CN106074076A - 多模态感知反馈的医疗康复机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，包括支撑框架（100），其特征在于，在所述支撑框架（100）上设置有：多模态感知脚踏板结构（200）；髋部结构（300）；体重支撑平衡结构（400）；控制系统（500）；安全装置；情感感应模块（600）；远程交流模块（700）；等。它解决现有技术中康复医疗活动主要依赖医护人员完成，劳动强度大，训练强度标准不一的技术问题。本发明在医疗康复训练中代替医疗工作者，大大降低人力成本，提高康复训练的精确度，个体适应性更强、康复效果好。

Description

多模态感知反馈的医疗康复机器人系统

技术领域

本发明涉及一种医疗康复机器人，尤其涉及一种多模态感知反馈的医疗康复机器人系统。

背景技术

康复医学是医学一个新分支的学科，主要涉及到利用物理因子和方法(包括电、光、热、声、机械设备和主动活动)以诊断、治疗和预防残疾和疾病(包括疼痛)，消除或减轻功能障碍，帮助他们发挥残留功能，恢复其生活能力，工作能力以重新回归社会。主要面向慢性病人及伤残者，强调功能上的康复，而且是强调体功能康复，使患者不但在身体上，而且在心理上和精神上得到康复。这些特点决定了康复，相对于医院的“治疗”，往往是一个漫长和持续的过程。

同时，由于康复医护人员的紧缺以及复健步骤所需的高昂费用，传统的(通过人力的)康复师和病人之间一对一的康复训练面临挑战。这种高强度和特殊的康复介入手段使得我们不能只依赖于传统的康复技术，我们需要借助科技的手段。医疗界已发展出很多帮助病人进行步态康复的方法。

机器人科技的引进可使医疗人员避免重复的体力劳动，更专注于康复的质量。机器人在这里代替了医疗人员的手，使得医疗人员通过调整机器人的设置把重心放在引导和监督机器人上。目前关于怎样设计一个完全迎合康复过程中遇到的挑战的机器人的研究还很有限。

发明内容

本发明针对现有技术中，医疗康复主要依靠人力，康复机械人技术不成熟、应用少的技术问题，提供一种多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，逼真地模仿康复动作，以达到最好的康复效果。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，包括支撑框架(100)， 其特征在于，在所述支撑框架(100)上设置有：

多模态感知脚踏板结构(200)，用于向使用者提供多种模拟的康复动作，并接受使用者反馈的信息；

髋部结构(300)，用于向使用者提供髋部的康复动作；

体重支撑平衡结构(400)，用于在使用者动作时向其提供支撑；

控制系统(500)，根据运动轨迹作出指令，协调康复动作中的脚步和胯部同时动作；

安全装置，用于在紧急情况下安全地停止康复动作；

情感感应模块(600)，用于感知和反馈使用者的情绪变化；

远程交流模块(700)，与互联网连接，用于使处于远端的医护人员能和使用者在康复训练过程中进行交流与指导。

进一步地，所述多模态感知脚踏板结构(200)包括一对脚踏板(201)，每一脚踏板(201)具有X轴、Y轴、Z轴及θ轴四个方向的自由度，脚踏板可在第一动力装置(202)的驱动下绕θ轴转动，同时，脚踏板可在第二动力装置(203)作用下分别沿X轴、Y轴、Z轴发生位移，在脚踏板的下方设置有用于感应X轴、Y轴及Z轴方向上的压力的负载传感器(204)，负载传感器连接控制系统(500)。

进一步地，所述髋部结构(300)包括可柔性地固定在使用者髋部的第一支架(301)，所述第一支架可在第三动力装置(302)作用下旋转、倾斜、弯曲和伸展。

进一步地，所述体重支撑平衡结构(400)包括：可固定于使用者的身体吊带(401)、滑轮系统(402)、动力装置(403)，身体吊带与动力装置之间通过绳索(404)和滑轮系统连接，所述体重支撑平衡结构还包括用于检测绳索张力的张力检测装置。

进一步地，所述身体吊带(401)具有用于固定臀部和骨盆的吊带。

进一步地，所述多模态感知脚踏板结构(200)是可拆卸的，并且可以单独使用。

进一步地，所述髋部结构(300)是可拆卸的，并且可以单独使用。

进一步地，所述支撑框架(100)包括垂直支撑结构(101)、垂直移 动滑架(102)和被动水平移动弹簧结构(103)。

进一步地，所述支撑框架(100)具有提供给使用者双手支撑的一套臂架(104)。

本发明的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，在使用过程中，可收集使用者康复动作过程中的多种模态的信息，如反作用力、情绪等，并将该些信息反馈给控制系统，从而使医疗康复训练成为针对不同个体的、满足个体差异的定制型训练活动，个体适应性更强，康复效果好；同时，通过远程交流接口，可使处于远端的医护人员能和使用者在康复训练过程中进行交流和指导，使用方便。综上，本发明可在医疗康复训练中代替医疗工作者，大大降低人力成本，提高康复训练的精确度，康复效果好。

附图说明

图1为本发明支撑框架的结构示意图；

图2、图3、图4a-4e、图5a-5b以及图6为本发明多模态感知脚踏板结构的结构示意图；

图7为本发明髋部结构的结构示意图；

图8a、8b为本发明体重支撑平衡结构的结构示意图；

图9为本发明髋部结构的第一支架的细节图；

图10为本发明髋部结构的动力装置的细节图；

图11为本发明髋部结构的第一支架与动力装置的安装图；

图12为本发明支撑框架的垂直支撑结构的示意图；

图13、14为本发明体重支撑平衡结构的使用状态示意图；

图15为本发明的用状态示意图；

图16为本发明控制系统的工作原理图；

图17a、17b为本发明情感感应模块的工作原理图；

图18为本发明远程交流模块的工作原理图；

图19为本发明控制系统的工作原理图。

具体实施方式

如图1-15所示，本发明的一种多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，包括支撑框架100，支撑框架100包括垂直支撑结构101、垂直移动滑架102和被动水平移动弹簧结构103，所述支撑框架100还具有提供给 使用者双手支撑的一套臂架104。

在支撑框架100上设置有：

多模态感知脚踏板结构200，用于向使用者提供多种模拟的康复动作，并接受使用者反馈的信息；多模态感知脚踏板结构200包括一对脚踏板201，每一脚踏板201具有X轴、Y轴、Z轴及θ轴四个方向的自由度，脚踏板可在第一动力装置202的驱动下绕θ轴转动，同时，脚踏板可在第二动力装置203作用下分别沿X轴、Y轴、Z轴发生位移，在脚踏板的下方设置有用于感应X轴、Y轴及Z轴方向上的压力的负载传感器204，负载传感器连接控制系统500。多模态感知脚踏板结构200是可拆卸的，并且可以单独使用，也可以置于本发明中与本发明的其他装置配合使用。如图2、图3、图4a-4e、图5a-5b以及图6所示。

图5a-5b示出了一个集成的6轴负载传感器204位于脚踏板201的下方，以测量病人动力学。6轴负载传感器204利用所述踏板的触觉反馈来测量脚踏板201上的负荷和扭矩，并且可以显示在人机交互界面，使医护人员可以调整和控制，得到适合于个体的康复动作。康复动作可以设置成在平坦地面走动、凹凸不平的地面，上或下楼梯等不同情形。作为患者接受训练的各个阶段，本发明根据需要设置不同的任务，从平坦地面走动过渡到楼梯行走或斜坡行走等。同时可提供不同步态训练课程。

髋部结构300，用于向使用者提供髋部的康复动作；髋部结构300包括可柔性地固定在使用者髋部的第一支架301，所述第一支架可在第三动力装置302作用下旋转、倾斜、弯曲和伸展。髋部结构300是可拆卸的，并且可以单独使用，也可以置于本发明中与本发明的其他装置配合使用。如图7、9-11所示。

体重支撑平衡结构400，用于在使用者动作时向其提供支撑；体重支撑平衡结构400包括：可固定于使用者的身体吊带401、滑轮系统402、动力装置403，身体吊带与动力装置之间通过绳索404和滑轮系统连接，所述体重支撑平衡结构还包括用于检测绳索张力的张力检测装置。如图8a、8b、13以及14所示。身体吊带401具有用于固定臀部和骨盆的吊带，通过利用附着到臀部/骨盆的吊带，提供骨盆稳定化，并调整对髋部结构300的体重支承系统。

控制系统500，根据运动轨迹作出指令，协调康复动作中的脚步和胯部同时动作；图19示出了本发明控制系统的一种实施例。

安全装置，用于在紧急情况下安全地停止康复动作；

情感感应模块600，用于感知和反馈使用者的情绪变化；17a、17b示出了本发明情感感应模块的工作原理图；从事一些设定康复任务的病人的生理信号被记录，然后进行处理和识别以确定病人的情感状态，情感状态信息被输入控制系统从而由控制器来决定接下来的操作过程。控制器发出指定指示本发明的医疗康复机器人系统，识别谁是正在与机器人进行交互的主体，然后决定具体的康复动作。

如17b所示，情感感应模块600首先采集使用者的情绪状态信息，存储使用者的情绪状态信息，建立用户的情绪状态的模型，定制用户与系统之间的交互，更新用户影响模型，以反映用户的响应；且可随时间改变，更新并建立用户的行为，以形成一个更完整的模型。

远程交流模块700，与互联网连接，用于使处于远端的医护人员能和使用者在康复训练过程中进行交流与指导。图19示出了本发明远程交流模块的工作原理图。

本发明中，在使用本发明提供的医疗康复机器人系统进行康复训练的意义上，“使用者”与“患者”、“病人”具有同一意义。

本发明的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，可显著增强患者的神经系统和肌肉损伤或功能障碍康复训练的质量和效益。同时，减轻了康复医护人员的体力劳动强度，允许康复医护人员将重点放在康复方案的制定、康复指导、使用者反应观察等方面，从而为使用者提供更加精确的康复治疗方案。

不同于传统的跑步机式传送带，本发明的医疗康复机器人的多模态感知脚踏板结构200具有触觉反应，拥有8个自由度来帮助病人下肢康复训练，每个脚踏板具有4个自由度，即：具有X轴和Y轴、Z轴、θ轴方向上的自由度，均靠皮带传动，X轴上具有线性驱动器、θ轴具有高扭矩谐波驱动和皮带传动驱动的伺服电机，脚踏板结构200还有力感应器和可调式脚踏板附件通过感应反馈病人和脚踏板之间力的作用来调节辅助病人的步态训练，同时允许病人在不同的地形反复训练，根据不同软硬度的平 坦地面、不平地面以及升降楼梯坡道等引导病人设计不同的步态训练方案，并允许病人在训练中调整和预设可接受的训练流程和方案。一个持续的体重支撑平衡结构400用来支持病人动作时产生的Y轴、Z轴上的位移，髋部结构300的第一支架301具有柔性驱动器根据胯部尺寸来调节装置、调整倾斜度的自由度和皮带传动的胯部扭转自由度。如图17a、17b所示，情感感应模块600是一个“情绪中介模块”，该模块搜集和记录病人在执行每项任务时的生态信号，并分析出病人此时的情绪状态。通过收集和记录存储病人的情绪状态信息，建立病人情绪状态的模型并产生交互影响反映出病人情绪反应随时间和训练的变化。如图19所示，一台通用的计算机通过适当地调配安装应用软件后，可作为康复机器人的控制系统，理疗师通过电脑与病人远程交流，并通过实时观察病人的数据来提供医疗康复训练建议。

Claims (9)

1.一种多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，包括支撑框架（100），其特征在于，在所述支撑框架（100）上设置有：

多模态感知脚踏板结构（200），用于向使用者提供多种模拟的康复动作，并接受使用者反馈的信息；

髋部结构（300），用于向使用者提供髋部的康复动作；

体重支撑平衡结构（400），用于在使用者动作时向其提供支撑；

控制系统（500），根据运动轨迹作出指令，协调康复动作中的脚步和胯部同时动作；

安全装置，用于在紧急情况下安全地停止康复动作；

情感感应模块（600），用于感知和反馈使用者的情绪变化；

远程交流模块（700），与互联网连接，用于使处于远端的医护人员能和使用者在康复训练过程中进行交流与指导。

2.根据权利要求书1所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述多模态感知脚踏板结构（200）包括一对脚踏板（201），每一脚踏板（201）具有X轴、Y轴、Z轴及θ轴四个方向的自由度，脚踏板可在第一动力装置（202）的驱动下绕θ轴转动，同时，脚踏板可在第二动力装置（203）作用下分别沿X轴、Y轴、Z轴发生位移，在脚踏板的下方设置有用于感应X轴、Y轴及Z轴方向上的压力的负载传感器（204），负载传感器连接控制系统（500）。

3.根据权利要求书1所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述髋部结构（300）包括可柔性地固定在使用者髋部的第一支架（301），所述第一支架可在第三动力装置（302）作用下旋转、倾斜、弯曲和伸展。

4.根据权利要求书1所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述体重支撑平衡结构（400）包括：可固定于使用者的身体吊带（401）、滑轮系统（402）、动力装置（403），身体吊带与动力装置之间通过绳索（404）和滑轮系统连接，所述体重支撑平衡结构还包括用于检测绳索张力的张力检测装置。

5.根据权利要求书4所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述身体吊带（401）具有用于固定臀部和骨盆的吊带。

6.根据权利要求书1所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述多模态感知脚踏板结构（200）是可拆卸的，并且可以单独使用。

7.根据权利要求书1所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述髋部结构（300）是可拆卸的，并且可以单独使用。

8.根据权利要求书1所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述支撑框架（100）包括垂直支撑结构（101）、垂直移动滑架（102）和被动水平移动弹簧结构（103）。

9.根据权利要求书1所述的多模态感知反馈的医疗康复机器人系统，其特征在于：所述支撑框架（100）具有提供给使用者双手支撑的一套臂架（104）。