旋转运动转化为上臂的前屈/后伸运动，上臂长度调节杆通过螺钉压紧固定在上臂支架的凹槽里；肩部连杆通过螺钉固定在外展/内收轴上，外展/内收轴配合轴承安装在轴承座中，轴承座通过螺栓固定在固定板上，外展/内收减速电机同样固定在固定板上，外展/内收减速电机输出轴套合在外展/内收轴中间的孔中，并通过键连接传递扭矩，驱动肩部连杆进行外展/内收运动。
本发明的进一步改进在于：所述的机械手臂的体感控制系统包括上位机、下位机、伺服驱动器、伺服电机、网络交换机以及供电部分，上位机通过有线或无线网络连接到网络交换机，通过Ip地址连接网络中的运动控制器进行数据传输与交换，运动控制的控制信号再经由伺服驱动器驱动伺服电机，带动外骨骼机械手臂完成相应的康复动作。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明采用体感控制方式，区别于传统外骨骼康复机器人的控制模式，能够实现多关节实时联动控制，便于复杂动作的训练，便于实时调整康复训练方案。使用者能够用自身健侧的肢体直接控制机器人运动，带动患肢进行一种新型的健肢-患肢双侧协调同步镜像康复训练，更有助于促进大脑神经元的修复，提高镜像疗法对整个患侧肢体的治疗效果。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为关节点获取与角度计算示意图；
图3为肘部屈/伸结构的结构示意图；
图4为肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构的结构示意图；
图中：1：Kinect传感器；2：主控计算机；3：交换机；4：运动控制器；5：穿戴式机械手臂；1-1:前臂连接环；1-2:前臂调节杆；1-3:压块；1-4:前臂支架；1-5:菱形座轴承；1-6:锥齿轮；1-7:减速器安装支座；1-8:行星减速器；1-9:伺服电机；2-1:上臂支架；2-2:上臂长度调节杆；2-3：第一轴承座；2-4：前屈/后伸轴；2-5：第一轴承；2-6：安装板；2-7：前屈/后伸减速电机；2-8：肩部连杆；2-9：外展/内收轴；2-10：第二轴承；2-11：第二轴承座；2-12：固定板；2-13：外展/内收减速电机。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1示出了本发明体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人的一种实施方式，包括：Kinect传感器1、主控计算机2、一个3自由度的外骨骼穿戴式机械手臂5和机械手臂的体感控制系统4。Kinect传感器负责采集人体肩部中心、髋部中心、健侧肢体肩关节、肘关节、腕关节，患侧肢体肩关节6个关节的三维坐标，获取人体健侧上肢的关节角度信息。穿戴式机械手臂包括肘部屈/伸结构、肩部外展/内收和肩部前屈/后伸结构，并安装有伺服电机、行星减速器，锥齿轮，前臂和上臂长度调节机构。机械手臂的体感控制系统包括网络交换机、运动控制器和伺服驱动器，它将采集到的健侧上肢的关节角度数据实时传递给康复机器人的控制器，控制伺服电机驱动外骨骼穿戴式机械手臂，使患者的患侧上肢与健侧上肢进行相同的动作。通过健侧上肢的动作来使机械手臂做相同的动作，区别于传统的康复机器人控制方法，具有体感直接控制的特性。
1、Kinect采集与处理人体健侧上肢的关节角度的方法与步骤为：
(1)通过Kinect传感器捕捉人体6个关节的三维坐标，分别为肩部中心SC、髋部中心HC、健侧肢体肩关节Sj、肘关节E、腕关节W，患侧肢体肩关节Sh；
(2)建立人体坐标系，根据获取的6个关节点数据，构建空间向量，计算关节角度。关节角度包括肘关节屈/伸角度α，肩关节外展/内收角度β，肩关节前屈/后伸角度γ。其中，肩关节外展/内收角度β定义为上臂向人体冠状面的投影与脊柱线的夹角，肩关节前屈/后伸角度γ定义为上臂与人体冠状面的夹角；
(3)对计算得到的关节角度数据采用卡尔曼滤波算法平滑，根据Kinect的刷新频率，将状态改变矩阵中的数据刷新时间取卡尔曼滤波提前推测可以作为数据缓冲和系统传输耗时的补偿，提高了系统的实时性；
(4)对平滑后的关节角度数据进行限速和限幅处理，如果t时刻的角位置Xt与前一时刻角位置Xt-1之间的速度大于安全速度ωset，强制把当前时刻的角位置替换为Xt＇，以保证最大速度不超过设定的安全速度ωset，当运动角度大小超过设定范围的上限或下限时，则将该角度强制赋值为上限或下限。
关节角度计算示意图如图2所示，其中平面n为人体的冠状面(将人体分为前后两部分的平面)，平面m＇平行于人体矢状面(将人体分为左右两部分的平面)，平面h同时垂直于冠状面n和平面m＇。
①肘关节屈/伸角度计算：
过肘关节点和腕关节点构建向量过肩关节点和肘关节点构建向量
肘关节屈/伸角度：
②肩关节外展/内收角度、肩关节前屈/后伸角度计算：
过冠状面n内的髋部中心点HC和肩关节点Sj、Sh，构建向量和计算冠状面n的法向量
计算在上的投影
计算在平面n中的投影向量
通过髋部中心点HC和肩关节中间点SC，构建向量
则肩关节外展/内收角度：
肩关节前屈/后伸角度：
本发明的关节角度计算方法不是基于Kinect坐标平面，而是基于人体坐标系，使得用户不需要严格的正面对于Kinect传感器，方便了Kinect安放在视野较好的位置，从而避免因关节相互遮挡而引发数据不稳定的现象。
2、外骨骼穿戴式机械手臂包括肘部屈/伸结构、肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构。
肘部结构包括前臂连接环1-1，前臂调节杆1-2，压块1-3，前臂支架1-4，菱形座轴承1-5，锥齿轮1-6，减速器安装支座1-7，行星减速器1-8，伺服电机1-9。通过一对锥齿轮1-6，使驱动电机1-9和行星减速器1-8的轴线平行于上臂，减少了空间占用。同时，这样的安装方式，也减小了因肘部电机和减速器自重产生的力矩。从动锥齿轮1-6回转轴线与人体肘部屈/伸轴线共线，这样的设计确保了人体肘部转动角度同从动锥齿轮转动角度一致，避免了体感控制时的角度转化问题。前臂调节杆1-2和前臂支架1-4之间可以相对滑动，实现对前臂长度的调节，增加使用舒适度，图3为肘部结构示意图。
图4为肩部结构示意图。前屈/后伸轴2-4通过第一轴承2-5安装于轴承座2-3中，第一轴承座2-3通过螺栓固定在肩部连杆2-8上。前屈/后伸减速电机2-7利用安装板2-6与轴承座2-3固定，减速电机2-7输出轴套合在前屈/后伸轴2-4中间的孔中，并通过键链接传递扭矩。前屈/后伸轴2-4穿过肩部连杆2-8，与上臂长度调节杆2-2末端相固定，将旋转运动转化为上臂的前屈/后伸运动。上臂长度调节杆2-2在上臂支架2-1的凹槽里滑动到要求位置后，通过螺钉压紧固定，实现上臂长度调节。
肩部连杆2-8通过螺钉固定在肩部外展/内收轴2-9上，外展/内收轴2-9配合第二轴承2-10安装在第二轴承座2-11中，轴承座通过螺栓固定在固定板2-12上，外展/内收减速电机2-13同样固定在固定板2-12上，减速电机2-13输出轴套合在外展/内收轴2-9中间的孔中，并通过键连接传递扭矩，驱动肩部连杆2-8进行外展/内收运动。整个肩部结构通过固定板2-12，安装在机架上，患者不必承受任何部件的重量。采用内孔轴直接与减速器输出轴相连的设计，使得肩部结构更加紧凑、简洁。
3、机械手臂的体感控制系统
机械手臂的体感控制系统包括上位机(PC机)、下位机(运动控制器)、伺服驱动器、伺服电机、网络交换机以及供电部分。上位机通过有线或无线网络连接到网络交换机，通过Ip地址连接网络中的运动控制器进行数据传输与交换，运动控制的控制信号再经由伺服驱动器驱动伺服电机，带动外骨骼机械手臂完成相应的康复动作。
控制系统通过Kinect采集健侧上肢的运动数据，由上位机对健侧上肢的关节角度数据进行处理，生成相应的脉冲频率和脉冲当量，并采用绝对运动模式对伺服电机进行控制，可以避免转换角度“增量”的过程，同时也避免了“增量”转化为脉冲当量产生的累积误差。上肢外骨骼康复机器人的姿态可以根据健侧上肢体的运动实时更新，进行随动控制。本发明使用动态修改的方式更新当前时间段内的电机运动速度vi，实现电机位置实时更新，并减少电机加减速过程，vi根据电机当前编码器位置与当前人体上肢角度差值决定，即：
式中，θti是指当前体感获取的上肢角度，θbi是指当前电机编码器的位置，Δt是指运动控制命令刷新周期。
4、工作模式和工作流程如下：
上肢外骨骼镜像康复机器人的工作模式有：镜像康复训练模式、主从康复训练模式和手动输入操作三种模式。默认工作状态为右臂穿戴，系统开始工作时，选择患肢为左臂还是右臂，选择右臂时机械臂保持默认位置，选择左臂时外骨骼穿戴式机械手臂通过电机带动外展/内收轴旋转180°，将机械臂调整为左臂穿戴状态。接着就是选择训练模式，选择镜像模式时，Kinect捕捉患者健康肢体的动作，计算机屏幕显示患者健康肢体的镜像场景，对患者进行视觉刺激，同时外骨骼机械臂带动患肢完成相应的镜像动作；选择主从模式时，Kinect捕捉理疗师与患者患肢同侧的上肢动作，计算机屏幕显示患者康复训练的监控画面，方便理疗师进行判断和观察，同时外骨骼机械臂带动患者患肢完成相应的从动动作；当需要进行精确的角度与速度控制时，便可以通过手动输入的操作模式。
“体感控制”又分为两种方式：被动训练与半主动训练方式。被动训练是指上肢外骨骼康复机器人在健康手臂的动作“指引”下进行运动，从而带动患者患肢进行康复运动，这里的“健康手臂”可以是指理疗师的，也可以指偏瘫患者健康一侧的上肢。正常情况下，理疗师选择使用与患者患肢同一侧的肢体进行康复训练指导，即“同步控制”；患者运用健肢对患肢进行康复训练指导，形成“镜像控制”。对于有一定自主动作意识的患者，可以运用“半主动”训练模式进行康复训练。该模式通过Kinect捕捉理疗师的手掌位置，通过逆运动学求解上肢外骨骼康复机器人末端运动到理疗师手掌位置时各关节所需转动的角度，驱动伺服电机使上肢外骨骼康复机器人带动患者患肢运动，完成患者手掌与理疗师手掌“触碰”的动作。“半主动”训练模式充分考虑了患者的主观意识，有利于病情较轻的患者较快提高运动能力，促进脑部神经重构。
上肢外骨骼镜像康复机器人的工作流程：选择工作模式，根据工作模式获取所需的骨架点，计算患者健侧上肢或理疗师同侧上肢体的肩、肘关节角度，对关节角度进行卡尔曼滤波处理、限速和限幅处理，根据光电编码器分辨率将角度数据转化为脉冲数，根据时间间隔计算脉冲频率，发送给控制器，驱动伺服电机，使患者患肢完成与患者健侧上肢或理疗师同侧上肢体相同的康复训练动作。
本发明以Kinect体感传感器为基础，设计一种新型的体感控制的上肢镜像康复机器人，康复机器人采用外骨骼穿戴式机械手臂，穿戴在患者患肢，中风患者可以通过健侧肢体的自然动作直接控制机器人的运动，带动患肢在机器人的辅助下进行一种新型的双侧镜像同步康复训练，也可以通过理疗师与患者患肢同侧的肢体运动进行主从式的康复训练。
最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
Claims (5)
1.一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，其特征在于：包括Kinect传感器、主控计算机、一个3自由度的外骨骼穿戴式机械手臂和机械手臂的体感控制系统，所述的Kinect传感器负责采集与处理人体健侧上肢的关节角度信息，并与主控计算机相连，所述的一个3自由度的外骨骼穿戴式机械手臂包括肘部屈/伸结构、肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构。
2.根据权利要求1所述的一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，其特征在于：所述的Kinect采集与处理人体健侧上肢的关节角度的方法与步骤为：
A、通过Kinect传感器捕捉人体6个关节的三维坐标，分别是肩部中心、髋部中心、健侧肢体肩关节、肘关节、腕关节，患侧肢体肩关节；
B、建立人体坐标系，根据获取的6个关节点数据，构建空间向量，计算关节角度；关节角度包括肘关节屈/伸角度α，肩关节外展/内收角度β，肩关节前屈/后伸角度γ；其中，肩关节外展/内收角度β定义为上臂向人体冠状面的投影与脊柱线的夹角，肩关节前屈/后伸角度γ定义为上臂与人体冠状面的夹角；
C、对计算得到的关节角度数据采用卡尔曼滤波算法平滑，根据Kinect的刷新频率，将状态改变矩阵中的数据刷新时间取卡尔曼滤波提前推测可以作为数据缓冲和系统传输耗时的补偿，提高了系统的实时性；
D、对平滑后的关节角度数据进行限速和限幅处理，如果t时刻的角位置Xt与前一时刻角位置Xt-1之间的速度大于安全速度ωset，强制把当前时刻的角位置替换为Xt＇，以保证最大速度不超过设定的安全速度ωset，当运动角度大小超过设定范围的上限或下限时，则将该角度强制赋值为上限或下限。
3.根据权利要求1所述的体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，其特征在于：所述的肘部屈/伸结构包括前臂连接环(1-1)，前臂调节杆(1-2)，压块(1-3)，前臂支架(1-4)，菱形座轴承(1-5)，锥齿轮(1-6)，减速器安装支座(1-7)，行星减速器(1-8)，伺服电机(1-9)，所述前臂调节杆(1-2)通过所述压块(1-3)与所述前臂支架(1-4)连接，所述前臂连接环(1-1)置于所述前臂调节杆(1-2)的顶端，所述前臂调节杆(1-2)和前臂支架(1-4)之间可以相对滑动，通过一对所述锥齿轮(1-6)使所述伺服电机(1-9)和所述行星减速器(1-8)的轴线平行于上臂。
4.根据权利要求1所述的一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，其特征在于：所述的肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构包括上臂支架(2-1)、上臂长度调节杆(2-2)、轴承座(2-3)、前屈/后伸轴(2-4)、轴承(2-5)、安装板(2-6)、前屈/后伸减速电机(2-7)、肩部连杆(2-8)、外展/内收轴(2-9)、轴承(2-10)、轴承座(2-11)、固定板(2-12)、外展/内收减速电机(2-13)，所述前屈/后伸轴(2-4)通过所述轴承(2-5)安装于所述轴承座(2-3)中，所述轴承座(2-3)通过螺栓固定在所述肩部连杆(2-8)上，所述前屈/后伸减速电机(2-7)利用所述安装板(2-6)与所述轴承座(2-3)固定，所述前屈/后伸减速电机(2-7)输出轴套合在所述前屈/后伸轴(2-4)中间的孔中，并通过键链接传递扭矩，所述前屈/后伸轴(2-4)穿过所述肩部连杆(2-8)，与所述上臂长度调节杆(2-2)末端相固定，将旋转运动转化为上臂的前屈/后伸运动，所述上臂长度调节杆(2-2)通过螺钉压紧固定在所以上臂支架(1-1)的凹槽里；所述肩部连杆(2-8)通过螺钉固定在所述外展/内收轴(2-9)上，所述外展/内收轴(2-9)配合所述轴承(2-10)安装在所述轴承座(2-11)中，所述轴承座(2-11)通过螺栓固定在所述固定板(2-12)上，所述外展/内收减速电机(2-13)同样固定在所述固定板(2-12)上，所述外展/内收减速电机(2-13)输出轴套合在所述外展/内收轴(2-9)中间的孔中，并通过键连接传递扭矩，驱动所述肩部连杆(2-8)进行外展/内收运动。
5.根据权利要求1所述的一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，其特征在于：所述的机械手臂的体感控制系统包括上位机、下位机、伺服驱动器、伺服电机、网络交换机以及供电部分，上位机通过有线或无线网络连接到网络交换机，通过Ip地址连接网络中的运动控制器进行数据传输与交换，运动控制的控制信号再经由伺服驱动器驱动伺服电机，带动外骨骼机械手臂完成相应的康复动作。
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