一种基于激光面阵传感器的艾灸机械臂控制方法

1.本发明属于机器人控制领域，特别是机械臂的控制方法。


背景技术：

2.作为中国非物质文化遗产的艾灸疗法，具有防病治病，养生保健，提高人体免疫力作用，其中的艾条灸属于无痛的温热刺激，易于被广大民众接受。但是，传统艾灸也存在需要专业医师人工操作费工费时、艾灸环境充斥艾烟、艾灸温度控制不稳定、使用过程中易烫伤、操作手法受进行治疗的艾灸医师影响存在一定的随机性等不足。智能艾灸机械臂，既可保持传统艾灸的方式，又可兼顾智能调控、安全环保等优点，其中艾灸机械臂的控制方法研究成为亟待解决的问题。
3.目前的艾灸机械臂简化施灸对象的控制方法，包括以下两类：
4.未考虑人体轮廓动态变化的艾灸机械臂控制方法：以实现标准化艾灸基本动作为主，将艾灸对象简化为静态的平面或者简单几何形体，未考虑复杂的人体轮廓动态变化过程，在艾灸治疗的实际过程中，该方案距离控制精度低，可靠性低。考虑人体轮廓动态变化但准确度较低的艾灸机械臂控制方法，在艾灸机械臂末端执行器上设置单个或多个距离传感器，未考虑传感器在手臂等狭长区域可能出现目标无法探测的情况以及末端执行器对准体表的实际需求，实际执行时可能出现无法移动艾灸的情况。


技术实现要素：

5.本发明解决现有技术存在的通过扫描建模的方式将艾灸对象简化为静态的平面或者简单几何形体，未考虑复杂的人体轮廓动态变化过程，在艾灸治疗的实际过程中，该方案可行性较低的问题；在艾灸机械臂末端执行器上设置单个或多个距离传感器，未考虑传感器在手臂等狭长区域可能出现目标无法探测的问题。
6.针对以上所提及的现有技术缺点，本发明是设计一种基于激光面阵传感器的智能艾灸机械臂的控制方法，在考虑到施灸过程中人体轮廓动态变化的前提下，简化施灸对象，解决艾灸机械臂在体表空间曲面上末端执行器的实时对准问题，实现末端执行器在施灸过程中始终沿着体表法线方向工作的需求，提高艾灸治疗过程的标准化和规范化。
7.因而本发明技术方案为：一种基于激光面阵传感器的艾灸机械臂控制方法，该方法中艾灸机械臂末端固定设置艾条和激光阵面传感器，所述激光阵面传感器为获取激光阵面传感器到皮肤表面的距离，激光阵面传感器所测皮肤区域的中心点为艾条所指的皮肤点位；该方法包括：
8.步骤1：激光阵面传感器获取距皮肤表面的距离，将所测区域进行网格化，每个网格中激光阵面传感器会以点阵形式测量多处距离，以出现次数最多的距离为该网络的距离参数；
9.步骤2：将所测区域中的中心网格作为距离调整区域，调整当前距离调整区域的距离为最佳距离，该中心网格包括一个网格或多个网格组成的区域；
10.步骤3：将中心网格相邻的外围网格加入到调整区域，调整激光阵面传感器的角度使当前调整区域内相互对称的网格的距离参数在误差范围内相等；
11.步骤4：将步骤3中调整区域相邻的外围网络加入到调整区域中，再调整激光阵面传感器的角度使当前调整区域内相互对称的网格的距离参数在误差范围内相等，重复步骤4，直到所有网络都加入到调整区域后并进行了依次调整，记录当前各网格的距离参数；
12.步骤5：所述机械臂为步进移动，在机械臂移动之前首先确定机械臂的移动方向，然后在当前调整区域中，从中心网格出发沿着机械臂移动方向画出一条直线，该直线为直线1，获取直线1经过的所有网格的距离参数；在直线1两侧与其夹角小于25度的范围内各画一条直线，分别为直线2和直线3；获取直线2和直线3各自经过的所有网格的距离参数；在机械臂移动一个步长后，每条直线方向上都至少增加一个网格的探测范围；
13.步骤6：根据步骤5获取的各直线的距离参数和对应网格的位置，在二维平面中拟合出3条曲线；根据这3条曲线计算得到机械臂移动一个步长之后，计算每条直线方向上新探测到的网格的距离参数，得到至少3个网格的距离参数；
14.步骤7：删除当前调整区域中位于机械臂移动方向上尾部的三个以上网格距离参数，又将步骤6得到的3个网格的距离参数加入到当前调整区域中，然后采用步骤2到步骤4的方法计算激光阵面传感器的调整方式，称该调整方式为激光阵面传感器的预转动；
15.步骤8：机械臂进行步进时，将步骤7得到的调整方式加入到机械臂的转动中，使机械臂一次步进完成的同时，完成激光阵面传感器的预转动；
16.步骤9：返回步骤1，对当前位置进行精确的距离调整。
17.进一步的，艾灸机械臂末端执行器包括固定装置和补偿装置，固定装置通过压缩弹簧提供夹紧力，夹紧艾条；补偿装置按照实验的补偿时间间隔，定时沿艾条轴向外送艾条，补偿艾条在燃烧过程中损失的长度。
18.本发明主要针对艾灸治疗劳动强度较高、治疗过程操作较繁琐、艾灸手法专业性强、艾灸医师培养难度较高且周期较长等问题。通过对艾灸过程相关中医理论的研究，结合现代智能机器人技术，设计一套基于激光面阵传感器的智能艾灸机械臂的控制方法，控制艾灸机械臂按照艾灸规范标准安全有效的完成艾灸过程中的各种指定动作，实现艾灸机械臂的自动化需求，降低艾灸医师工作强度。
附图说明
19.图1是本发明所提供的末端执行器沿体表法线方向动作控制流程图；
20.图2是本发明所提供的艾灸机械臂实物示意图；
21.图3是本发明所提供的激光面阵传感器测试数据示意图；
22.图4是本发明所提供的末端执行器对准示意图。
具体实施方式
23.为实现末端执行器在施灸过程中始终沿着体表法线方向工作的需求，激光面阵传感器以点阵输出模式得到施灸区域及其周边的距离数据，艾灸机械臂选取其中部分数据作为动作执行依据，驱动艾灸机械臂使其所选数据差值保证在一定范围内，对准过程中控制末端执行器同体表的距离。
24.对准动作的实现：激光面阵传感器可将所测区域划分为如图3所示8x8的小方格，每一小方格输出方格内出现次数最多的距离参数，在驱动艾灸机械臂调距以实现对准时，将距离参数按照方格位置进行排布，并在所测区域中由内向外进行调距。首先在中心2x2的网格(图3中27、28、35、36小网格)中调距，依次将上述小网格的距离调至所设距离误差范围内，在调整小网格距离时，需要保证前面已调整的小网格距离不变，最终实现各小网格所测距离保持在误差范围内。在2x2网格调距完成后，依次完成4x4、6x6、8x8的网格调距，同时，也需保证前面已调整的网格中各小网格距离不变。最终实现末端执行器在施灸过程中始终沿着体表法线方向工作的需求。
25.艾灸医师进行治疗时，涉及到雀啄灸、温和灸、往返灸、循经灸等动作，需要保证末端执行器始终沿着患者体表的法线方向，因此激光面阵传感器开始获取末端执行器同体表间的距离参数，并将所测区域划分为8x8的小网格，根据小网格的距离参数，自内向外通过所设调距控制原理分别实现2x2、4x4、6x6、8x8网格的调距，最终实现末端执行器在施灸过程中始终沿着体表法线方向工作的需求，提高上述施灸动作的规范性，保证施灸过程的有效性。
26.治疗过程中，艾条由末端执行器处固定装置实现固定需求，固定装置可通过调节弹簧压缩比例提供合适的夹紧力，保证在固定艾条的同时能够实现艾条的长度补偿运动。艾条的长度补偿运动通过末端执行器的补偿装置实现补偿需求，艾条每隔30秒需要由机械臂执行抖灰动作，该动作会抖去艾条末端已燃烧部分，使艾条长度减小，并造成艾条末端相对体表的距离增大，因此通过艾条的长度补偿运动补偿艾条在燃烧过程中的长度损失，艾条每次执行长度补偿运动需求时，由补偿装置实现艾条沿轴向向外运动0.8mm，经过实验测定，该长度可基本补偿30s内艾条的长度损失。
27.如图1-4所示，本发明所述的基于激光面阵传感器的艾灸机械臂200控制方法包括下述步骤：
28.s1，艾灸机械臂200动作过程中，由末端执行器300的固定装置实现固定，并且每间隔30秒执行抖灰动作和长度补偿动作，该动作逻辑在整个过程中持续运行；
29.s1.1，固定由末端执行器300处的固定装置实现；
30.s1.1.1，固定装置通过压缩弹簧提供夹紧力；
31.s1.1.2，压缩弹簧可调节压缩比例，实现夹紧力大小的调节，保证在固定艾条的同时能够实现艾条的长度补偿运动；
32.s1.2，抖灰动作会抖去艾条末端已燃烧部分，造成艾条长度减小的影响，并使艾条末端相对体表的距离增大；
33.s1.3，长度补偿动作通过末端执行器300处补偿装置实现；
34.s1.3.1，由补偿装置驱动实现艾条沿轴向向外运动0.8mm。
35.s2，激光面阵传感器将所测区域划分为如图3所示8x8的小方格，并输出距离数据；
36.s2.1，激光面阵传感器将视场角内所测区域网格化为8x8的小网格；
37.s2.2，激光面阵传感器依照图3中像素点序号顺序，依次输出各网格中出现次数最多的距离参数；
38.s3，艾灸机械臂200按照控制逻辑实现对准过程及步进运动；
39.s3.1，首先对图3所示27、28、35、36组成的中心2x2网格的距离参数执行对准动作，
使得该网格中各小网格距离参数保持在目标参数误差范围内；
40.s3.1.1，按照序号，由小到大依次将各小网格调至目标参数误差范围内，且对小网格对准时需要保证前面已调整的小网格距离参数维持在误差范围内。
41.s3.1.2，对图3所示18、19、20、21、26、29、34、37、42、43、44、45以及上述2x2网格组成的中心4x4网格的距离参数执行上述对准动作，使得该网格中各小网格距离参数保持在目标参数误差范围内；
42.s3.1.3，对图3所示9、10、11、12、13、14、17、22、25、30、33、38、41、46、49、54以及上述4x4网格组成的中心6x6网格的距离参数执行上述对准动作，使得该网格中各小网格距离参数保持在目标参数误差范围内；
43.s3.1.4，对图3所示8x8网格的距离参数执行上述对准动作，使得该网格中各小网格距离参数保持在目标参数误差范围内，最终实现末端执行器在施灸过程中始终沿着体表法线方向工作的需求，提高上述施灸动作的规范性以及施灸过程的有效性。
44.s3.2，机械臂确定步进运动移动方向，并在调整区域内产生引导直线，每移动一个步长后，每条直线方向上都需要进行网格更新；
45.s3.2.1，从中心网格出发沿着机械臂移动方向画出一条直线，该直线为直线1，获取直线1经过的所有网格的距离参数；
46.s3.2.2，在直线1两侧与其夹角小于25度的范围内各画一条直线，分别为直线2和直线3，并获取直线2和直线3各自经过的所有网格的距离参数
47.s3.2.3根据上述三条直线的距离参数和对应网格位置，在二维平面中拟合出3条曲线；
48.s3.2.4，在根据步骤s3.2.3中的3条曲线执行一个步长移动后，计算每条直线方向上新探测到的网格的距离参数，得到至少3个网格的距离参数；
49.s3.2.5，删除当前调整区域中位于机械臂移动方向上尾部的三个以上网格距离参数，又将步骤s3.2.4中得到的3个网格的距离参数加入到当前调整区域中，再根据步骤s3.1计算激光阵面传感器的调整方式；
50.s3.2.6，机械臂进行步进运动时，将s3.2.5中的调整方式加入到机械臂末端执行器姿态调整中，使机械臂一次步进完成的同时，完成激光阵面传感器的预转动。
51.s4，对准结束，确认机械臂末端执行器姿态摆正，执行需求动作。
52.s4.1，保证机械臂末端执行器摆正为艾条的轴向方向沿着体表的法线方向；
53.s4.2，执行相应的治疗动作，如雀啄灸、往返灸、温和灸、循经灸等。