CN109260668A - 基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统及其使用方法，包含七自由度上肢康复训练机器人本体、虚拟现实康复训练系统，能够实现上肢运动功能障碍患者的肩关节外展/内收、外旋/内旋、屈/伸，肘关节屈/伸，前臂内旋/外旋以及腕关节外展/内收、屈/伸康复训练，通过一种肩关节运动中心定位方法，能够确保康复训练安全性，提高康复训练机器人控制精度；虚拟现实康复训练系统通过康复训练机器人上安装的姿态传感器以及Kinect双目视觉传感器进行人体上肢姿态识别，并作为虚拟现实场景的输入，通过与上肢运动训练相关的游戏，提升康复趣味性以及康复效率。

Description

基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统及其使用 方法
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，用于上肢受伤患者的上肢主被动康复训练，属于医疗保健器械。
背景技术
医学理论实践证明，对上肢受伤患者，进行康复训练是恢复其上肢运动功能的有效途径。使用康复训练机器人对患者的康复训练能够有效的降低患者经济压力，提高康复训练效率，现有康复训练机器人存在造价高昂、体积巨大以及人机交互不友好等不足之处。且科学研究表明，虚拟现实技术的应用能够增加患者康复训练的积极性，提高训练效率。所以研制一种低成本、轻量化、人机交互友好且具备虚拟现实康复训练功能的上肢康复训练机器人系统具有迫切的实际意义以及较高的价值。
发明内容
发明目的：本发明于提供一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统及其使用方法，基于虚拟现实场景实现上肢运动功能障碍患者的肩关节外展/内收、外旋/内旋、屈/伸，肘关节屈/伸，前臂内旋/外旋以及腕关节外展/内收、屈/伸康复训练，且通过一种肩关节运动中心定位方法，能够确保康复训练安全性，提高康复训练机器人控制精度。
技术方案：本发明的一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，包括机器人本体以及虚拟现实康复训练系统，所述机器人本体包括支架、上臂模块、前臂模块和手部模块；所述支架与地面相对固定并支撑整体重量，所述上臂模块包括上臂外环和上臂内环，所述前臂模块包括前臂外环和前臂内环，上臂内环和前臂内环内侧壁分别装有第一气囊和第二气囊，两个气囊与人体紧密结合，上臂模块和前臂模块之间通过肘部支架相连接；整个机器人本体通过一组绳索组件和对应的直流电机实现驱动；所述虚拟现实康复训练系统包括主机和Kinect双目视觉传感器；
其中，所述机器人本体辅助使用者进行康复训练，Kinect双目视觉传感器c采集使用者姿态信息并将该信息传输至主机处理，主机运行虚拟现实场景，通过Kinect双目视觉传感器采集的姿态信息实现使用者与虚拟场景的交互。
其中，虚拟现实康复训练系统中的虚拟现实交互游戏与康复机器人本体相适配，交互运动与康复机器人本体的各关节自由度一一对应，且通过康复机器人本体上的姿态传感器协同Kinect进行交互输入以提高输入精度。
进一步的，所述绳索组件包括十一个绳索，其中第一驱动绳索一端固定于上臂外环上的第一连接点，通过支架第一绳索定位孔以及套索，将第一驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第二驱动绳索一端固定于上臂外环上的第二连接点，通过支架第二绳索定位孔以及套索，将第二驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第三驱动绳索一端固定于上臂外环上的第三连接点，然后通过支架第三绳索定位孔以及套索，将第三驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第四驱动绳索一端固定于上臂外环第四连接点，通过支架第四绳索定位孔以及套索，将第四驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第五驱动绳索为闭环绳索，缠绕于上臂内环外周的绳槽，第五驱动绳索的首末两端通过上臂外环上的第五连接点以及套索，缠绕于直流电机驱动轮；第六驱动绳索一端固定于前臂外环上的第一连接点，通过上臂内环上的第一连接点以及套索，将第六驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第七驱动绳索一端固定于前臂外环上的第二连接点，通过上臂内环上的第二连接点以及套索，将第七驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第八驱动绳索为闭环绳索，绳索整体缠绕于前臂内环外周的绳槽，第八驱动绳索的首末两端通过前臂外环上的第三连接点以及套索，缠绕于直流电机驱动轮；第九驱动绳索一端固定于手部模块上的第一连接点，通过前臂内环上的第一连接点以及套索，将第九驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第十驱动绳索一端固定于手部模块上的第二连接点，通过前臂内环上的第二连接点以及套索，将第十驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮；第十一驱动绳索一端固定于手部模块上的第三连接点，通过前臂内环上的第三连接点以及套索，将第十一驱动绳索另一端固定于直流电机驱动轮。
进一步的，所述绳索组件中的各个绳索上均安装有拉力传感器，拉力传感器实时检测绳索张力，所述上臂模块、前臂模块和手部模块上均安装有姿态传感器，各个姿态传感器和Kinect协同识别人体手臂姿态，并将检测结果作为虚拟现实场景的输入。
进一步的，所述肘部支架包括两根连杆：上连杆和下连杆，两个连杆绕其中间轴转动，上连杆与上臂模块通过螺丝固定，下连杆与前臂模块通过螺丝固定。
进一步的，所述各个套索套在对应的驱动绳索外部，且各个套索位于在定位孔和电机轴之间的绳索的外部，起到对绳索的支撑作用，与定位孔并无传动关系。
本发明还公开了一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统的使用方法，包括以下步骤：
(1)使用者坐在支架旁的座位上，使用者手臂依次套入上臂模块和前臂模块，肘部支架的转动中心与肘关节中心对齐，将上臂模块和前臂模块的第一气囊和第二气囊均充气，固定手臂与上臂模块及前臂模块，
(2)启动康复训练机器人及虚拟现实系统，康复训练机器人本体首先根据肩关节运动中心定位方法对患者肩关节运动中心进行定位，确保系统控制精度以及患者康复训练的安全；
(3)患者根据虚拟场景指示，在机器人辅助下做出相应动作，或完成相应任务，Kinect和姿态传感器协同检测患者手臂姿态与虚拟场景交互，虚拟现实康复训练系统通过完成度对患者进行评分，从而增加康复训练积极性，提高康复训练效率。
上述肩关节运动中心定位方法的具体过程为：
康复训练机器人本体(1)带动患者做小范围运动，即各关节角运动幅度保持在10°以内，各驱动绳索长度由电机编码器获取，上肢姿态通过各个姿态传感器获取，根据如下公式求解肩关节运动中心：
P0+W×T×L＝PS
其中，P0表示支架中心即大地坐标系原点，W为手臂各关节角矩阵，T为手臂关节角(例如为肩关节外展/内收、外旋/内旋、屈/伸，肘关节屈/伸，前臂内旋/外旋以及腕关节外展/内收、屈/伸等等关节角)与绳索空间角转换矩阵，L为各绳索向量，PS为大地坐标系下肩关节中心坐标。
由于人体肩关节特殊构造，在关节角运动范围较大时，肩关节中心出现明显位移，根据上述公式，康复机器人本体辅助使用者上肢在可达范围内多次运行，求得一系列肩关节中心坐标点，即可实现对肩关节运动中心的记录，在进行正式康复训练过程中，使用被记录的中心坐标进行运动轨迹规划，较之固定肩关节运动中心，显然能够有效提高控制精度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明中的绳索传动结构使得整套系统人机交互更加友好，提高了康复训练的安全性与舒适性，绳索传动的柔性特征更符合人体特性。
2.与康复训练机器人配套的虚拟现实康复训练系统，能够实现对患者康复训练的示教功能以及评估功能，增加康复训练积极性，提高康复训练效率。
3.高达七个自由度(肩关节外展/内收、外旋/内旋、屈/伸，肘关节屈/伸，前臂内旋/外旋以及腕关节外展/内收、屈/伸)的康复训练机器人能够更好的对患者上肢各关节进行康复训练，确保了训练的完整性和多样性，在辅助训练方面也能够确保与患者交互更加友好。
4.通过肩关节运动中心识别方法能够提高康复训练机器人控制精度，保证康复训练安全性。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中上肢康复训练机器人正视结构图；
图3是本发明中后视结构图；
图4是本发明中上臂模块结构图；
图5是本发明中前臂模块结构图；
图6是本发明的直流电机驱动轮结构示意图；
图7是实施例中虚拟现实交互游戏“摘苹果”界面示意图；
其中，图4(a)为上臂外环的示意图，图4(b)为上臂内环的示意图；图5(a)为前臂内环的示意图，图5(b)为前臂外环的示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，包括七自由度上肢康复训练机器人本体1、虚拟现实康复训练系统35，其中七自由度上肢康复训练机器人本体包括支架34、上臂模块33、前臂模块32和手部模块31，机器人本体1整体由十一根绳索通过对应的十一个直流电机驱动，支架34与地面相对固定，用以支撑整体重量，上臂模块33包括上臂外环36和上臂内环37，前臂模块32包括前臂外环39和前臂内环40，上臂内环37和前臂内环40内侧壁分别装有第一气囊42和第二气囊43，两个气囊与与人体手臂紧密结合，上臂模块33和前臂模块32之间通过肘部支架24相连接。
上述各绳索具体位置关系和连接关系为：第一驱动绳索4一端固定在上臂外环第一连接点8上，通过支架第一绳索定位孔44以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第二驱动绳索5一端固定在上臂外环第二连接点9上，通过支架第二绳索定位孔45以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第三驱动绳索6一端固定在上臂外环第三连接点10上，通过支架第三绳索定位孔46以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第四驱动绳索7一端固定在上臂外环第四连接点11上，通过支架第四绳索定位孔47以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第五驱动绳索26为一闭环绳索，即缠绕在上臂内环外侧绳槽38上，两端通过上臂外环第五连接点12以及套索，然后缠绕在直流电机驱动轮50上；第六驱动绳索27一端固定在前臂外环第一连接点15上，通过上臂内环第一连接点13以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第七驱动绳索28一端固定在前臂外环第二连接点16上，通过上臂内环第二连接点14以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第八驱动绳索50为一闭环绳索，即缠绕在前臂内环外侧绳槽41上，两端通过前臂外环第三连接点17以及套索，然后缠绕在直流电机驱动轮50上；第九驱动绳索29一端固定在手部模块第一连接点21上，通过前臂内环第一连接点18以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第十驱动绳索30一端固定在手部模块第二连接点22上，通过前臂内环第二连接点19以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上；第十一驱动绳索31一端固定在手部模块第三连接点23上，通过前臂内环第三连接点20以及套索，另一端固定在直流电机驱动轮50上。
上述十一个绳索上均安装有拉力传感器49用以检测绳索张力，上臂模块33、前臂模块32和手部模块31均安装有姿态传感器48，各个姿态传感器48和Kinect和姿态传感器2协同识别人体手臂姿态。虚拟现实康复训练系统由Kinect双目视觉传感器2和主机3构成，手臂姿态由姿态传感器48和Kinect双目视觉传感器2协同检测，作为虚拟现实场景的输入.
实施例：
本实施例构建虚拟现实场景中的摘苹果任务，检测使用者手臂运动姿态后，虚拟现实场景中的手臂姿态与之对应运动，完成摘苹果任务，通过摘取速度与数量做出评分，从而激励使用者康复训练积极性，例如当使用者肩关节前伸45°且内旋30°时，虚拟场景中的手臂肩关节部分也做出相应动作，从而手掌移动进行苹果摘取；或者当虚拟现实场景中手臂做出相应姿态时，如外展45°或外旋30°，要求使用者根据该姿态在康复训练机器人本体1辅助下做出相应运动，从而提供一个使用者独立训练的功能。肩关节运动中心定位方法为：康复训练机器人1带动患者做小范围运动，即各关节角运动幅度保持在10°以内，各驱动绳索长度可由电机编码器获取，上肢姿态通过姿态传感器获取，根据如下公式求解肩关节运动中心：
P0+W×T×L＝PS
其中，P0表示支架中心即大地坐标系原点，W为手臂各关节角矩阵，T为手臂关节角与绳索空间角转换矩阵，L为各绳索向量，PS为大地坐标系下肩关节中心坐标。由于人体肩关节特殊构造，在关节角运动范围较大时，肩关节中心出现明显位移，根据上述公式，康复机器人辅助使用者上肢在可达范围内多次运行，求得一系列肩关节中心坐标点，即可实现对肩关节运动中心的记录，在进行正式康复训练过程中，使用被记录的中心坐标进行运动轨迹规划，较之固定肩关节运动中心，显然能够有效提高控制精度。

Claims (7)

1.一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，其特征在于：包括机器人本体以及虚拟现实康复训练系统，所述机器人本体包括支架(34)、上臂模块(33)、前臂模块(32)和手部模块(31)；所述支架(34)与地面相对固定并支撑整体重量，所述上臂模块(33)包括上臂外环(36)和上臂内环(37)，所述前臂模块(32)包括前臂外环(39)和前臂内环(40)，上臂内环(37)和前臂内环(40)内侧壁分别装有第一气囊(42)和第二气囊(43)，两个气囊与人体紧密结合，上臂模块(33)和前臂模块(32)之间通过肘部支架(24)相连接；整个机器人本体通过一组绳索组件和对应的直流电机实现驱动；所述虚拟现实康复训练系统包括主机和Kinect双目视觉传感器；
其中，所述机器人本体辅助使用者进行康复训练，Kinect双目视觉传感器采集使用者姿态信息并将该信息传输至主机处理，主机运行虚拟现实场景，通过Kinect双目视觉传感器采集的姿态信息实现使用者与虚拟场景的交互。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，其特征在于：所述绳索组件包括十一个绳索，其中第一驱动绳索(4)一端固定于上臂外环上的第一连接点(8)，通过支架第一绳索定位孔(44)以及套索(34)，将第一驱动绳索(4)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第二驱动绳索(5)一端固定于上臂外环上的第二连接点(9)，通过支架第二绳索定位孔(45)以及套索(34)，将第二驱动绳索(5)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第三驱动绳索(6)一端固定于上臂外环上的第三连接点(10)，然后通过支架第三绳索定位孔(46)以及套索(34)，将第三驱动绳索(6)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第四驱动绳索(7)一端固定于上臂外环第四连接点(11)，通过支架第四绳索定位孔(47)以及套索(34)，将第四驱动绳索(7)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第五驱动绳索(26)为闭环绳索，缠绕于上臂内环外周的绳槽(38)，第五驱动绳索(26)的首末两端通过上臂外环上的第五连接点(12)以及套索(34)，缠绕于对应的直流电机驱动轮；第六驱动绳索(27)一端固定于前臂外环上的第一连接点(15)，通过上臂内环上的第一连接点(13)以及套索(34)，将第六驱动绳索(27)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第七驱动绳索(28)一端固定于前臂外环上的第二连接点(16)，通过上臂内环上的第二连接点(14)以及套索(34)，将第七驱动绳索(28)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第八驱动绳索(50)为闭环绳索，绳索整体缠绕于前臂内环外周的绳槽(41)，第八驱动绳索(50的首末两端通过前臂外环上的第三连接点(17)以及套索(34)，缠绕于对应的直流电机驱动轮；第九驱动绳索(29)一端固定于手部模块上的第一连接点(21)，通过前臂内环上的第一连接点(18)以及套索(34)，将第九驱动绳索(29)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第十驱动绳索(30)一端固定于手部模块上的第二连接点(22)，通过前臂内环上的第二连接点(19)以及套索(34)，将第十驱动绳索(30)另一端固定于对应的直流电机驱动轮；第十一驱动绳索(31)一端固定于手部模块上的第三连接点(23)，通过前臂内环上的第三连接点(20)以及套索(34)，将第十一驱动绳索(31)另一端固定于对应的直流电机驱动轮。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，其特征在于：所述绳索组件中的各个绳索上均安装有拉力传感器(49)，拉力传感器(49)实时检测绳索张力，所述上臂模块(33)、前臂模块(32)和手部模块(31)上均安装有姿态传感器(48)，各个姿态传感器(48)和Kinect(2)协同识别人体手臂姿态，并将检测结果作为虚拟现实场景的输入。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，其特征在于：所述肘部支架包括两根连杆：上连杆和下连杆，两个连杆绕其中间轴转动，上连杆与上臂模块通过螺丝固定，下连杆与前臂模块通过螺丝固定。
5.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统，其特征在于：所述各个套索(34)套在对应的驱动绳索外部，且各个套索(34)位于在定位孔和电机轴之间的绳索的外部。
6.一种基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)使用者坐在支架(34)旁的座位上，使用者手臂依次套入上臂模块(33)和前臂模块(32)，肘部支架转动中心与肘关节中心对齐，将上臂模块(33)和前臂模块(32)的气囊第一(42)和第二气囊(43)均充气，固定手臂与上臂模块及前臂模块，
(2)启动康复训练机器人本体(1)及虚拟现实康复训练系统(35)，康复训练机器人本体(1)首先根据肩关节运动中心定位方法对患者肩关节运动中心进行定位，确保系统控制精度以及患者康复训练的安全，；
(3)患者根据虚拟场景指示，在机器人辅助下做出相应动作，或完成相应任务，Kinect双目视觉传感器(2)和姿态传感器(48)协同检测患者手臂姿态与虚拟场景交互，虚拟现实康复训练系统(35)通过完成度对患者进行评分。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟现实的绳索驱动上肢康复训练机器人系统的使用方法，其特征在于：肩关节运动中心定位方法的具体过程为：
康复训练机器人本体(1)带动患者做小范围运动，即各关节角运动幅度保持在10°以内，各驱动绳索长度由电机编码器获取，上肢姿态通过各个姿态传感器(48)获取，根据如下公式求解肩关节运动中心：
P0+W×T×L＝Ps
其中，P0表示支架中心即大地坐标系原点，W为手臂各关节角矩阵，T为手臂关节角与绳索空间角转换矩阵，L为各绳索向量，PS为大地坐标系下肩关节中心坐标；
根据上述公式，机器人本体(1)辅助使用者上肢在可达范围内多次运行，求得一系列肩关节中心坐标点，即实现对肩关节运动中心的记录，在进行正式康复训练过程中，使用被记录的中心坐标进行运动轨迹规划。
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