本發(fā)明涉及本發(fā)明屬于康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域，尤其涉及一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法。

背景技術(shù)：
康復(fù)醫(yī)學(xué)是20世紀(jì)中期出現(xiàn)的新興學(xué)科，其目的在于通過物理療法，運(yùn)動療法，生活訓(xùn)練，技能訓(xùn)練，言語訓(xùn)練和心理咨詢等多種手段減輕和消除患者的功能障礙，使身體殘留部分的功能得到最充分的發(fā)揮，彌補(bǔ)和重建患者的功能缺失，達(dá)到最大可能的生活自理，勞動和工作的能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國由于中風(fēng)、脊髓損傷以及各種事故引起的肢體功能障礙患者有877萬人，而其中半數(shù)以上可以通過訓(xùn)練改善肢體功能。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是首先是從專業(yè)醫(yī)生手把手的指導(dǎo)下開始，而后由病人的健康上肢或其家屬、護(hù)士人工對病人患肢進(jìn)行反復(fù)牽引。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)得到快速發(fā)展。盡管目前已經(jīng)有多種康復(fù)機(jī)器人，但在許多方面還達(dá)不到臨床應(yīng)用的要求，需要深入、系統(tǒng)的研究和探索。因此，對機(jī)器人進(jìn)行改良，研制其它臨床康復(fù)方法的康復(fù)機(jī)器人是非常有必要的。經(jīng)過對于現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)。中國發(fā)明專利公開號：CN102258849A，名稱：上肢偏癱康復(fù)機(jī)器人。僅能通過機(jī)械輔助病人被動康復(fù)，患者無法直觀形象的感知自己的手臂狀態(tài)、方式是否正常，且缺乏訓(xùn)練樂趣，長期的不正常的枯燥訓(xùn)練可能導(dǎo)致患者習(xí)慣自身的錯(cuò)誤，導(dǎo)致后期康復(fù)更加復(fù)雜。中國發(fā)明專利公開號：CN101829003A，名稱：外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人?；颊邇H能通過穿戴外骨骼，進(jìn)行常規(guī)的上肢康復(fù)，患者無法形象直觀的感知自己的上肢狀態(tài)、方式是否正常。對于康復(fù)周期較長的患者，重復(fù)的枯燥訓(xùn)練缺乏樂趣，也更容易變得浮躁，逐漸習(xí)慣自身錯(cuò)誤，導(dǎo)致后期康復(fù)效果不佳甚至更難以糾正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法，來幫助患者逐漸恢復(fù)上肢運(yùn)動能力，患者可通過穿戴上肢的外骨骼進(jìn)行上肢運(yùn)動功能康復(fù)，并且利用提供的虛擬現(xiàn)實(shí)的交互環(huán)境，從虛擬環(huán)境反饋中感知、調(diào)整、糾正不正常運(yùn)動狀態(tài)，患者也可通過自主運(yùn)動，完成虛擬現(xiàn)實(shí)中的相關(guān)任務(wù)，從中獲得訓(xùn)練樂趣，增加患者主動康復(fù)的積極性，逐漸讓患者擁有自主上肢運(yùn)動的能力。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法，包括步驟：步驟一、通過上肢外骨骼中的肌電儀采集人體肌電信號，對肌電信號進(jìn)行濾波預(yù)處理；步驟二、將經(jīng)過預(yù)處理的肌電信號作為輸入信號通過EMG-角度線性模型進(jìn)行處理并獲得關(guān)節(jié)期望角度值；步驟三、對單位時(shí)間段內(nèi)的預(yù)處理肌電信號提取特征值后通過AdaBoostSVM算法進(jìn)行分類判斷得到關(guān)節(jié)期望運(yùn)動方向；步驟四、把得到的關(guān)節(jié)期望角度值和關(guān)節(jié)期望運(yùn)動方向與實(shí)際關(guān)節(jié)狀態(tài)經(jīng)過模糊控制算法處理，得到控制信號，驅(qū)動上肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動，從而使上肢外骨骼到達(dá)期望的位置；步驟五、將上肢外骨骼在運(yùn)動中的實(shí)際位置在3D虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境中同步顯示。進(jìn)一步地，所述步驟2具體包括：步驟21、通過公式對單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過預(yù)處理的肌電信號求積分均值，得到AIEMGl(m)，其中，m為采樣點(diǎn)；步驟22、通過公式對AIEMGl(m)求均值得到其中，L為關(guān)節(jié)電極個(gè)數(shù)；步驟23、假定肌電信號與關(guān)節(jié)角度成線性關(guān)系，根據(jù)公式求得預(yù)測關(guān)節(jié)角度值，其中，為上肢i關(guān)節(jié)屈伸角度的最大值，和分別為的最小值和最大值。進(jìn)一步地，所述步驟3具體包括：步驟31、對單位時(shí)間段內(nèi)的預(yù)處理肌電信號提取特征絕對平均值MAV、過零點(diǎn)數(shù)ZC、斜率變化數(shù)SSC和波形長度WL；步驟32、然后通過AdaBoostSVM算法進(jìn)行分類判斷得到關(guān)節(jié)期望運(yùn)動方向。進(jìn)一步地，所述步驟4具體包括：步驟41、根據(jù)所得到的關(guān)節(jié)期望角度值和期望方向得出準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)期望位置；步驟42、將關(guān)節(jié)期望位置與實(shí)際關(guān)節(jié)狀態(tài)經(jīng)過模糊控制算法處理，計(jì)算對電機(jī)的控制輸入，得到控制信號，控制伺服電機(jī)按要求克服變阻抗進(jìn)行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)上肢外骨骼輔助患者進(jìn)行運(yùn)動。驅(qū)動上肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動，其中，所述模糊控制算法采用六個(gè)隸屬度函數(shù)方程：采用模糊推理機(jī)為：采用的自適應(yīng)律為：其中：γ為正常數(shù)，Θ＝[θ1，...，θn]T，采用的模糊控制器輸出為：將求得的uD(x|θ)作為控制器輸出，把控制器輸出作為力矩指令發(fā)送到指定的關(guān)節(jié)，控制相應(yīng)電機(jī)運(yùn)動，達(dá)到期望位置。進(jìn)一步地，步驟5中所述的3D虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境是軟件部分，它提供一個(gè)3D的虛擬環(huán)境，包括一些簡單的游戲及游覽功能，環(huán)境中操作者被虛擬為游戲的主人公，操作者可通過穿戴外骨骼完成動作對虛擬現(xiàn)實(shí)中的人物進(jìn)行操作，去通過完成設(shè)定的任務(wù)，獲取康復(fù)訓(xùn)練的樂趣，也可通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，觀察自己的動作，感知、調(diào)整、糾正不正常運(yùn)動狀態(tài)。本發(fā)明通過采集并處理操作者的肌電信號獲取操作者的期望位置狀態(tài)，繼而發(fā)出控制信號，驅(qū)動上肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動，從而使上肢外骨骼到達(dá)期望的位置，同時(shí)還將上肢外骨骼在運(yùn)動中的實(shí)際位置在3D虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境中同步顯示的方式獲取康復(fù)訓(xùn)練的樂趣，也可通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，觀察自己的動作，感知、調(diào)整、糾正不正常運(yùn)動狀態(tài)。附圖說明圖1是虛擬行走步態(tài)康復(fù)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是康復(fù)儀平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是3D虛擬現(xiàn)實(shí)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是可穿戴上肢外骨骼的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是肩側(cè)關(guān)節(jié)外骨骼的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是上臂外骨骼桿件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是肘展關(guān)節(jié)外骨骼的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是前臂外骨骼桿件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是腕部關(guān)節(jié)外骨骼的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例所提供的一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法應(yīng)用于如圖1所示的虛擬行走步態(tài)康復(fù)儀，所述的虛擬行走步態(tài)康復(fù)儀包括：康復(fù)儀平臺1，可穿戴上肢外骨骼2，3D虛擬現(xiàn)實(shí)平臺3。其中康復(fù)儀平臺1安放于地面，提供了一個(gè)支撐可穿戴外骨骼和3D顯示器的平臺；可穿戴上肢外骨骼2穿戴于患者上肢，幫助患者完成上肢動作，進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練；3D虛擬現(xiàn)實(shí)平臺3放置于康復(fù)儀平臺1前面，為患者提供三維的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。如圖2所示，所述康復(fù)儀平臺1包括：康復(fù)儀底座4，可移動滾輪5，座椅6，靠背7，外骨骼接口8。其中，康復(fù)儀底座3安放于地面；可移動滾輪5安裝于康復(fù)儀底座4下，便于平臺的移動；座椅6和靠背7為患者提供了一個(gè)舒適放松的操作環(huán)境；外骨骼接口8設(shè)置在康復(fù)儀平臺1的兩側(cè)，分別用來與可穿戴外骨骼連接，并可根據(jù)患者需要上下移動，尋找最舒適的位置，使患者可以進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練。如圖3所示，所述3D虛擬現(xiàn)實(shí)平臺3包括：具有3D顯示器的便攜計(jì)算機(jī)9，桌子10。其中，便攜計(jì)算機(jī)9放置于桌子10，通過3D顯示器為患者提供虛擬現(xiàn)實(shí)的交互環(huán)境。如圖4所示，所述可穿戴上肢外骨骼2包括：肩側(cè)關(guān)節(jié)外骨骼11，肩展關(guān)節(jié)外骨骼12，肘展關(guān)節(jié)外骨骼13，肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外骨骼14，腕關(guān)節(jié)外骨骼15，前臂外骨骼桿件16，肘部連接桿件17，外骨骼外接桿件18。肩側(cè)關(guān)節(jié)外骨骼11與肩展關(guān)節(jié)外骨骼12相連，提供患者肩關(guān)節(jié)側(cè)展與抬臂運(yùn)動能力；肘部連接外桿件17與肘部關(guān)節(jié)外骨骼13相連，穿戴于患者上臂，提供肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動能力；肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外骨骼14與前臂外骨骼桿件16相連，提供肘部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能力，帶動前臂旋轉(zhuǎn)；腕部關(guān)節(jié)外骨骼15與前臂外骨骼桿件16相連，提供腕部關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動能力，穿戴于手部；外骨骼外接桿件18與肩側(cè)關(guān)節(jié)外骨骼11相連，用來與康復(fù)儀平臺1相接，起固定支撐作用。如圖5所示，所述肩側(cè)關(guān)節(jié)外骨骼11包括：外骨骼外接桿件18，肩關(guān)節(jié)側(cè)展電機(jī)19，肩關(guān)節(jié)桿件20。其中，外骨骼外接桿件18與肩關(guān)節(jié)側(cè)展電機(jī)19相連；肩側(cè)關(guān)節(jié)側(cè)展電機(jī)19使用諧波減速器，輸出為兩個(gè)法蘭，驅(qū)動肩關(guān)節(jié)側(cè)展自由度。其外法蘭與肩關(guān)節(jié)桿件20相連。所述肩展關(guān)節(jié)外骨骼12包括：肩關(guān)節(jié)屈伸電機(jī)21，上臂外骨骼桿件22。其中，肩關(guān)節(jié)屈伸電機(jī)21與肩關(guān)節(jié)桿件20相連，使用諧波減速器，輸出為兩個(gè)法蘭，驅(qū)動肩展關(guān)節(jié)屈伸自由度，其外法蘭與上臂外骨骼桿件22相連。如圖6所示，所述上臂外骨骼桿件17包括：上臂外骨骼桿件22相連，肘展關(guān)節(jié)桿件23。其中上臂外骨骼桿件22與肘展關(guān)節(jié)桿件23相連，可以固定患者上臂，并可無級調(diào)節(jié)長度。如圖7所示，所述肘展關(guān)節(jié)外骨骼13包括：肘展關(guān)節(jié)桿件23，肘展關(guān)節(jié)套件24，肘展關(guān)節(jié)屈伸電機(jī)25，肘部關(guān)節(jié)桿件26。其中肘展關(guān)節(jié)桿件23與肘展關(guān)節(jié)屈伸電機(jī)25相連；其中，肘展關(guān)節(jié)屈伸電機(jī)25使用諧波減速器，輸出為兩個(gè)法蘭，驅(qū)動肘展屈伸自由度，其外法蘭與肘部關(guān)節(jié)桿件26相連，內(nèi)法蘭與肘展關(guān)節(jié)桿件23相連。所述肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)外骨骼14包括：肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)屈伸電機(jī)27，肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)桿件28，肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)套件。其中肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)屈伸電機(jī)27使用諧波減速器，驅(qū)動周轉(zhuǎn)屈伸自由度。如圖8所示，所述前臂外骨骼桿件16包括：肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)桿件28，前臂連接桿件29，腕部關(guān)節(jié)桿件30。肘轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)桿件28與前臂連接桿件29相連，前臂連接桿件29與腕部關(guān)節(jié)桿件30相連，可以無級調(diào)節(jié)長度，用來固定患者前臂。如圖9所示，所述腕部關(guān)節(jié)外骨骼15包括：腕部關(guān)節(jié)桿件30，手部支撐桿件31，手部支撐桿件31用來固定患者手部。本實(shí)施例的一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法，包括步驟：步驟一、通過上肢外骨骼中的肌電儀采集人體肌電信號，對肌電信號進(jìn)行濾波預(yù)處理；步驟二、將經(jīng)過預(yù)處理的肌電信號作為輸入信號通過EMG-角度線性模型進(jìn)行處理并獲得關(guān)節(jié)期望角度值；步驟三、對單位時(shí)間段內(nèi)的預(yù)處理肌電信號提取特征值后通過AdaBoostSVM算法進(jìn)行分類判斷得到關(guān)節(jié)期望運(yùn)動方向；步驟四、把得到的關(guān)節(jié)期望角度值和關(guān)節(jié)期望運(yùn)動方向與實(shí)際關(guān)節(jié)狀態(tài)經(jīng)過模糊控制算法處理，得到控制信號，驅(qū)動上肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動，從而使上肢外骨骼到達(dá)期望的位置；步驟五、將上肢外骨骼在運(yùn)動中的實(shí)際位置在3D虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境中同步顯示。進(jìn)一步地，所述步驟2具體包括：步驟21、通過公式對單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過預(yù)處理的肌電信號求積分均值，得到AIEMGl(m)，其中，m為采樣點(diǎn)；步驟22、通過公式對AIEMGl(m)求均值得到其中，L為關(guān)節(jié)電極個(gè)數(shù)；步驟23、假定肌電信號與關(guān)節(jié)角度成線性關(guān)系，根據(jù)公式求得預(yù)測關(guān)節(jié)角度值，其中，為上肢i關(guān)節(jié)屈伸角度的最大值，和分別為的最小值和最大值。進(jìn)一步地，所述步驟3具體包括：步驟31、對單位時(shí)間段內(nèi)的預(yù)處理肌電信號提取特征絕對平均值MAV、過零點(diǎn)數(shù)ZC、斜率變化數(shù)SSC和波形長度WL；步驟32、然后通過AdaBoostSVM算法進(jìn)行分類判斷得到關(guān)節(jié)期望運(yùn)動方向。進(jìn)一步地，所述步驟4具體包括：步驟41、根據(jù)所得到的關(guān)節(jié)期望角度值和期望方向得出準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)期望位置；步驟42、將關(guān)節(jié)期望位置與實(shí)際關(guān)節(jié)狀態(tài)經(jīng)過模糊控制算法處理，計(jì)算對電機(jī)的控制輸入，得到控制信號，控制伺服電機(jī)按要求克服變阻抗進(jìn)行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)上肢外骨骼輔助患者進(jìn)行運(yùn)動。驅(qū)動上肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動，其中，所述模糊控制算法采用六個(gè)隸屬度函數(shù)方程：采用模糊推理機(jī)為：采用的自適應(yīng)律為：其中：γ為正常數(shù)，Θ＝[θ1，...，θn]T，采用的模糊控制器輸出為：將求得的uD(x|θ)作為控制器輸出，把控制器輸出作為力矩指令發(fā)送到指定的關(guān)節(jié)，控制相應(yīng)電機(jī)運(yùn)動，達(dá)到期望位置。進(jìn)一步地，步驟5中所述的3D虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境是軟件部分，它提供一個(gè)3D的虛擬環(huán)境，包括一些簡單的游戲及游覽功能，環(huán)境中操作者被虛擬為游戲的主人公，操作者可通過穿戴外骨骼完成動作對虛擬現(xiàn)實(shí)中的人物進(jìn)行操作，去通過完成設(shè)定的任務(wù)，獲取康復(fù)訓(xùn)練的樂趣，也可通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，觀察自己的動作，感知、調(diào)整、糾正不正常運(yùn)動狀態(tài)。本發(fā)明通過采集并處理操作者的肌電信號獲取操作者的期望位置狀態(tài)，繼而發(fā)出控制信號，驅(qū)動上肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動，從而使上肢外骨骼到達(dá)期望的位置，同時(shí)還將上肢外骨骼在運(yùn)動中的實(shí)際位置在3D虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境中同步顯示的方式獲取康復(fù)訓(xùn)練的樂趣，也可通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，觀察自己的動作，感知、調(diào)整、糾正不正常運(yùn)動狀態(tài)。本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。