本發(fā)明涉及理療機(jī)器人領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及一種基于傳感器陣列的非接觸式理療機(jī)器人姿態(tài)自主控制方法。

背景技術(shù)：

1、非接觸式理療機(jī)器人是一種利用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，通過(guò)不接觸人體的方式進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)器人。它可以通過(guò)感應(yīng)、光學(xué)、聲波或電磁等物理原理，進(jìn)行理療效果的傳遞，從而促進(jìn)身體的康復(fù)?，F(xiàn)有技術(shù)中的非接觸式理療機(jī)器人對(duì)人體的治療方式包括：紅外線治療、光療技術(shù)、超聲波治療、磁療技術(shù)以及電磁脈沖治療。非接觸式理療機(jī)器人不僅能夠減少患者與設(shè)備的直接接觸，避免交叉感染，還能夠提供精確的治療方案，避免人為操作的誤差。它們通常配備智能系統(tǒng)，能根據(jù)患者的癥狀和體況，自動(dòng)調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度、頻率等參數(shù)，提高治療效果。非接觸式理療機(jī)器人通過(guò)其機(jī)械臂上安裝的理療組件對(duì)人體的某個(gè)部位進(jìn)行治療，在進(jìn)行治療前首先需要控制機(jī)械臂的動(dòng)作，使理療組件安裝預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)至某一固定位姿。但是由于患者的體型不同，待治療部位也不同，若控制理療組件處于同一個(gè)固定的位姿對(duì)患者進(jìn)行治療，會(huì)導(dǎo)致治療效果較差。此外，在治療過(guò)程中患者身體可能會(huì)移動(dòng)，從而導(dǎo)致理療組件與待治療部位之間的距離發(fā)生改變，也會(huì)導(dǎo)致治療效果不佳。

2、綜上，現(xiàn)有技術(shù)的非接觸式理療機(jī)器人存在治療效果較差，以及適用性差的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)的非接觸式理療機(jī)器人存在的治療效果較差，以及適用性差的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明在如下方面中提供方案。

2、在第一方面中，本發(fā)明提供了一種基于傳感器陣列的非接觸式理療機(jī)器人姿態(tài)自主控制方法，所述理療機(jī)器人的機(jī)械臂末端安裝有理療組件和距離傳感器陣列，距離傳感器陣列中的距離傳感器用于測(cè)量距離傳感器到待治療部位的距離，所述方法包括：

3、控制機(jī)器人的理療組件運(yùn)動(dòng)至待治療部位上方；利用距離傳感器陣列實(shí)時(shí)采集距離信息；所述距離信息用于表征各個(gè)距離傳感器與待治療部位之間的距離；

4、利用所述距離信息構(gòu)建待治療部位的3d特征；

5、計(jì)算待治療部位的3d特征的期望治療姿態(tài)；期望治療姿態(tài)用于表征理療組件的理想位姿；

6、生成理療組件從當(dāng)前姿態(tài)到期望治療姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)路徑，并控制理療組件(改為機(jī)械臂)按照生成的運(yùn)動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)；

7、響應(yīng)于理療組件到達(dá)期望治療姿態(tài)，判斷待治療部位是否發(fā)生上下移動(dòng)；

8、若待治療部位發(fā)生上下移動(dòng)，則重新獲取所述距離信息，并依據(jù)所述距離信息生成新的運(yùn)動(dòng)路徑，控制理療組件按照生成的運(yùn)動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)；否則，控制理療組件與待治療部位之間形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，所述動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指待治療部位運(yùn)動(dòng)時(shí)，理療組件跟著運(yùn)動(dòng)且二者之間的相對(duì)位置保持不變。

9、其有益效果為：本發(fā)明的方法在獲取待治療部位的3d特征時(shí)不是依據(jù)單個(gè)傳感器采集的距離信息，而是依據(jù)多個(gè)傳感器采集的距離信息，從而使得構(gòu)建的待治療部位的3d特征更加準(zhǔn)確，進(jìn)而使得生成的期望治療姿態(tài)更加準(zhǔn)確，有助于提高非接觸式理療機(jī)器人的理療效果，通過(guò)控制理療組件運(yùn)動(dòng)至期望治療姿態(tài)而不是固定位置，從而提高非接觸式理療機(jī)器人的適用性；此外，在理療組件到達(dá)期望治療姿態(tài)后，若待治療部位發(fā)生移動(dòng)，期望治療姿態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)控制理療組件運(yùn)動(dòng)至新的期望治療姿態(tài)，從而保障理療組件在治療時(shí)處于最佳位姿；在治療過(guò)程中，通過(guò)令理療組件與待治療部位之間形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，可以避免人體發(fā)生移動(dòng)導(dǎo)致理療組件與待治療部位之間的相對(duì)位置發(fā)生改變，從而保障治療效果。

10、優(yōu)選地，所述距離傳感器陣列為上下兩層傳感器，同一層的傳感器處于同一高度且位于同一個(gè)圓的圓周，各個(gè)傳感器安裝在傳感器支架上，傳感器支架固定在機(jī)械臂末端；利用所述距離信息構(gòu)建待治療部位的3d特征包括：

11、對(duì)距離傳感器陣列的各個(gè)距離傳感器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而獲取融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

12、依據(jù)傳感器原始數(shù)據(jù)計(jì)算待治療部位的第一局部曲率，并依據(jù)融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成密集體素網(wǎng)格；第一局部曲率的計(jì)算表達(dá)式為：

13、

14、k1表示第一局部曲率，ht和hb分別表示上層傳感器和下層傳感器的高度，δx表示各個(gè)傳感器在待治療部位的投影在x軸方向與參考點(diǎn)的距離的均值，δy表示各個(gè)傳感器在待治療部位的投影在y軸方向與參考點(diǎn)的距離的均值。可選定待治療部位的某一點(diǎn)為參考點(diǎn)；

15、對(duì)密集體素網(wǎng)格進(jìn)行稀疏性優(yōu)化，以獲取稀疏體素映射；

16、檢測(cè)待治療部位的運(yùn)動(dòng)類型，所述運(yùn)動(dòng)類型包括無(wú)運(yùn)動(dòng)、小幅度運(yùn)動(dòng)和大幅度運(yùn)動(dòng)；

17、響應(yīng)于待治療部位的運(yùn)動(dòng)類型為無(wú)運(yùn)動(dòng)或小幅度運(yùn)動(dòng)，利用稀疏體素映射恢復(fù)曲率場(chǎng)；

18、基于恢復(fù)的曲率場(chǎng)進(jìn)行變分隱式曲面優(yōu)化，從而得到曲面函數(shù)；

19、利用曲面函數(shù)計(jì)算待治療部位的第二局部曲率；

20、檢驗(yàn)第一局部曲率與第二局部曲率之間的偏差是否小于偏差閾值，若兩者偏差小于偏差閾值則輸出曲面函數(shù)，并將曲面函數(shù)作為待治療部位的3d特征。

21、其有益效果為：本發(fā)明的方法在構(gòu)建待治療部位的3d特征時(shí)，只有在待治療部位沒(méi)有運(yùn)動(dòng)或小幅度運(yùn)動(dòng)的條件下才構(gòu)建其3d特征，從而保障構(gòu)建出的3d特征與實(shí)際3d特征相吻合，提高理療組件的理療效果；若待治療部位若發(fā)生大幅度移動(dòng)，則舍棄當(dāng)前值，重新獲取第一局部曲率和稀疏體素映射。此外，若第一局部曲率與第二局部曲率不一致，說(shuō)明構(gòu)建的曲面函數(shù)不準(zhǔn)確，本發(fā)明的方法僅在兩者偏差很小的情況下才將曲面函數(shù)作為待治療部位的3d特征，從而進(jìn)一步保障了3d特征的準(zhǔn)確性。再者，采用本實(shí)施例的傳感器陣列布設(shè)方式可以提高深度測(cè)量精度，且可以實(shí)時(shí)精確高效地計(jì)算獲取曲率信息。

22、優(yōu)選地，對(duì)密集體素網(wǎng)格進(jìn)行稀疏性優(yōu)化包括：將密集體素網(wǎng)格輸入至稀疏性優(yōu)化模型中，從而得到壓縮后的稀疏體素映射；所述稀疏性優(yōu)化模型包括編碼器，編碼器的輸出連接至瓶頸層的輸入，瓶頸層的輸出連接至解碼器的輸入；編碼器用于將密集體素網(wǎng)格數(shù)據(jù)壓縮轉(zhuǎn)化為低維、高信息密度的稀疏表示；瓶頸層用于對(duì)稀疏表示進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，以丟棄冗余信息，只保留重建所需最小充分統(tǒng)計(jì)量，從而生成高度壓縮的稀疏表示；解碼器用于將高度壓縮的緊湊表示重構(gòu)為原始體素結(jié)構(gòu)，從而得到壓縮后的稀疏體素映射。

23、優(yōu)選地，對(duì)稀疏性優(yōu)化模型進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)采用的整體損失函數(shù)表達(dá)式為：

24、losst＝lossb+0.5×lossg+0.1×losstv；

25、式中l(wèi)osst表示整體損失函數(shù)，lossb、lossg和losstv分別表示二元交叉熵?fù)p失函數(shù)、3d梯度差異損失和總變差正則化損失。

26、優(yōu)選地，編碼器包括輸入層、第一稀疏3d卷積層、第一稀疏最大池化層以及第二稀疏最大池化層，其中輸入層連接至第一稀疏3d卷積層的輸入，第一稀疏3d卷積層的輸出連接至第一稀疏最大池化層的輸入，第一稀疏最大池化層的輸出通過(guò)殘差塊連接至第二稀疏最大池化層的輸入。

27、優(yōu)選地，第一稀疏3d卷積層的卷積核的尺寸為3*3*3，卷積核滑動(dòng)的步長(zhǎng)為1；第一稀疏3d卷積層的激活函數(shù)采用leakyrelu函數(shù)；第一稀疏最大池化層的池化核的尺寸為2*2*2，池化核的滑動(dòng)步長(zhǎng)為2。

28、優(yōu)選地，第一稀疏3d卷積層的卷積核用于學(xué)習(xí)局部幾何模式，所述局部幾何模式包括平面關(guān)系、曲面連續(xù)性以及遮擋結(jié)構(gòu)。

29、優(yōu)選地，解碼器包括第一稀疏3d反卷積層、第二稀疏3d卷積層、第二稀疏3d反卷積層以及輸出層，其中第一稀疏3d反卷積層的輸入連接至瓶頸層的輸出，其輸出連接至第二稀疏3d卷積層的輸入，第二稀疏3d卷積層的輸入還連接至編碼器的殘差塊，第二稀疏3d卷積層的輸出連接至第二稀疏3d反卷積層的輸入，第二稀疏3d反卷積層的輸入還連接至第二稀疏最大池化層的輸出，第二稀疏3d反卷積層的輸出連接至輸出層。

30、優(yōu)選地，瓶頸層對(duì)稀疏體素特征進(jìn)行進(jìn)一步壓縮的方法包括：將稀疏體素特征的緊湊表示輸入至尺寸為1*1*1的卷積壓縮通道，從而生成低維特征；

31、對(duì)生成的低維特征施加l1正則化，從而得到稀疏體素特征的緊湊表示。

32、優(yōu)選地，檢測(cè)待治療部位的運(yùn)動(dòng)類型包括：

33、依據(jù)距離傳感器陣列采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)待治療部位進(jìn)行瞬時(shí)變化檢測(cè)，從而得到待治療部位的瞬時(shí)變化率；

34、對(duì)待治療部位進(jìn)行空間一致性分析，包括：依據(jù)距離傳感器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)待治療部位進(jìn)行剛體運(yùn)動(dòng)假設(shè)檢驗(yàn)，從而得到待治療部位位置的變化量，進(jìn)而計(jì)算殘差能量erigid，所述殘差能量用于量化待治療部位位置的變化量與預(yù)測(cè)變化量之間的誤差平方和；

35、對(duì)待治療部位進(jìn)行特征位移分析，包括：計(jì)算待治療部位的壓縮特征向量的平均變化量δf和最優(yōu)匹配下的空間位置偏移δp；

36、對(duì)待治療部位的軌跡進(jìn)行擬合，進(jìn)而計(jì)算待治療部位的移動(dòng)速度向量計(jì)算擬合出的軌跡的可信度γ；移動(dòng)速度向量的各個(gè)元素分別表征待治療部位在各個(gè)方向的移動(dòng)速度；

37、響應(yīng)于待治療部位的瞬時(shí)變化率小于預(yù)設(shè)的變化率閾值且殘差能量erigid小于殘差能量閾值，判定待治療部位未發(fā)生運(yùn)動(dòng)；響應(yīng)于壓縮特征向量的平均變化量δf大于壓縮特征向量的平均變化量閾值且最優(yōu)匹配下的空間位置偏移δp小于最優(yōu)匹配下的空間位置偏移閾值，判定待治療部位發(fā)生小幅度運(yùn)動(dòng)；響應(yīng)于軌跡的可信度γ大于可信度閾值且移動(dòng)速度向量的模大于速度閾值，則判定待治療部位發(fā)生大幅度運(yùn)動(dòng)。

38、綜上，本發(fā)明的有益效果在于：采用本發(fā)明的方法可以提高非接觸式理療機(jī)器人的理療效果和適用性。