基于人体姿态识别的仿生机械手智能按摩系统及控制方法与流程

本发明涉及仿生机器人与智能理疗装备，尤其涉及基于人体姿态识别的仿生机械手智能按摩系统及控制方法。

背景技术：

1、仿生机械手在人体理疗应用中需同时兼顾非接触阶段的空间环境感知与接触阶段的多模态物理信息融合，以实现对人体组织特性的精准识别与柔顺交互。

2、随着柔性传感与智能材料技术的发展，基于电场感知、多模态传感及磁流变阻尼的仿生机械手逐步应用于理疗康复领域，但在非接触预判与接触反馈的时序对齐、异构物理量的底层耦合以及执行端刚度自适应等方面，仍存在进一步优化的空间。

3、例如，现有技术中：

4、申请号为cn202110404356.1的专利申请公开了一种电动按摩器及其基于pwm的骨骼识别方法，其通过电机实时脉宽调制信号的变化特征来识别骨骼区域，实现了接触状态下的骨骼位置判断，但是未将非接触阶段的介电常数空间分布信息纳入预判场，难以在机械手与人体表面发生物理接触之前提前规避骨骼高凸区域；

5、申请号为cn202210365638.x的专利申请公开了一种一体化柔性传感电路系统及其制备方法，其将柔性传感器与电子元器件集成于同一弹性基底以实现信号传感与处理的一体化，但是该系统的感知架构未将瞬态热流散失率与微观机械形变进行物理级耦合，在区分骨骼与肌肉等异质组织时缺乏多维度的复合感知能力；

6、申请号为cn202211674955.6的专利申请公开了一种用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其利用磁流变液在磁场作用下的流变特性实现关节阻尼力的连续调节，但是该阻尼调控策略未与非接触介电前馈信号及接触式力热反馈信号建立交叉调制关系，在理疗场景下难以根据组织特性预先构建适配的初始刚度权值。

7、由此，提出基于人体姿态识别的仿生机械手智能按摩系统及控制方法，以应对上述所提到的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的基于人体姿态识别的仿生机械手智能按摩系统及控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于人体姿态识别的仿生机械手智能按摩系统，包括：

4、介电场预判规避探测模块，由十字形分布接收电极捕捉空间电容畸变，提取介电前馈直流包络电压，并根据空间梯度差值电压提取并输出中断平移规避指令；

5、热流形变物理耦合感知模块，由热流密度传感器提取热流散失率斜率电压，由惠斯通全桥电路提取微观形变模拟电压，经模拟乘法电路将两种独立电压计算后输出初级物理耦合电压；

6、介电前馈物理交叉调制模块，接收介电前馈直流包络电压并转换为变导通跨导放大器的动态偏置电流，以此作为前馈权重对接收到的初级物理耦合电压进行模拟域交叉调制，输出交叉调制复合电压；

7、磁流变多级阻抗自适应模块，接收交叉调制复合电压并经压控恒流源转换为激磁电流，将激磁电流注入微型磁流变液阻尼器，输出反映底层阻抗的宏观屈服剪切应力；

8、仿生关节伺服联动执行模块，接收中断平移规避指令驱动平移电机，并依据宏观屈服剪切应力提供的抗力反馈，按内置的空间动态插补方程交替驱动柔性腱绳完成空间位姿重构。

9、优选地，所述介电场预判规避探测模块包含空间传感阵列，空间传感阵列由外至内依次设置有绝缘透射层、感应电极层以及主动屏蔽层；

10、感应电极层包含环形发射电极以及十字形分布接收电极；

11、主动屏蔽层接收与十字形分布接收电极等电位且同相位的跟随交变电压，用以切断向内部散失的寄生电容路径，迫使电场线朝向绝缘透射层外部空间凸出；主动屏蔽层与十字形分布接收电极之间填充有聚酰亚胺薄膜作为绝缘介质，且环形发射电极由内部配置的模拟考毕兹高频正弦波振荡电路提供高频激励信号。

12、优选地，所述十字形分布接收电极捕捉到的空间电容畸变，先馈入超低偏置电流运算放大器构建的电荷灵敏前置放大器转化为交流电压幅度变化，再经过同步相敏解调电路与二阶萨伦-基有源低通滤波器滤除高频载波与环境工频干扰后，提取出介电前馈直流包络电压；

13、介电前馈直流包络电压两两送入仪表放大器相减获取空间梯度差值电压，空间梯度差值电压送入模拟微分电路提取变化率，并在检测到负向脉冲时经电压比较器阵列翻转输出电平，生成中断平移规避指令。

14、优选地，所述热流形变物理耦合感知模块中：

15、在指腹接触端设有掺杂导热氮化铝粉末的柔性接触层，柔性接触层采用聚二甲基硅氧烷材料制成，柔性接触层下方铺设有提取热流散失率斜率电压的薄膜型热流密度传感器，薄膜型热流密度传感器由多对铋锑/锑碲半导体热电偶串联构成，并利用塞贝克效应提取瞬态热流密度，薄膜型热流密度传感器下方设有贴附惠斯通全桥电路的波纹应变基座，惠斯通全桥电路提取微观形变模拟电压，并利用波纹应变基座的对称物理结构自身抵消环境温度波动带来的应变片阻值漂移。

16、优选地，所述初级物理耦合电压由热流散失率斜率电压与微观形变模拟电压按照以下物理反比例转换方程计算得出：

17、；

18、其中，代表初级物理耦合电压；代表设定的固定比例增益常数；代表微观形变模拟电压；代表热流散失率斜率电压；代表提供偏置基准的防止分母为零常量；

19、热流散失率斜率电压在进入计算前进行一级放大与基于电容充放电原理构成的硬件积分差分电路提取，微观形变模拟电压在进入计算前经由内部由三个高频运算放大器级联而成的仪表放大器，利用共模抑制比滤除共模噪声。

20、优选地，所述介电前馈物理交叉调制模块中：

21、采用模拟斗链器件构建纯硬件模拟延迟线，纯硬件模拟延迟线的时钟驱动频率与下压伺服电机的转速编码器脉冲相锁定，将介电前馈直流包络电压以离散电荷包形式逐级传递，使其与发生物理接触瞬间的初级物理耦合电压在时间轴上实现物理时序对齐；

22、结合结型场效应管以及具有电阻电容积分网络的压控模拟开关，构建阻值平滑下降曲线以消除状态切换瞬间的高频振荡；

23、基于窗口比较器与模拟或非门构建的硬件仲裁电路，当检测到未经调制的初级物理耦合电压超出预设安全上限窗口，而介电前馈直流包络电压指示为安全区时，硬件仲裁电路无视前馈信号的控制权，强制拉低变导通跨导放大器的偏置控制端，并通过旁路二极管网络直接输出阻抗极化指令将交叉调制复合电压强制钳位至最高安全阈值。

24、优选地，所述微型磁流变液阻尼器包含由非导磁材料制成的外部工作缸筒以及表面开有环形阻尼通道的导磁活塞头；

25、外壁集成基于薄膜热敏电阻的微型测温电桥，并在激磁电流驱动回路上并联非线性压控衰减器，当检测到线圈温度逼近基载液安全阈值时，激活非线性压控衰减器通过旁路分流硬件限制最高激磁电流值，防止活塞铁芯进入非线性磁饱和状态；

26、压控恒流源由大功率金属氧化物半导体场效应晶体管与高精度检流电阻组成，利用硬件模拟负反馈机制克服微型电磁线圈自身电感特性带来的电流建立迟滞现象，且微型磁流变液阻尼器内部的导磁回路中设置有非导磁物理气隙结构以拓宽线性磁化区间范围。

27、优选地，所述仿生关节伺服联动执行模块，由配置在后方静止基座内的基座伺服驱动阵列牵引柔性腱绳；柔性腱绳连接仿生关节的偏心导轮；偏心导轮采用非圆柱形凸轮轮廓设计，结合模拟控制总线分配的补偿通道信号，实现指节之间的物理运动学解耦；

28、柔性腱绳采用多股超高分子量聚乙烯纤维编织而成，且在穿行通道内壁涂敷有聚四氟乙烯减摩层；补偿通道信号由基于运算放大器的模拟加减法电路构建的底层解耦补偿矩阵输出，控制近端伺服电机根据硬件设定的比例系数同步进行微小的反向放线动作以补偿远端腱绳绷紧对近端产生的误牵引位移；

29、基座伺服驱动阵列的底层驱动进行磁场定向控制，中断平移规避指令作为底层物理电平信号注入平移电机的交轴电流给定端，并在底层电路中强制切断朝向低介电常数区域的直轴驱动脉冲；基座伺服驱动阵列配置有安装在电机相线上的电流传感器以实时采集定子电流，硬件数字信号处理器内部固化有克拉克变换与帕克变换的逻辑门电路，用以将采集到的定子电流先转化为静止正交坐标系下的电流，随后转化为随转子同步旋转的两相正交坐标系电流。

30、优选地，所述在基座伺服驱动阵列与柔性腱绳的收线绞盘之间集成有机械式过载离合器，其配备碟形弹簧与钢球微动凹槽，当牵引反作用力超越设定的临界物理阈值时，钢球克服碟形弹簧的轴向压力从微动凹槽弹出，迫使伺服电机主轴与收线绞盘发生物理分离；

31、同时仿生关节内部预置的反向扭簧释放势能，强行反向拉拽柔性腱绳使指节退至伸展状态；基座伺服驱动阵列还配置有失电常开型电磁抱闸，在设备整体掉电时失电常开型电磁抱闸自动释放，确保在无电源支撑的情况下凭借推力将仿生机械手从人体上推开。

32、基于人体姿态识别的仿生机械手智能按摩控制方法，包括：

33、介电场预判规避探测步骤，由十字形分布接收电极捕捉空间电容畸变，提取介电前馈直流包络电压，并根据空间梯度差值电压提取并输出中断平移规避指令；

34、热流形变物理耦合感知步骤，由热流密度传感器提取热流散失率斜率电压，由惠斯通全桥电路提取微观形变模拟电压，经模拟乘法电路将两种独立电压计算后输出初级物理耦合电压；

35、介电前馈物理交叉调制步骤，接收介电前馈直流包络电压并转换为变导通跨导放大器的动态偏置电流，以此作为前馈权重对接收到的初级物理耦合电压进行模拟域交叉调制，输出交叉调制复合电压；

36、磁流变多级阻抗自适应步骤，接收交叉调制复合电压并经压控恒流源转换为激磁电流，将激磁电流注入微型磁流变液阻尼器，输出反映底层阻抗的宏观屈服剪切应力；

37、仿生关节伺服联动执行步骤，接收中断平移规避指令驱动平移电机，并依据宏观屈服剪切应力提供的抗力反馈，按内置的空间动态插补方程交替驱动柔性腱绳完成空间位姿重构。

38、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

39、1、本发明通过构建出能够反映深层软组织理疗阻抗与安全性状况的复合感知信号，这种热学与力学信号在物理空间上的紧凑堆叠与相互隔离设计，避免了模态间的物理串扰，使得系统能够依据热流维持能力与机械抵抗刚度的联合特征，更加可靠地辨识骨骼边缘与肌肉丰厚区域，从而在提升理疗定位准确性的同时，为后续阻抗调节提供了多维物理评估基准。

40、2、本发明通过引入纯模拟域的交叉调制架构，将非接触阶段获取的介电常数空间前馈信号与接触阶段获取的力热反馈信号进行物理级融合，利用基于电荷耦合原理的模拟延迟线实现前馈信号与接触瞬间信号的时序对齐，并借助变导通跨导放大器动态分配接触式感知信号的放大权值，从而在机械手尚未完全施加理疗压力之前，预先构建出适应当前组织特性的初始刚度权值。