[發明專利]一種基于虛擬現實的下肢康復訓練機器人系統

在審

• 申請號: 201710200494.1
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN107049702A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 宋愛國;石珂;唐心宇;秦超龍;李會軍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A63B21/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 唐紅

技術領域

本發明涉及下肢康復訓練機器人技術，具體涉及一種基于虛擬現實的下肢康復訓練機器人系統。

背景技術

康復訓練機器人是康復醫學工程與機器人工程的結合，已成為跨學科的前沿技術和研究熱點。隨著科技的進步，功能單一化的康復訓練機器人已不能滿足日益增長的康復訓練的多種需要，功能更為強大的康復訓練機器人系統已成為康復機器人新的發展方向。機器人輔助訓練作為近十年來一種方興未艾的智能化康復治療技術，得到各發達國家的普遍重視。

康復訓練機器人不僅可以將理療師從醫患一對一甚至多對一的繁重康復過程中解放出來，而且可以對因腦卒中(中風)和脊髓損傷等引起的肢體運動功能障礙患者進行安全可靠、自適應與針對性強的康復訓練，通過定量運動、實時監測可以為患者提供更加科學的康復訓練模式，將運動康復療法通過自動化康復設備付諸實踐，同時將虛擬現實技術與機器人技術相結合，通過多通道的信息反饋，激勵中風患者實現主動的康復訓練，對于提高肢體運動功能障礙患者的康復質量、促進患者的及早康復、減輕社會負擔具有重要意義。

然而，現有的康復訓練器機器人系統中多數缺乏情景交互能力，不利于患者積極主動地投入康復訓練，而有情景交互的康復訓練機器人系統中，多數為簡單的視覺、聽覺反饋，不足以給患者帶來逼真的沉浸感和交互體驗，并且，為了采集人體的運動信息，往往需要讓患者佩戴上很多傳感器設備，進而造成患者的心理抵觸和身體不適，以至于不能更好地激勵患者進行主動的康復訓練。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于解決現有技術中存在的不足，提供一種基于虛擬現實的下肢康復訓練機器人系統。

技術方案：本發明所述的一種基于虛擬現實的下肢康復訓練機器人系統，包括虛擬交互場景模塊、生理參數采集模塊、人機交互模塊、控制模塊和下肢康復訓練機器人；其中，所述生理參數采集模塊實時采集患者康復訓練過程中的生理參數信息，并傳輸給人機交互模塊；所述人機交互模塊實時監控整個康復訓練過程，并通過人際界面顯示患者的生理參數信息、下肢康復訓練機器人的運動狀態以及下肢康復訓練機器人所測得的與患者之間的各向作用力，然后將上述信息提供至控制模塊；所述控制模塊根據人機交互模塊提供的信息和虛擬交互場景模塊提供的虛擬場景交互信息，及時發布虛擬交互場景模塊和康復訓練機器人所需的控制指令；所述虛擬交互場景模塊為患者提供實時的視覺和聽覺交互，并將場景交互信息傳給控制模塊；所述下肢康復訓練機器人根據控制模塊的指令對患者進行康復訓練；所述虛擬交互場景模塊根據患者自主意愿或者患者康復狀態選擇相應場景，在虛擬交互場景中設有虛擬人物實時響應患者的動作，虛擬交互場景中結合所建立模型推斷當前虛擬人物在虛擬場景中所受作用力，即可根據下肢康復訓練機器人所發送的運行速度和運行位置信息，計算出當前虛擬人物模型在虛擬場景中所對應的運動姿態以及運動速度，其中，虛擬人物運動姿態為一個僅與下肢康復訓練機器人運行位置線性相關的量，即下肢康復訓練機器人運動至某一位置，虛擬人物對應一確定姿態，虛擬人物運動速度為一個僅與下肢康復訓練機器人運行速度線性相關的量，即下肢康復訓練機器人運動速度為某值時，虛擬人物對應一確定速度，根據運動姿態與運動速度對應預設公式計算得到所受的作用力，將所受作用力發送給控制模塊，作為生成下肢康復訓練機器人提供力反饋的指令所需的參考，并可以接收控制模塊發出的場景或交互模式轉換指令。

例如，在泳池虛擬場景中，虛擬人物做游泳運動，下肢康復訓練機器人運行位置對應虛擬人物當前姿態，即可轉化成當前虛擬人物在泳池中垂直于速度方向的截面積S，下肢康復訓練機器人的運行速度即為虛擬人物當前運動速度V，定義公式F＝S*V，計算出當前虛擬人物所受泳池中水的阻力。

進一步的，所述下肢康復訓練機器人包括機器人主體以及安裝于機器人主體的編碼器、直流電機和力傳感器，患者坐于機器人主體中，編碼器實時采集下肢康復訓練機器人當前運行速度和運行位置，力傳感器實時采集采集患者與康復訓練機器人之間的各項作用力；下肢康復訓練機器人用以實現被動康復訓練情形下牽引患者進行康復訓練和主動康復情形下的力反饋輸出，通過藍牙接收(下肢康復訓練機器人藍牙與控制器均屬于機器人主體)控制模塊輸出的反饋力信息，下肢康復訓練機器人控制器根據該信息調節直流電機轉速，從而調節患者與下肢康復訓練機器人之間的作用力。

進一步的，所述生理參數采集模塊佩戴在患者身上，采集患者的生理參數，并將生理參數數據通過無線通信發送給人機交互模塊。