[發明專利]坐臥式下肢康復機器人及相應的主動訓練控制方法

有效

• 申請號: 201210226579.4
• 申請日: 2012-06-29
• 公開（公告）號: CN102698411A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 侯增廣;張峰;李鵬峰;譚民;程龍;陳翼雄;胡進;張新超;王衛群;王洪波;胡國清
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: A63B23/04
• 分類號: A63B23/04;A63B24/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及康復醫療器械技術領域，具體涉及一種坐臥式下肢康復機器人及相應的主動訓練控制方法。

背景技術

脊髓損傷和中風是導致神經系統損傷并進而導致癱瘓的兩大主要原因，神經系統損傷之后適當的康復訓練可以減輕或避免殘疾。根據神經系統可塑性原理，目前臨床上常用的治療方法包括物理療法、作業療法、運動療法等，然而，國內絕大多數康復醫院仍然借助于人工或簡單的被動康復醫療設備進行以上治療，不僅康復效率低下，而且治療師的勞動強度大，限制了患者的訓練時間。利用康復機器人技術進行主動康復訓練是康復領域未來的發展趨勢，盡管國內很多研究機構已相繼研究了各種類型的康復機器人，但大多數機器人仍然只能進行被動訓練或簡單的主動訓練。

利用生物電信號對患者的運動意圖進行模式識別，并根據識別結果完成對機器人相應動作的控制是康復機器人研究的一個熱點方向，然而這種方式只能對特定的幾種運動模式進行控制，不能實時激發患者的主動運動愿望。

發明內容

本發明的目的在于為脊髓損傷或中風患者提供一種坐臥式下肢康復機器人，以及一種相應的主動訓練控制方法，以適應不同的患者或不同的康復階段，從而提高患者的積極性，并改善其康復進程。

根據本發明的一個方面，本發明提出了一種坐臥式下肢康復機器人，其特征在于，該機器人包括：座椅7、兩條機械臂3、人機交互界面1、主工控箱2、多個肌電信號采集電極片6、肌電信號采集工控箱8，其中，

每條機械臂3有三個關節，分別對應人體下肢的髖、膝、踝三個關節；

所述人機交互界面1用于供用戶輸入、選擇訓練形式并設定相應的運動參數、對康復訓練進行智能監控和數據管理；

所述主工控箱2用以控制機器人各關節的運動、采集機器人相關的傳感信息；

所述肌電信號采集工控箱8安裝在靠近人體下肢的座椅7的下部，以方便其輸入部件，肌電信號采集電極片6，與人體肌肉進行連接，所述肌電信號采集工控箱8用以接收來自主工控箱2的肌電信號采集指令、對通過肌電信號采集電極片6實時采集得到的肌電信號進行處理，然后將經過處理后的肌電信號傳送給主工控箱2；所述肌電信號采集電極片6粘貼在需要訓練的肌肉的肌腹位置上，用來采集相應肌肉的肌電信號；

所述主工控箱2包括上位機PC104、通過數據總線與上位機PC104進行通信的左運動控制卡和右運動控制卡、與所述左運動控制卡通過相應的接口連接的左髖關節驅動器、左膝關節驅動器、左踝關節驅動器、與所述右運動控制卡通過相應的接口連接的右髖關節驅動器、右膝關節驅動器、右踝關節驅動器、與所述左髖關節驅動器連接的左髖電機/編碼器、與所述左膝關節驅動器連接的左膝電機/編碼器、與所述左踝關節驅動器連接的左踝電機/編碼器、與所述右髖關節驅動器連接的右髖電機/編碼器、與所述右膝關節驅動器連接的右膝電機/編碼器、與所述右踝關節驅動器連接的右踝電機/編碼器、通過USB接口總線與上位機PC104進行通信的數字信號輸入輸出DIDO數字信號采集卡和A/D轉換卡、與所述DIDO數字信號采集卡連接的光耦隔離電平轉換電路板、與所述光耦隔離電平轉換電路板連接的安裝在機器人內部各關節位置的多個絕對位置編碼器、與所述A/D轉換卡連接的表面肌電光耦隔離卡、與所述表面肌電光耦隔離卡連接的多個肌電信號前置放大濾波器。

根據本發明的另一個方面，本發明還提出了一種利用所述康復機器人輔助患者進行主動康復訓練的控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟1，患者斜躺在康復機器人的座椅上，將患者的雙側下肢分別與康復機器人的兩條機械臂進行固定；

步驟2，用戶通過人機交互界面設定患者參與主動訓練的關節、該關節的最大運動范圍Δq_m和最大運動速度并根據所選的關節選擇采集肌電信號的肌肉；

步驟3，在所選擇的肌肉的肌腹位置上粘貼肌電信號采集電極片，采集靜態時所選擇的肌肉的肌電信號的絕對均值，記為As，采集最大肌肉收縮力情況下肌肉的肌電信號的絕對均值，記為Am；

步驟4，患者根據自身意愿控制采集肌電信號的關節進行伸屈運動；

步驟5，在患者運動時，肌電信號采集電極片采集到的原始肌電信號經肌電信號前置放大濾波器、表面肌電光耦隔離卡、A/D轉換卡依次進行放大濾波、光耦隔離和模數轉換后，上位機通過USB接口讀取A/D轉換卡中轉換后的數字信號并進行相應的信號處理，包括去除信號的直流基線噪聲和求取信號的絕對均值；