CN109157376A - 一种可收缩移动的icu病房卧式下肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人，所述装置包括人体体征采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制模块及康复评测系统；基于模块化设计，针对不同患者特点，可实现人体下肢不同关节的康复评测及训练；设计复位指令开关，实现结构收缩变形，便于在重症加强护理病房小空间内的搬运及使用；设计急停开关、报警灯、大小腿外骨骼限位块及脚部运动限位块，保证下肢康复训练过程的安全可靠运行；通过串口及网络通信、并行和并发处理、数据库设计，对下肢康复评测过程进行良好管理，实现多模式多参数下肢不同关节运动的实时智能评测与训练，结果也可高可视化显示，为医生制定下肢康复训练方案提供数据及参考。

Description

一种可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复器械研究领域，具体涉及一种可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人，用于实现重症加强护理病房患者下肢康复评测及训练。

背景技术

康复医学研究表明，脑瘫或下肢体损伤患者长期未进行下肢训练，会导致肌肉“废用性”萎缩，因此，在术后重症加强护理病房（ICU）患者身体体征平稳后，应尽早进行肢体康复训练，有助于其恢复肢体正常功能；然而，由于脑瘫或下肢损伤患者的下肢运动障碍，不能独立完成肢体康复训练，一般需要具有一定护理知识的医护人员帮助患者反复完成运动训练，这给ICU病房医护人员带来极大的劳动负担，更重要的局限是训练时间和强度不能精准把控，导致ICU患者训练难以取得最佳治疗效果，同时不能实时监测患者康复情况，导致重复训练和治疗效果的反馈不及时，不利于医护人员根据ICU患者恢复效果有效调整康复训练计划。

此外，现有下肢康复装置的控制系统普遍存在如下问题:1)康复训练模式单一，患者各个康复阶段的康复需求得不到有效满足； 2)不具备对脚踝部位上下运动及旋转的康复训练功能；3)关节活动范围较小，对骸关节和跺关节的训练作用较小，不适用于ICU脑瘫患者腿关节的康复训练；4) 没有闭环反馈控制机制，缺乏对患者步行状态的自适应调整功能；基于上述原因，迫切需要开发一款ICU病房卧式下肢康复机器人，辅助医生完成术后ICU病房病人的下肢康复评测及训练。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人，可方便移动到ICU病房中无行动能力患者病床的所在位置；医护人员借助所述ICU卧式下肢康复机器人为患者做康复训练时，无需移动患者位置，能够有效避免患者痛苦与二次损伤，保证康复训练安全可靠进行；大多数ICU病房患者下肢运动存在障碍，无法有意识地主动完成下肢康复训练，因此，本发明可对患者下肢各关节进行智能评测，帮助医生为患者制定合理的康复训练方案，并采用被动训练、主动训练及阻抗训练三种模式，满足患者不同阶段的康复训练需求。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

所述ICU卧式下肢康复机器人包括人体体征采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制模块及康复评测系统，其中人体体征采集模块可获取并监控康复训练中ICU病房病人的体征数据，即脉搏、心率、血压、血氧饱和度、肺活量、下肢各关节运动速度及加速度数据，保证ICU患者康复训练过程的安全；底座模块由车体模块、升降模块、支撑模块构成，其特征在于：车体模块用于机器人的全向移动，保证在重症加强护理病房小空间中灵活搬运，并可根据实际需求自由移动至患者病床所在位；升降模块安装在车体模块上，用于调节机器人与患者病床的安装高度及角度，保持机器人协调平稳运行；支撑模块安装于升降模块上，实现患者与机器人的柔性连接；下肢外骨骼用于对患者康复运动进行辅助和牵引；控制模块用于控制机器人实现对患者进行多模式多参数的下肢康复训练；康复评测系统实现对患者康复运动测量的精确化及信息的标准化，可高效准确地给出患者康复评价结果，提高康复评价效率，也可为患者康复治疗方案的制定提供数据支持及参考。

人体体征采集模块包括光电脉搏传感器、气体流量传感器及电机光电编码器，可实现ICU病房病人的体征数据（如脉搏、心率、血压、血氧饱和度、肺活量、下肢各关节运动速度及加速度）的采集及监测，一旦采集到的数据超出人体体征数据正常值范围，可使控制模块停止ICU病房患者康复训练，避免ICU病人运动过量及运动过程中再发损伤的出现。

所述车体模块包括支架底座和自锁万向轮；四个自锁万向轮安装在支架底座的四个端部，并与地面相接触，可实现ICU卧式下肢康复机器人的自由移动及固定。

所述升降模块包括安装平台、支架立柱及支架外骨骼连接件;安装平台安装在支架底座的上端，并与支架立柱通过支架外骨骼连接件相连接；支架立柱与安装平台相接触处有一个下肢外骨骼上下移动的滑槽，用于调节机器人与患者病床的安装高度及角度。

所述下肢外骨骼包括:腿部训练机构和脚部训练机构；腿部训练机构由大腿外骨骼杆件、膝关节外骨骼训练机构和小腿外骨骼杆件组成；脚部训练机构则由用于固定人体脚部的脚踏板及驱动脚踏板转动的踝关节训练机构组成。

所述大腿外骨骼件包括大腿外骨骼限位块、大腿碳纤维管、大腿驱动电机及大腿固定架；通过调整大腿碳纤维管的长度，满足不同患者的使用需求。

所述膝关节外骨骼结构包括膝关节无刷减速电机、膝关节小腿杆件及膝关节大腿杆件；膝关节小腿杆件的一端与膝关节电机的内法兰相连，其另一端与小腿外骨骼套筒相连;膝关节大腿杆件的一端与膝关节电机的外法兰相连，其另一端与大腿外骨骼相连。

所述小腿外骨骼杆件结构由小腿外骨骼限位块、小腿碳纤维管、小腿驱动电机及大腿固定架组成。

所述踝关节外骨骼包括踝关节脚部连接件、脚部驱动电机、脚部扭动电机及踝关节小腿杆件；踝关节脚部连接件的一端与踝关节电机的内法兰相连，其另一端与脚部外骨骼相连；踝关节小腿杆件的一端与踝关节电机的外法兰相连，其另一端与小腿外骨骼相连。

所述控制模块包括电源开关、急停开关、复位指令开关、报警灯及控制盒；电源开关用于实现康复机器人的通电启动及断电停止；急停开关用于紧急情况下的康复机器人安全停止；复位指令开关用于实现其结构收缩变形到初始位，便于机器人在重症加强护理病房小空间内的搬运及使用；报警灯用于安全报警；控制盒用于机器人控制器的安装及防护。

所述康复评测系统包括串口通讯模块、数据显示模块、康复评价模块、后台模块及数据库模块；串口通讯模块基于串口通讯协议，实现与控制模块的数据传输；数据显示模块可将机器人获取的患者相关康复数据及信息，高可视化地实时显示在数据显示界面上；康复评价模块通过选择被动训练、主动训练及阻抗训练等特定训练模式及指标，智能给出相应的康复评价方案，并可自动实现下肢运动等级评级；后台模块管理机器人康复训练及评测的全过程，使ICU病房卧式下肢康复机器人高效快捷运行；数据库模块对患者信息及数据进行记录与存储，可供医生与用户进行快速增删查改；所述康复评价系统允许医护人员或受试者选择被动训练、主动训练及阻抗训练等特定训练模式及指标，通过采集到的数据与已设计的下肢康复专家知识库对比，智能给出相应的康复评价方案，并可自动实现下肢运动等级评级；另外，医护人员也可根据实际临床情况，完善康复评价指标及下肢康复专家知识库。

附图说明

图1为所述可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人硬件设计图。

图2为所述可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人康复评测模块设计图。

图3为所设计的康复评测系统登录界面图。

图4为所设计的康复评测系统操作及显示界面图。

具体实施方式

图1所示，本发明专利的机械结构包括大小腿外骨骼限位块1、大小腿驱动电机2、大小腿碳纤维管3、脚部驱动电机4、脚部运动限位块5、脚部扭转电机6、脚踏板7、腿固定架8、轮锁踏板9、轮子10、底座11、加压座12及加压片13；其中，腿部训练机构由大小腿外骨骼限位块1、大小腿驱动电机2、大小腿碳纤维管3和腿固定架8构成；脚部训练机构由脚部驱动电机4、脚部运动限位块5、脚部扭转电机6和脚踏板7构成；底座模块则由轮子10和底座11构成。

图1中所示大小腿驱动电机2通过与大小腿外骨骼限位块1、大小腿碳纤维管3及固定架8组装，构成腿部训练机构；腿部训练机构与支撑架之间、腿部训练机构的两个连接杆之间、腿部训练机构与连接架之间、连接架与脚踏板之间均是通过电机、转轴及两者之间的传动机构构成传动链，通过选择不同模式下的控制方案，大小腿驱动电机牵引患者腿部各关节完成相应的康复训练。

图1中所示脚部驱动电机4通过与脚部扭转电机6、脚踏板7及脚部运动限位块5组装，构成脚部训练机构，通过选择不同模式下的控制方案，帮助或牵引患者完成脚部康复训练。

所述ICU病房卧式下肢康复机器人的大小腿外骨骼限位块及脚部运动限位块作为大小腿及脚运动的机械限位开关，一旦软件或电气元件出现故障导致电机运行不正常，可限制大小腿及脚的运动范围，防止由于运动超出下肢各关节行程而造成病人的二次伤害，同时报警灯闪亮并发出报警声。

所述底座采用可移动平台设计，移动平台上配有可以伸入病床下方的加压装置，通过旋紧加压装置的旋钮，使其与病床可靠对接。

如图2所示，康复训练开始前，首先用户需要注册进入康复评测系统的登录界面，输入登录名与密码；登录成功后，进入康复评测界面，此界面包括串口通讯模块信息、康复评价模块信息、控制系统信息和其他信息（如：开始、结束时间、总共运动时间、预设训练时间及剩余训练时间、心跳、脉搏、血压等），医护人员通过观察界面中显示信息，对患者康复情况进行初步分析。

所述康复评测系统的注册设计是为用户初次登录时提供用户信息的注册并生成用户信息文件，以便用户信息忘记时进行查询操作，另提供文件加密程序，以避免用户信息的泄露。

如图3所示，所述康复评测系统的登录设计是为用户提供登录操作，避免其他人员进行信息界面的操作。

如图4所示，所述康复评测系统的信息显示区分四大块：设备信息显示区用于显示来自下位机的设备信息；错误信息显示区实时检测软件及下位机程序，并将其错误信息进行实时显示；命令显示区用于显示用户发送的命令和设定的运动时间；其他信息显示区用于显示运动时间、运动开始时间与结束时间、预定训练时间、剩余训练时间，以及运动时间选择按钮、命令按钮、串口选择按钮、波特率信息提示及选择按钮。

如图4所示，所述康复评测系统中的运动时间选择按钮用于设定康复运动训练时间，命令按钮用于进行一系列命令操作，如串口按钮设计用于创建与下位机的串口数据连接通道；数据发送按钮设计用于发送命令键入区的命令指令，该指令可由操纵者自动键入，且应符合上下位机的通信协议，否则不会产生相应的动作；数据度连接/断开按钮设计用于上位机程序与数据库的连接操作，连接后可将上位机接收到的数据存储到数据库中；康复评测按钮设计用于康复运动结束后对本次的康复运动进行相应的健康标准评测。

如图4所示，所述康复评测系统的串口通讯模块可以用户自定义设置串口通讯设置(如端口号，波特率等)，基于串口通信，上位机可将控制指令传递给下位机执行，下位机可将反馈数据及信息传输给上位机。

如图4所示，所述康复评测系统的数据显示模块将对机器人采集到的数据进行处理，并高可视化地显示在控制界面上，帮助医护人员及患者实时监控康复训练的全过程。

所述康复评价系统的后台模块通过网络通信、并行和并发处理、数据库设计，对康复训练及评测的全过程进行管理，保障ICU卧式下肢康复机器人高效安全运行。

所述康复评价系统的数据库模块将患者的个人数据及信息存储在数据库中，通过与其建立的接口，医护人员可实现对受试者数据的查询、调用、添加、修改及删除操作，了解患者的康复训练结果，为下一部康复方案制定提供参考。

ICU病房卧式下肢康复机器人进行人体下肢评测的过程为评测软件端在上位机评测命令发出后，自动读取康复训练时间内存储在数据库中的运动数据（如：运动速度、关节活动度等），通过层次分析法首先确定各个评价参数的比重；其次建立层次结构，划分为目标层、准则层、方案层；其中，目标层为下肢康复评价参数的权重，准则层为关节活动度和速度，方案层则为下肢康复评价参数权重的调整；之后构造权重对比矩阵：假设1x为关节活动度，2x为速度，按准则层的因子1x，2x，对于实现目标的重要性和影响力的各自比较，赋予相应的权重1w，2w。通过对两个参数lx、2x进行比较，得到它们对目标的影响关系，进而得到相应权重；再通过各参数相应权重计算，对数据进行平均、归一化处理，计算出各指标权重；采用列和法求最大特征根，可计算出权重；最后进行总体评级，根据层次分析法算出的各个参数的权重，依据各个参数的测量范围进行评级。当计算结果小于2时，生成康复评价结果为三级，当计算结果大于2且小于3时，生成康复评价结果为二级，当计算结果大于3时，生成康复评价结果为一级。

康复评测系统可根测量数据及评价结果，自动给出患者下肢康复运动训练方案；主治医生也可根据康复评价结果、系统整理的上次运动时间及角度等综合数据，自行制定患者下肢康复运动训练方案，并在上位机的命令操纵界面中设置运动时间、角度及运动方式，实施ICU患者的下肢康复运动训练。

康复评价结果由康复评测系统生成，并显示在上位机评测结果显示界面上，医生也可查看评测结果，并自行生成康复结果文档。

由于ICU患者病情相对不稳定，随时都有可能出现突发情况，所以在康复过程中要严密监控患者生理特征及反应，避免运动过量和运动过程中的再发损伤的出现，因此，本发明还设计人体体征采集模块，包括光电脉搏传感器、气体流量传感器及电机光电编码器，可实时获取病人心率、脉搏、血压、肺活量及血氧饱和度、下肢各关节运动角度、角速度及角加速度，并通过无线通信方式将这些采集到的数据传输到康复评测系统；光电脉搏传感器23可以获取病人心率、脉搏、血压及血氧饱和度；气体流量传感器22获取患者康复训练过程中的肺活量；电机光电编码器获取患者下肢康复训练过程中各关节的运动数据（如角度、角速度及角加速度）；一旦其超出人体体征数据正常值范围，控制系统可自动停止病人康复训练，避免ICU病人运动过量及运动过程中再发损伤的出现。

使用ICU病房卧式下肢康复机器人时，根据预先测量的受试者下肢基本尺寸和病床高度，调整机器人底座最上方铝型材的高度，从而使整个机械外骨骼的高度得到调整，满足ICU病房中不同高度病床的使用要求。

ICU病房卧式下肢康复机器人运行前，其处于初始工作位置(在保证不伤害病人的情况下)，将受试者的脚放置在脚踏7上，同时将患者的小腿放在腿部固定架8上，用绷带固定好脚和小腿，注意腿部固定架8的绷带不要过紧，因下肢要完成内外旋动作；打开电源开关，将患者各关节允许活动的范围输入下肢康复机器人的控制模块中，选择康复评测模式，并设定人体下肢评测过程参数，启动ICU病房卧式下肢康复机器人，实现ICU病房患者的下肢运动评测，并可自动生成下肢运动评测报告。

根据下肢运动评测报告，医护人员或使用者选择康复训练模式，并输入康复训练参数，启动ICU病房卧式下肢康复机器人；按照已设定的康复训练模式及参数，腿部训练机构2和连接架6上的电机通过各自传动连接的转轴带动相应关节机构完成协调动作，各关节的运动角度及速度由电机光电编码器采集，实时反馈给安装在框架内的控制器进行处理，并通过运动控制器发出下一步的电机动作指令，实现下肢各关节的运动精确平稳控制；在康复训练过程中，可根据患者下肢康复的具体状况，机器人控制模块可自适应给出下肢康复训练动作次数、速度等训练参数，医护人员或用户也可通过按键操作设置ICU病房患者下肢康复训练动作次数、速度及训练强度。

下肢康复训练结束后，等待ICU病房卧式下肢康复机器人回到初始工作位置，切断电源，解开受试者脚及小腿处绷带，将ICU病房卧式下肢康复机器人从受试者下肢上安全移开。

以上显示和描述了本发明的基本原理、实施过程和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.本发明公开了一种可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人，所述装置包括人体体征采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制模块及康复评测系统，其机械结构包括大小腿外骨骼限位块、大小腿驱动电机、大小腿碳纤维管、脚部驱动电机、脚部运动限位块、脚部扭转电机、脚踏板、腿固定架、轮锁踏板、轮子、底座、加压座及加压片；人体体征采集模块包括光电脉搏传感器、气体流量传感器及电机光电编码器，用于获取并监控康复训练中ICU病人的体征数据，即脉搏、心率、血压、血氧饱和度、肺活量、下肢各关节运动速度及加速度，保证病人康复训练过程的安全；所述控制模块包含电源开关、急停开关、复位指令开关、报警灯及控制盒，按下急停开关，可实现紧急情况下的康复机器人安全停止与报警；康复评测系统包括串口通讯模块、数据显示模块、康复评价模块、后台模块及数据库模块，通过串口通信与控制模块进行数据传输，数据结果可高可视化地在数据显示模块上实时显示；康复评价模块通过选择被动训练、主动训练及阻抗训练等特定训练模式及指标，智能地给出相应的康复评价方案，并可自动实现下肢运动等级评级；所述的后台模块管理康复训练及评测的全过程，使ICU病房卧式下肢康复机器人高效安全运行；所述数据库模块对患者信息及数据进行记录与存储，可供医生或患者进行快速增删查改。

2.根据权利要求1所述一种可收缩移动的ICU病房卧式下肢康复机器人，采用模块化拼装设计，针对不同患者特点，可实现下肢不同关节的康复评测及训练；控制模块设计复位指令开关，可实现机器人整体结构收缩变形到初始位，便于在重症加强护理病房小空间内的搬运及使用；通过基座的自锁万向轮，可实现ICU病房卧式下肢康复机器人的自由移动及固定；采用加压片可将机器人可靠地固定在重症加强护理病房病床上。

3.根据权利要求1所述的大小腿外骨骼限位块及脚部运动限位块作为大小腿及脚运动的机械限位开关，一旦软件或电气元件出现故障导致电机运行不正常，可限制大小腿及脚的运动范围，防止由于运动超出下肢各关节行程而造成病人的二次伤害，同时报警灯闪亮并发出报警声；所述的人体体征采集模块获取康复训练中ICU病人的生理体征数据，一旦其超出人体体征数据正常值范围，控制系统可自动停止病人康复训练，避免ICU病人运动过量及运动过程中再发损伤的出现。