[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

本發明涉及一種基于虛擬現實的多功能下肢康復集成系統。本發明輔助醫療模塊主要通過物理連接帶動康復患者下肢髖關節、膝關節以及踝關節的運動；傳感檢測模塊主要通過檢測輔助醫療模塊所對應各個關鍵的力傳感器信號，并將力信號反饋到運動控制模塊中；運動控制模塊主要通過運動控制卡控制輔助醫療模塊中各個關節運動信號的插補計算，并將傳感檢測模塊中反饋的力信號作為反饋信息，實時調整輔助醫療模塊中各個關節的運動大小以及虛擬現實模塊中的場景變化；虛擬現實模塊主要為康復患者提供虛擬場景，并根據運動控制模塊的信號進行實時調整，以適應患者對康復場景變化的需求。本發明為患者提供舒適、有趣的康復環境。

技術領域

本發明屬于人-機交互醫療康復技術領域，涉及一種基于虛擬現實的多功能下肢康復集成系統。

背景技術

虛擬現實技術是利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界圖像傳回產生臨場感。隨著虛擬現實技術的不斷發展成熟，在虛擬現實系統的浸入式虛擬環境體驗中，首先需要實時的檢測到人體下肢運動狀態，并將信息傳遞給虛擬現實系統和運動控制系統，從而為使用者提供與現實世界一致的虛擬場景。

本發明中一種交互式力與速度反饋的人體下肢運動康復設備，來操控虛擬環境中人體下肢的動作，并使人體下肢獲得虛擬環境給予的反饋力和速度，人體下肢運動同樣也會影響虛擬環境中的情景，實現使用者人體下肢運動的可靠的康復。使用此設備可以讓使用者在虛擬環境中自然的進行康復醫療，在初期階段，虛擬現實空間模擬出騎自行車下坡的場景，硬件通過電機對使用者下肢產生力，使使用者可以根據硬件的運動做出騎自行車下坡的動作。在中期階段，虛擬現實空間模擬出平坡走路的場景，硬件將不對使用者下肢產生作用力，使用者依靠自身下肢的運動來實現走路運動。在后期階段，虛擬現實空間模擬出騎車上坡的場景，硬件將對使用者下肢產生適當的阻力，使用者下肢對硬件發力，讓使用者體驗到上坡的感覺。

發明內容

本發明的目的就是提供一種基于虛擬現實的多功能下肢康復集成系統。

本發明包括輔助醫療模塊、傳感檢測模塊、運動控制模塊和虛擬現實模塊。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、扭矩傳感器以及多軸運動控制卡構成，通過扭矩傳感器實時反饋患者關節位置輸出信號，結合扭矩傳感器反饋下肢各個關節的力輸出信號組成，多軸控制控制卡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設備的交互力。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)；