CN104970947A - 上肢康复机器人的安全控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上肢康复机器人的安全控制方法和装置，其中，该方法包括：确定允许上肢康复机器人电机运转的所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据限值；实时获取所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据；当所述运动数据超出所述运动数据限值时，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令；将所述控制指令发送给所述电机。本发明解决了现有技术中在上肢康复机器人出现故障的时候没有有效的解决方案进行处理，而导致的安全隐患的产生的技术问题，达到了提高上肢康复机器人的安全性的技术效果。

Description

上肢康复机器人的安全控制方法和装置

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种上肢康复机器人的安全控制方法和装置。

背景技术

由于中风、头部伤害或者脊髓手术等导致的损伤，经常会导致病人多个肌肉群运动功能受损。神经重塑理论证明重复运动和康复训练能够使得病人重新恢复部分或者大部分的运动功能。然而，一般的重复性训练十分枯燥，并且对于治疗师而言，这些重复的、密集的运动是无效率的工作，因为治疗师的作用是协助病人进行全方位的康复训练。

目前，在相关的技术中提出了上肢康复机器人的概念，即通过机器人带动病人进行手臂运动，或者协助病人进行手臂运动。这些上肢康复机器人都是按照预定的程序进行电气控制的，在控制的过程中难免会出现故障，一旦出现故障会对病人造成难以估量的危险。

发明内容

本发明实施例提供了一种上肢康复机器人的安全控制方法，以达到提高上肢康复机器人安全性的目的，该方法包括：

确定允许上肢康复机器人电机运转的所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据限值；

实时获取所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据；

当所述运动数据超出所述运动数据限值时，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令；

将所述控制指令发送给所述电机。

在一个实施例中，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数限值。

在一个实施例中，在所述上肢康复机器人的伸缩臂的运动次数超出运动数据范围的情况下，所述方法还包括：

生成对计数器进行复位操作的复位指令，其中，所述计数器用于统计所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；

将所述复位指令发送给所述计数器。

在一个实施例中，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值。

在一个实施例中，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值包括：所述伸缩臂在X方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Y方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Z方向上的运动范围限值。

在一个实施例中，所述方法还包括：

获取所述上肢康复机器人中的光电传感器采集到的数据，其中，所述光电传感器用于采集所述伸缩臂的运动距离；

确定所述光电传感器采集到的运动距离数据是否超出所述光电传感器的安装位置；

如果是，则生成用于控制所述电机停止运转的控制指令。

在一个实施例中，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据还包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度限值。

本发明实施例还提供了一种上肢康复机器人的安全控制装置，以达到提高上肢康复机器人安全性的目的，该装置包括：

第一确定模块，用于确定允许上肢康复机器人电机运转的所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据限值；

第一获取模块，用于实时获取所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据；

第一生成模块，用于在所述运动数据超出所述运动数据限值的情况下，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令；

发送模块，用于将所述控制指令发送给所述电机。

在一个实施例中，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数限值。

在一个实施例中，还包括：

第二生成模块，用于在所述上肢康复机器人的伸缩臂的运动次数超出运动数据范围的情况下，生成对计数器进行复位操作的复位指令，其中，所述计数器用于统计所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；

第二发送模块，用于将所述复位指令发送给所述计数器。

在一个实施例中，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值。

在一个实施例中，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值包括：所述伸缩臂在X方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Y方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Z方向上的运动范围限值。

在一个实施例中，上述装置还包括：

第二获取模块，用于获取所述上肢康复机器人中的光电传感器采集到的数据，其中，所述光电传感器用于采集所述伸缩臂的运动距离；

第二确定模块，用于确定所述光电传感器采集到的运动距离数据是否超出所述光电传感器的安装位置；

第三生成模块，用于在确定是的情况下，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令。

在一个实施例中，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据还包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度限值。

在本发明实施例中，通过实时检测上肢康复机器人伸缩臂的运动数据，确定当前伸缩臂的运动数据是否超出了伸缩臂的运动数据限值，如果超出了限值，则表明当前的操作是有风险的，在这个时候就产生控制指令以停止上肢康复机器人电机的运转，也就相当于关闭了上肢康复机器人，通过这种方式可以有效解决现有技术中在上肢康复机器人出现故障的时候没有有效的解决方案进行处理，而导致的安全隐患的产生的技术问题，达到了提高上肢康复机器人的安全性的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的上肢康复机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例的上肢康复机器人的控制方法的流程图；

图3是本发明实施例的上肢康复机器人的控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

考虑到上肢康复机器人如图1所示，其中，101表示伸缩臂支架、102表示手托装置、103表示伸缩臂，为了保证上肢康复机器人可以安全有效地对病人进行辅助治疗，需要对伸缩臂具体的工作状态进行一个安全保护，通过这种保护一方面可以延长上肢康复机器人的使用寿命，更重要的一点是可以保障病人在使用上肢康复机器人的过程中的安全性。

在本发明实施例中，提供了一种上肢康复机器人的安全控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤201：确定允许上肢康复机器人电机运转的所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据限值；

步骤202：实时获取所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据；

步骤203：当所述运动数据超出所述运动数据限值时，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令；

步骤204：将所述控制指令发送给所述电机。

在上述实施例中，通过实时检测上肢康复机器人伸缩臂的运动数据，确定当前伸缩臂的运动数据是否超出了伸缩臂的运动数据限值，如果超出了限值，则表明当前的操作是有风险的，在这个时候就产生控制指令以停止上肢康复机器人电机的运转，也就相当于关闭了上肢康复机器人，通过这种方式可以有效解决现有技术中在上肢康复机器人出现故障的时候没有有效的解决方案进行处理，而导致的安全隐患的产生的技术问题，达到了提高上肢康复机器人的安全性的技术效果。

对于对上肢康复机器人伸缩臂的运动数据的检测，主要可以包括以下几个方面：上肢康复机器人伸缩臂的运动次数、上肢康复机器人伸缩臂运动距离（也就是伸缩臂在各个方向的运动范围）、上肢康复机器人伸缩臂的运动力度。其中，对运动次数的检测主要是防止计数器溢出从而导致机器一直运动，对运动范围的检测主要是防止上肢康复机器人伸缩臂无限伸缩而导致病人受到损伤，对运动力度的检测主要是防止力度太大对病人造成损伤。例如，如果用力过猛（直接表现就是病人运动速度过快）或者是伸张范围过大（直接表现就是病人手臂扩展的范围过大），病人的上肢一时承受不住，难免使得病人受到损伤，加重病情。在检测到伸缩臂的这些运动数据超出预定的安全阈值的情况下，及时关闭电机，从而可以有效避免损伤的产生。

下面对上述几种情况进行具体描述：

1）在上肢康复机器人伸缩臂的运动数据为上肢康复机器人伸缩臂的运动次数的情况下，运动数据限值就是上肢康复机器人伸缩臂的运动次数限值。

在检测到伸缩臂的运动次数大于运动次数限值的情况下，会控制上肢康复机器人电机停止运转，然而，这种情况主要是因为计数器计数溢出导致的，在这个时候，还需要生成对计数器进行复位操作的复位指令，其中，所述计数器用于统计所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；然后，将所述复位指令发送给计数器以对计数器进行复位操作，这样在重新启动后，计数器可以进行正常的运行状态。

2）在上肢康复机器人伸缩臂的运动数据为上肢康复机器人伸缩臂的运动距离的情况下，运动数据限值为上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值。

考虑到伸缩臂是向三个方向运动的，因此上肢康复机器人伸缩臂的运动范围包括：伸缩臂在X方向上的运动范围、伸缩臂在Y方向上的运动范围、伸缩臂在Z方向上的运动范围，即，需要保证伸缩臂在每个方向的运动范围（或者说运动距离）都是安全的。

在一个实施例中，上述方法还包括：所述方法还包括：获取所述上肢康复机器人中的光电传感器采集到的数据，其中，所述光电传感器用于采集所述伸缩臂的运动距离；确定所述光电传感器采集到的运动距离数据是否超出所述光电传感器的安装位置；如果是，则生成用于控制所述电机停止运转的控制指令。即，通过光电传感器进行限位，具体的，就是由光电传感器检测伸缩臂的运动距离，如果发现伸缩臂的运动距离已经超出了光电传感器的安装位置，那么也会产生中断信号，以使得电机停止工作。例如：在上肢康复机器人上安装光电传感器，当光电传感器检测到在伸缩臂在X、Y、Z方向上的运动范围超出了光电传感器的安装位置时，光电传感器会发出指令，控制电机停止工作，这种方式可以称为电气限位。

对于上述的电气限位可以是在用于进行运动距离限值判断失效或者故障的情况下的一种保护措施，为了实现对伸缩臂在三个方向上的全方位保护，在三个方向的两端都需要设置光电传感器，也就是一共设置六个光电传感器。

进一步的，为了更好地进行安全保护，还可以进行机械限位，机械限位作为最后重保护，是在中断装置和光电传感器都失效的情况下，通过机械力的作用来终止所述伸缩臂的继续运动，即在控制所述上肢康复机器人的伸缩臂的运动范围的中断装置和所述光电传感器都出现故障的情况下，在所述伸缩臂运动到机械限位装置时，通过所述机械限位装置所产生的机械外力，终止机械臂的继续运动。这种方式也可以称为机械限位，和上述的电气限位一样，机械限位也需要在三个方向的两端都设置机械限位装置，也就是一共设置六个机械限位装置。

3）在上肢康复机器人伸缩臂的运动数据为上肢康复机器人伸缩臂的运动力度的情况下，所述运动数据限值是上肢康复机器人伸缩臂的运动力度限值。

在具体实施的过程中，考虑到每种工作状态的检测和触发机理是不同的，因此，为了更为有效地进行控制，可以为不同的工作状态设置不同的用于控制上肢康复机器人中的电机停止运行的中断装置，这个中断装置也可以称之为看门狗，可以认为是一种内嵌在***中的软件程序或者协议，用于触发进行安全保护。

为了使得电机可以随时被停止，而无需等到状况发生以后再终止电机的运行，以便对一些意外情况进行处理，可以在设置急停开关，从而实现快速的电机急停处理。

在一个实施例中，不同类型的运动数据对应不同的控制装置，例如：用于对伸缩臂的运动力度进行控制的控制装置，与用于对伸缩臂的运动范围进行控制的控制装置就是不同的，不同的控制装置之间采用串联的方式进行连接。即，对于上述的几种工作情况的中断装置相互之间是级联的，也就是串联的，只要有一个中断装置控制电机关闭，那么整个***都会停止，即，任何一个都可以打开或切断电机电源。

下面结合一个具体的实施例，来对本发明上述实施例进行具体描述，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地描述本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在本例中，提供了一种对上肢康复机器人进行安全保护的安全***，该***通过多个看门狗，对任务控制处理器、联合控制器、和安全处理器进行控制和保护，其中，任务控制处理器主要是对***运行次数的管理，联合控制器主要是对伸缩臂的作用力的管理、安全处理器主要是对伸缩臂的伸缩范围的管理。进一步的，每个处理器本身都具备直接生成驱动模块（Actuators and Drives）可执行命令的功能。

下面对用于上述三个处理器控制器的看门狗进行具体描述：

任务控制处理器（Task Controller Processor）的看门狗是内嵌于固件（Firmware）中，在***开始运行的时候也就相应的启动了看门狗的计数器，看门狗开始自动计数，当计数器的计数达到一定的时间还未清空看门狗，那么看门狗计数器就会溢出，从而引起看门狗中断，电机停止运行，***复位，从而可以有效防止MCU死机.，在任务控制处理器中，看门狗的主要作用就是防止程序跑飞。

联合控制器（Joint Controller Processor）的看门狗是固件和软件之间的一项通讯协议，当传感器（Endpoint Force Sensor）所感知的力大于预先设定的安全阈值时，该值经过联合控制器（Joint Controller Processor）计算后输入安全***（Safe System）,并转化为驱动模块（Actuator and Drives）的可执行命令，从而实现对电机（Motor）的刹车保护。

安全处理器（Safety Processor）的看门狗是软件内部的限位控制程序，通过该程序规定了伸缩臂运动端在X、Y、Z方向上的最大运动范围，当安全处理器（SafetyProcessor）的看门狗判断出运动端位置不在规定范围时，即生成电机的可执行命令，控制电机停止工作。

进一步的，可以安装紧急按钮，具体的，可以在医观屏的上方，或者是机械臂在中间位置时对应的主机正下方设置急停开关，只需要按下医观屏上方的急停开关或者拔下前方的急停开关，都可以使得电机45失电。

行程限位主要包括：电气限位（Electrical Limiter）和机械限位（MechanicalLimiter），正如上述所述的电气限位和机械限位都需要在X、Y、Z的两端分别设置相应的限位装置。

具体的，电器限位是在X、Y、Z三轴的运动方向的两端都设置光电传感器（Photoelectric Sensor）。当上述安全控制器的看门狗失效时，如果X、Y、Z三个方向的运动超过光电传感器的安装位置，传感器会发出指令，控制电机停止运行。机械限位是在X、Y、Z三轴的运动方向的两端都设置机械硬限位装置，从位置的设置而言，机械限位装置都是设置在光电传感器的外延位置，当电气限位的失效时，三个方向运动到机械限位装置时，均会因机械外力的作用停止。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种上肢康复机器人的安全控制装置，如下面的实施例所述。由于上肢康复机器人的安全控制装置解决问题的原理与上肢康复机器人的安全控制方法相似，因此上肢康复机器人的安全控制装置的实施可以参见上肢康复机器人的安全控制方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图3是本发明实施例的上肢康复机器人的安全控制装置的一种结构框图，如图3所示，包括：第一确定模块301、第一获取模块302、第一生成模块303和第一发送模块304，下面对该结构进行说明。

第一确定模块301，用于确定允许上肢康复机器人电机运转的所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据限值；

第一获取模块302，用于实时获取所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据；

第一生成模块303，用于在所述运动数据超出所述运动数据限值的情况下，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令；

第一发送模块304，用于将所述控制指令发送给所述电机。

在一个实施例中，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数限值。

在一个实施例中，上述装置还包括：第二生成模块，用于在所述上肢康复机器人的伸缩臂的运动次数超出运动数据范围的情况下，生成对计数器进行复位操作的复位指令，其中，所述计数器用于统计所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；第二发送模块，用于将所述复位指令发送给所述计数器。

在一个实施例中，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值。

在一个实施例中，上述装置还包括：第二获取模块，用于获取所述上肢康复机器人中的光电传感器采集到的数据，其中，所述光电传感器用于采集所述伸缩臂的运动距离；第二确定模块，用于确定所述光电传感器采集到的运动距离数据是否超出所述光电传感器的安装位置；第三生成模块，用于在确定是的情况下，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令。

在一个实施例中，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据还包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度限值。

在另外一个实施例中，还提供了一种软件，该软件用于执行上述实施例及优选实施方式中描述的技术方案。

在另外一个实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有上述软件，该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：通过实时检测上肢康复机器人伸缩臂的运动数据，确定当前伸缩臂的运动数据是否超出了伸缩臂的运动数据限值，如果超出了限值，则表明当前的操作是有风险的，在这个时候就产生控制指令以停止上肢康复机器人电机的运转，也就相当于关闭了上肢康复机器人，通过这种方式可以有效解决现有技术中在上肢康复机器人出现故障的时候没有有效的解决方案进行处理，而导致的安全隐患的产生的技术问题，达到了提高上肢康复机器人的安全性的技术效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种上肢康复机器人的安全控制方法，其特征在于，包括：

确定允许上肢康复机器人电机运转的所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据限值；

实时获取所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据；

当所述运动数据超出所述运动数据限值时，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令；

将所述控制指令发送给所述电机。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数限值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述上肢康复机器人的伸缩臂的运动次数超出运动数据范围的情况下，所述方法还包括：

生成对计数器进行复位操作的复位指令，其中，所述计数器用于统计所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；

将所述复位指令发送给所述计数器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值包括：所述伸缩臂在X方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Y方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Z方向上的运动范围限值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述上肢康复机器人中的光电传感器采集到的数据，其中，所述光电传感器用于采集所述伸缩臂的运动距离；

确定所述光电传感器采集到的运动距离数据是否超出所述光电传感器的安装位置；

如果是，则生成用于控制所述电机停止运转的控制指令。

7.如权利要求2或4所述的方法，其特征在于，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据还包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度限值。

8.一种上肢康复机器人的安全控制装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于确定允许上肢康复机器人电机运转的所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据限值；

第一获取模块，用于实时获取所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据；

第一生成模块，用于在所述运动数据超出所述运动数据限值的情况下，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令；

第一发送模块，用于将所述控制指令发送给所述电机。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数限值。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：

第二生成模块，用于在所述上肢康复机器人的伸缩臂的运动次数超出运动数据范围的情况下，生成对计数器进行复位操作的复位指令，其中，所述计数器用于统计所述上肢康复机器人伸缩臂的运动次数；

第二发送模块，用于将所述复位指令发送给所述计数器。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述上肢康复机器人伸缩臂的运动距离限值包括：所述伸缩臂在X方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Y方向上的运动范围限值、所述伸缩臂在Z方向上的运动范围限值。

13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括：

第二获取模块，用于获取所述上肢康复机器人中的光电传感器采集到的数据，其中，所述光电传感器用于采集所述伸缩臂的运动距离；

第二确定模块，用于确定所述光电传感器采集到的运动距离数据是否超出所述光电传感器的安装位置；

第三生成模块，用于在确定是的情况下，生成用于控制所述电机停止运转的控制指令。

14.如权利要求9或11所述的装置，其特征在于，上肢康复机器人伸缩臂的运动数据还包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度；所述运动数据限值包括：所述上肢康复机器人伸缩臂的运动力度限值。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，不同类型的运动数据对应不同的控制装置，不同的控制装置之间采用串联的方式进行连接。