CN110013648A - 一种下肢康复训练机器人的人机交互系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢康复训练机器人的人机交互系统及方法，涉及康复机器人技术领域，该人机交互系统包括人机交互模块，腰部数据检测设备，腰部数据处理模块和腰部数据监测模块。腰部数据检测设备把患者在游戏训练过程中所生成的腰部数据采集起来，经过腰部数据处理模块处理后把数据发送给人机交互模块，腰部数据监测模块实时对患者的腰部数据进行监测，一旦发现问题立刻停机保护患者。本发明不仅可根据患者康复需求在人机交互模块中制定相应的训练模式和训练计划，还可以通过有目的的康复游戏为患者进行不同阶段的康复训练，在一定程度上提高了患者站立及行走平衡的能力。

Description

一种下肢康复训练机器人的人机交互系统及方法

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种下肢康复训练机器人的人机交互系统及方法。

背景技术

随着国家医学事业的进步，医疗保健系统的完善，越来越多的下肢康复医疗设备进入医院和社区，为患者提供康复医疗的训练，其中人机交互的友好性成为一个关注的焦点问题。传统的下肢康复设备人机界面交互性差，患者提不起兴趣训练，而且制定的康复训练给患者一种枯燥无味的强制性训练，患者在训练过程中往往会感觉很痛苦无聊。

发明内容

本发明的目的是提供一种下肢康复训练机器人的人机交互系统及方法，提高人机界面交互性，使患者能够真正通过下肢康复游戏训练达到所期望的康复治疗效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种下肢康复训练机器人的人机交互系统，所述人机交互系统安装在下肢康复训练机器人上，所述人机交互系统包括腰部数据检测设备、腰部数据处理模块、人机交互模块和腰部数据监测模块；

所述腰部数据检测设备，用于采集患者在下肢康复游戏训练时的腰部数据；

所述腰部数据处理模块，与所述腰部数据检测设备连接，用于获取所述腰部数据并处理；

所述人机交互模块，与所述腰部数据处理模块连接；所述人机交互模块用于实时监控整个下肢康复游戏训练过程，并通过人机交互界面显示处理后的腰部数据；

所述腰部数据监测模块，分别与所述腰部数据处理模块、所述下肢康复训练机器人连接，用于实时获取处理后的腰部数据，并根据处理后的腰部数据输出控制指令；所述控制指令包括下肢康复训练机器人运行指令和下肢康复训练机器人停止指令。

可选的，所述腰部数据检测设备包括与所述腰部数据处理模块分别连接的腰部横移量检测设备、腰部转动角度检测设备和腰部侧倾角度检测设备；其中，

所述腰部横移量检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右横移量；所述腰部转动角度检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右转动角度；所述腰部侧倾角度检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右侧倾角度。

可选的，所述腰部横移量检测设备包括左侧压力传感器和右侧压力传感器；所述左侧压力传感器安装在所述下肢康复训练机器人的腰部左侧扶手处，所述右侧压力传感器安装在所述下肢康复训练机器人的腰部右侧扶手处。

可选的，所述腰部转动角度检测设备包括安装在所述下肢康复训练机器人的腰部前端处的左右侧倾电位计，所述腰部转动角度检测设备包括安装在所述左右侧倾电位计一侧的左右横移电位计。

可选的，所述人机交互模块包括人机交互平板电脑；所述人机交互平板电脑内置腰部训练路径预设单元、游戏指导单元、游戏训练单元和游戏训练数据总结单元；

所述腰部训练路径预设单元，用于预设腰部训练路径；所述腰部训练路径包括三种训练参数，分别为腰部左右横移量、腰部左右转动角度以及腰部左右侧倾角度；

所述游戏指导单元，与所述腰部训练路径预设单元连接，用于获取所述腰部训练路径，并根据所述腰部训练路径确定下肢康复游戏；

所述游戏训练单元，分别与所述游戏指导单元、所述腰部数据处理模块连接，用于根据所述下肢康复游戏对患者进行下肢康复游戏训练，并实时获取处理后的腰部数据；

所述游戏训练数据总结单元，分别与所述游戏训练单元、所述腰部训练路径预设单元连接，用于获取处理后的腰部数据和所述腰部训练路径，并根据所述处理后的腰部数据和所述腰部训练路径，生成患者康复训练结果以及训练参数评估结果。

可选的，所述人机交互模块还包括AR虚拟现实眼镜；所述AR虚拟现实眼镜分别与所述游戏指导单元、所述游戏训练单元、所述游戏训练数据总结单元进行信息交互。

可选的，所述腰部数据检测设备通过倍福的ADS协议与所述腰部数据处理模块进行数据通讯，所述腰部数据处理模块通过TCP协议与所述人机交互模块进行数据传输。

一种下肢康复训练机器人的人机交互方法，包括：

通过人机交互模块获取患者训练信息，并根据所述患者训练信息确定患者下肢康复游戏和训练参数；

通过佩戴AR增强现实眼镜进行下肢康复游戏训练；

通过所述人机交互模块实时显示患者康复训练结果以及训练参数评估结果；

通过所述患者康复训练结果和所述训练参数评估结果，确定患者下一阶段的康复训练计划和训练内容

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种下肢康复训练机器人的人机交互系统及方法。本发明提供的人机交互系统可以使医生根据上次训练结果定义本次患者下肢康复游戏，以使患者在下肢康复游戏训练过程达到预期的腰部训练轨迹。

另外，本发明提供的人机交互系统是通过精确的腰部数据采集模块并辅以人机交互模块来辅助患者完成腰部游戏训练，摒弃了传统游戏训练的无目的性，使患者能够真正通过下肢康复游戏训练达到所期望的康复治疗效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种下肢康复训练机器人的人机交互系统的结构框图；

图2为本发明实施例下肢康复训练机器人的结构示意图；

图3为本发明实施例下肢康复训练机器人的腰部结构示意图；

图4为本发明实施例一种下肢康复训练机器人的人机交互方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种下肢康复训练机器人的人机交互系统，该人机交互系统包括人机交互模块、腰部数据检测设备、腰部数据处理模块以及腰部数据监测模块。

腰部数据检测设备通过倍福的ADS协议与腰部数据处理模块进行数据通讯，腰部数据处理模块通过TCP协议与人机交互模块进行数据传输。

腰部数据检测设备用于采集患者在下肢康复游戏训练时的腰部数据。

腰部数据处理模块用于获取腰部数据并处理。

人机交互模块用于实时监控整个下肢康复游戏训练过程，并通过人机交互界面显示处理后的腰部数据。

腰部数据监测模块，分别与腰部数据处理模块、下肢康复训练机器人连接，用于实时获取处理后的腰部数据，并根据处理后的腰部数据输出控制指令；控制指令包括下肢康复训练机器人运行指令和下肢康复训练机器人停止指令。

腰部数据检测设备包括腰部横移量检测设备、腰部转动角度检测设备和腰部侧倾角度检测设备。腰部横移量检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右横移量；腰部转动角度检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右转动角度；腰部侧倾角度检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右侧倾角度。

如图2和图3所示，腰部横移量检测设备1包括左侧压力传感器3和右侧压力传感器4；左侧压力传感器3安装在下肢康复训练机器人的腰部左侧扶手处，右侧压力传感器4安装在下肢康复训练机器人的腰部右侧扶手处。腰部转动角度检测设备包括安装在下肢康复训练机器人的腰部前端处的左右侧倾电位计5，腰部转动角度检测设备包括安装在左右侧倾电位计一侧的左右横移电位计6。

腰部数据处理模块对患者的腰部数据进行算法过滤以及处理，并把处理后的腰部数据实时发送给腰部数据监测模块和人机交互模块。其中，腰部数据的算法处理会使下肢康复机器人能更加顺滑地进行运动，使下肢康复机器人的人机交互性得到提升，所以腰部数据处理模块是整个下肢康复机器人人机交互系统中非常重要的一个模块。

人机交互模块包括AR虚拟现实眼镜和人机交互平板电脑2；其中，人机交互平板电脑2内置腰部训练路径预设单元、游戏指导单元、游戏训练单元和游戏训练数据总结单元。

腰部训练路径预设单元，用于预设腰部训练路径；腰部训练路径包括三种训练参数，分别为腰部左右横移量、腰部左右转动角度以及腰部左右侧倾角度。

游戏指导单元，与腰部训练路径预设单元连接，用于获取腰部训练路径，并根据腰部训练路径确定下肢康复游戏。

游戏训练单元，分别与游戏指导单元、腰部数据处理模块连接，用于根据下肢康复游戏对患者进行下肢康复游戏训练，并实时获取处理后的腰部数据。

游戏训练数据总结单元，分别与游戏训练单元、腰部训练路径预设单元连接，用于获取处理后的腰部数据和腰部训练路径，并根据处理后的腰部数据和腰部训练路径，生成患者康复训练结果以及训练参数评估结果。

AR虚拟现实眼镜分别与游戏指导单元、游戏训练单元、游戏训练数据总结单元进行信息交互，即游戏指导单元、游戏训练单元、游戏训练数据总结单元中的信息显示在AR虚拟现实眼镜中。

腰部数据监测模块对患者在训练过程中产生的腰部数据进行实时的监测，例如当某些数据超出正常值很多的话，患者这时的情况有可能是摔倒或者是其它紧急情况，需要暂停训练，此时腰部数据监测模块会给下肢康复机器人发送一个急停的指令，下肢康复机器人急停后给医师发出警报以提示医师患者出现紧急情况。

其中，游戏训练单元运用Unity游戏开发编辑器对下肢康复训练游戏进行开发。本实施例中，在AR增强现实眼镜中运行着两个游戏，分别是七巧板游戏和飞机大战游戏。七巧板游戏需要患者腰部有精确控制下才能进行游戏训练，七巧板游戏大致就是患者通过腰部控制游戏中的七巧板进行左右的横移和左右的侧倾，只有当患者把七巧板转动到与游戏设定的七巧板相同位置角度的时候游戏才算成功，医生对七巧板游戏的中的七巧板的左右位移偏移量和侧倾角度进行调整，以满足不同病情患者的需要。飞机大战游戏不需要患者有精确的腰部控制，患者通过腰部控制飞机的左右横移和左右侧倾来躲避敌机的子弹和障碍物，医生通过自定义敌机出现的位置来控制患者腰部在游戏训练中的轨迹。

飞机大战游戏和七巧板游戏是患者腰部游戏训练的两个阶段，飞机大战游戏是腰部康复的初级阶段，在这个阶段上患者不需要进行腰部的精确控制和长时间控制。七巧板游戏是腰部康复的最终阶段，在这个阶段中患者只需要左右摆动腰部和左右旋转腰部，由于患者是刚刚进入康复的初级阶段，所以不需要保持一个动作很久，都是立刻返回腰部的中心点，这样的训练模式为患者起到一个引导康复训练的效果，可以大大缩短康复治疗的周期。

如图4所示，本实施例提供了一种下肢康复训练机器人的人机交互方法，该人机交互方法包括以下步骤：

步骤101：通过人机交互模块获取患者训练信息，并根据患者训练信息确定患者下肢康复游戏和训练参数；具体包括：患者在医护人员的帮助下进行安全的穿戴。然后医师登录人机交互界面查询患者训练信息，针对患者的康复情况设定游戏训练模式。再者根据游戏训练模式，确定训练参数；如果进行飞机大战游戏训练的话，医师会设置具体的敌机数量出现的位置和频率，以及障碍物出现的位置和频率；如果进行七巧板游戏训练的话，医师会设置具体的七巧板之间的横移距离和七巧板的转动角度。

步骤102：通过佩戴AR增强现实眼镜进行下肢康复游戏训练，即患者戴上AR虚拟现实眼镜进行下肢康复游戏训练。

步骤103：通过人机交互模块实时显示患者康复训练结果以及训练参数评估结果，具体包括通过人机交互模块中的游戏训练数据总结单元显示患者本次康复训练结果，并根据对训练参数进行评估，得到评估结果。

步骤104：通过患者康复训练结果和训练参数评估结果，确定患者下一阶段的康复训练计划和训练内容，此步骤作用是医师根据康复训练结果和评估结果为患者制定下一阶段的康复训练计划和训练内容。

本实施例提供的人机交互方法有利于患者进行下肢行走能力的康复，通过这种有目的性的人机交互方法可以大大提高患者的康复质量。并且游戏训练能辅助行走、坐站和平衡模式的专业训练，达到两种模式的训练交互目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种下肢康复训练机器人的人机交互系统，其特征在于，所述人机交互系统安装在下肢康复训练机器人上，所述人机交互系统包括腰部数据检测设备、腰部数据处理模块、人机交互模块和腰部数据监测模块；

所述腰部数据检测设备，用于采集患者在下肢康复游戏训练时的腰部数据；

所述腰部数据处理模块，与所述腰部数据检测设备连接，用于获取所述腰部数据并处理；

所述人机交互模块，与所述腰部数据处理模块连接；所述人机交互模块用于实时监控整个下肢康复游戏训练过程，并通过人机交互界面显示处理后的腰部数据；

所述腰部数据监测模块，分别与所述腰部数据处理模块、所述下肢康复训练机器人连接，用于实时获取处理后的腰部数据，并根据处理后的腰部数据输出控制指令；所述控制指令包括下肢康复训练机器人运行指令和下肢康复训练机器人停止指令。

2.根据权利要求1所述的人机交互系统，其特征在于，所述腰部数据检测设备包括与所述腰部数据处理模块分别连接的腰部横移量检测设备、腰部转动角度检测设备、腰部侧倾角度检测设备；其中，

所述腰部横移量检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右横移量；所述腰部转动角度检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右转动角度；所述腰部侧倾角度检测设备用于在下肢康复游戏训练时，采集患者腰部左右侧倾角度。

3.根据权利要求2所述的人机交互系统，其特征在于，所述腰部横移量检测设备包括左侧压力传感器和右侧压力传感器；所述左侧压力传感器安装在所述下肢康复训练机器人的腰部左侧扶手处，所述右侧压力传感器安装在所述下肢康复训练机器人的腰部右侧扶手处。

4.根据权利要求2所述的人机交互系统，其特征在于，所述腰部转动角度检测设备包括安装在所述下肢康复训练机器人腰部前端处的左右侧倾电位计，所述腰部转动角度检测设备包括安装在所述左右侧倾电位计一侧的左右横移电位计。

5.根据权利要求1所述的人机交互系统，其特征在于，所述人机交互模块包括人机交互平板电脑；所述人机交互平板电脑内置腰部训练路径预设单元、游戏指导单元、游戏训练单元和游戏训练数据总结单元；

所述腰部训练路径预设单元，用于预设腰部训练路径；所述腰部训练路径包括三种训练参数，分别为腰部左右横移量、腰部左右转动角度以及腰部左右侧倾角度；

所述游戏指导单元，与所述腰部训练路径预设单元连接，用于获取所述腰部训练路径，并根据所述腰部训练路径确定下肢康复游戏；

所述游戏训练单元，分别与所述游戏指导单元、所述腰部数据处理模块连接，用于根据所述下肢康复游戏对患者进行下肢康复游戏训练，并实时获取处理后的腰部数据；

所述游戏训练数据总结单元，分别与所述游戏训练单元、所述腰部训练路径预设单元连接，用于获取处理后的腰部数据和所述腰部训练路径，并根据处理后的腰部数据和所述腰部训练路径，生成患者康复训练结果以及训练参数评估结果。

6.根据权利要求5所述的人机交互系统，其特征在于，所述人机交互模块还包括AR虚拟现实眼镜；所述AR虚拟现实眼镜分别与所述游戏指导单元、所述游戏训练单元、所述游戏训练数据总结单元进行信息交互。

7.根据权利要求1所述的人机交互系统，其特征在于，所述腰部数据检测设备通过倍福的ADS协议与所述腰部数据处理模块进行数据通讯，所述腰部数据处理模块通过TCP协议与所述人机交互模块进行数据传输。

8.一种下肢康复训练机器人的人机交互方法，其特征在于，所述人机交互方法包括：

通过人机交互模块获取患者训练信息，并根据所述患者训练信息确定患者下肢康复游戏和训练参数；

通过佩戴AR增强现实眼镜进行下肢康复游戏训练；

通过所述人机交互模块实时显示患者康复训练结果以及训练参数评估结果；

通过所述患者康复训练结果和所述训练参数评估结果，确定患者下一阶段的康复训练计划和训练内容。