CN110812125A - 一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及*** - Google Patents

一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及***。所述康复训练方法包括：采集患者日常生活活动训练ADL训练时健侧手部的加速度和姿态角；根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数；基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数；所述患侧手部位姿参数为六自由度机械臂的机械臂末端位姿参数；根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数；根据所述机械臂各关节位姿参数生成健侧手部运动轨迹；根据所述健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练。采用本发明所提供的康复训练方法及***能够提高康复训练效果以及增加患者的主动性。

Description

一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及***
技术领域
本发明涉及康复训练领域，特别是涉及一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及***。
背景技术
随着老龄化社会的到来，脑卒中逐渐成为运动功能障碍和偏瘫的主要原因，尤其手部功能障碍对患者的生活产生了许多不便，因此近年来对于上肢的康复训练***成为康复研究的热点。
通过引导患者进行运动，可以达到预防残疾和改善患者运动功能的效果，但在常规的康复训练中，一般是手臂在康复设备的控制下进行单一的运动训练；这样的训练方式通常会导致大脑皮层对重复运动的刺激性越来越低，以至于康复的效果差强人意。
因此，面向镜像治疗的患者基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法应时而生，利用镜像装置，将健侧肢体活动的画面复制到患侧，患者通过这样的视觉反馈，进行运动观察、模仿以及再学***面镜或结合透镜进行，即“经典的镜像治疗始终依托一面镜子”，这种传统的镜像疗法容易受到镜像装置的限制、没有统一的量化标准并且在创新上难以突破，在训练过程中，由于刚开始复健时，患者的肢体无法完全依照自己的思想进行训练，导致患者的主动性差，无法积极进行康复训练。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及***，以解决目前的镜像疗法受镜像装置的限制、没有统一的量化标准导致康复训练效果差以及患者的主动性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法，包括：
采集患者日常生活活动训练ADL训练时健侧手部的加速度和姿态角；
根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数；
基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数；所述患侧手部位姿参数为六自由度机械臂的机械臂末端位姿参数；
根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数；
根据所述机械臂各关节位姿参数生成健侧手部运动轨迹；
根据所述健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练。
可选的，所述根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数，具体包括：
对所述加速度以及所述姿态角进行积分处理，确定健侧手部位姿参数。
可选的，所述基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数，具体包括：
利用公式[XJ YJ ZJ AJ BJ CJ]T＝[-XH -YH -ZH -AH -BH -CH]T确定患侧手部位姿参数；其中，T为患侧手部位姿参数；XJ,YJ,ZJ为健侧手部的位置参数；AJ,BJ,CJ为健侧手部位姿参数；J为健侧手部；XH,YH,ZH为患侧手部的位置参数；AH,BH,CH为患侧手部的位姿参数；H为患侧手部。
可选的，所述根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数，具体包括：
以机械臂任一关节为原点，建立空间直角坐标系；
在所述空间直角坐标系下，利用六自由度机械臂逆解算法，根据所述机械臂末端位姿参数确定所述机械臂各个关节的旋转角；
根据所述旋转角确定机械臂各关节位姿参数。
一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***，包括：
健侧手部加速度及姿态角采集模块，用于采集患者日常生活活动训练ADL训练时健侧手部的加速度和姿态角；
健侧手部位姿参数确定模块，用于根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数；
患侧手部位姿参数确定模块，用于基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数；所述患侧手部位姿参数为六自由度机械臂的机械臂末端位姿参数；
机械臂各关节位姿参数确定模块，用于根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数；
健侧手部运动轨迹生成模块，用于根据所述机械臂各关节位姿参数生成健侧手部运动轨迹；
控制模块，用于根据所述健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练。
可选的，所述健侧手部位姿参数确定模块具体包括：
健侧手部位姿参数确定单元，用于对所述加速度以及所述姿态角进行积分处理，确定健侧手部位姿参数。
可选的，所述患侧手部位姿参数确定模块具体包括：
患侧手部位姿参数确定单元，用于利用公式[XJ YJ ZJ AJ BJ CJ]T＝[-XH -YH -ZH-AH -BH -CH]T确定患侧手部位姿参数；其中，T为患侧手部位姿参数；XJ,YJ,ZJ为健侧手部的位置参数；AJ,BJ,CJ为健侧手部位姿参数；J为健侧手部；XH,YH,ZH为患侧手部的位置参数；AH,BH,CH为患侧手部的位姿参数；H为患侧手部。
可选的，所述机械臂各关节位姿参数确定模块具体包括：
空间直角坐标系建立单元，用于以机械臂任一关节为原点，建立空间直角坐标系；
旋转角确定单元，用于在所述空间直角坐标系下，利用六自由度机械臂逆解算法，根据所述机械臂末端位姿参数确定所述机械臂各个关节的旋转角；
机械臂各关节位姿参数确定单元，用于根据所述旋转角确定机械臂各关节位姿参数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及***，获取六自由度机械臂基于健侧手部的加速度和姿态角，利用镜像原理，生成健侧手部运动轨迹，六自由度机械臂根据健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练，不依赖于镜像装置的限制。由于是基于患者健侧手部的健侧手部运动轨迹，因此增加了患者的主动性与参与性，帮助患者进行全周期的上肢康复训练，有效提高患者的日常生活能力，同时，极大限度的降低了康复治疗的工作强度，减轻了康复师和医生的工作量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法流程图；
图2为本发明所提供的上肢康复机器人结构图；
图3为本发明所提供的机械手柄结构图；
图4为本发明所提供的镜像算法原理图；
图5为本发明所提供的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及***，提高了康复训练效果以及增加了患者的主动性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法流程图，如图1所示，一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法，包括：
步骤101：采集患者日常生活活动训练ADL训练时健侧手部的加速度和姿态角。
图2为本发明所提供的上肢康复机器人结构图，图3为本发明所提供的机械手柄结构图，如图2图3所示，复健过程中，患者握住机械手柄1，按住振动开关2给予手柄振动信号，提示手柄开始测量，惯性传感器4采集健侧手部(Activities ofDailyLiving，ADL)训练时的加速度和姿态角，并将得到的加速度和姿态角通过蓝牙模块3传输到服务器。
步骤102：根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数。
步骤103：基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数；所述患侧手部位姿参数为六自由度机械臂的机械臂末端位姿参数。
图4为本发明所提供的镜像算法原理图，如图4所示，服务器对加速度积分处理得到健侧手部位置参数，通过镜像原理将健侧手部位姿参数换算得到患侧手部位姿参数，即机械臂末端位姿参数。
所述步骤103具体包括：
利用公式[XJ YJ ZJ AJ BJ CJ]T＝[-XH -YH -ZH -AH -BH -CH]T确定患侧手部位姿参数；其中，T为患侧手部位姿参数；XJ,YJ,ZJ为健侧手部的位置参数；AJ,BJ,CJ为健侧手部位姿参数；J为健侧手部；XH,YH,ZH为患侧手部的位置参数；AH,BH,CH为患侧手部的位姿参数；H为患侧手部。
步骤104：根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数。
所述步骤104具体包括：
以机械臂任一关节为原点，建立空间直角坐标系；
在所述空间直角坐标系下，利用六自由度机械臂逆解算法，根据所述机械臂末端位姿参数确定所述机械臂各个关节的旋转角；
根据所述旋转角确定机械臂各关节位姿参数。
步骤105：根据所述机械臂各关节位姿参数生成健侧手部运动轨迹。
步骤106：根据所述健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练。
根据六自由度机械臂逆解算法得到机械臂各关节位姿参数，并根据各关节位姿参数控制机械臂带动患者的患侧手部按照健侧手部运动轨迹进行康复运动训练。
在实际应用中，根据六关节机械臂逆运动学问题的快速求解方法和机械臂末端位姿参数T求出机械臂各关节旋转角度(θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6)，根据各时刻的关节旋转角度控制机械臂带动患者的患侧手部按照健侧手部运轨迹进行康复运动训练。
对机械臂末端位姿参数T的求解来说，可采用现有相关技术，先求出机械臂第5关节的坐标系原点和第4、5、6个关节角的旋转角度(θ4 θ5 θ6)，再根据第5关节的坐标系原点的坐标以及第4、5、6个关节角的旋转角求出第1、2、3个关节角的旋转角度(θ1 θ2 θ3)。
其中，Cij表示为cosθicosθj；Sij表示为sinθi；θi表示机械臂各关节的关节角；li表示机械臂各关节的长度；i＝1.2.3...6j＝1.2.3...6；A1，A2，A3，A4，A5，A6为转换矩阵符号，表示每个关节的转换矩阵可参考机器人学。
图5为本发明所提供的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***结构图，如图5所示，一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***，包括：
健侧手部加速度及姿态角采集模块501，用于采集患者日常生活活动训练ADL训练时健侧手部的加速度和姿态角。
健侧手部位姿参数确定模块502，用于根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数。
所述健侧手部位姿参数确定模块502具体包括：健侧手部位姿参数确定单元，用于对所述加速度以及所述姿态角进行积分处理，确定健侧手部位姿参数。
患侧手部位姿参数确定模块503，用于基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数；所述患侧手部位姿参数为六自由度机械臂的机械臂末端位姿参数。
所述患侧手部位姿参数确定模块503具体包括：患侧手部位姿参数确定单元，用于利用公式[XJ YJ ZJ AJ BJ CJ]T＝[-XH -YH -ZH -AH -BH -CH]T确定患侧手部位姿参数；其中，T为患侧手部位姿参数；XJ,YJ,ZJ为健侧手部的位置参数；AJ,BJ,CJ为健侧手部位姿参数；J为健侧手部；XH,YH,ZH为患侧手部的位置参数；AH,BH,CH为患侧手部的位姿参数；H为患侧手部。
机械臂各关节位姿参数确定模块504，用于根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数。
所述机械臂各关节位姿参数确定模块504具体包括：空间直角坐标系建立单元，用于以机械臂任一关节为原点，建立空间直角坐标系；旋转角确定单元，用于在所述空间直角坐标系下，利用六自由度机械臂逆解算法，根据所述机械臂末端位姿参数确定所述机械臂各个关节的旋转角；机械臂各关节位姿参数确定单元，用于根据所述旋转角确定机械臂各关节位姿参数。
健侧手部运动轨迹生成模块505，用于根据所述机械臂各关节位姿参数生成健侧手部运动轨迹。
控制模块506，用于根据所述健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练。
在实际使用中的具体操作为：
健侧手部拿着1机械手柄做ADL训练运动，通过4惯性传感器采集健侧手部ADL训练时的加速度和姿态角参数，并将得到的数据通过2蓝牙模块传输到服务器。
上肢康复机器人中的服务器接受蓝牙传输的数据，并对其加速度积分处理得到健侧手部位置参数，通过镜像原理将健侧手部位姿参数换算得到患侧手部位姿参数，即机械臂末端位姿参数。
根据六自由度机械臂逆解算法得到机械臂各关节位姿参数，并根据各关节位姿参数控制机械臂带动患者的患侧手部按照健侧手部运动轨迹进行康复运动训练。
机械手柄1内置振动开关3和惯性传感器4，并带有蓝牙模块2。振动开关3用于响应振动控制惯性传感器开关4，惯性传感器4用于采集加速度信息，蓝牙模块2用于传输数据。
使用时，健侧手部握着机械手柄1做ADL训练运动，机械臂5得到数据，带动患侧手部按照健侧手部的运动轨迹进行康复训练运动，其中患侧手部与机械臂末端绑定在一起，从而增加了患者的主动性和参与性，使得患者更加积极参与康复训练。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法，其特征在于，包括：
采集患者日常生活活动训练ADL训练时健侧手部的加速度和姿态角；
根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数；
基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数；所述患侧手部位姿参数为六自由度机械臂的机械臂末端位姿参数；
根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数；
根据所述机械臂各关节位姿参数生成健侧手部运动轨迹；
根据所述健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练。
2.根据权利要求1所述的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法，其特征在于，所述根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数，具体包括：
对所述加速度以及所述姿态角进行积分处理，确定健侧手部位姿参数。
3.根据权利要求1所述的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法，其特征在于，所述基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数，具体包括：
利用公式[XJ YJ ZJ AJ BJ CJ]T＝[-XH-YH-ZH-AH-BH-CH]T确定患侧手部位姿参数；其中，T为患侧手部位姿参数；XJ,YJ,ZJ为健侧手部的位置参数；AJ,BJ,CJ为健侧手部位姿参数；J为健侧手部；XH,YH,ZH为患侧手部的位置参数；AH,BH,CH为患侧手部的位姿参数；H为患侧手部。
4.根据权利要求1所述的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法，其特征在于，所述根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数，具体包括：
以机械臂任一关节为原点，建立空间直角坐标系；
在所述空间直角坐标系下，利用六自由度机械臂逆解算法，根据所述机械臂末端位姿参数确定所述机械臂各个关节的旋转角；
根据所述旋转角确定机械臂各关节位姿参数。
5.一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***，其特征在于，包括：
健侧手部加速度及姿态角采集模块，用于采集患者日常生活活动训练ADL训练时健侧手部的加速度和姿态角；
健侧手部位姿参数确定模块，用于根据所述加速度以及所述姿态角确定健侧手部位姿参数；
患侧手部位姿参数确定模块，用于基于镜像原理，根据所述健侧手部位姿参数确定患侧手部位姿参数；所述患侧手部位姿参数为六自由度机械臂的机械臂末端位姿参数；
机械臂各关节位姿参数确定模块，用于根据所述机械臂末端位姿参数确定机械臂各关节位姿参数；
健侧手部运动轨迹生成模块，用于根据所述机械臂各关节位姿参数生成健侧手部运动轨迹；
控制模块，用于根据所述健侧手部运动轨迹控制患者的患侧手部进行康复运动训练。
6.根据权利要求5所述的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***，其特征在于，所述健侧手部位姿参数确定模块具体包括：
健侧手部位姿参数确定单元，用于对所述加速度以及所述姿态角进行积分处理，确定健侧手部位姿参数。
7.根据权利要求5所述的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***，其特征在于，所述患侧手部位姿参数确定模块具体包括：
患侧手部位姿参数确定单元，用于利用公式[XJ YJ ZJ AJ BJ CJ]T＝[-XH-YH-ZH-AH-BH-CH]T确定患侧手部位姿参数；其中，T为患侧手部位姿参数；XJ,YJ,ZJ为健侧手部的位置参数；AJ,BJ,CJ为健侧手部位姿参数；J为健侧手部；XH,YH,ZH为患侧手部的位置参数；AH,BH,CH为患侧手部的位姿参数；H为患侧手部。
8.根据权利要求5所述的基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练***，其特征在于，所述机械臂各关节位姿参数确定模块具体包括：
空间直角坐标系建立单元，用于以机械臂任一关节为原点，建立空间直角坐标系；
旋转角确定单元，用于在所述空间直角坐标系下，利用六自由度机械臂逆解算法，根据所述机械臂末端位姿参数确定所述机械臂各个关节的旋转角；
机械臂各关节位姿参数确定单元，用于根据所述旋转角确定机械臂各关节位姿参数。
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