[發明專利]基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復訓練系統有效

申請號：	201510320266.9	申請日：	2015-06-11
公開（公告）號：	CN104922879B	公開（公告）日：	2017-05-10
發明（設計）人：	劉濤;朱志華;叢博;韓梅梅	申請（專利權）人：	浙江大學
主分類號：	A63B23/18	分類號：	A63B23/18
代理公司：	杭州求是專利事務所有限公司33200	代理人：	邱啟旺
地址：	310058 浙江***	國省代碼：	浙江;33
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摘要：
搜索關鍵詞：	基于呼吸難度反饋機器人康復訓練系統
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【權利要求書】：

1.一種基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復訓練系統，其特征在于，包括可穿戴式呼吸傳感監測系統和肺康復訓練機器人，所述可穿戴式呼吸傳感監測系統包含若干可穿戴式慣性傳感器(15)、若干表面肌電傳感器(16)、若干觸覺傳感器(17)和電子鼻；所述電子鼻安裝在患者口鼻腔附近，測量患者的呼氣量大小和氣體流速信號；所述可穿戴式慣性傳感器(15)通過彈性橡膠(18)粘附在患者運動關節；所述表面肌電傳感器(16)和觸覺傳感器(17)通過彈性橡膠(18)粘附在患者的呼吸肌表面；

所述肺康復訓練機器人包括中央處理器、PLC、伺服驅動器、第一伺服電機(1)、軸承座(2)、螺桿(3)、X型支撐桿(4)、腋下支撐板(5)、平板(6)、齒輪齒條結構(7)、抓手(8)、第二伺服電機(9)、豎直滑軌(10)、X型固定架(11)、基座(12)、U形螺母(13)和支撐臺(14)；其中，所述基座(12)固定在病床或座椅上，基座(12)的前端固定兩個軸承座(2)；一根兩端具有相反旋向螺紋的螺桿(3)固定在兩個軸承座(2)中，水平方向固定；所述U形螺母(13)的下端開有與螺桿(3)的螺紋相配合的螺孔，兩個U形螺母(13)分別安裝在螺桿(3)的兩端螺紋上；U形螺母(13)的兩個側面均開有通孔，所述兩側通孔的中心軸與下端螺孔的中心軸垂直；所述X型支撐桿(4)的中心具有可轉動的銷軸，兩個底端均開有通孔，兩個底端分別置于兩個U形螺母(13)的U形槽中，通過銷軸穿過通孔將X型支撐桿(4)與U形螺母(13)連接；螺桿(3)一端通過聯軸器安裝第一伺服電機(1)，第一伺服電機(1)作為扭矩輸入端；當螺桿(3)在第一伺服電機(1)帶動下旋轉運動時，帶動兩個U型螺母(13)做相向或相反運動，同時帶動X型支撐桿(4)的兩個底端做相向或相反運動；所述支撐臺(14)的中部下端開有兩個平行的兩面槽口，X型支撐桿(4)兩個上端分別插入兩面槽口與之滑動配合，兩個腋下支撐板(5)分別安裝在支撐臺(14)伸出的手臂上；支撐臺(14)后側楔入一塊平板(6)，平板(6)上用兩個軸承座固定一個齒輪，齒輪下方配合安裝一段齒條，齒條可以隨著齒輪的轉動而前后移動，從而形成齒輪齒條結構(7)；兩個抓手(8)均與齒條的末端相連，能和齒條一同前后運動；所述第二伺服電機(9)和齒輪用聯軸器相連；支撐臺(14)尾部兩端分別伸出兩個燕尾型凸起與所述豎直滑軌(10)的燕尾槽滑動配合；所述X型固定架(11)與所述豎直滑軌(10)焊接；所述豎直滑軌(10)底部用螺釘固定在基座(12)上；所述第一伺服電機(1)和第二伺服電機(9)均與伺服驅動器相連，所述伺服驅動器與PLC相連，通過PLC控制電機的轉向和轉速；所述PLC、可穿戴式慣性傳感器、表面肌電傳感器、觸覺傳感器和電子鼻均與中央處理器相連；

將傳感器測得患者的呼吸困難信息，包括胸腔、肌肉的運動狀況，呼吸肌的肌肉電信號，胸腔壓力信號，呼氣量的大小以及氣體流速信號由外設接口傳輸至機器人的中央處理器，中央處理器對患者呼吸信號進行量化處理，得到量化的患者呼吸困難度信號，將呼吸困難度類比于電機工作時的負載，利用阻抗反饋的控制算法，控制電機的轉速和運轉方向，實現呼吸困難度的反饋控制。

2.根據權利要求1所述一種基于呼吸困難度反饋的機器人肺康復訓練系統，其特征在于，所述阻抗反饋的控制方法是利用患者呼吸困難度等效為電機的負載阻抗，由負載的大小變化對電機的輸出力矩進行控制，假設T_e、T_m、T_n分別為伺服驅動電機的電磁轉矩、患者呼吸困難度等效的負載轉矩和抬升機器人和患者所需的力矩，J、B分別為伺服驅動電機的轉動慣量和粘性摩擦系數，w為電機角速度，則：

$<mrow><msub><mi>T</mi><mi>e</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>T</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mi>J</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>w</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>B</mi><mi>w</mi><mo>+</mo><msub><mi>T</mi><mi>n</mi></msub></mrow>$

以患者呼吸困難度等效力矩、患者運動和機器人運動所需力矩之和T_m+T_n作為輸入量，控制電機的輸出力矩T_e，G_(s)為對系統摩擦損耗的補償系數，H_(s)為病人訓練時自身需求的設置參數，K_(s)為呼吸困難度等效負載的反饋系數，則閉環傳遞函數φ_(s)為：

$<mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msub><msub><mi>H</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msub><msub><mi>K</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>$

輸出的拉氏變換為：

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