[发明专利]一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统

说明书

本发明涉及医疗康复机器人技术领域，具体涉及一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统，将待抓取训练目标置于患者触碰范围内，患者注视目标物产生抓取意图，由医师在上位机下达系统启动指令，系统基于Azure Kinect对目标物进行实时跟踪定位，获取其空间坐标后发送至上位机，通过坐标转换将目标物坐标由Azure Kinect坐标系转换至机器人坐标系下，由机器人正、逆解及轨迹规划计算出机器人本体每个关节运动参数，通过Snap‑7协议与PLC通信，驱动外骨骼康复机器人本体带动患肢抓取目标物，实现患者的主观运动意图并给患者视觉与触觉反馈。本发明提高了患者的主观参与程度，将患者的主观运动意识与客观获取的感觉信息融合，更好地实现患者和机器人互动。

技术领域

本发明涉及医疗康复机器人技术领域，具体涉及一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统。

背景技术

脑卒中是我国成年人致死、致残的首位病因，它是由于急性脑血管循环障碍而引起持续性大脑半球或脑干局部性神经功能缺损，具有发病率高、致残率高、死亡率高和复发率高的特点。脑卒中患者通常会出现上肢功能障碍，对患者进行重复刺激训练和一定强度的特定任务训练，是上肢功能康复治疗的重要手段。由于上肢康复机器人具有无疲劳、定量化、个体化的优点，一方面可提供大剂量、高重复运动训练，另一方面可提供客观即时的训练数据和评估数据，机器人辅助康复治疗已经成为脑卒中后肢体功能康复的有效方案。

目前，上肢康复机器人主要有外骨骼式和末端牵引式，由于外骨骼式康复机器人具有动作精准、可靠性高等优点，其市场应用前景广阔。但其存在以下缺点：

1、现有的上肢外骨骼康复机器人的控制技术主要以被动控制为主，被动控制方法是预先建立一套固定的运动模式，无法实现个性化。有研究表明，患者在康复治疗过程中主观参与程度越高，治疗效果越好，而单纯的被动康复不仅治疗效果不佳，并且枯燥的训练容易引起患者的抵触情绪。

2、少部分采用主动控制方法的上肢外骨骼康复机器人，为体现患者的主动参与程度，主要是结合肌电、脑电等生理信号实时控制机器人的运动，由于信号易出现误判，在训练时可能导致康复机器人执行错误的运动动作，不仅无法保证训练效果，还会给患者造成损伤；另一方面，患者需要穿戴相应的传感设备，舒适性欠佳。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法及其控制系统，使患者在产生主观运动意图的前提下，在外骨骼机器人的辅助下进行目标物的跟踪和抓取训练，提高了患者的主观参与程度，将患者的主观运动意识与客观获取的感觉信息融合，更好地实现患者和机器人互动。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、医师根据患者实际情况，在上位机中输入上肢长度、外骨骼每个关节的转动速度和各个关节的转动角度范围；

步骤二、医师将训练目标置于患者触碰范围内，并要求患者注视目标物并对其产生抓取意图，医师在上位机下达系统启动指令；

步骤三、由Azure Kinect实时采集目标物区域的深度图和彩色图，对目标物进行实时跟踪定位，并记录目标物静止时刻的空间坐标；

步骤四、通过坐标转换将目标物空间坐标由Azure Kinect坐标系转换至机器人坐标系，具体；

步骤五、由机器人正、逆解及轨迹规划计算出外骨骼每个关节的运动参数；

步骤六、将上位机和PLC在同一网段下，通过TCP/IP协议相连接，并由Snap7协议进行数据读写；当上位机与PLC通信成功，并成功读取PLC模拟量输入模块中的角度传感器数值，进行下一步；