中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)及其穴位尋找方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)及其穴位尋找方法，屬于醫(yī)療服務(wù)按摩機(jī)器人領(lǐng)域，所述中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制柜和操作平臺(tái)，所述機(jī)器人包括調(diào)節(jié)平臺(tái)、機(jī)械臂和支撐架，其中：所述調(diào)節(jié)平臺(tái)包括可升降的床體、床板，所述支撐架設(shè)置于所述床體上部，并可沿所述床體的前后方向移動(dòng)；所述機(jī)械臂設(shè)置于所述支撐架上，所述機(jī)械臂的末端設(shè)置有仿人按摩手，所述運(yùn)動(dòng)控制柜設(shè)置于所述床體的底部，所述操作平臺(tái)位于所述機(jī)器人的一側(cè)，可以對(duì)患者完成指按、指揉、掌推、掌按、掌揉、捏拿、叩擊等多種按摩手法，所述中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的穴位尋找方法利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提高了尋找該中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)穴位坐標(biāo)的精度。
【專利說(shuō)明】
中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)及其穴位尋找方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及醫(yī)療服務(wù)按摩機(jī)器人領(lǐng)域，具體設(shè)及一種中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)及其穴 位尋找方法。
【背景技術(shù)】
[0002] "十二五"期間中國(guó)人口老齡化加速發(fā)展，人口老齡化形勢(shì)更加嚴(yán)峻，逐步呈現(xiàn)出 老齡化、高齡化、空巢化加速發(fā)展的Ξ個(gè)新特征。人口老齡化的加速必然導(dǎo)致老齡人口健康 問(wèn)題凸顯，高齡、失能和患病老年人的照料護(hù)理問(wèn)題，更應(yīng)該得到社會(huì)的普遍關(guān)注。但由于 老年人醫(yī)療服務(wù)型行業(yè)發(fā)展的不完善性，制定出相應(yīng)對(duì)策顯得尤為迫切。
[0003] 隨著近幾年智能機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，服務(wù)性機(jī)器人行業(yè)也得到了快速的發(fā) 展。各種醫(yī)療輔助機(jī)器人的研制成功，可W有效緩解目前醫(yī)療保健資源緊張、社會(huì)人口老齡 化加劇的問(wèn)題。有關(guān)機(jī)器人輔助醫(yī)療技術(shù)的研究，近些年來(lái)也已經(jīng)成為國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域前 沿研究熱點(diǎn)之一。而目前市場(chǎng)上已研制成功的按摩機(jī)械產(chǎn)品都需要使用者自主調(diào)整位置， 按摩手法單一，只能起到放松和減輕疲勞的作用，不能起到治療或改善疾病的作用。
[0004] 因此，為了提高目前中醫(yī)按摩治療的現(xiàn)狀，把按摩醫(yī)師從繁重的體力勞動(dòng)中解脫 出來(lái)，并且考慮到老年化嚴(yán)重的社會(huì)狀態(tài)，急需研究一種針對(duì)老年人退行性疾病的中醫(yī)按 摩機(jī)器人系統(tǒng)。
[0005] 然而，中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)在對(duì)患者進(jìn)行治療、推拿、按摩時(shí)，需要對(duì)患者不同穴 位進(jìn)行不同力度的治療按摩，實(shí)時(shí)通過(guò)壓力傳感器反饋的信息調(diào)節(jié)按摩力度的大小。如果 按摩機(jī)器人不能準(zhǔn)確的尋找到患者的穴位坐標(biāo)，W及尋找穴位坐標(biāo)的不精確，不但使患者 受到不同程度的疼痛感，而且達(dá)不到治療效果。所W按摩機(jī)器人對(duì)按摩穴位坐標(biāo)的精準(zhǔn)定 位是患者治療的重要基礎(chǔ)，使用常規(guī)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行穴位訓(xùn)練學(xué)習(xí)，不但學(xué)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)，而 且精度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種集機(jī)電一體化、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)于一 體，可W對(duì)患者完成指按、指揉、掌推、掌按、掌揉、捏拿、叩擊等多種按摩手法的中醫(yī)按摩機(jī) 器人系統(tǒng)W及提高尋找該中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)穴位坐標(biāo)精度的穴位尋找方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供技術(shù)方案如下：
[000引一種中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制柜和操作平臺(tái)，所述機(jī)器人包括 調(diào)節(jié)平臺(tái)、機(jī)械臂和支撐架，其中：
[0009] 所述調(diào)節(jié)平臺(tái)包括可升降的床體、床板，所述支撐架設(shè)置于所述床體上部，并可沿 所述床體的前后方向移動(dòng)；
[0010] 所述機(jī)械臂設(shè)置于所述支撐架上，所述機(jī)械臂的末端設(shè)置有能夠?qū)崿F(xiàn)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)、 拇指開(kāi)合和掌指轉(zhuǎn)換的仿人按摩手，所述機(jī)械臂和仿人按摩手上均設(shè)置有監(jiān)測(cè)傳感器；
[0011] 所述運(yùn)動(dòng)控制柜設(shè)置于所述床體的底部，所述操作平臺(tái)位于所述機(jī)器人的一側(cè)， 所述運(yùn)動(dòng)控制柜為所述機(jī)械臂和仿人按摩手的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力和數(shù)據(jù)信息的傳輸，完成各部 分監(jiān)測(cè)傳感器信息的采集、傳輸與控制；
[0012] 所述運(yùn)動(dòng)控制柜與操作平臺(tái)進(jìn)行交互，接收所述操作平臺(tái)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令，W及 實(shí)時(shí)上傳各部分監(jiān)測(cè)傳感器的當(dāng)前值、所述機(jī)械臂和仿人按摩手的運(yùn)行狀態(tài)信息。
[0013] 進(jìn)一步的，所述機(jī)械臂包括直角坐標(biāo)式水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直機(jī)構(gòu)，W及關(guān)節(jié)式縱 深運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0014] 進(jìn)一步的，所述操作平臺(tái)采用全觸摸屏結(jié)構(gòu)。
[0015] 進(jìn)一步的，所述床體前端設(shè)置有臉孔，所述床體底部設(shè)置有四個(gè)滾輪。
[0016] 所述中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的穴位尋找方法，包括：
[0017] 步驟1:確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0018]步驟2:利用遺傳算法優(yōu)化所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0019] 步驟3:預(yù)測(cè)所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0020]步驟4:完成穴位坐標(biāo)尋找。
[0021 ] 進(jìn)一步的，所述步驟1包括：
[0022] 步驟11:確定穴位坐標(biāo)的輸入、輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)，對(duì)所述輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練， 確定所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；
[0023] 步驟12:確定遺傳算法個(gè)體的長(zhǎng)度。
[0024] 進(jìn)一步的，所述輸入?yún)?shù)為患者的身高、體重、大椎、肩中俞、肩井、大抒和肺俞穴， 所述輸出參數(shù)為患者腎俞、大腸俞和腰陽(yáng)關(guān)，所述輸入、輸出參數(shù)的坐標(biāo)為Χ、Υ坐標(biāo)。
[00巧]進(jìn)一步的，所述步驟2包括：
[0026] 步驟21:種群的初始化:對(duì)遺傳算法的個(gè)體采用實(shí)數(shù)編碼初始化種群，所述種群的 每個(gè)個(gè)體均包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有權(quán)值和闊值；
[0027] 步驟22:計(jì)算所述個(gè)體的適應(yīng)度值，所述適應(yīng)度值為采用所述ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得 到的平方誤差和，計(jì)算公式為：
[002引
[0029] 式中：η為ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù);y功神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的期望輸出；0功第i個(gè) 節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)輸出;k為系數(shù)；
[0030] 步驟23:選擇操作，所述選擇操作為適應(yīng)度比例的選擇策略，每個(gè)個(gè)體的選擇概率 P功：
[0031] fi = k/Fi
[0032]
[0033] 式中:Fi為個(gè)體i的適應(yīng)度值;k為系數(shù);N為種群個(gè)體數(shù)目；
[0034] 步驟24:交叉操作，所述交叉操作采用實(shí)數(shù)交叉法，第k個(gè)染色體ak和第1個(gè)染色體 ai在j位的交叉操作方法如下：
[0035]
[0036] 式中:b是[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；
[0037]步驟25:變異操作，選取第i個(gè)個(gè)體的第j個(gè)基因的曰^進(jìn)行變異，采用變異操作方法 如下：
[00；3 引
[0039] f (g) =r2(l-g/Gmax)
[0040] 式中:amax為基因 au的上界;amin為基因 au的下界;η是一個(gè)隨機(jī)數(shù);g為當(dāng)前迭代次 數(shù);Gmax是最大進(jìn)化次數(shù);r為[0，1 ]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；
[0041] 步驟26:繼續(xù)計(jì)算所述種群中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，直至找到最優(yōu)個(gè)體。
[0042] 進(jìn)一步的，所述步驟3包括：
[0043] 步驟31:利用所述最優(yōu)個(gè)體對(duì)所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值和闊值賦值；
[0044] 步驟32:對(duì)所述權(quán)值和闊值進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，直至滿足結(jié)束條件；
[0045] 步驟33:預(yù)測(cè)所述穴位的坐標(biāo)輸出，得到結(jié)果。
[0046] 進(jìn)一步的，所述步驟4包括：中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)獲取所述輸出參數(shù)的坐標(biāo)值，并 通過(guò)所述輸出參數(shù)的坐標(biāo)值映射到其他穴位的坐標(biāo)值，獲取方法為機(jī)械手的示教或視覺(jué)識(shí) 別。
[0047] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0048] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的操作平臺(tái)可W預(yù)先錄入患者的 信息并顯示和存儲(chǔ)患者的穴位及生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人的控制， 使得本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人可W對(duì)患者完成指按、指揉、掌推、掌按、掌揉、捏拿、叩擊等 多種按摩手法，同時(shí)，本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的穴位尋找方法，利用遺傳算法彌補(bǔ)了 常規(guī)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷，縮短了訓(xùn)練學(xué)習(xí)時(shí)間，能夠提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度，求解出最優(yōu) 解，保證了本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)患者的穴位坐標(biāo)做出的預(yù)測(cè)，提高了本發(fā)明的 中醫(yī)按摩機(jī)器人穴位坐標(biāo)尋找行為規(guī)劃的精度。
【附圖說(shuō)明】
[0049] 圖1為本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050] 圖2為本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)穴位尋找方法的流程示意圖；
[0051] 圖3為本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器系統(tǒng)人穴位尋找方法的預(yù)測(cè)誤差曲線圖，其中虛線 為訓(xùn)練目標(biāo)誤差，實(shí)直線為最優(yōu)目標(biāo)誤差，實(shí)折線為采用本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)穴 位尋找方法訓(xùn)練過(guò)程中誤差的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具 體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0053] -方面，本發(fā)明提供一種中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)器人1、運(yùn)動(dòng)控制柜40和操 作平臺(tái)50,機(jī)器人1包括調(diào)節(jié)平臺(tái)10、機(jī)械臂20和支撐架14,其中：
[0054] 調(diào)節(jié)平臺(tái)10包括可升降的床體11、床板12,支撐架14設(shè)置于床體11上部，并可沿床 體11的前后方向移動(dòng)；
[0055] 機(jī)械臂20設(shè)置于支撐架14上，機(jī)械臂20的末端設(shè)置有能夠?qū)崿F(xiàn)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)、拇指開(kāi) 合和掌指轉(zhuǎn)換的仿人按摩手30,機(jī)械臂20和仿人按摩手上30均設(shè)置有監(jiān)測(cè)傳感器；
[0056] 運(yùn)動(dòng)控制柜40設(shè)置于床體11的底部，操作平臺(tái)50位于機(jī)器人1的一側(cè)，運(yùn)動(dòng)控制柜 40為機(jī)械臂20和仿人按摩手30的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力和數(shù)據(jù)信息的傳輸，完成各部分監(jiān)測(cè)傳感器 信息的采集、傳輸與控制；
[0057] 運(yùn)動(dòng)控制柜40還需與操作平臺(tái)50進(jìn)行交互，接收操作平臺(tái)50發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令，W 及實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測(cè)傳感器的當(dāng)前值、機(jī)械臂20和仿人按摩手30的運(yùn)行狀態(tài)等信息。
[0058] 仿人按摩手30能夠仿人工手法進(jìn)行中醫(yī)按摩治療，可W實(shí)現(xiàn)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)、拇指的開(kāi) 合、掌指的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)指按、掌推、掌揉等多種中醫(yī)按摩手法，而且各種按摩手法之間可 W相互配合W及自由轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到對(duì)患者治療和推拿按摩的效果。
[0059] 在按摩過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制柜40接收并解析操作平臺(tái)50下發(fā)的命令，得到穴位坐標(biāo) 及按摩手法等信息，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂20移動(dòng)，達(dá)到指定穴位坐標(biāo)點(diǎn)，并調(diào)整仿人按摩手30到 相應(yīng)的按摩姿態(tài)。調(diào)整到位后執(zhí)行規(guī)定的按摩手法，在按摩過(guò)程中，同時(shí)開(kāi)啟保護(hù)程序，如 果出現(xiàn)急停、限位觸發(fā)等情況，運(yùn)動(dòng)控制柜40就會(huì)下發(fā)命令停止當(dāng)前活動(dòng)，機(jī)械臂20先上移 然后復(fù)位，情況解除后，繼續(xù)按摩流程；當(dāng)完成一個(gè)按摩動(dòng)作時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一按摩動(dòng)作，直 到運(yùn)動(dòng)控制柜40接收到結(jié)束命令為止。
[0060] 運(yùn)動(dòng)控制柜40還需考慮電磁兼容問(wèn)題，使所有金屬部件保持良好的接觸;驅(qū)動(dòng)器 與其他敏感的電氣部件應(yīng)保持大于200mm的安裝距離;動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜等，為系統(tǒng)提 供安全可靠性的保障。
[0061] 本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的操作平臺(tái)50可W預(yù)先錄入患者的信息并顯示和 存儲(chǔ)患者的穴位及生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人的控制，使得本發(fā)明的 中醫(yī)按摩機(jī)器人可W對(duì)患者完成指按、指揉、掌推、掌按、掌揉、捏拿、叩擊等多種按摩手法。
[0062] 進(jìn)一步的，機(jī)械臂20可W包括直角坐標(biāo)式水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直機(jī)構(gòu)，W及關(guān)節(jié)式 縱深運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)種結(jié)構(gòu)可W實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂20運(yùn)動(dòng)的靈活性，使得機(jī)械臂20可沿著床體11的 長(zhǎng)、寬、高方向運(yùn)動(dòng)，W保證本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人有足夠的按摩空間。
[0063] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，操作平臺(tái)50可W采用全觸摸屏51結(jié)構(gòu)。運(yùn)種結(jié)構(gòu)使得本 發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)具有人機(jī)交互功能。
[0064] 優(yōu)選的，床體11前端可W設(shè)置有臉孔(未示出），床體11底部?jī)?yōu)選設(shè)置有四個(gè)滾輪 13。臉孔便于患者按摩時(shí)臉部向下，提高患者的舒適度，并且能夠基本上確定人體位置，便 于穴位的追蹤定位;滾輪13的設(shè)置可W方便本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人的移動(dòng)。
[0065] 另一方面，本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的穴位尋找方法，包括：
[0066] 步驟1:確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0067] 步驟2:利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0068] 步驟3:預(yù)測(cè)所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
[0069] 步驟4:完成穴位坐標(biāo)尋找。
[0070] 本發(fā)明提供上述中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的穴位尋找方法，利用遺傳算法彌補(bǔ)了常規(guī) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷，縮短了訓(xùn)練學(xué)習(xí)時(shí)間，能夠提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度，求解出最優(yōu)解， 保證了本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)患者的穴位坐標(biāo)做出的預(yù)測(cè)，提高了本發(fā)明的中醫(yī) 按摩機(jī)器人穴位坐標(biāo)尋找行為規(guī)劃的精度。
[0071] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，步驟1可W包括：
[0072] 步驟11:確定穴位坐標(biāo)的輸入、輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)，對(duì)所述輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練， 確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；
[0073] 步驟12:確定遺傳算法個(gè)體的長(zhǎng)度。
[0074] 優(yōu)選的，輸入?yún)?shù)為患者的身高、體重、大椎、肩中俞、肩井、大抒和肺俞穴，輸出參 數(shù)為患者腎俞、大腸俞和腰陽(yáng)關(guān)，所述輸入、輸出參數(shù)的坐標(biāo)為Χ、γ坐標(biāo)。
[0075] 作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，步驟2可W包括：
[0076] 步驟21:種群的初始化:對(duì)遺傳算法的個(gè)體采用實(shí)數(shù)編碼初始化種群，種群的每個(gè) 個(gè)體均包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有權(quán)值和闊值；
[0077] 步驟22:計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度值，適應(yīng)度值優(yōu)選為采用ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的平方 誤差和，計(jì)算公式為：
[007引
[0079] 式中：η為ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù);y功神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的期望輸出；0功第i個(gè) 節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)輸出;k為系數(shù)。
[0080] 步驟23:選擇操作，所述選擇操作為適應(yīng)度比例的選擇策略，每個(gè)個(gè)體的選擇概率 Pi為：
[0081 ] fi = k/Fi [0082]
[0083] 式中:F功個(gè)體i的適應(yīng)度值;k為系數(shù);N為種群個(gè)體數(shù)目。個(gè)體的選擇概率Pi越大， 則該個(gè)體的適配度越高，被選擇的機(jī)會(huì)越大。
[0084] 步驟24:交叉操作，所述交叉操作采用實(shí)數(shù)交叉法，第k個(gè)染色體ak和第1個(gè)染色體 ai在j位的交叉操作方法如下：
[0085]
[0086] 式中：b是[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)。交叉操作的目的是為了能夠在下一代產(chǎn)生新的個(gè) 體，它是遺傳算法獲取新優(yōu)良個(gè)體的最重要的手段。
[0087] 步驟25:變異操作，選取第i個(gè)個(gè)體的第j個(gè)基因的曰^進(jìn)行變異，采用變異操作方法 如下：
[008引
[0089] f (g) =r2(l-g/Gmax)
[0090] 式中：a麗為基因曰1撕上界;amin為基因曰1撕下界;η是一個(gè)隨機(jī)數(shù);g為當(dāng)前迭代次 數(shù);Gmax是最大進(jìn)化次數(shù);r為[0，1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)。變異操作是產(chǎn)生新個(gè)體的一種方法，是遺 傳算法中必不可少的一個(gè)運(yùn)算步驟，保證了遺傳算法的有效性，使遺傳算法具有局部的隨 機(jī)捜索能力，同時(shí)是遺傳算法保持種群的多樣性，防止出現(xiàn)非成熟型收斂。
[0091] 步驟26:繼續(xù)計(jì)算所述種群中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，直至找到最優(yōu)個(gè)體。
[0092] 上述步驟21-26通過(guò)遺傳算法中的選擇、交叉和變異操作，選出適應(yīng)度值最高的個(gè) 體，即最優(yōu)個(gè)體，并獲得該最優(yōu)個(gè)體的權(quán)值和闊值。
[0093] 進(jìn)一步的，步驟3可W包括：
[0094] 步驟31:利用最優(yōu)個(gè)體對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值和闊值賦值；
[00M]步驟32:對(duì)權(quán)值和闊值進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，直至滿足結(jié)束條件;該結(jié)束條件可W 為預(yù)期的最小誤差。
[0096] 步驟33:預(yù)測(cè)穴位的坐標(biāo)輸出，得到結(jié)果。
[0097] 另外，穴位尋找完成后，在使用本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)治療時(shí)，可W通過(guò)獲 取至少Ξ個(gè)穴位的坐標(biāo)值，即可映射到其他穴位的坐標(biāo)值，獲取方法可W為機(jī)械手的示教 或視覺(jué)識(shí)別。機(jī)械手示教優(yōu)選為通過(guò)人工拖拉或者遙控方式確定至少Ξ個(gè)人體穴位的坐標(biāo) 值，視覺(jué)識(shí)別即為粘貼標(biāo)示至少Ξ個(gè)人體穴位的坐標(biāo)值。運(yùn)種方法避免了人工輸入坐標(biāo)值 和人體穴位的原點(diǎn)的確定。
[0098] 本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)穴位坐標(biāo)尋找方法的具體實(shí)施例采用Ξ層神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)，將患者的身高(cm)、體重化g)、大椎(Χ、Υ坐標(biāo)，下同）、肩中俞、肩外俞、肩井、大#、天 宗和肺俞穴位作為輸入?yún)?shù)，坐標(biāo)如下：
[0099]

[0103]將腎俞、大腸俞和腰陽(yáng)關(guān)穴位作為輸出參數(shù)，如下所示：
[0108] 對(duì)W上參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，由于運(yùn)些參數(shù)具有不同的量級(jí)和量綱，因此需要對(duì)運(yùn)些數(shù) 據(jù)進(jìn)行歸一化處理。本發(fā)明實(shí)施例中，由于樣本有16個(gè)輸入?yún)?shù)，6個(gè)輸出參數(shù)，又由于隱含 層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)m和輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)m之間存在如下近似關(guān)系：
[0109] Π2 = 2 Xni+1
[0110] 所W本實(shí)施例中的隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)m為33,所設(shè)置的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為 16-33-6，也就是輸入層有16個(gè)節(jié)點(diǎn)，隱含層有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，共有16 X 33+33 X 6 = 726個(gè)權(quán)值，33+6 = 39個(gè)闊值，所W本實(shí)施例中遺傳算法優(yōu)化的參數(shù)個(gè)數(shù)為726+39 = 765。
[0111] 利用W下數(shù)據(jù)作為樣本的測(cè)試數(shù)據(jù)，輸入?yún)?shù)如下：
[0116] 由于運(yùn)些參數(shù)具有不同的量級(jí)和量綱，因此需要對(duì)運(yùn)些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。同 時(shí)本發(fā)明中隱含層得傳遞函數(shù)選取S型正切函數(shù)tansig;輸出層選取S型對(duì)數(shù)函數(shù)logsig。 本實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為16-33-6,那么權(quán)值和闊值的個(gè)數(shù)如下所示：
[0117]
[0118] 本實(shí)施例的權(quán)值和闊值均采用10位二進(jìn)制實(shí)數(shù)編碼，那么個(gè)體二進(jìn)制的編碼長(zhǎng)度 為7650。其中，輸入層與隱含層的連接權(quán)值的編碼為前5280位，隱含層闊值編碼為5281~ 5610,隱含層與輸出層的連接權(quán)值編碼為5611~7590,輸出層闊值編碼為7591~7650。
[0119] 如圖3所示，其中虛線為訓(xùn)練目標(biāo)誤差，實(shí)直線是最優(yōu)目標(biāo)誤差，實(shí)折線為采用本 發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)穴位尋找方法訓(xùn)練過(guò)程中誤差的變化，從圖3中可W看出通過(guò)7 步的迭代步數(shù)就可w達(dá)到預(yù)期的最小誤差，由此可知，通過(guò)本發(fā)明的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng) 穴位尋找方法可W較快、較精準(zhǔn)的完成患者的穴位坐標(biāo)的尋找，提高了本發(fā)明的中醫(yī)按摩 機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)患者的穴位坐標(biāo)尋找的精度。
[0120] W上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可W作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤(rùn)飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，包括機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制柜和操作平臺(tái)，所述 機(jī)器人包括調(diào)節(jié)平臺(tái)、機(jī)械臂和支撐架，其中： 所述調(diào)節(jié)平臺(tái)包括可升降的床體、床板，所述支撐架設(shè)置于所述床體上部，并可沿所述 床體的前后方向移動(dòng)； 所述機(jī)械臂設(shè)置于所述支撐架上，所述機(jī)械臂的末端設(shè)置有能夠?qū)崿F(xiàn)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)、拇指 開(kāi)合和掌指轉(zhuǎn)換的仿人按摩手，所述機(jī)械臂和仿人按摩手上均設(shè)置有監(jiān)測(cè)傳感器； 所述運(yùn)動(dòng)控制柜設(shè)置于所述床體的底部，所述操作平臺(tái)位于所述機(jī)器人的一側(cè)，所述 運(yùn)動(dòng)控制柜為所述機(jī)械臂和仿人按摩手的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力和數(shù)據(jù)信息的傳輸，完成各部分監(jiān) 測(cè)傳感器信息的采集、傳輸與控制； 所述運(yùn)動(dòng)控制柜與操作平臺(tái)進(jìn)行交互，接收所述操作平臺(tái)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)指令，以及實(shí)時(shí) 上傳各部分監(jiān)測(cè)傳感器的當(dāng)前值、所述機(jī)械臂和仿人按摩手的運(yùn)行狀態(tài)信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械臂包括直角坐標(biāo) 式水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和垂直機(jī)構(gòu)，以及關(guān)節(jié)式縱深運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述操作平臺(tái)采用全觸摸 屏結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述床體前端設(shè)置有臉 孔，所述床體底部設(shè)置有四個(gè)滾輪。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的穴位尋找方法，其特征在 于，包括： 步驟1:確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； 步驟2:利用遺傳算法優(yōu)化所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 步驟3:預(yù)測(cè)所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 步驟4:完成穴位坐標(biāo)尋找。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的穴位尋找方法，其特征在于，所述步驟1包括： 步驟11:確定穴位坐標(biāo)的輸入、輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)，對(duì)所述輸入、輸出參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，確定 所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)； 步驟12:確定遺傳算法個(gè)體的長(zhǎng)度。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的穴位尋找方法，其特征在于，所述輸入?yún)?shù)為患者的身高、體 重、大椎、肩中俞、肩井、大抒和肺俞穴，所述輸出參數(shù)為患者腎俞、大腸俞和腰陽(yáng)關(guān)，所述輸 入、輸出參數(shù)的坐標(biāo)為X、Y坐標(biāo)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的穴位尋找方法，其特征在于，所述步驟2包括： 步驟21:種群的初始化:對(duì)遺傳算法的個(gè)體采用實(shí)數(shù)編碼初始化種群，所述種群的每個(gè) 個(gè)體均包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有權(quán)值和閾值； 步驟22:計(jì)算所述個(gè)體的適應(yīng)度值，所述適應(yīng)度值為采用所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的 平方誤差和，計(jì)算公式為：式中:η為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)數(shù);yi為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的期望輸出；〇1為第i個(gè)節(jié)點(diǎn) 的預(yù)測(cè)輸出;k為系數(shù)； 步驟23:選擇操作，所述選擇操作為適應(yīng)度比例的選擇策略，每個(gè)個(gè)體的選擇概率?1為： fi = k/Fi式中:Fi為個(gè)體i的適應(yīng)度值;k為系數(shù);N為種群個(gè)體數(shù)目； 步驟24:交叉操作，所述交叉操作采用實(shí)數(shù)交叉法，第k個(gè)染色體ak和第1個(gè)染色體&1在」 位的交叉操作方法如下：式中:b是[0，1 ]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)； 步驟25 :變異操作，選取第i個(gè)個(gè)體的第j個(gè)基因的進(jìn)行變異，采用變異操作方法如 下：f (g)=r2(l-g/Gmax) 式中：amax為基因aij的上界;amin為基因aij的下界;Γ2是一個(gè)隨機(jī)數(shù);g為當(dāng)前迭代次數(shù)； Gmax是最大進(jìn)化次數(shù);r為[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)； 步驟26:繼續(xù)計(jì)算所述種群中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，直至找到最優(yōu)個(gè)體。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的穴位尋找方法，其特征在于，所述步驟3包括： 步驟31:利用所述最優(yōu)個(gè)體對(duì)所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值和閾值賦值； 步驟32:對(duì)所述權(quán)值和閾值進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，直至滿足結(jié)束條件； 步驟33:預(yù)測(cè)所述穴位的坐標(biāo)輸出，得到結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105919796SQ201610339489
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】魯守銀, 張營(yíng), 王濤, 高煥兵, 隋首鋼, 李艷萍
【申請(qǐng)人】山東建筑大學(xué)