本發(fā)明屬于理療控制，具體來說是一種人體表面建模及理療軌跡生成與安全控制方法。
背景技術(shù)：
1、在康復理療領(lǐng)域，隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，協(xié)作機器人逐漸被應(yīng)用于理療場景，通過機械臂末端執(zhí)行器對人體表面進行按壓、摩擦、敲擊等理療操作。由于理療過程通常需要在人體近距離范圍內(nèi)執(zhí)行，且人體表面具有復雜的不規(guī)則曲面特征，理療機器人必須具備對人體表面幾何形態(tài)的感知能力，并據(jù)此規(guī)劃安全、有效的理療軌跡。
2、目前，理療機器人獲取人體表面幾何信息的主流技術(shù)方案主要依賴結(jié)構(gòu)光、雙目視覺或tof（time?of?flight）深度相機等三維深度傳感器。此類傳感器能夠直接輸出點云或深度圖，便于后續(xù)的建模與軌跡規(guī)劃。然而，該類方案在實際應(yīng)用中存在以下不足：
3、（1）成本與集成復雜度較高：三維深度傳感器通常價格昂貴，且體積重量較大，對機械臂末端負載能力與結(jié)構(gòu)緊湊性提出更高要求，增加了系統(tǒng)的整體成本與集成難度。
4、（2）環(huán)境適應(yīng)性受限：結(jié)構(gòu)光與雙目視覺在強環(huán)境光、反光表面或低紋理區(qū)域容易出現(xiàn)深度缺失或匹配錯誤；tof深度相機在強光或透明/半透明表面條件下亦存在測距不穩(wěn)定的問題。為克服上述問題，往往需要額外配置補光裝置或遮光結(jié)構(gòu)，進一步加劇了系統(tǒng)的復雜性。
5、（3）單目視覺雖具成本優(yōu)勢但缺乏尺度信息：單目可見光相機具有成本低、體積小、易集成的優(yōu)點，但其單幀圖像缺乏真實尺度的深度信息，難以直接支撐人體表面幾何建模與后續(xù)軌跡規(guī)劃。
6、（4）單點tof傳感器難以獨立構(gòu)建面級幾何模型：tof單點測距傳感器能夠提供高精度的絕對距離信息，但其測量范圍局限于單點或小區(qū)域，無法獨立構(gòu)建覆蓋理療區(qū)域的面級幾何模型，也難以直接用于軌跡規(guī)劃與姿態(tài)控制。
7、此外，現(xiàn)有理療機器人在執(zhí)行階段的安全控制機制相對單一。理療過程中人體可能因呼吸、輕微體動、體位變化等因素產(chǎn)生微小位移，若僅依賴單一傳感器進行反饋控制，容易引發(fā)碰撞、壓痛或軌跡偏差等安全風險。尤其在懸空恒距理療與貼合接觸理療兩種模式下，對控制策略與安全冗余的需求存在顯著差異，現(xiàn)有方案往往難以兼顧二者。
8、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中尚缺乏一種能夠在無需三維深度相機、無需額外補光條件下，兼顧人體表面幾何建模精度與理療執(zhí)行階段安全性的技術(shù)方案。因此，亟需提出一種融合末端單目視覺與tof單點測距的建模與控制方法，在控制成本與系統(tǒng)復雜度的前提下，提升理療機器人的建模魯棒性與作業(yè)安全性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為解決上述問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
2、本發(fā)明的一種人體表面建模及理療軌跡生成與安全控制方法，所述方法包括如下步驟：
3、s100、理療開始前，驅(qū)動機械臂末端沿預設(shè)掃描軌跡運動，采集多幀單目圖像，并記錄每幀單目圖像對應(yīng)的機械臂末端位姿；
4、s200、在采集所述單目圖像的同時，同步采集tof距離傳感器的單點測距距離數(shù)據(jù)；
5、s300、基于相機內(nèi)參及手眼標定外參，將所述機械臂末端位姿轉(zhuǎn)換為相機位姿序列；
6、s400、在已知所述相機位姿序列的約束下，對多幀單目圖像執(zhí)行多視角重建，生成人體表面點云或高度場，并由所述點云或高度場計算表面法向或曲率信息；
7、s500、對所述tof單點測距距離數(shù)據(jù)執(zhí)行偏置補償，以將tof測距點與理療作用點之間的固定空間偏置映射為理療作用點的等效距離；
8、s600、基于所述人體表面點云或高度場計算tof方向的預測距離，并將所述預測距離與所述等效距離進行一致性質(zhì)量評估；當一致性質(zhì)量評估不滿足預設(shè)閾值或檢測到tof信號異常時觸發(fā)回退策略；
9、s700、當一致性質(zhì)量評估滿足預設(shè)閾值時，基于人體表面幾何模型生成理療軌跡并輸出至機械臂控制器執(zhí)行，所述理療軌跡至少包括位置、姿態(tài)及工藝參數(shù)；
10、s800、理療執(zhí)行階段根據(jù)模式選擇執(zhí)行懸空恒距控制或貼合接觸控制：
11、懸空恒距控制時，以所述等效距離作為反饋量對末端沿表面法向的位移或速度進行閉環(huán)控制以維持預設(shè)間距；
12、貼合接觸控制時，以力傳感器輸出作為反饋量執(zhí)行柔順控制以維持預設(shè)力范圍，并以所述等效距離作為安全邊界；
13、并在任一模式下至少采用tof閾值、力閾值以及速度/加速度限幅中的一種或多種構(gòu)成安全包絡(luò)。
14、優(yōu)選地，tof單點測距距離傳感器測距點與理療頭作用點之間存在空間偏置，所述偏置距離為2cm至20cm。
15、優(yōu)選地，所述預設(shè)掃描軌跡覆蓋床面寬度為50cm至100cm的區(qū)域，；所述軌跡為網(wǎng)格往返軌跡、平行線軌跡、圓弧軌跡或其組合；
16、對每個采樣點記錄：圖像、tof距離時間戳?；
17、計算相機位姿序列：
18、；
19、在已知位姿約束下執(zhí)行多視角重建生成人體表面點云或高度場：可采用特征匹配與三角測量、基于已知位姿的多視角立體匹配、平面掃掠、體素融合/柵格融合中的至少一種；并計算表面法向與曲率；
20、對tof讀數(shù)進行濾波，并根據(jù)與進行偏置補償，得到理療作用點的等效距離。
21、優(yōu)選地，所述一致性質(zhì)量評估包括：計算由所述單目建模得到的預測距離與偏置補償后的tof實測距離的差值，當差值超過預設(shè)閾值時觸發(fā)回退策略，所述回退策略包括至少一種：重掃、降低速度、擴大安全距離、暫停理療或撤退，具體為：
22、基于幾何模型沿tof光軸方向計算預測距離離；
23、計算一致性誤差：
24、；
25、結(jié)合特征匹配數(shù)量、重投影誤差、點云密度/空洞比例等指標，生成可信度評分s；
26、當滿足任一條件或、或tof信號異常，觸發(fā)回退策略；
27、當評估通過時輸出人體表面幾何模型?m?供軌跡生成使用。
28、優(yōu)選地，從點云或高度場計算表面法向量并用于理療頭姿態(tài)規(guī)劃，使理療頭以預設(shè)夾角對齊表面法向或沿表面切向運動。
29、優(yōu)選地，理療過程中允許在懸空恒距控制與貼合接觸控制之間切換，并在切換過程采用tof距離或力反饋執(zhí)行過渡段限速控制。
30、優(yōu)選地，理療過程中在動作段間隔觸發(fā)末端微抬升并采集至少一幀圖像與tof距離，用于修正局部幾何模型或更新后續(xù)軌跡。
31、優(yōu)選地，當特征匹配數(shù)量不足、重投影誤差超過閾值、點云密度低于閾值或tof信號異常時，觸發(fā)所述異常回退策略。
32、優(yōu)選地，所述單目圖像、tof距離與末端位姿采用統(tǒng)一時間戳對齊或通過插值方式對齊。
33、采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：
34、本發(fā)明的一種人體表面建模及理療軌跡生成與安全控制方法，通過末端單目視覺與tof單點測距的深度融合，在無需三維深度相機、無需額外補光條件下，實現(xiàn)了低成本、高精度、強魯棒的人體表面建模與安全的理療軌跡控制。同時，通過雙模式控制與多層次安全包絡(luò)機制，兼顧了懸空恒距理療與貼合接觸理療兩種場景下的安全需求，顯著提升了理療機器人的建模魯棒性、環(huán)境適應(yīng)性與人機交互安全性，為智能理療機器人的實用化提供了有效的技術(shù)路徑。