基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法及装置

涉及绳驱下肢康复机器人的控制策略领域。

背景技术：

1、医学研究表明，下肢丧失正常行走功能的人需配合正确有效的复健理疗和康复运动来帮助其复健，使其逐渐康复。而传统的理疗疗法在应对现有的康复任务已尽显疲态，治疗师及其可提供的医疗服务极度缺乏和日益增长的病患及其对长期不间断康复训练的庞大需求之间产生了激烈矛盾。基于这种情况，作为医疗康复机器人的一个重要分支并广泛应用于下肢医学护理、康复治疗及肢体复健等方面的绳驱下肢康复机器人可以很好的缓解此矛盾，其具有轻量化和模块化等优点，可极大程度的辅助病患完成康复训练运动，促进肢体复健。

2、传统的康复训练主要是对病患患肢实施重复不间断的被动训练，以此来实现运动神经重塑和肢体复健。但是此方式效率极低，且因过于枯燥无趣味性而难以充分并持续调动病患于康复训练时的主观能动性，也对患肢全疗程的神经重塑和肢体康复无促进作用。故引入混合现实(mr)以提升训练过程中的趣味性及患者训练的积极性，混合现实是近年来以虚拟现实为基础发展而来的一种新兴技术，相较于虚拟现实，混合现实可以将真实及虚拟的人、场景和相关物体等结合起来，使得虚拟场景与现实相融合，在真实环境中叠加一个具有多种感官刺激的虚拟场景，包含有视、听、触和力等多感觉维度，构造出更贴近自然真实且不易造成用户疲劳的虚拟场景，并将其通过混合现实配戴设备展现给用户，人能以自然的方式与混合场景中的虚拟对象模型进行交互，有利于制定更为人性化、实用化及人机交互化的康复训练方案及模式。

3、现阶段基于混合现实的下肢康复机器人系统的研究大多都是聚焦于如何更好的将两种技术相结合及更优良的构建和协调各自技术软硬件间的联系，以完成将两者进行融合和协同应用的目标。但针对于混合现实与病患实际需求相适应，并将其充分应用和实践于实际康复训练当中，提高病患实际康复效率而提出的控制及康复训练策略方面的研究仍是一大片空白。以上情况在采用绳驱的肢康复机器人系统的研究方面会表现得尤为明显。由此可知现有关于基于混合现实的绳驱下肢康复控制机器人在系统控制及康复训练策略上的研究尚有相当不足。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的，现有的基于混合现实的下肢康复机器人系统，针对于混合现实与病患实际需求相适应，并将其充分应用和实践于实际康复训练当中，提高病患实际康复效率而提出的控制及康复训练策略方面的研究仍是一大片空白，基于混合现实的绳驱下肢康复控制机器人在系统控制及康复训练策略上的研究尚有相当不足的技术问题，本发明提供的技术方案为：

2、基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，所述方法包括通过计算机程序实现的以下步骤：

3、采集预设康复训练任务和对应的混合场景的步骤；

4、建立预设理想运动信号和所述场景的映射关系，基于此搭建混合现实场景的步骤；

5、采集运动信号，判断所述运动信号是否满足预设理想运动范围信号，若不满足，则输出使其满足所述运动范围的驱动信号的步骤。

6、进一步，提供一个优选实施方式，所述混合场景采用unity 3d的networking网络架构。

7、进一步，提供一个优选实施方式，所述判断步骤还包括：

8、设定时变刚度因子的步骤；

9、计算所述运动信号和预设运动范围信号的差值，基于差值的大小，根据预设判断标准，判断控制模式的步骤；

10、所述控制模式包括：患者主导模式、人机交互模式和机器主导模式；

11、所述患者主导模式中，所述驱动信号产生与所述运动信号的来源力相反的阻尼力；

12、所述人机交互模式中，所述驱动信号根据时变刚度因子产生作用于所述运动信号的来源力的辅助力；

13、所述机器主导模式中，所述驱动信号将产生阻尼力以限制所述运动信号的来源力。

14、进一步，提供一个优选实施方式，所述判断步骤还包括：

15、在所述控制模式的切换过程中，根据时变刚度因子，提供切换平滑度的步骤；

16、所述时变刚度因子通过预设的辅助函数得到。

17、进一步，提供一个优选实施方式，通过导纳模型，通过所述驱动信号提供的阻尼力和辅助力实时调整运动轨迹。

18、进一步，提供一个优选实施方式，所述运动信号通过azure kinect dk采集。

19、基于同一发明构思，本发明还提供了基于混合现实的绳驱下肢康复控制装置，所述装置包括通过计算机程序实现的以下模块：

20、采集预设康复训练任务和对应的混合场景的模块；

21、建立预设理想运动信号和所述场景的映射关系，基于此搭建混合现实场景的模块；

22、采集运动信号，判断所述运动信号是否满足预设理想运动范围信号，若不满足，则输出使其满足所述运动范围的驱动信号的模块。

23、进一步，提供一个优选实施方式，所述混合场景采用unity 3d的networking网络架构。

24、基于同一发明构思，本发明提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当所述程序被计算机读取时，所述计算机执行所述的方法。

25、基于同一发明构思，本发明提供了计算机，包括处理器和储存介质，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行所述的方法。

26、本发明提供的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，通过混合现实技术建立混合临场感场景，在机器人对训练对象进行运动控制基础上，增加引入视觉诱导的混合现实场景诱发增强训练，调动训练对象主动参与性。

27、本发明提供的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，填补了在混合现实辅助下执行康复训练过程中的已知策略的不足和空白，提出一种按需辅助策略，根据所设计的一个平滑控制因子以调整刚度系数，基于此时变刚度控制率，开发变刚度柔性控制的基本框架，以提高控制过程中的主动柔顺性。并设计了一个rbfnn项，来补偿系统的动态建模不确定性，保证控制过程中的稳定性和位置跟踪性。

28、本发明提供的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，确保将其能充分的应用和实践于实际的康复训练任务执行当中，满足了病患的实际需求，提高了机器人系统的实际康复训练效率。

29、本发明提供的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，为混合现实于康复训练中的应用提供了新思路，促进了相关联的康复系统的应用和推广。

技术特征：

1.基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，其特征在于，所述方法包括通过计算机程序实现的以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，其特征在于，所述混合场景采用unity 3d的networking网络架构。

3.根据权利要求1所述的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，其特征在于，所述判断步骤还包括：

4.根据权利要求3所述的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，其特征在于，所述判断步骤还包括：

5.根据权利要求4所述的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，其特征在于，通过导纳模型，通过所述驱动信号提供的阻尼力和辅助力实时调整运动轨迹。

6.根据权利要求1所述的基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，其特征在于，所述运动信号通过azure kinect dk采集。

7.基于混合现实的绳驱下肢康复控制装置，其特征在于，所述装置包括通过计算机程序实现的以下模块：

8.根据权利要求7所述的基于混合现实的绳驱下肢康复控制装置，其特征在于，所述混合场景采用unity 3d的networking网络架构。

9.计算机储存介质，用于储存计算机程序，其特征在于，当所述程序被计算机读取时，所述计算机执行权利要求1-6任一项所述的方法。

10.计算机，包括处理器和储存介质，其特征在于，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行权利要求1-6任一项所述的方法。

技术总结
基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法及装置，涉及绳驱下肢康复机器人的控制策略领域。针对现有技术中存在的，现有的基于混合现实的下肢康复机器人系统，在系统控制及康复训练策略上的研究尚有相当不足的技术问题，本发明提供的技术方案为：基于混合现实的绳驱下肢康复控制方法，所述方法包括通过计算机程序实现的以下步骤：采集预设康复训练任务和对应的混合场景的步骤；建立预设理想运动信号和所述场景的映射关系，基于此搭建混合现实场景的步骤；采集运动信号，判断所述运动信号是否满足预设理想运动范围信号，若不满足，则输出使其满足所述运动范围的驱动信号的步骤，为混合现实于康复训练中的应用提供了新思路。

技术研发人员：王燕卓,王岚,王克义,李竞航,莫宗俊,赵文艳,黄悦华
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16