CN110179622B - 基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统 - Google Patents
基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110179622B CN110179622B CN201910339030.8A CN201910339030A CN110179622B CN 110179622 B CN110179622 B CN 110179622B CN 201910339030 A CN201910339030 A CN 201910339030A CN 110179622 B CN110179622 B CN 110179622B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rehabilitation
- patient
- joint
- exoskeleton
- module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 title claims abstract description 65
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 75
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 claims abstract description 26
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 claims abstract description 17
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 claims abstract description 14
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 claims abstract description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 27
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 6
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 6
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 claims description 6
- 210000001699 lower leg Anatomy 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 claims description 6
- 238000012549 training Methods 0.000 claims description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 claims description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 3
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 3
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
- A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
- A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/01—Constructive details
- A61H2201/0192—Specific means for adjusting dimensions
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/16—Physical interface with patient
- A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
- A61H2201/164—Feet or leg, e.g. pedal
- A61H2201/1642—Holding means therefor
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
- A61H2201/5058—Sensors or detectors
- A61H2201/5061—Force sensors
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2203/00—Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
- G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
- G06F2203/012—Walk-in-place systems for allowing a user to walk in a virtual environment while constraining him to a given position in the physical environment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Public Health (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统。本发明辅助医疗模块主要通过物理连接带动康复患者下肢髋关节、膝关节以及踝关节的运动；传感检测模块主要通过检测辅助医疗模块所对应各个关键的力传感器信号，并将力信号反馈到运动控制模块中；运动控制模块主要通过运动控制卡控制辅助医疗模块中各个关节运动信号的插补计算，并将传感检测模块中反馈的力信号作为反馈信息，实时调整辅助医疗模块中各个关节的运动大小以及虚拟现实模块中的场景变化；虚拟现实模块主要为康复患者提供虚拟场景，并根据运动控制模块的信号进行实时调整，以适应患者对康复场景变化的需求。本发明为患者提供舒适、有趣的康复环境。
Description
技术领域
本发明属于人-机交互医疗康复技术领域，涉及一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统。
背景技术
虚拟现实技术是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界图像传回产生临场感。随着虚拟现实技术的不断发展成熟，在虚拟现实系统的浸入式虚拟环境体验中，首先需要实时的检测到人体下肢运动状态，并将信息传递给虚拟现实系统和运动控制系统，从而为使用者提供与现实世界一致的虚拟场景。
本发明中一种交互式力与速度反馈的人体下肢运动康复设备，来操控虚拟环境中人体下肢的动作，并使人体下肢获得虚拟环境给予的反馈力和速度，人体下肢运动同样也会影响虚拟环境中的情景，实现使用者人体下肢运动的可靠的康复。使用此设备可以让使用者在虚拟环境中自然的进行康复医疗，在初期阶段，虚拟现实空间模拟出骑自行车下坡的场景，硬件通过电机对使用者下肢产生力，使使用者可以根据硬件的运动做出骑自行车下坡的动作。在中期阶段，虚拟现实空间模拟出平坡走路的场景，硬件将不对使用者下肢产生作用力，使用者依靠自身下肢的运动来实现走路运动。在后期阶段，虚拟现实空间模拟出骑车上坡的场景，硬件将对使用者下肢产生适当的阻力，使用者下肢对硬件发力，让使用者体验到上坡的感觉。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统。
本发明包括辅助医疗模块、传感检测模块、运动控制模块和虚拟现实模块。所述的辅助医疗模块包括与患者下肢物理连接的各个关节传动结构，传感检测模块由各个关节电机编码器、扭矩传感器以及多轴运动控制卡构成，通过扭矩传感器实时反馈患者关节位置输出信号，结合扭矩传感器反馈下肢各个关节的力输出信号组成，多轴控制控制卡实现多轴联动的功能。运动控制模块包含下肢关节的反解计算，力插补集成算法以及与虚拟现实模块交互的通讯算法，虚拟现实模块能够根据患者的运动实时的调整显示内容，从而为患者提供沉浸式的体验；
所述的辅助医疗模块包括下肢外骨骼髋关节、踝关节、膝关节以及可调节靠椅，下肢外骨骼髋关节、踝关节、膝关节以及可调节靠椅均设置在主体框架上。外骨骼关节之间的连接是由多个连杆和传动部件实现，各个连杆之间通过转动副连接，并通过绑带的形式与患者连接。靠背通过电动推杆提供动力，电动推杆的一端通过转动副铰接在地面，另一端则通过转动副铰接在座椅靠背。髋关节通过电机带动减速器，并通过带传动的方式将动力传递给外骨骼腿部上侧部分，从而带动人体髋关节运动；膝关节与踝关节均通过电机带动减速器，直接将动力传递给人体小腿与足弓部分。
所述的传感检测模块包括位于脚掌部位的力传感器和各个关节部位的扭矩传感器，用于捕捉并计量患者下肢的运动参数以及患者与外骨骼设备的交互力。力传感器是用于检测机械结构对人体下肢产生作用力大小，并且依据这项数据处理和反馈患者的康复情况，并调整接下来的康复计划。扭矩传感器是主要用于检测电机输出的驱动力或者制动力的大小，依据此项数据处理和反馈患者下肢各个关节输出力的大小，并用来检测外骨骼输出力是否超过患者所能承受极限，从而避免对患者产生二次伤害。扭矩传感器的转速以及转矩由公式(1)和(2)得到：
正向转矩：T＝N×(fm-f0)/(fp-f0) (1)；
负向转矩：T＝N×(fm-f0)/(f0-fp) (2)；
所述的辅助医疗模块中外骨骼有三个转动关节串联二乘，其各个关节的运动轨迹通过运动学反解求出，并且通过扭矩传感器和力传感器进行实时插补，从而实现对患者下肢的驱动功能。
所述的运动控制系统主要通过工控机完成下肢外骨骼三个关节的协同运动，根据机构反解生成运动文件，由多轴运动控制器完成各个电机的实时控制，反解过程见式(3)；
其中(x,y)表示踏板末端位置信息，l1,l2,l3分别表示外骨骼连杆长度，θ1,θ2,θ3分别表示各个关节连杆与水平面夹角大小。
根据受力平衡原理，将各个关节的扭矩传感器测得的驱动力矩作为反馈值，反馈给运动控制卡，从而实时调整电机输出力矩的大小，进而保证适应不同病患对康复过程的需求，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分别表示髋关节、膝关节以及踝关节的驱动力矩；G11,G12分别表示大腿以及外骨骼大腿部分的重量，G21,G22分别表示小腿以及外骨骼小腿部分的重量，G31,G32分别表示足部以及外骨骼足部的重量。
通过电机编码器将各关节的运动参数进行反馈；运动控制器与工控机的通讯模式采用C/S模式，即TCP/IP协议，工控机为服务器端，运动控制器为客户端。当二者间建立连接后，工控机将医生的指令以套接字的形式传递给运动控制器，驱动外骨骼各个关键运动，而患者在整个康复过程中的运动数据均存储在工控机中，供后续康复参考。各个关节的扭矩传感器、底板处力传感器均与多轴运动控制器通讯，实时反馈患者下肢各个关节的力信号，作为决定下一阶段康复疗程的判断依据。
所述的虚拟现实系统通过结合患者的康复程度与医生所推荐的康复模式，将虚拟现实场景分为初期康复环境、中期康复环境、后期康复环境。初期康复环境主要模拟患者在公路骑车下坡的场景，康复系统机械部分为患者下肢各个关节提供助力的作用，且助力大小随着康复过程的进行逐渐降低；中期康复环境模拟患者在公路平地骑自行车的场景，康复系统机械部分对患者提供的作用力保证各个关节匀速运动，且踏板检测到的力为一恒定值，其下肢各关节保持在零力输出状态；后期康复环境对应为模拟患者在公路骑车上坡的场景，外骨骼机器人为患者各个关节提供阻力的作用，并且阻力的大小随着康复的过程逐渐升高，直至整个康复过程结束。另外，在虚拟现实系统上可以显示患者的康复计划的具体日期，并显示每个阶段的推荐开始和结束日期。在装置工作时，显示屏上显示经过处理过的数据，简单明了的看出患者所处的康复阶段。显示屏实时的显示当前骑行道路的坡度、骑行速度加速度以及外骨骼各个关节输出力的大小。
为了匹配大多数患者的下肢尺寸，所述的各个关节的连杆长度由人体工程学中的人体尺寸确定。
根据患者的康复阶段及康复过程的舒适度，医师或患者选择坐式或卧式进行康复训练。
作为优选，所述的辅助医疗模块主体框架由铝型材搭建。
本发明根据使用者自身处于的康复医疗阶段，由辅助医疗模块对康复患者下肢进行康复训练，并通过力传感检测模块实时反馈康复患者的关节输出力矩，虚拟现实模块为患者提供沉浸式的人-机交互医疗康复环境。能够量化的引导患者进行康复训练，并具有模拟现实的康复场景，通过结合患者的病患程度制定合理的康复训练计划的功能。机械系统具有可拆卸机构，并且能够根据人体下肢的实际尺寸进行变换；根据患者需要康复的功能需求可以分别拆卸并单独作为髋关节、膝关节以及踝关节外骨骼康复设备使用。外骨骼整体驱动结构相对小巧灵活，且动力充足，能够匹配不同体重、外形尺寸、患病程度的患者需求。能够根据传感检测系统对人体下肢各个关节的运动特性与动力输出特性进行数字化分析，达到预期康复要求的控制效果。通过分别在软硬件设置相应的保护措施实现对患者在康复过程中的保护，具有较高的安全性、可靠性，绝对避免了对患者的二次伤害。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的系统流程图；
图3为本发明的工作原理图；
图4为本发明的康复环境示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统，包括辅助医疗模块、传感检测模块、运动控制模块和虚拟现实模块。辅助医疗模块包括与患者下肢物理连接的各个关节传动结构，传感检测模块由各个关节电机编码器、扭矩传感器以及多轴运动控制卡构成，通过扭矩传感器可以实时反馈患者关节位置输出信号，结合扭矩传感器反馈下肢各个关节的力输出信号组成，多轴控制控制卡实现多轴联动的功能。运动控制模块包含下肢关节的反解计算，力插补集成算法以及与虚拟现实模块交互的通讯算法，虚拟现实模块能够根据患者的运动实时的调整显示内容，从而为患者提供沉浸式的体验；
辅助医疗模块包括下肢外骨骼髋关节、踝关节、膝关节以及可调节靠椅。外骨骼关节之间的连接是由多个连杆和传动部件实现，各个连杆之间通过转动副连接，并通过绑带的形式与患者连接。为了匹配大多数患者的下肢尺寸，各个关节的连杆长度由人体工程学中的人体尺寸确定，并结合目前康复患者年龄、性别等因素进行均值计算。靠背通过电动推杆提供动力，其中电动推杆的一端通过转动副铰接在地面，另一端则通过转动副铰接在座椅靠背，根据患者的康复阶段及康复过程的舒适度，医师或患者选择坐式或卧式进行康复训练。髋关节部分主要通过电机带动减速器，并通过带传动的方式将动力传递给外骨骼腿部上侧部分，从而带动人体髋关节运动；膝关节与踝关节均通过电机带动减速器，直接将动力传递给人体小腿与足弓部分。主体框架均由铝型材搭建而成，但不局限于铝型材。
如图2所示，传感检测模块包括位于脚掌部位的力传感器和各个关节部位的扭矩传感器，用于捕捉并计量患者下肢的运动参数以及患者与外骨骼设备的交互力。力传感器是用于检测机械结构对人体下肢产生作用力大小，并且依据这项数据处理和反馈患者的康复情况，并调整接下来的康复计划。扭矩传感器是主要用于检测电机输出的驱动力或者制动力的大小，依据此项数据处理和反馈患者下肢各个关节输出力的大小，并用来检测外骨骼输出力是否超过患者所能承受极限，从而避免对患者产生二次伤害。扭矩传感器的转速以及转矩由公式(1)和(2)得到：
正向转矩：T＝N×(fm-f0)/(fp-f0) (1)；
负向转矩：T＝N×(fm-f0)/(f0-fp) (2)；
辅助医疗模块中外骨骼有三个转动关节串联二乘，其各个关节的运动轨迹通过运动学反解求出，并且通过扭矩传感器和力传感器进行实时插补，从而实现对患者下肢的驱动功能。
运动控制系统主要通过工控机完成下肢外骨骼三个关节的协同运动，根据机构反解生成运动文件，由多轴运动控制器完成各个电机的实时控制，反解过程见式(3)；
其中(x,y)表示踏板末端位置信息，l1,l2,l3分别表示外骨骼连杆长度，θ1,θ2,θ3分别表示各个关节连杆与水平面夹角大小。
另外，根据受力平衡原理，将各个关节的扭矩传感器测得的驱动力矩作为反馈值，反馈给运动控制卡，从而实时调整电机输出力矩的大小，进而保证适应不同病患对康复过程的需求，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分别表示髋关节、膝关节以及踝关节的驱动力矩；G11,G12分别表示大腿以及外骨骼大腿部分的重量，G21,G22分别表示小腿以及外骨骼小腿部分的重量，G31,G32分别表示足部以及外骨骼足部的重量。
运动控制系统通过电机编码器将各关节的运动参数进行反馈；运动控制器与工控机的通讯模式采用C/S模式(TCP/IP协议)，工控机为服务器端，运动控制器为客户端，其原理如图3所示。当二者间建立连接后，工控机将医生的指令以套接字的形式传递给运动控制器，驱动外骨骼各个关键运动，而患者在整个康复过程中的运动数据(速度、加速度以及力输出矩等)均存储在工控机中，并可供主任医师参考。此外，各个关节的扭矩传感器、底板处力传感器均与多轴运动控制器通讯，实时反馈患者下肢各个关节的力信号，有主任医师作为决定下一阶段康复疗程的判断依据。
虚拟现实系统通过结合患者的康复程度与医生所推荐的康复模式，将虚拟现实场景分为初期康复环境、中期康复环境、后期康复环境，如图4所示。初期康复环境主要模拟患者在公路骑车下坡的场景，辅助医疗模块为患者下肢各个关节提供助力的作用，且助力大小随着康复过程的进行逐渐降低；中期康复环境模拟患者在公路平地骑自行车的场景，辅助医疗模块对患者提供的作用力保证各个关节匀速运动，且踏板检测到的力为一恒定值，其下肢各关节保持在零力输出状态；后期康复环境对应为模拟患者在公路骑车上坡的场景，辅助医疗模块为患者各个关节提供阻力的作用，并且阻力的大小随着康复的过程逐渐升高，直至整个康复过程结束。另外，在虚拟现实系统上显示患者的康复计划的具体日期，并显示每个阶段的推荐开始和结束日期。在装置工作时，显示屏上显示经过处理过的数据，简单明了的看出患者所处的康复阶段。显示屏实时的显示当前骑行道路的坡度、骑行速度加速度以及外骨骼各个关节输出力的大小。
针对不同病患，将康复流程分为三个阶段，工作过程分别如下：
初期康复环境主要模拟患者在公路骑车下坡的场景，辅助医疗模块为患者下肢各个关节提供助力的作用，且助力大小随着康复过程的进行逐渐降低。此时，医师根据患者病情将系统模式调整为初期康复阶段，运动控制系统通过调整辅助医疗模块中电机的转动量控制外骨骼转动位移、速度及加速度的方向和大小，并根据传感检测模块反馈的位置信息和力矩信息保证辅助医疗模块对患者起到助力作用；同时向虚拟现实系统发出信息，使得虚拟现实模块中的显示画面为蹬车下坡的场景，并根据传感检测模块中检测到的信息实时调整画面显示的坡度、速度。
中期康复环境模拟患者在公路平地骑自行车的场景，辅助医疗模块对患者提供的作用力保证各个关节匀速运动，且踏板检测到的力为一恒定值，其下肢各关节保持在零力输出状态；此时，医师根据患者病情将系统模式调整为中期康复阶段，运动控制系统通过调整辅助医疗模块中电机的转动量使得外骨骼转动速度保持恒值，并根据传感检测模块反馈的位置信息和力矩信息保证辅助医疗模块对患者的作用力为零；同时向虚拟现实模块发出信息，使得虚拟现实模块中的显示画面为平地蹬车的场景，并根据传感检测模块中检测到的信息保证画面显示的坡度位零，移动速度为恒值。
后期康复环境对应为模拟患者在公路骑车上坡的场景，辅助医疗模块为患者各个关节提供阻力的作用，并且阻力的大小随着康复的过程逐渐升高，直至整个康复过程结束。此时，医师根据患者病情将系统模式调整为后期康复阶段，运动控制系统通过调整辅助医疗模块中电机的转动量控制外骨骼转动位移，且保证辅助医疗模块中电机转动速度小于患者关节运动速度，并根据传感检测模块反馈的位置信息和力矩信息保证外骨骼对患者起到阻力作用；同时向虚拟现实系统发出信息，使得虚拟现实系统中的显示画面为蹬车上坡的场景，并根据传感检测模块中检测到的信息实时调整画面显示的坡度、速度。
另外，在虚拟现实系统上能够显示患者的康复计划的具体日期，并显示每个阶段的推荐开始和结束日期。在装置工作时，显示屏上显示经过处理过的数据，简单明了的看出患者所处的康复阶段。显示屏实时的显示当前骑行道路的坡度、骑行速度加速度以及辅助医疗模块各个关节输出力的大小。
Claims (3)
1.一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统，包括辅助医疗模块、传感检测模块、运动控制模块和虚拟现实模块；其特征在于：所述的辅助医疗模块包括与患者下肢物理连接的各个关节传动结构，传感检测模块由各个关节电机编码器、扭矩传感器、多轴运动控制卡和力传感器构成，扭矩传感器实时反馈患者关节位置输出信号，多轴运动控制卡结合扭矩传感器反馈下肢各个关节的力输出信号，实现多轴联动的功能；运动控制模块包含下肢关节的反解计算，力插补集成算法以及与虚拟现实模块交互的通讯算法，虚拟现实模块能够根据患者的运动实时的调整显示内容，从而为患者提供沉浸式的体验；
所述的辅助医疗模块包括下肢外骨骼髋关节、踝关节、膝关节以及可调节靠椅，下肢外骨骼髋关节、踝关节、膝关节以及可调节靠椅均设置在主体框架上；外骨骼关节之间的连接是由多个连杆和传动部件实现，各个连杆之间通过转动副连接，并通过绑带的形式与患者连接；靠背通过电动推杆提供动力，电动推杆的一端通过转动副铰接在地面，另一端则通过转动副铰接在座椅靠背；髋关节通过电机带动减速器，并通过带传动的方式将动力传递给外骨骼腿部上侧部分，从而带动人体髋关节运动；膝关节与踝关节均通过电机带动减速器，直接将动力传递给人体小腿与足弓部分；
所述的髋关节、膝关节以及踝关节能根据康复需求分别拆卸并单独作为外骨骼康复设备使用；各关节的连杆长度由人体工程学中的人体尺寸确定；
所述的传感检测模块包括位于脚掌部位的力传感器和各个关节部位的扭矩传感器，用于捕捉并计量患者下肢的运动参数以及患者与外骨骼的交互力；力传感器是用于检测机械结构对人体下肢产生作用力大小，并且依据这项数据处理和反馈患者的康复情况，并调整接下来的康复计划；扭矩传感器是主要用于检测电机输出的驱动力或者制动力的大小，依据此项数据处理和反馈患者下肢各个关节输出力的大小，并用来检测外骨骼输出力是否超过患者所能承受极限，从而避免对患者产生二次伤害；扭矩传感器的转速以及转矩由公式(1)和(2)得到：
正向转矩：T＝N×(fm-f0)/(fp-f0) (1)；
负向转矩：T＝N×(fm-f0)/(f0-fp) (2)；
所述的辅助医疗模块中外骨骼由三个转动关节串联而成 ，其各个关节的运动轨迹通过运动学反解求出，并且通过扭矩传感器和力传感器进行实时插补，从而实现对患者下肢的驱动功能；
所述的运动控制模块主要通过工控机完成下肢外骨骼三个关节的协同运动，根据机构反解生成运动文件，由多轴运动控制器完成各个电机的实时控制，反解过程见式(3)；
其中(x,y)表示踏板末端位置信息，l1,l2,l3分别表示外骨骼连杆长度，θ1,θ2,θ3分别表示各个关节连杆与水平面夹角大小；
根据受力平衡原理，将各个关节的扭矩传感器测得的驱动力矩作为反馈值，反馈给多轴运动控制卡，从而实时调整电机输出力矩的大小，进而保证适应不同病患对康复过程的需求，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分别表示髋关节、膝关节以及踝关节的驱动力矩；G11,G12分别表示大腿以及外骨骼大腿部分的重量，G21,G22分别表示小腿以及外骨骼小腿部分的重量，G31,G32分别表示足部以及外骨骼足部的重量；
通过电机编码器将各关节的运动参数进行反馈；多轴运动控制器与工控机的通讯模式采用C/S模式，即TCP/IP协议，工控机为服务器端，多轴运动控制器为客户端；当二者间建立连接后，工控机将医生的指令以套接字的形式传递给多轴 运动控制器，驱动外骨骼各个关节运动，而患者在整个康复过程中的运动数据均存储在工控机中，供后续康复参考；各个关节的扭矩传感器、脚掌处力传感器均与多轴运动控制器通讯，实时反馈患者下肢各个关节的力信号，作为决定下一阶段康复疗程的判断依据；
所述的虚拟现实模块通过结合患者的康复程度与医生所推荐的康复模式，将虚拟现实场景分为初期康复环境、中期康复环境、后期康复环境；初期康复环境主要模拟患者在公路骑车下坡的场景，康复系统机械部分为患者下肢各个关节提供助力的作用，且助力大小随着康复过程的进行逐渐降低；中期康复环境模拟患者在公路平地骑自行车的场景，康复系统机械部分对患者提供的作用力保证各个关节匀速运动，且踏板检测到的力为一恒定值，其下肢各关节保持在零力输出状态；后期康复环境对应为模拟患者在公路骑车上坡的场景，外骨骼机器人为患者各个关节提供阻力的作用，并且阻力的大小随着康复的过程逐渐升高，直至整个康复过程结束；另外，在虚拟现实模块上能够显示患者的康复计划的具体日期，并显示每个阶段的推荐开始和结束日期；在系统工作时，显示屏上显示经过处理过的数据，看出患者所处的康复阶段；显示屏实时的显示当前骑行道路的坡度、骑行速度加速度以及外骨骼各个关节输出力的大小。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统，其特征在于：根据患者的康复阶段及康复过程的舒适度，医师或患者选择坐式或卧式进行康复训练。
3.如权利要求1所述的一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统，其特征在于：所述的辅助医疗模块主体框架由铝型材搭建。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910339030.8A CN110179622B (zh) | 2019-04-25 | 2019-04-25 | 基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910339030.8A CN110179622B (zh) | 2019-04-25 | 2019-04-25 | 基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110179622A CN110179622A (zh) | 2019-08-30 |
| CN110179622B true CN110179622B (zh) | 2022-01-07 |
Family
ID=67715134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910339030.8A Active CN110179622B (zh) | 2019-04-25 | 2019-04-25 | 基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110179622B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102019131703B4 (de) * | 2019-11-22 | 2022-09-08 | ReActive Robotics GmbH | Vorrichtung zur durchführung einer individuellen bewegungsanalyse und -therapie eines patienten |
| CN112057866A (zh) * | 2020-09-14 | 2020-12-11 | 深圳市小元元科技有限公司 | 一种符合人体关节作用力模拟方法 |
| CN114694798A (zh) * | 2020-12-31 | 2022-07-01 | 浙江凡聚科技有限公司 | 基于虚拟现实的关节损伤康复训练系统和方法 |
| CN114146374A (zh) * | 2021-12-27 | 2022-03-08 | 杭州电子科技大学 | 一种基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101623547A (zh) * | 2009-08-05 | 2010-01-13 | 燕山大学 | 截瘫患者用下肢康复医疗机器人 |
| CN101810532A (zh) * | 2010-04-28 | 2010-08-25 | 河北工业大学 | 一种下肢康复训练机器人 |
| CN102716002A (zh) * | 2012-06-29 | 2012-10-10 | 中国科学院自动化研究所 | 坐卧式下肢康复机器人及相应的被动训练控制方法 |
| US20150105222A1 (en) * | 2007-08-15 | 2015-04-16 | Grigore C. Burdea | Rehabilitation systems and methods |
| CN109419604A (zh) * | 2017-08-29 | 2019-03-05 | 深圳市掌网科技股份有限公司 | 基于虚拟现实的下肢康复训练方法和系统 |
-
2019
- 2019-04-25 CN CN201910339030.8A patent/CN110179622B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150105222A1 (en) * | 2007-08-15 | 2015-04-16 | Grigore C. Burdea | Rehabilitation systems and methods |
| CN101623547A (zh) * | 2009-08-05 | 2010-01-13 | 燕山大学 | 截瘫患者用下肢康复医疗机器人 |
| CN101810532A (zh) * | 2010-04-28 | 2010-08-25 | 河北工业大学 | 一种下肢康复训练机器人 |
| CN102716002A (zh) * | 2012-06-29 | 2012-10-10 | 中国科学院自动化研究所 | 坐卧式下肢康复机器人及相应的被动训练控制方法 |
| CN109419604A (zh) * | 2017-08-29 | 2019-03-05 | 深圳市掌网科技股份有限公司 | 基于虚拟现实的下肢康复训练方法和系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110179622A (zh) | 2019-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110179622B (zh) | 基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统 | |
| EP2827809B1 (en) | Human machine interface for lower extremity orthotics | |
| EP3159118B1 (en) | Motion reproducing system and motion reproducing apparatus | |
| CN110742775B (zh) | 基于力反馈技术的上肢主被动康复训练机器人系统 | |
| KR102541802B1 (ko) | 운동 보조 장치 | |
| US20160151176A1 (en) | Lower extremity exoskeleton for gait retraining | |
| Vouga et al. | TWIICE—A lightweight lower-limb exoskeleton for complete paraplegics | |
| US20100152629A1 (en) | Integrated system to assist in the rehabilitation and/or exercising of a single leg after stroke or other unilateral injury | |
| WO2012091038A1 (ja) | 装着式動作補助装置、そのインタフェース装置及びプログラム | |
| CN106539666A (zh) | 座椅可移动式下肢外骨骼康复训练装置 | |
| WO2014208772A1 (ja) | 歩行訓練支援装置、歩行訓練支援システム、歩行訓練支援方法およびプログラム | |
| JP2014104185A (ja) | 運動補助装置及び運動補助方法 | |
| JP2014073222A (ja) | 運動補助装置及び運動補助方法 | |
| JP2018533986A (ja) | 支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーの移動のための外骨格の所望の動作軌道を規定するための方法、このユーザーのための歩行補助デバイスおよびこのデバイスのための制御方法 | |
| EP2663267A1 (en) | Powered joint orthosis | |
| CN103610569A (zh) | 一种穿戴式下肢助力装置及其控制方法 | |
| CN106901949A (zh) | 全下肢外骨骼及其操作方法 | |
| CN112603752A (zh) | 一种绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人及其运动控制方法 | |
| Chen et al. | Design of a lower extremity exoskeleton for motion assistance in paralyzed individuals | |
| Kuzmicheva et al. | Overground robot based gait rehabilitation system MOPASS-overview and first results from usability testing | |
| JP2006075456A (ja) | 人体モデルに基づく装着型支援システム | |
| JP6315031B2 (ja) | 運動補助装置及び運動補助方法 | |
| CN102671341A (zh) | 一种下肢智能康复训练装置 | |
| JP2003062020A (ja) | 歩行機能回復用肢体駆動装置 | |
| JP5494011B2 (ja) | 動作支援システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |