[发明专利]一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人

说明书

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。

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X_t与前一时刻角位置X_t-1之间的速度大于安全速度ω_set，强制把当前时刻的角位置替换为X_t＇，以保证最大速度不超过设定的安全速度ω_set，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。