[發明專利]基于虛擬現實的多功能下肢康復集成系統

有效

• 申請號: 201910339030.8
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110179622B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 周鑫;楊子鈺;李關東;葉元坤;陳凱
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;G06F3/01
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

1.一種基于虛擬現實的多功能下肢康復集成系統，包括輔助醫療模塊、傳感檢測模塊、運動控制模塊和虛擬現實模塊；其特征在于：所述的輔助醫療模塊包括與患者下肢物理連接的各個關節傳動結構，傳感檢測模塊由各個關節電機編碼器、扭矩傳感器、多軸運動控制卡和力傳感器構成，扭矩傳感器實時反饋患者關節位置輸出信號，多軸運動控制卡結合扭矩傳感器反饋下肢各個關節的力輸出信號，實現多軸聯動的功能；運動控制模塊包含下肢關節的反解計算，力插補集成算法以及與虛擬現實模塊交互的通訊算法，虛擬現實模塊能夠根據患者的運動實時的調整顯示內容，從而為患者提供沉浸式的體驗；

所述的輔助醫療模塊包括下肢外骨骼髖關節、踝關節、膝關節以及可調節靠椅，下肢外骨骼髖關節、踝關節、膝關節以及可調節靠椅均設置在主體框架上；外骨骼關節之間的連接是由多個連桿和傳動部件實現，各個連桿之間通過轉動副連接，并通過綁帶的形式與患者連接；靠背通過電動推桿提供動力，電動推桿的一端通過轉動副鉸接在地面，另一端則通過轉動副鉸接在座椅靠背；髖關節通過電機帶動減速器，并通過帶傳動的方式將動力傳遞給外骨骼腿部上側部分，從而帶動人體髖關節運動；膝關節與踝關節均通過電機帶動減速器，直接將動力傳遞給人體小腿與足弓部分；

所述的髖關節、膝關節以及踝關節能根據康復需求分別拆卸并單獨作為外骨骼康復設備使用；各關節的連桿長度由人體工程學中的人體尺寸確定；

所述的傳感檢測模塊包括位于腳掌部位的力傳感器和各個關節部位的扭矩傳感器，用于捕捉并計量患者下肢的運動參數以及患者與外骨骼的交互力；力傳感器是用于檢測機械結構對人體下肢產生作用力大小，并且依據這項數據處理和反饋患者的康復情況，并調整接下來的康復計劃；扭矩傳感器是主要用于檢測電機輸出的驅動力或者制動力的大小，依據此項數據處理和反饋患者下肢各個關節輸出力的大小，并用來檢測外骨骼輸出力是否超過患者所能承受極限，從而避免對患者產生二次傷害；扭矩傳感器的轉速以及轉矩由公式(1)和(2)得到：

正向轉矩：T＝N×(f_m-f₀)/(f_p-f₀) (1)；

負向轉矩：T＝N×(f_m-f₀)/(f₀-f_p) (2)；

所述的輔助醫療模塊中外骨骼由三個轉動關節串聯而成 ，其各個關節的運動軌跡通過運動學反解求出，并且通過扭矩傳感器和力傳感器進行實時插補，從而實現對患者下肢的驅動功能；

所述的運動控制模塊主要通過工控機完成下肢外骨骼三個關節的協同運動，根據機構反解生成運動文件，由多軸運動控制器完成各個電機的實時控制，反解過程見式(3)；

其中(x,y)表示踏板末端位置信息，l₁,l₂,l₃分別表示外骨骼連桿長度，θ₁,θ₂,θ₃分別表示各個關節連桿與水平面夾角大小；

根據受力平衡原理，將各個關節的扭矩傳感器測得的驅動力矩作為反饋值，反饋給多軸運動控制卡，從而實時調整電機輸出力矩的大小，進而保證適應不同病患對康復過程的需求，力矩平衡公式如式(4)～(6)：

M₂＝(G₂₁+G₂₂)×((L₂/2)cosθ₂)+(G₃₁+G₃₂)×(L₂cosθ₂+(L₃/2)cos(θ₂+θ₃)) (5)；

M₃＝(G₃₁+G₃₂)×((L₃/2)cosθ₃) (6)；

其中M₁,M₂,M₃分別表示髖關節、膝關節以及踝關節的驅動力矩；G₁₁,G₁₂分別表示大腿以及外骨骼大腿部分的重量，G₂₁,G₂₂分別表示小腿以及外骨骼小腿部分的重量，G₃₁,G₃₂分別表示足部以及外骨骼足部的重量；

通過電機編碼器將各關節的運動參數進行反饋；多軸運動控制器與工控機的通訊模式采用C/S模式，即TCP/IP協議，工控機為服務器端，多軸運動控制器為客戶端；當二者間建立連接后，工控機將醫生的指令以套接字的形式傳遞給多軸 運動控制器，驅動外骨骼各個關節運動，而患者在整個康復過程中的運動數據均存儲在工控機中，供后續康復參考；各個關節的扭矩傳感器、腳掌處力傳感器均與多軸運動控制器通訊，實時反饋患者下肢各個關節的力信號，作為決定下一階段康復療程的判斷依據；

所述的虛擬現實模塊通過結合患者的康復程度與醫生所推薦的康復模式，將虛擬現實場景分為初期康復環境、中期康復環境、后期康復環境；初期康復環境主要模擬患者在公路騎車下坡的場景，康復系統機械部分為患者下肢各個關節提供助力的作用，且助力大小隨著康復過程的進行逐漸降低；中期康復環境模擬患者在公路平地騎自行車的場景，康復系統機械部分對患者提供的作用力保證各個關節勻速運動，且踏板檢測到的力為一恒定值，其下肢各關節保持在零力輸出狀態；后期康復環境對應為模擬患者在公路騎車上坡的場景，外骨骼機器人為患者各個關節提供阻力的作用，并且阻力的大小隨著康復的過程逐漸升高，直至整個康復過程結束；另外，在虛擬現實模塊上能夠顯示患者的康復計劃的具體日期，并顯示每個階段的推薦開始和結束日期；在系統工作時，顯示屏上顯示經過處理過的數據，看出患者所處的康復階段；顯示屏實時的顯示當前騎行道路的坡度、騎行速度加速度以及外骨骼各個關節輸出力的大小。