[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

权利要求书

1.一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法，其特征在于：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；

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；

步骤七、上位机将每个关节所需转动角度与转动速度下发至PLC中，PLC将数值转换为高速脉冲(PTO)发送给伺服电机驱动器，驱动电机在额定转速下转动对应角度，并通过多线程的方式，实时读取角度传感器的值返回给上位机；

步骤八、上肢外骨骼康复机器人辅助患者抓取目标物，完成后返回初始位置；

所述步骤三中，具体过程如下：

(1)根据目标物三维点云数据，利用点云分割、坐标映射提取目标物；

(2)在HSV颜色空间建立融合深度信息的目标物“颜色-形状”模型；

(3)对由Azure Kinect实时采集的RGB图像进行深度、颜色过滤；

(4)运用深度方差对目标物和相似颜色背景进行连通域分割，获得潜在目标；

(5)通过目标物形状偏差率、直方图巴氏距离及目标物质心区域的深度均值完成目标跟踪定位。

2.根据权利要求1所述的一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤五中，具体过程如下：

(1)读取预先建立的机器人D-H参数表，将上肢外骨骼康复机械臂简化为连杆模型，建立各连杆坐标系，求得运动学正解，解得机器人每个关节转动对应角度时，患者手部对应空间坐标位置；

(2)通过几何法进行逆运动学求解，根据空间中目标物的位置，解出康复机器人辅助患者将手运动到这一位置时，各关节所需转动的角度；

(3)将逆解求出的角度，再一次进行正解，当第二次正解求得的空间坐标与目标物坐标相符时，进入下一步骤；

(4)进行机器人轨迹规划，读取角度传感器测量得到的关节角度值和医师预先设置的关节转动角度范围，当上述(1)(2)(3)步骤求解的关节转动角度在该范围内，则进行运动；否则将超出范围的关节转动角度修改至允许范围内的最大值。

3.一种应用权利要求1所述的方法的目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制系统，其特征在于：所述控制系统的硬件结构包括：Azure Kinect传感器、主控计算机、路由器、PLC及PLC模拟量输入模块、伺服电机驱动器、伺服电机、角度传感器和三自由度上肢外骨骼机械本体；

所述Azure Kinect传感器通过USB3.0与主控计算机连接，所述PLC及PLC模拟量输入模块安装一起，且PLC上设有网线插口，PLC通过网线与路由器的Lan口连接，并将PLC、路由器和主控计算机的IP地址修改至同一网段下，实现上位机和PLC的无线通信；

所述伺服电机驱动器通过信号线与PLC连接，所述伺服电机通过信号线与伺服电机驱动器连接，所述角度传感器安装在三自由度上肢外骨骼机械本体的对应关节上，且角度传感器通过信号线与PLC模拟量输入模块连接。

4.根据权利要求3所述的一种目标驱动式的上肢外骨骼康复机器人的控制系统，其特征在于：所述三自由度上肢外骨骼机械本体包括肩部外展/内收、前屈/后伸及肘部屈/伸的三个自由度。