[发明专利]一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人

摘要

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。

主权项

1.一种体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人，其特征在于：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；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、对平滑后的健侧上肢关节角度数据进行限速和限幅处理，X_t为采集到的健侧上肢关节的当前角位置，X_t‑1为采集到的健侧上肢关节的前一时刻角位置，如果健侧上肢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，强制把健侧上肢的当前时刻的角位置替换为X_t＇后，将采集到的健侧上肢的关节角度数据实时传递给康复机器人的控制器，以保证外骨骼穿戴式机械手臂的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低于设定范围下限时，则将该角度强制赋值为上限或下限；所述的肘部屈/伸结构包括前臂连接环(1‑1)，前臂调节杆(1‑2)，压块(1‑3)，前臂支架(1‑4)，菱形座轴承(1‑5)，锥齿轮(1‑6)，减速器安装支座(1‑7)，行星减速器(1‑8)，伺服电机(1‑9)，所述前臂调节杆(1‑2)通过所述压块(1‑3)与所述前臂支架(1‑4)连接，所述前臂连接环(1‑1)置于所述前臂调节杆(1‑2)的顶端，所述前臂调节杆(1‑2)和前臂支架(1‑4)之间可以相对滑动，通过一对所述锥齿轮(1‑6)使所述伺服电机(1‑9)和所述行星减速器(1‑8)的轴线平行于上臂；所述的肩部前屈/后伸结构和肩部外展/内收结构包括上臂支架(2‑1)、上臂长度调节杆(2‑2)、轴承座(2‑3)、前屈/后伸轴(2‑4)、轴承(2‑5)、安装板(2‑6)、前屈/后伸减速电机(2‑7)、肩部连杆(2‑8)、外展/内收轴(2‑9)、轴承(2‑10)、轴承座(2‑11)、固定板(2‑12)、外展/内收减速电机(2‑13)，所述前屈/后伸轴(2‑4)通过所述轴承(2‑5)安装于所述轴承座(2‑3)中，所述轴承座(2‑3)通过螺栓固定在所述肩部连杆(2‑8)上，所述前屈/后伸减速电机(2‑7)利用所述安装板(2‑6)与所述轴承座(2‑3)固定，所述前屈/后伸减速电机(2‑7)输出轴套合在所述前屈/后伸轴(2‑4)中间的孔中，并通过键连接传递扭矩，所述前屈/后伸轴(2‑4)穿过所述肩部连杆(2‑8)，与所述上臂长度调节杆(2‑2)末端相固定，将旋转运动转化为上臂的前屈/后伸运动，所述上臂长度调节杆(2‑2)通过螺钉压紧固定在所以上臂支架(1‑1)的凹槽里；所述肩部连杆(2‑8)通过螺钉固定在所述外展/内收轴(2‑9)上，所述外展/内收轴(2‑9)配合所述轴承(2‑10)安装在所述轴承座(2‑11)中，所述轴承座(2‑11)通过螺栓固定在所述固定板(2‑12)上，所述外展/内收减速电机(2‑13)同样固定在所述固定板(2‑12)上，所述外展/内收减速电机(2‑13)输出轴套合在所述外展/内收轴(2‑9)中间的孔中，并通过键连接传递扭矩，驱动所述肩部连杆(2‑8)进行外展/内收运动；所述的机械手臂的体感控制系统包括上位机、下位机、伺服驱动器、伺服电机、网络交换机以及供电部分，上位机通过有线或无线网络连接到网络交换机，通过Ip地址连接网络中的下位机进行数据传输与交换，运动控制的控制信号再经由伺服驱动器驱动伺服电机，带动外骨骼机械手臂完成相应的康复动作。