CN113996025A - 平面康复镜像机器人控制***及训练模式实现方法 - Google Patents

平面康复镜像机器人控制***及训练模式实现方法 Download PDF

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于园园
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Abstract

本发明涉及一种平面康复镜像机器人控制***及训练模式实现方法，包括机器人控制模块、镜像控制模块、工控机和树莓派；所述机器人控制模块采集机器人力和运动数据送树莓派，树莓派转换数据后送工控机，镜像控制模块捕捉机器人运动数据送工控机，工控机控制机器人控制模块和镜像控制模块在设定的训练模式下协调工作。将上肢平面康复机器人与镜像装置结合在一起，解决了传统镜像疗法无牵引装置、平面机器人无法有效刺激运动神经元的难题，在患者进行镜像疗法的同时，通过平面机器人的牵引带动患者运动。将力觉刺激和视觉刺激相结合，有效提升患者的康复效率和效果。

Description

平面康复镜像机器人控制***及训练模式实现方法
技术领域
本发明涉及一种医疗康复设备技术，特别涉及一种平面康复镜像机器人控制***及训练模式实现方法。
背景技术
随着中国人口老龄化的不断加剧，以及当代社会“三高”人群的增长，脑中枢神经***疾病的患者越来越多。为弥补相关康复理疗师的从业人员数量不足，越来越多的康复医疗器械被投入使用。平面康复机器人因具有结构简单、体积小、成本低、稳定性强等优点，在康复临床上被广泛地投入使用；此外，近几年出现的镜像疗法也在脑中枢神经损害病人的肢体功能障碍康复中有着显著的疗效。将镜像疗法和机器人相结合的康复方式已经应用在临床上，但是目前尚没有将镜像疗法和平面机器人相结合的产品问世。
目前已有的上肢康复机器人骨骼式的上肢机器人***，多关节设计，控制难度高，控制箱笨重，机械复杂不灵活，安全性能有待提高；控制模式单一，不能有效覆盖全周期的康复患者，尤其针对早期患者，尚没有将(非)实时镜像和机器人组合应用。患者无法积极主动参与其中，不能有效调动患侧的残余肢体力。同时不能科学合理的记录运动数据及评估患者康复效果。
发明内容
针对上肢康复机器人现在存在的问题，提出了一种平面康复镜像机器人控制***及训练模式实现方法，训练模式丰富，采用镜像装置和平面机器人相结合，将力觉和视觉相结合，提高康复效率。
本发明的技术方案为：一种平面康复镜像机器人控制***，包括机器人控制模块、镜像控制模块、工控机和树莓派；所述机器人控制模块采集机器人力和运动数据送树莓派，树莓派转换数据后送工控机，镜像控制模块捕捉机器人运动数据送工控机，工控机控制机器人控制模块和镜像控制模块在设定的训练模式下协调工作。
优选的，所述机器人控制模块包括数据采集模块、运动控制模块和安全保护模块；
所述数据采集模块包括二维力传感器及其采集放大器，二维力传感器安装在机械臂末端，采集放大器安装在控制箱中，二维力传感器采集的患者和机械臂手柄处的平面接触力通过采集放大器变成模拟量传输到树莓派，再通过TCP/IP传输到工控机，并存储在工控机内的数据库中供数据评估或处理；
所述运动控制模块包括伺服电机及其驱动器，2路电机分别安装在机械臂基座上和中间关节上，对应的伺服驱动器安装在控制箱中，关节运动速度及位置信息经绝对编码器传输到树莓派,再通过TCP/IP传输到工控机，并存储在工控机内的数据库中供数据评估或处理；
所述安全保护模块包括限位开关、急停开关，所述限位开关安装在机械臂的运动极限位置，所述急停开关安装在控制箱外壳两侧上，用于在紧急情况下切断开关电源。
优选的，所述镜像控制模块包括视频采集模块、人机交互模块；
所述视频采集模块包括相机，相机安装在显示器上方，用于采集健侧带动数据采集器或机器人运动的轨迹视频；
所述人机交互模块包括显示器及触摸屏，显示器作为人机交互界面，通过HDMI接口和所述工控机相连，触摸屏用于直接触摸操作，实现显示器的分屏，显示提供给用户的训练模式。
优选的，所述工控机中包括任务分配模块、运动控制模块、数据管理模块、逻辑处理模块、人机交互模块和接口通讯模块；
所述任务分配模块对运动控制模块、数据管理模块、人机交互模块和接口通讯模块进行任务分配；
所述运动控制模块在不同训练模式的选择下通过内置轨迹运动程序对2路电机的运动进行控制；
所述数据管理模块包括采集并处理关节实际角度数据,将编码器数据转换成关节的实际转动角度值；采集并处理末端二维力传感器数据,转换成实际X,Y方向的力值；采集并处理接收到的急停或限位开关的逻辑信号；以及采集并处理相机拍摄的运动轨迹视频，转换为镜像后的视频；
所述人机交互模块将控制***中需要显示的数据处理并发送到显示器和触摸屏；
所述接口通讯模块将运动控制模块中产生的控制指令下发送给树莓派，以及从树莓派中将接收到的数据上传给工控机中其他模块。
所述平面康复镜像机器人控制***的训练模式实现方法，训练模式中评估模式实现方法：包括范围和控制评估；
范围评估：上肢康复平面镜像机器人控制***在评估控制模式下选择范围评估，在显示器上选择范围评估，具体为：选择AROM或PROM两部分的评估，AROM指患侧自身主动拖动机器人的最大运动范围，PROM指在他人辅助患侧拖动机器人运动的最大范围，不进行评估时则回到评估模式选择界面；
当选择AROM主动运动范围评估时，患者患侧主动带动机器人运动；当选择PROM被动运动范围评估时，他人需辅助患者患侧带动机器人运动，通过带动电机转动来带动机械臂进行最大运动范围的移动，并根据机械臂的移动情况作出判断，当机械臂移动时，2路电机上的绝对值编码器数据实时传输到工控机中的数据处理模块中，数据处理将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应显示器上运动范围轨迹末端点的位置移动，上肢康复平面镜像机器人控制***同时记录下训练中的位置信息，并给出康复训练结果，并将PROM数据给到镜像及游戏模式中的运动范围参数设置，或者作为安全范围设限，当点击结束，会弹出提醒是否保存轨迹，若不保存该轨迹，可选择重新评估，屏幕中的轨迹被删除掉，重新开始录制；
控制评估：
上肢康复平面镜像机器人控制***在评估控制模式下选择控制评估，执行预先设置好的米字形游戏程序，患者患肢带动机械臂跟随光点的变化进行运动，具体为：在显示器上选择控制评估，选择控制评估是否进行，不进行控制评估时则回到评估模式选择界面；当控制评估进行时，患侧带动机器人运动跟随米字型端点的移动，带动伺服电机转动，从而带动机械臂，并根据机械臂的移动情况作出判断，当机械臂移动时，2路电机上的绝对值编码器数据实时传输到工控机中的数据采集处理模块中，数据采集处理将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应显示器上运动轨迹末端点的位置移动，实现控制控制下互动的效果，上肢康复平面镜像机器人控制***同时记录下训练中的数据信息，当点击结束，会弹出提醒是否保存轨迹，若不保存该轨迹，点击重新评估，屏幕中的轨迹被删除掉，重新开始录制，否则保存运动数据信息到工控机的数据库中，结束后给出控制评估结果：综合星级评定和轨迹一致性及平滑度、多方向完成度、运动速度、肌力大小各项参数大小或分值。
所述平面康复镜像机器人控制***的训练模式实现方法，训练模式中镜像模式实现方法：包括非实时和实时镜像训练；
非实时镜像训练：
上肢康复平面镜像机器人控制***在镜像模式的非实时镜像模式下，由健侧带动机械臂进行轨迹记录，同时相机录制视频；然后由轨迹镜像后的机器人带动患者患肢进行轨迹复现，同时屏幕呈现镜像后的视频；
实时镜像训练：
上肢康复平面镜像机器人控制***在镜像模式的实时镜像控制模式下，由健侧手握数据采集器进行轨迹记录，同时相机实时录制视频；然后由轨迹镜像后的机器人带动患者患肢进行轨迹复现，显示器中实时显示患者健侧的运动及健侧镜像后的对称运动，实现左右手的实时镜像运动。
所述平面康复镜像机器人控制***的训练模式实现方法，训练模式中游戏模式实现方法：包括主动控制和被动控制模式；
主动控制：上肢康复平面镜像机器人控制***在主动控制模式下，执行预先设置好的游戏程序，患者患肢带动机械臂运动，参与游戏的互动，同时机器人提供的阻力值根据患者的肌力恢复情况进行实时的调节，具体为：在显示器上选择游戏模式的主动控制，并进行阻力值的调节以及速度、范围及时间参数的选择，不进行游戏时则回到游戏模式参数选择界面，选择游戏轨迹和其他参数，不选择按照***默认参数进行游戏；
当游戏进行时，根据游戏程序中路径描述的笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应的关节的角度，同时电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器传输给工控机中的运动控制模块，二维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的2个力Fx，Fy数据反馈给工控机中的导纳控制模块，导纳控制模块根据末端力矩信息，机器人期望的关节信息及期望的笛卡尔空间的位置，速度，加速度信息，计算出下一周期的关节期望位置数据，并下发给电机控制模块；电机控制模块根据反馈的实时位置、速度数据和期望的位置，速度信息及期望的关节力矩信息，经过计算，得到电机下一周期的期望位置，速度和力矩信息发送给电机驱动器控制电机运转，同时判断是否已到游戏设置的时长或点击停止,若未结束则返回导纳控制闭环数据处理步骤，直至游戏结束，游戏过程中的运动数据同时被上肢康复平面镜像机器人控制***记录下，游戏结束时会给出训练总分等级和详细的训练结果报告；被动控制：
上肢被动康复机器人控制***在被动控制模式下，由机械臂带动患者患肢进行活动,同时机器人提供的助力值根据患者的肌力恢复情况进行实时的调节，具体为：在显示器上选择被动控制模式，并设置游戏参数，包括助力值的调节以及速度、范围及时间参数的选择，若未选择参数，将使用默认参数，不进行游戏时则回到游戏模式参数选择界面；当游戏执行时，根据选定的游戏程序路径描述的是笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，二维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的2个力Fx，Fy数据反馈给工控机中的阻抗控制模块去跟踪期望的轨迹，计算出下一周期的关节期望位置，速度及力矩信息并下发给电机控制模块，同时判断是否已到游戏设置的时长或点击停止，直至游戏结束，游戏过程中的运动数据同时也会被上肢康复平面镜像机器人控制***记录下，游戏结束时会给出训练总分等级和详细的训练结果报告。
本发明的有益效果在于：本发明平面康复镜像机器人控制***及训练模式实现方法，将上肢平面康复机器人与镜像装置结合在一起，解决了传统镜像疗法无牵引装置、平面机器人无法有效刺激运动神经元的难题，在患者进行镜像疗法的同时，通过平面机器人的牵引带动患者运动。将力觉刺激和视觉刺激相结合，有效提升患者的康复效率和效果。
附图说明
图1为本发明上肢康复机器人控制***的结构框图；
图2为本发明上肢康复机器人控制***评估模式的范围评估流程图；
图3为本发明上肢康复机器人控制***评估模式的控制评估流程图；
图4为本发明上肢康复机器人控制***镜像模式的非实时镜像流程图；
图5为本发明上肢康复机器人控制***镜像模式的实时镜像流程图；
图6为本发明上肢康复机器人控制***游戏模式的主动控制流程图；
图7为本发明上肢康复机器人控制***游戏模式的被动控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
平面康复镜像机器人控制***包括机器人控制模块、镜像控制模块、工控机和树莓派。所述机器人控制模块包括数据采集模块、运动控制模块和安全保护模块。所述镜像控制模块包括视频采集模块、人机交互模块。树莓派和工控机互相通讯，树莓派和工控机分别接收机器人控制模块和镜像控制模块采集的信息数据，同时工控机控制机器人控制模块和镜像控制模块协调工作。
如图1所示平面康复镜像机器人控制***结构框图，所述数据采集模块包括二维力传感器及其采集放大器，二维力传感器安装在机械臂末端，采集放大器安装在控制箱中，二维力传感器采集的患者和机械臂手柄处的平面接触力通过采集放大器变成模拟量传输到树莓派，再通过TCP/IP传输到工控机，并存储在工控机内的数据库中供后续数据评估或处理。
所述运动控制模块包括伺服电机及其驱动器，2路电机分别安装在机械臂基座上和中间关节上，对应的伺服驱动器安装在控制箱中。关节运动速度及位置信息经绝对编码器传输到树莓派,再通过TCP/IP传输到工控机，并存储在工控机内的数据库中供后续数据评估或处理。
所述安全保护模块包括限位开关、急停开关。所述限位开关安装在机械臂的运动极限位置，所述急停开关安装在控制箱外壳两侧上，用于在紧急情况下切断开关电源。
所述视频采集模块包括相机，相机安装在显示器上方，在镜像模式下用于采集健侧带动数据采集器或机器人运动的轨迹视频。
所述人机交互模块包括显示器及触摸屏，显示器作为人机交互界面，通过HDMI接口和所述工控机相连。触摸屏用于直接触摸操作，实现显示器的分屏，显示控制***软件提供给用户的训练模式。
工控机中控制***软件包括任务分配模块、运动控制模块、数据管理模块、逻辑处理模块、人机交互模块和接口通讯模块。
所述任务分配模块对运动控制模块、数据管理模块、人机交互模块和接口通讯模块进行任务分配。
所述运动控制模块在不同训练模式的选择下通过内置轨迹运动程序对2路电机的运动进行控制。
所述数据管理模块包括采集并处理关节实际角度数据,将编码器数据转换成关节的实际转动角度值；采集并处理末端二维力传感器数据,转换成实际X,Y方向的力值；采集并处理接收到的急停或限位开关的逻辑信号；以及采集并处理相机拍摄的运动轨迹视频，转换为镜像后的视频。
所述人机交互模块将控制***中需要显示的数据处理并发送到显示器和触摸屏。
所述接口通讯模块将运动控制模块中产生的控制指令下发送给树莓派，以及从树莓派中将接收到的数据上传给工控机中其他模块。
所述控制***软件提供给用户的训练模式包括评估模式、镜像模式、游戏模式。所述评估模式包括范围评估及控制评估，镜像模式包括实时镜像和非实时镜像，游戏模式包括主动训练和被动训练。以下对不同的训练模式的控制方法将逐一描述。
一、评估模式控制方法
上肢康复平面镜像机器人控制***在评估控制模式下进行范围和控制评估。
对于新用户，在进行首次评估之前，***会提醒患者进行健侧的评估记录，以此为标准进行评估参数的有效比对和评估结果的准确输出。
(1)范围评估
上肢康复平面镜像机器人控制***在评估控制模式下选择范围评估，范围评估控制模式的工作流程图见图2，具体为：在显示器上选择范围评估，选择AROM或PROM两部分的评估。AROM(主动运动范围)是患侧自身主动拖动机器人的最大运动范围，PROM(被动运动范围)是在他人辅助患侧拖动机器人运动的最大范围。不进行评估时则回到评估模式选择界面。当选择AROM主动运动范围评估时，患者患侧主动带动机器人运动；当选择PROM被动运动范围评估时，他人需辅助患者患侧带动机器人运动。通过带动电机转动来带动机械臂进行最大运动范围的移动，并根据机械臂的移动情况作出判断，当机械臂移动时，2路电机上的绝对值编码器数据实时传输到工控机中的数据处理模块中，数据处理将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应显示器上运动范围轨迹末端点的位置移动，上肢康复平面镜像机器人控制***同时记录下训练中的位置信息，并给出康复训练结果，并将PROM数据给到后续的镜像及游戏模式中的运动范围参数设置，或者作为安全范围设限。当点击结束，会弹出提醒是否保存轨迹，若不保存该轨迹，可以选择重新评估，屏幕中的轨迹被删除掉，重新开始录制。
(2)控制评估
上肢康复平面镜像机器人控制***在评估控制模式下选择控制评估，执行预先设置好的米字形游戏程序，患者患肢带动机械臂跟随光点的变化进行运动。控制评估模式的工作流程图见图3，具体为：在显示器上选择控制评估，选择控制评估是否进行，不进行控制评估时则回到评估模式选择界面。当控制评估进行时，患侧带动机器人运动跟随米字型端点的移动，带动伺服电机转动，从而带动机械臂，并根据机械臂的移动情况作出判断，当机械臂移动时，2路电机上的绝对值编码器数据实时传输到工控机中的数据采集处理模块中，数据采集处理将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应显示器上运动轨迹末端点的位置移动，实现控制控制下互动的效果，上肢康复平面镜像机器人控制***同时记录下训练中的数据信息：通过沿着米字型轨迹的运动，可以评估患者的轨迹一致性及平滑度，多方向完成度，运动速度，肌力大小等。根据评估的数据分析康复训练效果,也可在游戏及镜像模式作为参数设置参考。当点击结束，会弹出提醒是否保存轨迹，若不保存该轨迹，点击重新评估，屏幕中的轨迹被删除掉，重新开始录制。否则保存运动数据信息到工控机的数据库中。结束后给出控制评估结果：综合星级评定和各项参数大小或分值(轨迹一致性及平滑度，多方向完成度，运动速度，肌力大小)。
二、镜像模式控制方法
上肢康复平面镜像机器人控制***在镜像模式下,可选择进行非实时和实时镜像训练。
(1)非实时镜像
上肢康复平面镜像机器人控制***在镜像模式的非实时镜像模式下，由健侧带动机械臂进行轨迹记录，同时相机录制视频。然后由轨迹镜像后的机器人带动患者患肢进行轨迹复现，同时屏幕呈现镜像后的视频。非实时镜像模式的工作流程图见图4，具体为：在显示器上选择镜像模式下的非实时镜像控制模式，并选择已有轨迹，若尚未录制健侧视频，相机会被打开，提醒健侧手放在机器人上，点击开始录制，机器人会带动健侧完成轨迹，同时相机录制轨迹视频。点击结束录制，可以选择回看确认是否保存视频，当选择保存视频时，视频将被保存在工控机的数据库中，并通过镜像程序处理。
当选择自定义添加轨迹，点击添加轨迹，需要打开相机，健侧手放在机器人上，点击开始录制，屏幕上会显示安全范围，健侧手拖动机器人开始在安全范围内进行自定义轨迹的轨迹录制，点击结束录制，相机关闭录制，机器人停止运动，显示器提示是否回看已录制的轨迹，当录制轨迹确认保存后，录制好的视频会保存在工控机的数据库并经视频镜像程序处理；机器人的轨迹信息会下发给树莓派中，轨迹经镜像程序处理后给机器人进行轨迹复现。
当选择已经包含录制视频的轨迹后，设置运动时间,点击开始训练后,机器人首先移动到轨迹起始点，显示器动图弹窗提醒把患侧手放在机器人手托上，准备完成可以点击开始，机器人拖动患侧手进行镜像后的轨迹复现，同时屏幕上播放镜像后的视频。当完成轨迹的复现后在若未达到设置时间，将进行视频循环播放和机器人循环轨迹复现。最终若达到设置时间，但尚未完成该整条轨迹复现，将继续完成该条轨迹。训练结束后运动数据会被保留在工控机中，同时生成训练评分显示出来。
(2)实时镜像
上肢康复平面镜像机器人控制***在镜像模式的实时镜像控制模式下，由健侧手握数据采集器进行轨迹记录，同时相机实时录制视频。然后由轨迹镜像后的机器人带动患者患肢进行轨迹复现，显示器中实时显示患者健侧的运动及健侧镜像后的对称运动。实现左右手的实时镜像运动。实时镜像模式的工作流程图见图5，具体为：在显示器上选择实时镜像模式，点击开始训练，相机会被打开，提醒健侧手握数据采集器，患侧手放在机器人的手托上，再点击开始运动后，相机录制的健侧运动视频将实时被镜像程序处理并对称的呈现在屏幕上。同时数据采集器采集患者健侧上肢运动数据进行健侧运动轨迹记录，同时采集到的运动轨迹数据实时传送给工控机，工控机根据健侧上肢的运动轨迹数据计算出患侧上肢应进行的镜像运动，并将计算出的镜像运动的控制参数传送给伺服驱动器，伺服驱动器控制机器人带动患侧上肢跟随健侧上肢进行实时镜像运动。实时镜像训练仅适用于早期单侧手臂无肌力的患者。
三、游戏模式控制方法
(1)主动控制
上肢康复平面镜像机器人控制***在主动控制模式下，执行预先设置好的游戏程序，患者患肢带动机械臂运动，参与游戏的互动，同时机器人提供的阻力值可以根据患者的肌力恢复情况进行实时的调节，帮助患者更灵活参与康复治疗，提高康复效果。主动控制模式的工作流程图见图6，具体为：在显示器上选择游戏模式的主动控制，并进行阻力值的调节以及其他参数(速度、范围及时间)的选择，不进行游戏时则回到游戏模式参数选择界面，选择游戏轨迹和其他参数，不选择按照***默认参数进行游戏。
当游戏进行时，根据游戏程序中路径描述的笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应的关节的角度，同时电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器传输给工控机中的运动控制模块，二维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的2个力Fx，Fy数据反馈给工控机中的导纳控制模块，导纳控制模块根据末端力矩信息，机器人期望的关节信息及期望的笛卡尔空间的位置，速度，加速度信息，计算出下一周期的关节期望位置数据，并下发给电机控制模块。电机控制模块根据反馈的实时位置、速度数据和期望的位置，速度信息及期望的关节力矩信息，经过计算，得到电机下一周期的期望位置，速度和力矩信息发送给电机驱动器控制电机运转，(运动控制模块,运动控制模块将绝对值编码器反馈的实际值与从游戏程序中获得转换后的位置值进行比较，做位置值的补偿，得到位置环的期望输入值,然后将各关节期望位置值与导纳控制方程应用参数采用导纳控制闭环数据处理，)同时判断是否已到游戏设置的时长或点击停止,若未结束则返回导纳控制闭环数据处理步骤，直至游戏结束。游戏过程中的运动数据同时也会被上肢康复平面镜像机器人控制***记录下，游戏结束时会给出训练总分等级和详细的训练结果报告，方便患者和医生进行查询。
(2)被动控制
上肢被动康复机器人控制***在被动控制模式下，由机械臂带动患者患肢进行活动,同时机器人提供的助力值可以根据患者的肌力恢复情况进行实时的调节，帮助患者更灵活参与康复治疗，提高康复效果。被动控制模式的工作流程图见图7，具体为：在显示器上选择被动控制模式，并设置游戏参数(助力值的调节以及其他参数的选择(速度、范围及时间))，若未选择参数，将使用默认参数，不进行游戏时则回到游戏模式参数选择界面。当游戏执行时，根据选定的游戏程序路径描述的是笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，二维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的2个力Fx，Fy数据反馈给工控机中的阻抗控制模块去跟踪期望的轨迹，计算出下一周期的关节期望位置，速度及力矩信息并下发给电机控制模块(运动控制模块，转换为电机三环控制方程应用参数，然后将各关节位置环期望位置值与三环控制方程应用参数采用控制闭环数据处理，并判断数据处理是否完成，若数据处理完成，则完成力矩模式下控制电机转动确定的角度，带动机械臂关节转动确定角度，若数据处理未完成，则返回控制闭环数据处理步骤，继续进行数据处理，)同时判断是否已到游戏设置的时长或点击停止，直至游戏结束。游戏过程中的运动数据同时也会被上肢康复平面镜像机器人控制***记录下，游戏结束时会给出训练总分等级和详细的训练结果报告，方便患者和医生进行查询。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种平面康复镜像机器人控制***，其特征在于，包括机器人控制模块、镜像控制模块、工控机和树莓派；所述机器人控制模块采集机器人力和运动数据送树莓派，树莓派转换数据后送工控机，镜像控制模块捕捉机器人运动数据送工控机，工控机控制机器人控制模块和镜像控制模块在设定的训练模式下协调工作。
2.根据权利要求1所述平面康复镜像机器人控制***，其特征在于，所述机器人控制模块包括数据采集模块、运动控制模块和安全保护模块；
所述数据采集模块包括二维力传感器及其采集放大器，二维力传感器安装在机械臂末端，采集放大器安装在控制箱中，二维力传感器采集的患者和机械臂手柄处的平面接触力通过采集放大器变成模拟量传输到树莓派，再通过TCP/IP传输到工控机，并存储在工控机内的数据库中供数据评估或处理；
所述运动控制模块包括伺服电机及其驱动器，2路电机分别安装在机械臂基座上和中间关节上，对应的伺服驱动器安装在控制箱中，关节运动速度及位置信息经绝对编码器传输到树莓派,再通过TCP/IP传输到工控机，并存储在工控机内的数据库中供数据评估或处理；
所述安全保护模块包括限位开关、急停开关，所述限位开关安装在机械臂的运动极限位置，所述急停开关安装在控制箱外壳两侧上，用于在紧急情况下切断开关电源。
3.根据权利要求1或2所述平面康复镜像机器人控制***，其特征在于，所述镜像控制模块包括视频采集模块、人机交互模块；
所述视频采集模块包括相机，相机安装在显示器上方，用于采集健侧带动数据采集器或机器人运动的轨迹视频；
所述人机交互模块包括显示器及触摸屏，显示器作为人机交互界面，通过HDMI接口和所述工控机相连，触摸屏用于直接触摸操作，实现显示器的分屏，显示提供给用户的训练模式。
4.根据权利要求3所述平面康复镜像机器人控制***，其特征在于，所述工控机中包括任务分配模块、运动控制模块、数据管理模块、逻辑处理模块、人机交互模块和接口通讯模块；
所述任务分配模块对运动控制模块、数据管理模块、人机交互模块和接口通讯模块进行任务分配；
所述运动控制模块在不同训练模式的选择下通过内置轨迹运动程序对2路电机的运动进行控制；
所述数据管理模块包括采集并处理关节实际角度数据,将编码器数据转换成关节的实际转动角度值；采集并处理末端二维力传感器数据,转换成实际X,Y方向的力值；采集并处理接收到的急停或限位开关的逻辑信号；以及采集并处理相机拍摄的运动轨迹视频，转换为镜像后的视频；
所述人机交互模块将控制***中需要显示的数据处理并发送到显示器和触摸屏；
所述接口通讯模块将运动控制模块中产生的控制指令下发送给树莓派，以及从树莓派中将接收到的数据上传给工控机中其他模块。
5.根据权利要求4所述平面康复镜像机器人控制***的训练模式实现方法，其特征在于，训练模式中评估模式实现方法：包括范围和控制评估；
范围评估：上肢康复平面镜像机器人控制***在评估控制模式下选择范围评估，在显示器上选择范围评估，具体为：选择AROM或PROM两部分的评估，AROM指患侧自身主动拖动机器人的最大运动范围，PROM指在他人辅助患侧拖动机器人运动的最大范围，不进行评估时则回到评估模式选择界面；
当选择AROM主动运动范围评估时，患者患侧主动带动机器人运动；当选择PROM被动运动范围评估时，他人需辅助患者患侧带动机器人运动，通过带动电机转动来带动机械臂进行最大运动范围的移动，并根据机械臂的移动情况作出判断，当机械臂移动时，2路电机上的绝对值编码器数据实时传输到工控机中的数据处理模块中，数据处理将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应显示器上运动范围轨迹末端点的位置移动，上肢康复平面镜像机器人控制***同时记录下训练中的位置信息，并给出康复训练结果，并将PROM数据给到镜像及游戏模式中的运动范围参数设置，或者作为安全范围设限，当点击结束，会弹出提醒是否保存轨迹，若不保存该轨迹，可选择重新评估，屏幕中的轨迹被删除掉，重新开始录制；
控制评估：
上肢康复平面镜像机器人控制***在评估控制模式下选择控制评估，执行预先设置好的米字形游戏程序，患者患肢带动机械臂跟随光点的变化进行运动，具体为：在显示器上选择控制评估，选择控制评估是否进行，不进行控制评估时则回到评估模式选择界面；当控制评估进行时，患侧带动机器人运动跟随米字型端点的移动，带动伺服电机转动，从而带动机械臂，并根据机械臂的移动情况作出判断，当机械臂移动时，2路电机上的绝对值编码器数据实时传输到工控机中的数据采集处理模块中，数据采集处理将对应关节在关节坐标系下的实际角度转换成笛卡尔坐标系下的空间位置，该空间位置的变换对应显示器上运动轨迹末端点的位置移动，实现控制控制下互动的效果，上肢康复平面镜像机器人控制***同时记录下训练中的数据信息，当点击结束，会弹出提醒是否保存轨迹，若不保存该轨迹，点击重新评估，屏幕中的轨迹被删除掉，重新开始录制，否则保存运动数据信息到工控机的数据库中，结束后给出控制评估结果：综合星级评定和轨迹一致性及平滑度、多方向完成度、运动速度、肌力大小各项参数大小或分值。
6.根据权利要求4所述平面康复镜像机器人控制***的训练模式实现方法，其特征在于，训练模式中镜像模式实现方法：包括非实时和实时镜像训练；
非实时镜像训练：
上肢康复平面镜像机器人控制***在镜像模式的非实时镜像模式下，由健侧带动机械臂进行轨迹记录，同时相机录制视频；然后由轨迹镜像后的机器人带动患者患肢进行轨迹复现，同时屏幕呈现镜像后的视频；
实时镜像训练：
上肢康复平面镜像机器人控制***在镜像模式的实时镜像控制模式下，由健侧手握数据采集器进行轨迹记录，同时相机实时录制视频；然后由轨迹镜像后的机器人带动患者患肢进行轨迹复现，显示器中实时显示患者健侧的运动及健侧镜像后的对称运动，实现左右手的实时镜像运动。
7.根据权利要求4所述平面康复镜像机器人控制***的训练模式实现方法，其特征在于，训练模式中游戏模式实现方法：包括主动控制和被动控制模式；
主动控制：上肢康复平面镜像机器人控制***在主动控制模式下，执行预先设置好的游戏程序，患者患肢带动机械臂运动，参与游戏的互动，同时机器人提供的阻力值根据患者的肌力恢复情况进行实时的调节，具体为：在显示器上选择游戏模式的主动控制，并进行阻力值的调节以及速度、范围及时间参数的选择，不进行游戏时则回到游戏模式参数选择界面，选择游戏轨迹和其他参数，不选择按照***默认参数进行游戏；
当游戏进行时，根据游戏程序中路径描述的笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应的关节的角度，同时电机转动的实际角度值会通过绝对值编码器传输给工控机中的运动控制模块，二维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的2个力Fx，Fy数据反馈给工控机中的导纳控制模块，导纳控制模块根据末端力矩信息，机器人期望的关节信息及期望的笛卡尔空间的位置，速度，加速度信息，计算出下一周期的关节期望位置数据，并下发给电机控制模块；电机控制模块根据反馈的实时位置、速度数据和期望的位置，速度信息及期望的关节力矩信息，经过计算，得到电机下一周期的期望位置，速度和力矩信息发送给电机驱动器控制电机运转，同时判断是否已到游戏设置的时长或点击停止,若未结束则返回导纳控制闭环数据处理步骤，直至游戏结束，游戏过程中的运动数据同时被上肢康复平面镜像机器人控制***记录下，游戏结束时会给出训练总分等级和详细的训练结果报告；被动控制：
上肢被动康复机器人控制***在被动控制模式下，由机械臂带动患者患肢进行活动,同时机器人提供的助力值根据患者的肌力恢复情况进行实时的调节，具体为：在显示器上选择被动控制模式，并设置游戏参数，包括助力值的调节以及速度、范围及时间参数的选择，若未选择参数，将使用默认参数，不进行游戏时则回到游戏模式参数选择界面；当游戏执行时，根据选定的游戏程序路径描述的是笛卡尔坐标系下机械臂末端位置的空间轨迹，工控机中的运动控制模块中的轨迹运动程序通过逆解将笛卡尔坐标系下的空间轨迹上点的位置转换成机械臂上对应关节的指令角度，二维力传感器将患者患肢末端施加在机械臂上空间方向的2个力Fx，Fy数据反馈给工控机中的阻抗控制模块去跟踪期望的轨迹，计算出下一周期的关节期望位置，速度及力矩信息并下发给电机控制模块，同时判断是否已到游戏设置的时长或点击停止，直至游戏结束，游戏过程中的运动数据同时也会被上肢康复平面镜像机器人控制***记录下，游戏结束时会给出训练总分等级和详细的训练结果报告。
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