一种基于多模态感知融合与得气状态评估的针灸机器人闭环控制方法及系统与流程

本发明涉及医疗设备，特别是涉及一种基于多模态感知融合与得气状态评估的针灸机器人闭环控制方法及系统。

背景技术：

1、随着医疗机器人与人工智能技术的深度融合，针灸机器人正逐步从简单的自动化工具向具备自主决策能力的智能体演进。目前，针灸机器人的研究主要集中在通过计算机定位技术识别穴位，并控制机器人模仿医生手法实现针灸过程。在穴位自动定位方面，相关技术已在穿刺机器人、艾灸机器人及按摩机器人等医疗机器人中得到了广泛使用；在路径规划和精细操作方面，部分手术机器人和外科辅助机器人也展现出了较高的技术表现。此外，已有研究尝试通过引入激光测距仪和六维力传感器进行信息感知，设计动态调整阻抗系数的控制器，以实现对安全进针、针体速度及针刺手法深度和力度的控制。一些方案还提出了基于多模态信息反馈的电子针灸闭环控制方法，通过获取被试者在刺激方案下的长时程、短时程和实时表征信息进行控制。

2、然而，现有针灸机器人的控制方法仍普遍存在以下瓶颈。其一，多数机器人的控制逻辑为预设程序的“开环执行”，无法根据患者实时的生理状态进行调整，缺乏对针刺过程中针体组织真实交互状态的实时感知与响应能力。其二，部分研究虽引入了力传感器进行闭环力控，但其反馈信号仅来自机械臂末端的力/力矩传感器，无法感知针体在组织内部的真实交互状态及穴位局部的生理响应。其三，现有方案普遍缺乏对“得气”这一针刺核心疗效指标的实时、客观、多维度的量化评估手段，导致机器人的控制目标停留于物理精度层面，而非疗效层面。其四，现有数字孪生方案往往追求大而全的模型架构，将宏观层次的病机推演与物理层面的实时控制混杂在一起，导致计算延迟无法满足高频次物理控制的需求。更根本地，现有技术中的机器人即使实现了闭环控制，也仅仅是基于实时传感器信号的“条件反射式”操作，无法像人类专家那样结合过往知识进行推理判断，也无法从成功或失败的经验中进行学习并通过持续迭代来优化自身技能。

3、因此，本领域亟需一种能够完全脱离人的实时干预、由机器人自主执行，并具备知识推理、个性化适应与持续进化能力的针灸机器人闭环控制方法及系统，以解决现有技术中控制开环化、感知单一化、缺乏得气量化评估以及缺乏学习进化能力的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于多模态感知融合与得气状态评估的针灸机器人闭环控制方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种基于多模态感知融合的针灸机器人闭环控制方法，所述方法由机器人控制单元自主执行，无需人的实时干预，包括以下步骤：

4、实时获取多模态穴位状态参数：同步获取反映针体-穴位微环境实时交互状态的多模态物理信号，所述多模态物理信号包括针刺手法信息以及穴位局部温度信号、组织压力信号、离子浓度信号和得气时的脑电特征信号中的至少两种；

5、多模时空耦合确权以生成得气置信度：对所述多模态物理信号进行实时的时间-空间耦合分析，生成量化的得气置信度；

6、基于得气置信度生成物理驱动指令：将所述得气置信度与期望物理交互状态进行比对，动态生成用于直接驱动末端执行装置电机的物理控制指令；

7、在线迭代优化直至实现物理交互目标：持续监测并实时迭代优化所述物理控制指令，构成物理域的运动控制闭环，直至确认达到预设得气状态。

8、优选地，所述多模时空耦合确权步骤进一步包括：

9、对至少两种外周物理信号的突变时刻与所述脑电特征信号的神经响应时刻进行时间差计算；

10、仅当所述时间差均落入预设生理延迟窗内时，采纳所述脑电特征信号修正所述得气置信度。

11、优选地，所述基于得气置信度生成物理驱动指令的步骤，具体为基于多模态状态反馈的“速度-力”混合控制，包括：根据所述得气置信度动态调节进针速度与进针力的比例关系；当所述得气置信度低于第一阈值时，以速度控制为主、力控制为辅；当所述得气置信度达到第一阈值但低于第二阈值时，以力控制为主、速度控制为辅；当所述得气置信度达到第二阈值时，执行平滑减速或停止进针。

12、优选地，所述基于得气置信度生成物理驱动指令的步骤，融合了来自轻量化数字孪生子系统的预测性推演指令作为前馈参考，构成“前馈-反馈”复合控制；所述轻量化数字孪生子系统为精简的物理感知与意念耦合模型，专门用于对针体-组织交互的物理状态进行实时推演，其实时推演周期小于10ms；所述模型不包含用于宏观病机分析的经络脏腑状态层。

13、优选地，所述多模时空耦合确权及所述物理驱动指令的生成，所需的中医先验知识由独立于所述轻量化数字孪生子系统之外的外部可调用知识库提供；

14、所述外部可调用知识库包括以下模块中的至少一种：专家经验手法模块，用于储存名老中医的临床手法经验数据；经典手法模块，用于储存标准针刺手法的运动学与动力学特征参数；规范操作方法模块，用于储存穴位定位、针刺深度、角度、留针时间及禁忌症的操作规范；古代文献信息源模块，用于储存经典医籍中与穴位主治、补泻原则、得气标志及刺法宜忌相关的结构化文本数据。

15、优选地，所述控制单元在生成物理驱动指令前，调用所述外部可调用知识库中的得气生理标志库及各知识模块，将所述多模态物理信号的实时特征向量与所述知识库中各得气状态的概率映射模型进行匹配，并结合从所述专家经验手法模块中检索的专家经验特征，综合辅助生成所述物理驱动指令。

16、优选地，所述“前馈-反馈”复合控制步骤还包括：

17、当针体到达预测深度但得气置信度未达标时，以反馈模式控制针体在从所述规范操作方法模块获取的安全约束范围内自主进行微动探索，并实时记录得气时所获多模态状态参数的特征值，以构建针对该患者的个性化得气模型。

18、优选地，所述控制单元还被配置为，在完成预设治疗任务后，将本次操作的孪生预测值、传感实测值与知识库参考值的三元数据序列封装为增量学习样本，用于优化所述外部可调用知识库中的概率映射关系及各知识模块的内容，并校准所述轻量化数字孪生子系统的模型参数。

19、本发明还提供一种基于多模态感知融合与得气状态评估的针灸机器人闭环控制系统，包括：

20、多模态信号获取模块，用于实时获取反映针体-穴位微环境实时交互状态的多模态物理信号；

21、时空耦合确权模块，用于对所述多模态物理信号进行实时的时间-空间耦合分析，生成量化的得气置信度；

22、指令生成模块，用于将所述得气置信度与期望物理交互状态进行比对，动态生成物理控制指令；

23、驱动模块，用于根据所述物理控制指令直接驱动末端执行装置的电机；

24、所述系统还包括轻量化数字孪生子系统和外部可调用知识库；所述轻量化数字孪生子系统用于对针体-组织交互的物理状态进行实时推演，其实时推演周期小于10ms；所述外部可调用知识库独立于所述轻量化数字孪生子系统之外，包括专家经验手法模块、经典手法模块、规范操作方法模块和古代文献信息源模块中的至少一种。

25、本发明还提供一种具身智能针灸机器人，包括多轴协作机械臂，

26、所述多轴协作机械臂的末端安装有末端执行装置，所述末端执行装置沿自身轴向从近端至远端依次设置有：

27、推送模块，包括沿所述轴向延伸的导轨和滑动设置于所述导轨的推送件，所述推送件具有朝向针柄末端的第一作用面；

28、夹持模块，设置于所述推送模块的远端，包括夹持体和驱动所述夹持体运动的第一驱动组件，所述夹持体具有与针柄末端预设结构相匹配的耦合面；

29、所述末端执行装置具有第一工作状态和第二工作状态，在所述第一工作状态，所述推送件沿所述导轨向远端滑动并通过所述第一作用面对针柄末端施加轴向推力；在所述第二工作状态，所述推送件向近端回撤与针柄脱离，所述夹持体通过所述耦合面与针柄末端接合；

30、还包括控制单元，所述控制单元在执行存储在其中的计算机程序时，实现基于多模态感知融合的针灸机器人闭环控制方法。

31、本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

32、本发明提供的一种基于多模态感知融合与得气状态评估的针灸机器人闭环控制方法及系统，通过构建完全脱离人的物理域运动控制闭环，实现了从“依赖技术的人”到“懂中医、会思考、会学习、能迭代改进的机器”的技术跨越。具体地，本发明通过实时获取针刺手法信息、穴位温度、组织压力、离子浓度及脑电特征信号等多模态物理信号并进行时空耦合分析，首次将穴位微环境多参数纳入机器人闭环控制，实现了以“得气”为目标的精准物理交互；通过采用“轻量化数字孪生体+外部可调用知识库”的分层架构，将精简的物理推演模型与融合了专家经验、经典手法、操作规范及古代文献的四维中医知识体系解耦，既保证了小于10ms的实时推演周期以满足高频物理控制需求，又赋予了机器人扎实的中医理论根基和临床经验支撑的知识推理能力；通过自主微动探索与个性化模型构建，使机器人能够在治疗中主动学习并精准适应患者个体差异；通过数据闭环与增量学习机制，使系统能够随治疗次数的增加持续优化知识库和孪生模型参数，实现技能的持续进化，从而显著提高了针灸机器人控制的柔顺性、安全性、智能化水平和临床适用性。