[发明专利]一种手腕康复器的镜像控制方法及控制系统

权利要求书

1.一种手腕康复器的镜像控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、由Azure Kinect实时捕捉患者健肢肘关节、腕关节、掌心、指尖的三维空间坐标，捕捉时长为100帧；

步骤二、对每一帧数据进行霍尔特双参数指数平滑处理，霍尔特双参数指数平滑公式如下：

S_t＝αY_t+(1-α)(S_t-1+B_t-1) (1)

B_t＝β(S_t-S_t-1)+(1-β)B_t-1 (2)

其中，α，β为平滑参数，用以赋予不同的权重；S_t为当前帧的平滑值，B_t为当前帧的趋势值，Y_t为当前帧的实际值，公式(1)利用前一帧的趋势值B_t-1对当前帧的平滑值S_t进行修正，将前一帧的平滑值S_t-1与前一帧的趋势值B_t-1相加进而消除滞后现象，更新到最新的S_t；公式(2)通过前一帧的趋势值B_t-1和当前帧与前一帧平滑值的差值S_t-S_t-1来共同修正当前帧的趋势值B_t；预测公式为：

其中，T为预测步长，即当前帧与预测帧的距离，是通过当前帧的平滑值S_t和当前帧的趋势值B_t对第t+T帧进行预测的数据；

预测步长为1，即T＝1；

参数α、β通过拟合的方法获得，利用步长加速法对α，β的最优值进行搜索，取α＝0.39，β＝0.37；

初始平滑值S₁的选取为第一帧数据与第二帧数据的平均值，初始趋势值B₁的选取为第二帧数据与第一帧数据的差值；

步骤三：对手肘、手腕、掌心、指尖从31帧到100帧关节点数据采用骨长约束进行进一步处理；由Azure Kinect检测的70帧关节点数据计算获得的肘腕距离、掌腕距离、指腕距离均服从正态分布，其期望和标准差分别为μ₁、σ₁，μ₂、σ₂，μ₃、σ₃，以肘腕距离为约束条件，将其骨长约束范围设置为μ₁±2σ₁，以掌腕距离为约束条件，将其骨长约束范围设置为μ₂±2σ₂，以指腕距离为约束条件，将其骨长约束范围设置为μ₃±2σ₃，以剔除边缘抖动数据；

步骤四、将处理后的健肢肘关节、腕关节、掌心、指尖的空间坐标利用空间向量关系计算手腕的运动角度α；

掌屈/背伸角度θ计算如下：

设手肘的坐标为P₁(x₁，y₁，z₁)、手腕的坐标为P₂(x₂，y₂，z₂)、掌心的坐标为P₃(x₃，y₃，z₃)；则空间向量：

其中，肘腕距离为掌腕距离为根据空间向量的夹角公式可求出向量的夹角θ为：

当y₃＞y₂时，θ为掌屈角度；当y₃＜y₂时，θ为背伸角度；

尺偏/桡偏角度γ计算如下：指尖坐标P₄(x₄，y₄，z₄)，相应的：

当y₄＞y₂时，γ为尺偏角度；当y₄＜y₂时，γ为桡偏角度；

手腕执行掌屈/背伸动作时，α＝θ；

手腕执行尺偏/桡偏动作时，α＝γ；

步骤五、上位机和PLC在同一网段下，通过TCP/IP协议相连接，并由Snap7协议进行数据读写；当上位机与PLC通信成功，并成功读取PLC模拟量输入模块中的气压传感器、姿态传感器数值，进行下一步；

步骤六、上位机将每个气动人工肌肉需要的气压值大小发至PLC，PLC将数值转换为高速脉冲PTO发送给电气比例阀，电气比例阀在允许范围内控制自己的开合程度，并实时将气压值返回给PLC至上位机；

步骤七、姿态传感器实时监测患肢手腕运动角度β传至PLC至上位机并与由AzureKinect检测到的健肢手腕运动角度α进行比较，如：

α＞β，则调大电气比例阀的开合程度，气动人工肌肉充气；

α＝β，则保持电气比例阀的开合程度，气动人工肌肉保持；

α＜β，则调小电气比例阀的开合程度，气动人工肌肉放气；

步骤八、重复步骤六、七，手腕康复器带动患者患肢手腕进行镜像运动，执行健肢相同的康复训练动作。

2.一种手腕康复器的镜像控制系统，其特征在于，包括Azure Kinect传感器、主控计算机、路由器、PLC及PLC模拟量输入模块、气源和电气比例阀、姿态传感器和气压传感器、以及三自由度手腕康复器；

所述Azure Kinect传感器以俯仰角-45°水平安装，所述Azure Kinect传感器通过USB3.0与主控计算机连接，所述PLC与PLC模拟量输入模块安装，所述PLC上设有网线插口，所述PLC及PLC模拟量输入模块通过网线与路由器上的Lan口连接，并将PLC、路由器和主控计算机的IP地址修改至同一网段下，实现上位机和PLC的无线通信；

所述气源和电气比例阀通过信号线与PLC及PLC模拟量输入模块连接，所述气源和电气比例阀根据来自PLC及PLC模拟量输入模块的电压或电流信号的大小控制其出气口气压；所述姿态传感器和气压传感器穿戴在患者患肢手背上，所述姿态传感器和气压传感器通过信号线与PLC及PLC模拟量输入模块连接；

所述三自由度手腕康复器上安装有气动人工肌肉，采用柔性驱动，可实现掌屈、背伸、尺偏、桡偏、旋前、旋后三自由度运动。