CN111759669B - 基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于康复机器人技术领域，具体涉及一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统及其工作方法，其中基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统包括：终端、电激励装置和辅助运动装置；所述终端适于分别发送控制信号至所述电激励装置和辅助运动装置；所述辅助运动装置适于根据相应控制信号承托患者的上肢和下肢进行圆周运动；所述电激励装置适于根据相应的控制信号对患者上肢和下肢进行电刺激，实现了电激励和辅助运动的相结合，用于增强独立运动能力，改善行走速度和其他步法交错变量，互相弥补两种技术的短板，拓宽临床恢复效果和使用范围，为患者提供最优的恢复训练。
Description
技术领域
本发明属于康复机器人技术领域，具体涉及一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统及其工作方法。
背景技术
对于由脊髓损伤和脑卒中等疾病造成瘫痪的病人而言，运动恢复训练对其运动功能的恢复有重要的作用，对促进患者中枢神经系统的可塑性修复有很大的帮助。当前在医院使用最多的上肢行型或者下肢型被动型康复踏车系列，由治疗师配合通过循环的被动训练，经过临床验证被动康复踏车和其他机械步态训练技术已经显示能有效的促进运动能力。
功能性电刺激FES(Functional Electrical Stimulation)是一种康复技术，它使用低频弱电流刺激神经来诱发肌肉收缩，目的是产生功能性的，也就是有目的的运动。通常，FES在临床上的实际应用采用开环控制或有限状态控制，能够恢复患者的部分运动功能。
采用被动型的上肢或者下肢康复踏车进行恢复训练，对于无法自运动的瘫痪病人而言，被动康复踏车只能提供被动的运动辅助，忽略了的肌肉的自主性，无法激发患者的肌肉活性。被动型的恢复训练存在患者群适用范围窄、见效慢、对危重患者不适用，无法达到有氧运动，无法反向有效激励神经运动元，不能有效缓解痉挛和增强肌肉活力，无法快速实现功能重建。
目前，市面上的用于神经激励治疗的低频电设备存在功能单一、通道数量少、参数可调范围窄、实时性差、输出功率低，应用场景受限。功能单一的低频电设备不能与功能性运动相结合，在临床应用中受限。第一个障碍是无法刺激许多中风幸存者在行走过程中无法触发活动的几个肌肉群的需要，一个明显的障碍在于刺激多个肌肉群需要多通道FES。第二个障碍是市面上缺少可刺激多个肌肉群的非侵入性FES系统。没有与步法循环相一致的肌肉激活电子协调系统，病患无法完成带FES的任务针对性的移动训练。这类设备对于简单功能具有一定的效果，但是对于大块肌肉和多块相关肌肉的联合功能性动作无法达到相应的恢复目的和效果。
因此，基于上述技术问题需要设计一种新的基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统及其工作方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统及其工作方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统，其特征在于，包括：
终端、电激励装置和辅助运动装置；
所述终端适于分别发送控制信号至所述电激励装置和辅助运动装置；
所述辅助运动装置适于根据相应控制信号承托患者的上肢和下肢进行圆周运动；
所述电激励装置适于根据相应的控制信号对患者上肢和下肢进行电刺激。
进一步，所述辅助运动装置包括：辅助运动处理器模块，以及与该辅助运动处理器模块电性连接的无线通信模块、上肢辅助机构和下肢辅助机构；
所述无线通信模块适于接收所述终端发送的相应控制信号，并将该控制信号发送至所述辅助运动处理器模块；
所述辅助运动处理器模块适于根据控制信号控制所述上肢辅助机构承托患者的上肢；以及
所述辅助运动处理器模块适于根据控制信号控制所述下肢辅助机构承托患者的下肢。
进一步，所述上肢辅助机构包括：上肢伺服放大器、上肢伺服电机、减速机、上肢角度传感器和上肢肘托；
所述上肢肘托适于承托患者的小臂；
所述上肢肘托设置在所述减速机输出轴的两端，并且上肢肘托中左右两侧肘托的曲柄安装角度相差180度；
所述上肢伺服电机输入轴与所述减速机输出轴成90度；
所述减速机适于将所述上肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数；
所述上肢角度传感器设置在所述减速机的旋转轴上，以实时检测上肢肘托做圆周运动的角度；
所述辅助运动处理器模块适于根据相应控制信号通过所述上肢伺服放大器控制所述上肢伺服电机运动，并通过所述减速机对所述上肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数，以带动所述上肢肘托承托患者的小臂做圆周运动；
所述辅助运动处理器模块适于通过所述无线通信模块将实时检测的上肢肘托做圆周运动的角度发送至所述终端。
进一步，所述下肢辅助机构包括：下肢伺服放大器、下肢伺服电机、同步带轮、下肢角度传感器和下肢脚踏；
所述下肢伺服电机输入轴通过同步带轮与输出轴成90度；
所述同步带轮适于将所述下肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数；
所述下肢脚踏适于承托患者的脚部；
所述下肢脚踏安装在所述同步带轮中被动大轮输出轴的两端，并且所述下肢脚踏中左右两侧脚踏的曲柄安装角度相差180度；
所述下肢角度传感器安装在同步带轮中被动大轮的旋转轴上，以实时检测下肢脚踏做圆周运动的角度；
所述辅助运动处理器模块适于根据相应控制信号通过所述下肢伺服放大器控制所述下肢伺服电机运动，并通过所述同步带轮对所述下肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数，以带动所述下肢脚踏承托患者的脚部做圆周运动；
所述辅助运动处理器模块适于对实时检测的下肢脚踏做圆周运动的角度和上肢肘托做圆周运动的角度进行归一化处理，并将处理后的角度通过所述无线通信模块发送至所述终端；以及
所述辅助运动处理器模块适于根据实时检测的下肢脚踏做圆周运动的角度和上肢肘托做圆周运动的角度控制相应的下肢伺服放大器和/或上肢伺服放大器，以调整下肢脚踏和/或上肢肘托做圆周运动的速度。
进一步，所述电激励装置包括：上肢刺激器、上肢电极片、下肢刺激器和下肢电极片；
所述上肢刺激器与所述上肢电极片连接；
所述下肢刺激器与所述下肢电极片连接；
所述上肢电极片和下肢电极片均贴附在肌肉皮肤的表面，当上肢电极片和下肢电极片脱落时相应的上肢刺激器和/或下肢刺激器发出警报；
所述上肢刺激器和所述下肢刺激器适于接收所述终端发送的相应控制信号产生或停止相应的电刺激，即
所述终端适于通过所述无线通信模块发送开始电刺激的控制信号至所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器，使所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器开始电刺激；以及
所述终端适于处理后的角度发送停止电刺激的控制信号至所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器，使所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器停止电刺激。
进一步，所述上下肢协同智能康复机器人系统还包括：电源装置；
所述电源装置适于对所述终端、电激励装置和辅助运动装置进行供电。
进一步，所述电源装置包括：EMC滤波器、AC/DC电源模块、继电器、急停开关；
外部输入的交流电通过所述EMC滤波器滤波后输入所述继电器；
所述继电器输出的交流电适于向所述AC/DC电源模块、上肢伺服放大器和下肢伺服放大器供电；
所述AC/DC电源模块输出的电源适于向上肢刺激器、下肢刺激器、上肢角度传感器、下肢角度传感器、辅助运动处理器模块和终端供电；
所述继电器与所述急停开关连接，并且所述急停开关适于控制所述继电器开关。
另一方面，本发明还提供一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统的工作方法，包括：
通过终端进行设置参数和模式选择；以及
根据参数和模式控制电激励装置和辅助运动装置进行工作。
进一步，所述基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统适于采用上述的基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统实现通过终端进行设置参数和模式选择；以及根据参数和模式控制电激励装置和辅助运动装置进行工作。
进一步，所述设置参数包括：
热身阶段参数：热身持续时间、速度增大持续时间和热身速度偏移；
主动过渡阶段参数：刺激增强速率；
主动恢复训练阶段参数：主动恢复训练持续时间、控制速度、控制速度和阻力
冷却阶段参数：冷却持续时间和冷却速度偏移；
电机参数：电机助力支持和电机阻力。
本发明的有益效果是，本发明通过终端、电激励装置和辅助运动装置；所述终端适于分别发送控制信号至所述电激励装置和辅助运动装置；所述辅助运动装置适于根据相应控制信号承托患者的上肢和下肢进行圆周运动；所述电激励装置适于根据相应的控制信号对患者上肢和下肢进行电刺激，实现了电激励和辅助运动的相结合，用于增强独立运动能力，改善行走速度和其他步法交错变量，互相弥补两种技术的短板，拓宽临床恢复效果和使用范围，为患者提供最优的恢复训练。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所涉及的基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统的原理框图；
图2是本发明所涉及的电源装置的原理框图；
图3是上肢肌肉运动角度分解图；
图4是下肢肌肉运动角度分解图；
图5是协调运动控制管理软件流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1
图1是本发明所涉及的基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统的原理框图。
如图1所示，本实施例1提供了一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统，其特征在于，包括：终端(安装有协调控制系统管理软件的硬件平台)、电激励装置(功能性电刺激FES)和辅助运动装置；所述终端适于分别发送控制信号至所述电激励装置和辅助运动装置；所述辅助运动装置适于根据相应控制信号承托患者的上肢和下肢进行圆周运动(实现被动康复踏车的辅助运动功能)；所述电激励装置适于根据相应的控制信号对患者上肢和下肢进行电刺激(通过低频脉冲电流刺激骨骼肌从而牵引关节产生运动)；通过电激励装置对患者进行主动的电刺激，通过辅助运动装置对患者进行辅助运动(圆周运动康复踏车技术)，实现了电激励和辅助运动的相结合，模拟上下肢圆周循环运动功能，用于增强独立运动能力，改善行走速度和其他步法交错变量，互相弥补两种技术的短板，拓宽临床恢复效果和使用范围，为患者提供最优的恢复训练，通过周期性的恢复训练达到健康状态，最终使患者恢复丧失的功能性运动，帮助患者重新回归受尊重的正常生活，功能完备，能同时满足主动运动恢复训练和被动恢复训练的需求，能够同时实现上肢恢复、下肢恢复和上下肢协同恢复的需求。
在本实施例中，所述辅助运动装置包括：辅助运动处理器模块，以及与该辅助运动处理器模块电性连接的无线通信模块(例如蓝牙模块)、上肢辅助机构和下肢辅助机构；所述无线通信模块适于接收所述终端发送的相应控制信号，并将该控制信号发送至所述辅助运动处理器模块；所述辅助运动处理器模块适于根据控制信号控制所述上肢辅助机构承托患者的上肢；以及所述辅助运动处理器模块适于根据控制信号控制所述下肢辅助机构承托患者的下肢；通过辅助运动处理器模块和终端，实时性强，保证辅助运动与功能性电刺激的同步控制输出。
在本实施例中，所述上肢辅助机构包括：上肢伺服放大器、上肢伺服电机、减速机(T型精密直角减速机，实现扭矩放个大和换向，采用5倍减速比，对上肢伺服电机输出扭矩进行放大，满足带动人体上肢及肘托的负载要求)、上肢角度传感器和上肢肘托；所述上肢肘托适于承托患者的小臂(患者手握住上肢肘托扶手，小臂置于上肢肘托，均使用绑带固定，形成“托举”状态，可在一定程度上防止因肩袖肌群无力导致的肩关节半脱位损伤，并为患者提供稳定、安全的运动平面，保持患者的运动姿势正确、稳定)；所述上肢肘托设置在所述减速机输出轴的两端，并且上肢肘托中左右两侧肘托的曲柄安装角度相差180度；所述上肢伺服电机输入轴与所述减速机输出轴成90度，节省安装空间，便于上肢辅助机构小型化设计；所述减速机适于将所述上肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数；所述上肢角度传感器设置在所述减速机的旋转轴上，以实时检测上肢肘托做圆周运动的角度，并发送给辅助运动处理器模块，对该角度信号进行滤波和归一化处理；所述辅助运动处理器模块适于根据相应控制信号通过所述上肢伺服放大器控制所述上肢伺服电机运动，并通过所述减速机对所述上肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数，以带动所述上肢肘托承托患者的小臂做圆周运动；所述辅助运动处理器模块适于通过所述无线通信模块将实时检测的上肢肘托做圆周运动的角度发送至所述终端；如表一所示，将上肢参与运动的肌肉群的运动范围分解到360度范围内，获取相应肌肉的起始电刺激角度，在采集到绝对位置角度时终端产生相应的控制信号发送至上肢刺激器，以打开或者关断电刺激输出。
表一：上肢肌肉运动角度分解表
在本实施例中，所述下肢辅助机构包括：下肢伺服放大器、下肢伺服电机、同步带轮(实现扭矩放大和换向功能，由于下肢的负载要不上肢负载大很多，需要更大的输出扭矩承载，需要更大的减速比，采用12倍减速比，对下肢伺服电机输出扭矩进行放大，满足带动人体下肢及脚踏的负载要求)、下肢角度传感器和下肢脚踏；所述下肢辅助机构适于模拟自行车的蹬踏圆周运动；所述下肢伺服电机输入轴通过同步带轮与输出轴成90度；所述同步带轮(同步带轮组合)的被动大轮和伺服电机的传动小轮通过楔形皮带连接；所述同步带轮适于将所述下肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数；所述下肢脚踏适于承托患者的脚部，患者将脚放置于下肢脚踏内，小腿置于护腿处，均使用绑带固定，可一定程度上预防患者在恢复训练过程中因肌力不平衡导致的足内翻、髋内收、髋外展等异常状态，使患者保持正常的圆周运动状态；下肢脚踏增加可调节配重，保证运转过程中动平衡；所述下肢脚踏安装在所述同步带轮中被动大轮输出轴的两端，并且所述下肢脚踏中左右两侧脚踏的曲柄安装角度相差180度；所述下肢角度传感器安装在同步带轮中被动大轮的旋转轴上，以实时检测下肢脚踏做圆周运动的角度，并发送给辅助运动处理器模块，对该角度信号进行滤波和归一化处理；所述辅助运动处理器模块适于根据相应控制信号通过所述下肢伺服放大器控制所述下肢伺服电机运动，并通过所述同步带轮对所述下肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数，以带动所述下肢脚踏承托患者的脚部做圆周运动；所述辅助运动处理器模块适于对实时检测的下肢脚踏做圆周运动的角度和上肢肘托做圆周运动的角度进行归一化处理，并将处理后的角度通过所述无线通信模块发送至所述终端；以及
所述辅助运动处理器模块适于根据实时检测的下肢脚踏做圆周运动的角度和上肢肘托做圆周运动的角度控制相应的下肢伺服放大器和/或上肢伺服放大器，以调整下肢脚踏和/或上肢肘托做圆周运动的速度；如表二所示，将下上肢参与运动的肌肉群的运动范围分解到360度范围内，获取相应肌肉的起始电刺激角度，在采集到绝对位置角度时终端产生相应的控制信号发送至下肢刺激器，以打开或者关断电刺激输出；采用圆周运动形式，通过相应私服电机带动下肢或者上肢完成有规律的循环功能性圆周运动，这种运动模式目的性极强、肌肉群相互配合紧密，通过感应患者施加在踏车上的力度实时调节阻力和助力。
表二：下肢肌肉运动角度分解表
| 肌肉名称 | 刺激角度 | 持续角度 |
| 臀肌左(LG) | 276-343° | 67 |
| 臀肌右(RG) | 96-163° | 67 |
| 股四头肌左(LQ) | 218-293° | 75 |
| 股四头肌右(RQ) | 38-113° | 75 |
| 股二头肌左(LH) | 23-82° | 59 |
| 股二头肌右(RH) | 203-262° | 59 |
| 腓肠肌左(LGAS) | 228-303° | 75 |
| 腓肠肌右(RGAS) | 48-123° | 75 |
| 胫前肌左(LTA) | 33-92° | 59 |
| 胫前肌右(RTA) | 213-272° | 59 |
| 竖脊肌左(LES) | 308-23° | 75 |
| 竖脊肌右(RES) | 128-203° | 75 |
| 腹肌左(LAB) | 308-23° | 75 |
| 腹肌右(RAB) | 128-203° | 75 |
| 腹肌右(RAB) | 345-55° | 70 |
在本实施例中，各伺服电机是对应辅助机构的执行动力源；交流伺服电机无电刷和换向器，工作可靠，对维护和保养要求低；惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；上肢辅助机构的上肢伺服电机可以但不限于采用100W的交流伺服减速机，输出扭矩为0.35N.m，最大输出转速3000rpm；下肢辅助机构的下肢伺服电机可以但不限于采用400W的交流伺服减速机，输出扭矩为1.4N.m，最大输出转速3000rpm。
在本实施例中，各伺服放大器与对应的伺服电机相配套，驱动上、下肢辅助机构中的上、下肢伺服电机稳定运行；交流伺服放大器采用基于矢量控制的速度和位置闭环控制算法，保证电机稳定可靠的运行；各伺服放大器与辅助运动处理器模块通过高速RS422总线进行通信，接收运行参数和控制指令，并将各伺服电机的运行状态返回给辅助运动处理器模块，以反馈给终端；各伺服放大器通过动力电缆(U、V、W三相)和传感器电缆与对应的伺服电机连接，通过串口电缆和多芯信号线与辅助运动处理器模块连接。
在本实施例中，辅助运动处理器模块主要是实时接上、下肢角度传感器的数据，并进行归一下处理，将处理后的角度通过蓝牙无线通信发送给终端；该辅助运动处理器模块接收终端通过蓝牙发送的控制协议，并解析该协议，分别生成上、下肢辅助机构的控制指令和配置参数，对上、下肢伺服放大器进行运行模式控制和运行参数配置，控制指令和配置参数通过RS422接口发送，实现上、下肢辅助机构的主动运动模式、被动运动模式和协调运动模式。在上、下肢协调运动模式下为双轴运控制，为保证上肢左侧与下肢右侧、上肢右侧与下肢左侧在协同运动时相位差180度，通过获取上、下肢角度传感器的角度实时计算相位差，在内部进行闭环PID控制运算，通过配置各伺服放大器为位置模式，实时调整上肢肘托或者下肢脚踏的圆周运动的速度，实现上下肢协调运动时的动作的连贯性、稳定性和协调性；辅助运动处理器模块与各角度传感器和各伺服放大器通过电缆连接，与终端通过蓝牙无线通信传输特定协议。
在本实施例中，所述电激励装置包括：上肢刺激器、上肢电极片、下肢刺激器和下肢电极片；所述上肢刺激器与所述上肢电极片连接；
所述下肢刺激器与所述下肢电极片连接；所述上肢电极片和下肢电极片均贴附在肌肉皮肤的表面，当上肢电极片和下肢电极片脱落时相应的上肢刺激器和/或下肢刺激器发出警报；所述上肢刺激器和所述下肢刺激器适于接收所述终端发送的相应控制信号产生或停止相应的电刺激，即所述终端适于通过所述无线通信模块发送开始电刺激的控制信号至所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器，使所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器开始电刺激；以及所述终端适于处理后的角度发送停止电刺激的控制信号至所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器，使所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器停止电刺激。
在本实施例中，所述上肢刺激器和下肢刺激器均可以采用多通道功能性电刺激器，多通道功能性电刺激器通过放置在骨骼肌上的表面电极(即对应的电极片)刺激对应周围神经，使骨骼肌产生收缩运动；使用恒流双相对称性方波，避免了单相波易导致肌肉疲劳的不足；功能性电刺激可辅助中枢神经损伤导致肌力不足的患者完成日常功能性活动；多通道功能性电刺激器是恢复训练中的核心功能单元，实时接收协终端设置的恢复训练方案流程，参照上肢辅助机构和下肢辅助机构的圆周运动的角度轨迹，激励参与运动的上下肢肌肉群；功能性电刺激可辅助中枢神经损伤导致肌力不足的患者完成日常功能性活动；通过程序控制，模拟正常运动时的肌肉收缩与舒张，放松痉挛肌，并强化对应拮抗肌，激活中枢神经对肌张力的调控能力；本实施例中的多通道功能性电刺激器与相应表贴电极片配合使用，可以实现通道与肌肉的任意对应输出，可以调整恢复训练过程中的电流、脉宽、频率和电压参数，具备电流脱落报警和电极片脱落实时检测功能，保证恢复训练过程安全可靠；多通道功能性电刺激器(上肢刺激器、下肢刺激器)通过内部的蓝牙无线通信接收终端发送的电刺激指令序列，并返回多通道功能性电刺激器运行状态和参数等信息；表贴电极片(上肢电极片、下肢电极片)通过多芯电缆与对应刺激器(上肢刺激器、下肢刺激器)输出接插件相连接；表贴电极片贴在参与功能性运动的肌肉皮肤表面；分为主动运动模式和被动运动模式，针对运动功能丧失的患者施加FES，在恢复训练过程中，根据患者的目标动作可分别对上肢或者下肢施加FES，进行积极主动恢复训练的，在患者发病早期介入恢复训练，可以及时地恢复或者重建患者运动功能，通过在功能性运动肌肉群施加多通道功能性电刺激加强上下肢力量，改善瘫痪肢体的肌肉力量和运动控制，缓解患者的情况恶化导致的有限制的行动能力，同时帮助提升患者的心肺功能和促进运动功能。
在本实施例中，所述上下肢协同智能康复机器人系统还包括：电源装置；所述电源装置适于对所述终端、电激励装置和辅助运动装置进行供电。
图2是本发明所涉及的电源装置的原理框图。
如图2所示，在本实施例中，所述电源装置包括：EMC滤波器、AC/DC电源模块、继电器、急停开关；外部输入的交流电通过所述EMC滤波器滤波后输入所述继电器；所述继电器输出的交流电适于向所述AC/DC电源模块、上肢伺服放大器和下肢伺服放大器供电；所述AC/DC电源模块输出的电源适于向上肢刺激器、下肢刺激器、上肢角度传感器、下肢角度传感器、辅助运动处理器模块和终端供电；所述继电器与所述急停开关连接，并且所述急停开关适于控制所述继电器开关；外部输入220V交流供电先接到EMC滤波器，该滤波器为医疗级低漏电流滤波器，能够有效抑制来自使用环境的电磁干扰和浪涌，保证该设备安全可靠运行；经过EMC滤波器后的220V交流电先串接到交流继电器上，急停开关控制继电器的闭合关断，当发生设备故障(例如，上肢刺激器、下肢刺激器等)或者运行异常时可以通过急停开关及时切断设备供电，保证人机安全；经过继电器输出的220V交流电源用于给各伺服放大器和AC/DC电源模块供电；AC/DC电源模块输出直流+12V供电，为各多通道功能性电刺激器、各角度传感器、辅助运动处理器模块和终端提供+12V的直流电。
图3是上肢肌肉运动角度分解图；
图4是下肢肌肉运动角度分解图。
在本实施例中，所述终端(即安装有协调控制系统管理软件的硬件平台)是整个系统的数据分析和运动控制的核心，可以但不限于实现如下功能：实现人机交互界面和用户登录权限控制；实现系统相关参数设置，恢复疗程设置，运动模式选择；实现与电刺激器(上肢刺激器、下肢刺激器)、电机控制器和角度采集控制器(辅助运动处理器模块)的通信控制；实现规律电刺激脉冲的发生控制及“肌肉-电刺激通道”激励测试；实现“肌肉群组-功能性运动”模型的建立和分析；实现恢复全疗程的周期控制与监控；实现异常情况的识别和中断处理、报警；用户恢复数据库管理；场景模拟与交互体验显示；上下位机无线通信设备管理等功能。
用户登录该系统软件后，选择功能性运动模式和参与运动的肌肉群，配置对应肌肉的电刺激通道参数(配置电激励装置的参数)和辅助运动装置运动模式，设置恢复训练疗程的参数。在恢复训练全流程的不同阶段，周期性接收电机控制器(辅助运动处理器模块)发送的各伺服电机转速和角度采集控制器(辅助运动处理器模块)发送的各角度传感器检测的角度信息，根据控制算法策略的不同条件，给电激励装置发送各刺激器通道的电流控制指令，以及给电机控制器发送控制指令。
在恢复训练过程中，根据患者施加的力实时动态调整各伺服电机转速和输出扭矩；通过获取上肢辅助机构或者下肢辅助机构的绝对位置的角度值，在设定的对应肌肉通道上施加电刺激，肌肉群组的施加电刺激的角度对应关系详见表一、表二(或者图3、图4所示)；并通过计算左侧半圆周和右侧半圆周的运动速度和各伺服电机承载的扭矩，实时调整各刺激器脉冲输出的强度，并实时检测肌肉痉挛和疲劳程度。
图5是协调运动控制管理软件流程图。
在本实施例中，所述终端(协调运动控制管理软件)设置的参数可以包括：
热身阶段参数配置说明：热身持续时间：表示热身阶段整个的运动持续时长，以分钟为单位，取值范围[00:01:00,00:10:00]；
速度增大持续时间：表示在这个时间内，电机的运行速度会持续增大到目标速度和速度偏移量的和，以秒为单位，时间跨度为30秒，可选范围以为[00:00:30,00:10:00]；
热身速度偏移：表示相对于目标速度，在热身阶段电机的速度偏差值，单位rpm，取值范围是[-30，30]；
主动过渡阶段参数配置说明：刺激增强速率：表示在主动过渡阶段，刺激器电流输出的强度每秒的增强比例，单位是％/s，取值范围[0.5,1,2,5,10,20]；
主动恢复训练阶段参数配置说明：主动恢复训练持续时间：主动恢复训练过程中运动和刺激的持续时间，以分钟为单位，每5分钟为一个跨度，取值范围[00:00:00,01:00:00]；
控制速度：在主动恢复训练过程中，下位电机的目标运行速度，此速度可以在恢复训练主界面手动修改，单位为转/分，取值范围[20,80]；
控制速度可设置：此参数是控制主控界面上的速度调整按钮是否可操
阻力：此参数是用于调节电机运行速度和患者主动运动之间的协调关系，当用户主动运动不足以带动电机维持目标速度时，阻力值会逐渐减小，反之增大。单位为百分比，取值范围[0,99]；
冷却阶段参数配置说明：冷却持续时间：冷却阶段持续的时间，时间跨度30秒，取值范围[00:00:00,00:05:00]；
冷却速度偏移：冷却阶段患者的运动是需要持续降低速率的，此参数用于调节电机运行速度每分钟的减小幅度，单位是转/分钟取值范围[-30,0]；
电机参数设置说明：电机助力支持：患者在运动恢复训练过程中，电机在合适的时机会给予主动介入的助力支持，保证患者在无法达到恢复目标的时候电机主动协助患者运动，单位是百分比，取值范围为[0,99]；
电机阻力设置：患者在运动恢复训练过程中，电机在合适的时机会给予主动介入的阻力支持，保证在恢复训练过程中圆周运动旋转换向时提供阻力，平衡患者肢体由于重力或者对抗患者主动意愿而发生的力而产生抗阻运动，保证运行过程平稳，并通过内部运动模型范式实时调节电机运行参数。单位是百分比，取值范围为[0,99]；
痉挛检测说明：痉挛检测开启的控制开关，默认开启，检测条件是看用户在达到预定的5转/分钟的痉挛检测速度之后是否有在恢复训练过程在速度下降到此值以下的情况，如果连续2秒都在此速度以下判定为痉挛，并停止当前的恢复训练疗程。
在本实施例中，通过电激励装置(FES)和辅助运动装置作为主被动激励装置为瘫痪患者提供规律的功能性运动，终端采用有限状态机流程控制策略，为FES输出和辅助运动装置提供同步有序的指令序列；为了保证实时有效的精准电刺激脉冲输出和运动控制，通过各角度传感器(上肢角度传感器、下肢角度传感器)反馈，将规律的圆周运动和人体上下肢关节的肌肉运动投射到角度坐标系内，实现闭环控制；在规律圆周运动过程中，参与运动的每块肌肉都有相应的动作角度范围，在起始角度到来开始输出电刺激脉冲，激烈相应肌肉收缩，在停止角度结束电刺激，释放肌肉激励；本实施例所涉及的智能康复机器人系统能帮助患者实现上肢摇臂功能性圆周运动、下肢蹬踏功能性圆周运动和上下肢协调功能性运动，重建患者运动机能，防止肌肉的废用性萎缩，恢复肌肉的力量及结构，运动功能重建与恢复，训练心血管系统和心肺系统，促进新陈代谢，提高患者免疫力，促进局部血液循环，防止深静脉血栓，改善皮肤状况，降低褥疮性溃疡的风险，减轻肌肉痉挛，防止骨质疏松症，重建患者信心，积极面对生活。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例2还提供一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统的工作方法，包括：通过终端进行设置参数和模式选择；以及根据参数和模式控制电激励装置和辅助运动装置进行工作。
在本实施例中，所述基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统适于采用实施例1所述的基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统实现通过终端进行设置参数和模式选择；以及根据参数和模式控制电激励装置和辅助运动装置进行工作。
在本实施例中，所述设置参数包括：热身阶段参数：热身持续时间、速度增大持续时间和热身速度偏移；主动过渡阶段参数：刺激增强速率；主动恢复训练阶段参数：主动恢复训练持续时间、控制速度、控制速度和阻力冷却阶段参数：冷却持续时间和冷却速度偏移；电机参数：电机助力支持和电机阻力。
综上所述，本发明通过终端、电激励装置和辅助运动装置；所述终端适于分别发送控制信号至所述电激励装置和辅助运动装置；所述辅助运动装置适于根据相应控制信号承托患者的上肢和下肢进行圆周运动；所述电激励装置适于根据相应的控制信号对患者上肢和下肢进行电刺激，实现了电激励装置和辅助运动装置的相结合，用于增强独立运动能力，改善行走速度和其他步法交错变量，互相弥补两种技术的短板，拓宽临床恢复训练效果和使用范围，为患者提供最优的恢复训练。
本申请中选用的各个器件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种基于电刺激上下肢协同智能康复机器人系统，其特征在于，包括：
终端、电激励装置和辅助运动装置；
所述终端适于分别发送控制信号至所述电激励装置和辅助运动装置；
所述辅助运动装置适于根据相应控制信号承托患者的上肢和下肢进行圆周运动；
所述电激励装置适于根据相应的控制信号对患者上肢和下肢进行电刺激；
所述辅助运动装置包括：辅助运动处理器模块，以及与该辅助运动处理器模块电性连接的无线通信模块、上肢辅助机构和下肢辅助机构；
所述无线通信模块适于接收所述终端发送的相应控制信号，并将该控制信号发送至所述辅助运动处理器模块；
所述辅助运动处理器模块适于根据控制信号控制所述上肢辅助机构承托患者的上肢；以及
所述辅助运动处理器模块适于根据控制信号控制所述下肢辅助机构承托患者的下肢；
所述上肢辅助机构包括：上肢伺服放大器、上肢伺服电机、减速机、上肢角度传感器和上肢肘托；
所述上肢肘托适于承托患者的小臂；
所述上肢肘托设置在所述减速机输出轴的两端，并且上肢肘托中左右两侧肘托的曲柄安装角度相差180度；
所述上肢伺服电机输入轴与所述减速机输出轴成90度；
所述减速机适于将所述上肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数；
所述上肢角度传感器设置在所述减速机的旋转轴上，以实时检测上肢肘托做圆周运动的角度；
所述辅助运动处理器模块适于根据相应控制信号通过所述上肢伺服放大器控制所述上肢伺服电机运动，并通过所述减速机对所述上肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数，以带动所述上肢肘托承托患者的小臂做圆周运动；
所述辅助运动处理器模块适于通过所述无线通信模块将实时检测的上肢肘托做圆周运动的角度发送至所述终端。
2.如权利要求1所述的上下肢协同智能康复机器人系统，其特征在于，
所述下肢辅助机构包括：下肢伺服放大器、下肢伺服电机、同步带轮、下肢角度传感器和下肢脚踏；
所述下肢伺服电机输入轴通过同步带轮与输出轴成90度；
所述同步带轮适于将所述下肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数；
所述下肢脚踏适于承托患者的脚部；
所述下肢脚踏安装在所述同步带轮中被动大轮输出轴的两端，并且所述下肢脚踏中左右两侧脚踏的曲柄安装角度相差180度；
所述下肢角度传感器安装在同步带轮中被动大轮的旋转轴上，以实时检测下肢脚踏做圆周运动的角度；
所述辅助运动处理器模块适于根据相应控制信号通过所述下肢伺服放大器控制所述下肢伺服电机运动，并通过所述同步带轮对所述下肢伺服电机输出扭矩放大相应倍数，以带动所述下肢脚踏承托患者的脚部做圆周运动；
所述辅助运动处理器模块适于对实时检测的下肢脚踏做圆周运动的角度和上肢肘托做圆周运动的角度进行归一化处理，并将处理后的角度通过所述无线通信模块发送至所述终端；以及
所述辅助运动处理器模块适于根据实时检测的下肢脚踏做圆周运动的角度和上肢肘托做圆周运动的角度控制相应的下肢伺服放大器和/或上肢伺服放大器，以调整下肢脚踏和/或上肢肘托做圆周运动的速度。
3.如权利要求2所述的上下肢协同智能康复机器人系统，其特征在于，
所述电激励装置包括：上肢刺激器、上肢电极片、下肢刺激器和下肢电极片；
所述上肢刺激器与所述上肢电极片连接；
所述下肢刺激器与所述下肢电极片连接；
所述上肢电极片和下肢电极片均贴附在肌肉皮肤的表面，当上肢电极片和下肢电极片脱落时相应的上肢刺激器和/或下肢刺激器发出警报；
所述上肢刺激器和所述下肢刺激器适于接收所述终端发送的相应控制信号产生或停止相应的电刺激，即
所述终端适于通过所述无线通信模块发送开始电刺激的控制信号至所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器，使所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器开始电刺激；以及
所述终端适于根据处理后的角度发送停止电刺激的控制信号至所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器，使所述上肢刺激器和/或所述下肢刺激器停止电刺激。
4.如权利要求3所述的上下肢协同智能康复机器人系统，其特征在于，
所述上下肢协同智能康复机器人系统还包括：电源装置；
所述电源装置适于对所述终端、电激励装置和辅助运动装置进行供电。
5.如权利要求4所述的上下肢协同智能康复机器人系统，其特征在于，
所述电源装置包括：EMC滤波器、AC/DC电源模块、继电器、急停开关；
外部输入的交流电通过所述EMC滤波器滤波后输入所述继电器；
所述继电器输出的交流电适于向所述AC/DC电源模块、上肢伺服放大器和下肢伺服放大器供电；
所述AC/DC电源模块输出的电源适于向上肢刺激器、下肢刺激器、上肢角度传感器、下肢角度传感器、辅助运动处理器模块和终端供电；
所述继电器与所述急停开关连接，并且所述急停开关适于控制所述继电器开关。
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