CN113885361B - 一种对延时不敏感的康复装备远程力控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对延时不敏感的康复装备远程力控系统，包括调度模块、力学控制模块、延时脱敏模块、康复装备接口模块、用户交互模块；所述康复装备接口模块采集所述康复装备产生的数据，实时传输至所述调度模块，所述调度模块进行数据整合后，交由所述延时脱敏模块处理，生成控制参数，所述力学控制模块将所述控制参数写入所述康复装备。本发明的远程力控系统消除了康复装备的力控计算机在接入网络时的非必要延时，并能有效解决任务积压问题，保证近端和远端同步状态的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及康复装备的远程互联技术领域，尤其涉及一种对延时不敏感的康复装备远程力控系统。
背景技术
康复医学中需要临床人员对患者施加保护性作用力，由此实现托举、保护、抗阻、引导等辅助训练的效果。但培养一个专业康复人员成本高昂，未来趋势是利用康复装备来提供康复训练所需的肢体力量。此外，居家康复的需求日益增长，在居家场合下，患者无法体会到治疗师想要传递到自己肢体上的力量，而如果康复装备能够提供远程的力控操作，就能让居家患者获得由康复专业人员操控的辅助力量。再者，新冠疫情的爆发使非接触的康复评定与治疗成为新趋势。因此，康复机器人实现跨地域(2km以上)进行远程的力量传递和力量控制非常重要。
然而，康复装备在远程互联时会产生传输延时，造成复现出的力量出现迟滞、抖动、失稳等现象，严重时还可能让力学部件(如电机)超限运行，造成安全隐患。因此，康复装备进行远程力控时必须实现对延时的脱敏处理，也就是避免由突然增高的延时而造成“不听话、不真实、不安全”的恶劣操作体验。
目前，实现康复装备的远程力控大致有以下几种技术路线。
单机互联方案，此方案使用有线方式连接两台康复机器人，康复装备和主控计算机之间的传输延迟远低于1ms。此时，力控算法可以近似认为信号在本机内部传输，既没有延时，也不考虑数据包丢失、双端同步等问题。此方案的优势是开发和部署简单，但使用场景受限于连接线的长度，实际有效范围为5-10m，一般只能在同一个房间内使用。
单节点或少节点局域互联方案，通讯方案多基于Wi-Fi、ZigBee或Bluetooth，康复装备和主控计算机之间延迟在5ms以下，且抖动不明显。此时力控算法不可认为信号是在本机传输，必须进行网络通讯，但不用考虑数据包丢失、双端同步等问题。此方案的优势是开发较简单，同时有效范围可扩大至10-100m，劣势是无法覆盖康复医院常见的地理间隔(>2km)。
公共互联网互联方案，通讯方案基于因特网，康复装备和主控计算机的传输延迟常超过50ms，且频繁出现100％-200％的延迟抖动。此时力控算法会因传输延时而出现误操作，也可能因为数据包丢失、同步失败等原因产生不良后果，但该方案的覆盖范围可以达到2km以上。
因此，本领域的技术人员致力于提供一种对延时不敏感的康复装备远程力控系统，消除康复装备的力控计算机在接入网络时的非必要延时，解决跨公网长距离互联时，因传输延时突增导致力控算法出现任务积压以及装备间的同步失败。
发明内容
有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能消除康复装备的力控计算机在接入网络时的非必要延时的康复装备远程力控系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种对延时不敏感的康复装备远程力控系统，与带有通讯功能的康复装备互联，同时具备接入公共互联网的能力，康复装备与本发明的远程力控系统连接后，即具备了与其他康复装备跨公共互联网进行力控互联的能力。
本发明提供的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，包括调度模块、力学控制模块、延时脱敏模块、康复装备接口模块、用户交互模块；所述康复装备接口模块采集所述康复装备产生的数据，实时传输至所述调度模块，所述调度模块进行数据整合后，交由所述延时脱敏模块处理，生成控制参数，所述力学控制模块将所述控制参数写入所述康复装备。
进一步地，所述调度模块被配置为驱动所述力学控制模块、所述延时脱敏模块、所述康复装备接口模块、所述用户交互模块的协作动作。
优选地，所述调度模块使用异步方式接收远端数据包，交由中频的定时器执行入队列操作，最终由高频的定时器执行逻辑操作。
优选地，所述异步变频调度模块使用同步方案，由固定频率的定时器调度发送和接收操作。
进一步地，所述力学控制模块的软件操控方式包括透明控制、速度控制、位置控制。
优选地，所述延时脱敏模块在硬件电路的存储器中设置当前帧、上次远端数据帧、上次同步帧、近端数据同步帧、近端状态纪要、远端数据同步帧、远端状态纪要。
进一步地，所述延时脱敏模块还包括延时未至操作的预测方法、误操作回滚方法、误操作认定方法、“任务积压”检测方法、“同步失败”检测方法。
优选地，所述误操作回滚方法的回滚判定以150ms为时限。
优选地，所述延时脱敏模块在硬件电路的存储器中设置产生帧。
优选地，所述康复装备接口模块包括软件部分和硬件部分，所述康复装备接口模块的硬件部分设有母网线口。
优选地，所述用户交互模块包括LED灯和声音输出装备。
本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明提供的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，力控算法的执行计算机与康复装备连接，消除了硬件设备之间通讯的延时，消除了康复装备的力控计算机在接入网络时的非必要延时。
2、本发明在跨公网长距离互联时，近端使用预测技术防止延时突增时近端的阻塞问题，使用回滚技术解决了任务积压问题；本发明还对两端的每一帧数据进行比对，保证了同步状态的一致性。
3、本发明通过“仲裁”逻辑判断，在满足仲裁条件的非预测的柔顺操作时，才会被裁决为合法操作，避免了延时达到的数据包造成的误操作；并且通过回滚操作，将所有的误操作重置，回退至上一个同步状态。
4、本发明通过用户交互模块，在出现任务积压时能够对操作人员进行提醒，并能对操作人员发出警报。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的较佳实施例提供的远程力控系统与康复装备连接示意图；
图2是本发明的较佳实施例提供的远程力控系统整体结构图；
图3是本发明的较佳实施例提供的远程力控系统回滚判定示意图；
图4是本发明的较佳实施例提供的远程力控系统仲裁判定示意图；
图5是本发明的较佳实施例提供的远程力控系统同步失败状态示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明提供了一种对延时不敏感的康复装备远程力控系统，如图1所示，本发明与带有通讯功能的康复装备互联，同时具备接入公共互联网的能力，康复装备与本发明的远程力控系统连接后，即具备了与其他康复装备跨公共互联网进行力控互联的能力。
如图2所示，本发明提供的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，包括调度模块、力学控制模块、延时脱敏模块、康复装备接口模块、用户交互模块。
调度模块包含一种集合通讯、网络工程、数据结构等技术的网络数据调度方案，本实施例中，调度模块采用异步变频方案，使用异步方式接收远端数据包，再交由中频的定时器执行入队列操作，最终由高频的定时器执行逻辑操作，既保障了网络数据包的顺畅稳定获取，又满足了远端同步需要高频计算的要求。
在本发明的另一实施例中，调度模块可以采取同步方案，由一个固定频率的定时器来调度所有的发送和接收操作。
在本发明的其他实施例中，可以采取异步但不可变频率的方案，由多个频率不相同的定时器来调度发送和接收操作，但各定时器的频率是不可变的。
力学控制模块针对不同的康复装备，配置了不同的软件操控方式：用于模拟惯性、弹性和粘性系数的透明控制，用于模拟物理运动速度的速度控制，用于模拟物体移动的位置控制。
本发明中，延时脱敏模块的组成如下。
在硬件电路的存储器中维护一个帧号标志“当前帧”(CurrentTick)，其定义是，对于近端的康复装备来说，力学控制算法当前处在双机互联成功后的第几帧。其作用是通过改变自身的值来实现软件进程的正常推进、后退和快进。如果触发“回滚”操作，则先回退至“上次同步帧”位置，再瞬间增加至“上次远端数据帧”，即在极短时间内经历一个骤减再骤升的“回滚”动作；其余情况下，“当前帧”会随着异步变频调度模块每次增加1。
在硬件电路的存储器中设置并持续更新一个帧号标志“上次远端数据帧”(LastConfirmedTick)，其定义是最后一次收到的远端数据包的帧号，其作用是为“预测”的初始点及“回滚”的终止点提供锚定位置。该标志仅会增加，不会降低，在收到远端数据包的时候，使用数据包中的帧号进行更新。
在硬件电路的存储器中设置并持续更新一个帧号标志“上次同步帧”(LastSyncedTick)，其定义是最后一次同步的帧号，其作用是为“回滚”的初始点提供锚定位置。该标志在满足“仲裁”的同步判定时会增加1。
在硬件电路的存储器中设置并持续更新一个帧号标志“近端数据同步帧”(LocalSyncDataTick)，其定义是最后一个近端同步的数据帧，其作用是保存近端最后同步过的帧数。每当“上次同步帧”增加的时候，会将“近端数据同步帧”也置为与“上次同步帧”相同。
在硬件电路的存储器中设置并持续更新一个软件状态纪要“近端状态纪要”(LocalSyncData)，其定义是最后一次近端同步后的软件状态纪要，其作用是保存近端最后一次同步时的软件状态，如康复装备中可移动部件的位移、速度、加速度等。“近端数据同步帧”每次增加的时候，会更新“近端状态纪要”。
在硬件电路的存储器中设置并持续更新一个帧号标志“远端数据同步帧”(RemoteSyncDataTick)，其定义是最后一个远端同步的数据帧，其作用是保存远端最后同步过的帧数。每次收到远端数据包时，根据数据包中的帧号更新“远端数据同步帧”。
在硬件电路的存储器中设置并持续更新一个软件状态纪要“远端状态纪要”(RemoteSyncData)，其定义是最后一次远端同步后的软件状态纪要，其作用是保存远端最后一次同步时的软件状态，如位置、速度、加速度等。“远端数据同步帧”根据远端数据包内容进行更新的同时，会更新“远端状态纪要”。
延时未至操作的预测方法：由于接收远端数据包有20ms以上的延时，所以在不触发回滚的情况下CurrentTick一直会大于LastConfirmedTick。为了防止软件阻塞卡顿，使用LastConfirmedTick对应的远端数据包进行预测。
误操作回滚方法：如图3所示的回滚判定中，在150ms的时限内，如果LastConfirmedTick依旧没有更新，即没有收到远端新的数据包，为了避免累积误差过大，执行回滚操作，将CurrentTick回退到LastSyncedTick，同时将力控算法中的所有状态值回退到LocalSyncData中保存的状态。
误操作认定方法：如图4所示的仲裁判定中，CurrentTick更新的同时，如果满足LastSyncedTick加1等于CurrentTick，且CurrentTick小于等于LastConfirmedTick，即满足“当前帧”是“上次同步帧”的下一帧，且“当前帧”是真实有效的动作而不是预测的动作，此时认定“无误操作”，否则认定“有误操作”。
“任务积压”检测方法：客户端设置有一个指令队列，来保存近端和远端即将执行的输入指令。如果网络发生波动后再恢复，则此队列会瞬间增加很多指令，以此来检测到“任务积压”事件。
“同步失败”检测方法：如图5所示的同步失败判定中，经过“预测”、“回滚”、“仲裁”逻辑后，在LocalSyncDataTick和RemoteSyncDataTick的同帧号下，软件的状态纪要LocalSyncData和RemoteSyncData仍然不一致，则检测出“同步失败”，其意义是近端康复装备与远端康复装备之间的差异过大，不可能在有效时间内重新同步，此时需要采取措施令两台康复装备脱离互联状态。
本发明的另一实施例中，脱敏延时模块可以不在硬件电路的存储器中设置并维护任何标志位，将抵达力控计算机的指令认为就是无延时的当前指令，并按照此指令生成力控信号施加在力学部件上。
本发明的其他实施例中，脱敏延时模块可以在硬件电路的存储器中设置并维护一个标志位“产生帧”，该标志位记录了远端康复装备在产生某条指令时的帧号，当该指令到达力控计算机时，如果“产生帧”与当前帧不统一(差距为N帧)，则产生了传输延时。此方案中，力控计算机将通知远端的装置，把远端的每条指令等待N帧再作用到远端康复装备上。此方案不进行预测，无法判断有无误操作，且由于等待引入了额外的延时。
康复装备接口模块为软硬件结合模块，硬件部分配备有一个母网线口，用来接通康复装备。软件部分有连接、校准、初始化、状态跟踪、连接保护等功能，可兼容使用USB连接规范的康复装备。
用户交互模块包括LED灯和声音输出装备，LED灯包括2个，蓝色的灯表示正常运行，红色的灯表示产生“任务积压”。声音输出设备可以是蜂鸣器，当两端连接成功，但检测到“同步失败”时，蜂鸣器常响，以警示当前装备同步失败的状态。
本发明的一个实施例中，康复装备通过USB接口与远程力控系统连接，硬件装置工作于主机模式，“任务积压”和“同步失败”状态由装置内部的远程力控调度模块进行维护，如出现任务积压则启动提示，如出现同步失败则启动康复装备脱离互联状态。
本发明的另一个实施例中，康复装备通过网线与远程力控系统连接，硬件工作于从机模式，“任务积压”和“同步失败”状态由康复装备的力控计算机进行维护，并由力控计算机自行决定如何处理。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种对延时不敏感的康复装备远程力控系统，用于与带有通讯功能的康复装备互联，其特征在于，包括调度模块、力学控制模块、延时脱敏模块、康复装备接口模块、用户交互模块；所述康复装备接口模块采集所述康复装备产生的数据，实时传输至所述调度模块，所述调度模块进行数据整合后，交由所述延时脱敏模块处理，生成控制参数，所述力学控制模块将所述控制参数写入所述康复装备；
所述延时脱敏模块在硬件电路的存储器中设置当前帧、上次远端数据帧、上次同步帧、近端数据同步帧、近端状态纪要、远端数据同步帧、远端状态纪要，所述延时脱敏模块还包括延时未至操作的预测方法、误操作回滚方法、误操作认定方法、“任务积压”检测方法、“同步失败”检测方法，所述误操作回滚方法的回滚判定以150ms为时限，在150ms的时限内，如果LastConfirmedTick依旧没有更新，即没有收到远端新的数据包，为了避免累积误差过大，执行回滚操作，将CurrentTick回退到LastSyncedTick，同时将力控算法中的所有状态值回退到LocalSyncData中保存的状态，
其中，所述CurrentTick为当前帧，对于近端的康复装备来说，力学控制算法当前处在双机互联成功后的第几帧，
所述LastConfirmedTick为上次远端数据帧，是最后一次收到的远端数据包的帧号,
所述LastSyncedTick为上次同步帧，是最后一次同步的帧号,
所述LocalSyncData为最后一次近端同步后的软件状态纪要，其作用是保存近端最后一次同步时的软件状态。
2.如权利要求1所述的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，其特征在于，所述调度模块使用异步方式接收远端数据包，交由中频的定时器执行入队列操作，最终由高频的定时器执行逻辑操作。
3.如权利要求1所述的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，其特征在于，所述调度模块使用同步方案，由固定频率的定时器调度发送和接收操作。
4.如权利要求1所述的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，其特征在于，所述力学控制模块的软件操控方式包括透明控制、速度控制、位置控制。
5.如权利要求1所述的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，其特征在于，所述康复装备接口模块包括软件部分和硬件部分，所述康复装备接口模块的硬件部分设有母网线口。
6.如权利要求1所述的对延时不敏感的康复装备远程力控系统，其特征在于，所述用户交互模块包括LED灯和声音输出装备。
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