CN114367080B - 一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，包括跑步机底盘模块、曲臂支撑旋转单元、智能综合减重系统、视觉反馈模块、髋宽调节机构、下肢外骨骼模块和控制主机，曲臂支撑旋转单元包括支撑立柱和旋转曲臂；智能综合减重系统和旋转曲臂的自由端部连接，智能综合减重系统包括悬吊主动减重子系统、被动减重子系统和重心偏转偏移子系统；视觉反馈模块与智能综合减重系统相对设置，用于采集人体做康复训练时的图像；髋宽调节机构与被动减重子系统连接，下肢外骨骼模块包括左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块，且髋宽调节机构设置在左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块之间。本发明可以实现康复实现智能、舒适、高效、人机友好的下肢康复训练。

Description

一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种恢复下肢步行能力的医疗康复机器人。

背景技术

据统计，2015年全球有接近4300万的脑中风患者。我国40岁以上的患者达到1242万，随着我国人口老龄化趋势加剧和庞大的人口基数，由人口老龄化带来的问题将会日益凸显。

随着工作生活压力的增大和不规律的作息影响，我国40岁以上的人群中风患病率由2012年的1.89％上升至2016年的2.19％，患病逐步呈现年轻化的趋势。

根据大脑可塑性理论,通过外部辅助偏瘫患侧合理的运动，以反复刺激神经控制输出端，即末端神经和肌肉，能够刺激大脑的运动中枢，使之发生结构变化和功能重组。临床实践证明，运动康复训练对于偏瘫的康复治疗是有效的，不仅能防止患者肌肉萎缩和保持患者的关节灵活度，还能提高患者的最终恢复程度。

我国康复专业起步比较晚，技术相对薄弱，大部分康复科室主要以医护人员人力和简单的器材进行康复训练，使得康复工作十分繁重，同时，效率不高。康复医疗人员也需要长时间进行培养。这些严重阻碍了我国康复事业的发展。

当前已经有部分针对中风偏瘫康复的医疗机器人，但总体上存在功能简单，只能够针对部分下肢关节进行康复训练，不能进行包括躯干重心运行和下肢多自由度的自然步态训练，舒适度欠佳，反馈信息太少、训练模式单一，评估诊断不足等诸多问题。

贺琛等在中国发明公开专利“一种用于下肢康复治疗的智能医疗机器人”中，通过立柱加悬吊拉绳实现对病人的减重和高度保持，下肢在外骨骼的带动下在跑步机上进行行走。汪仁杰等在中国发明公开专利“一种康复机器人”中提供了一种康复机器人，该康复机器人包括减重系统、下肢训练装置、运动跑台、虚拟场景游戏系统和治疗师操作界面；减重系统主要通过减重拉绳实现减重调节，下肢训练装置结合运动跑台实现下肢的康复运动，虚拟场景显示屏通过处理器构建虚拟场景实现康复游戏训练体验。但尽管前述专利申请已经考虑到下肢康复过程中需要，提出了相应的解决方法，但是其仅考虑部分下肢关节(髋和膝关节)的主动康复运动，但是并没有考虑到对行走助推阶段发挥重要的作用的踝关节运动、对涉及到患者对平衡和下肢的控制能力的躯干运动等的康复，且这些现有技术适用性差，不能满足不同身高体型的康复患者的需要。

首先，踝关节的采用被动的方式或是没有考虑，而踝关节在行走助推阶段发挥重要的作用。其次，躯干的运动也是下肢康复运动中一个很重要的内容，涉及到患者对平衡和下肢的控制能力，而上述现有技术中均未考虑该问题。再次，尽管上述现有技术中有提及通过反馈方式实现更好的康复训练，但未考虑利用多种信息实现更加高效、直观的反馈过程。最后，为适用不同身高体型的康复患者，上述现有技术中并未提及如何去调整及采用怎样的方式调整，以保证下肢康复的舒适性、安全性和高效性。

发明内容

为了解决康复领域诸多的问题，本发明提供了一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人。结合结构设计、传感集成、控制协同、人工智能算法、多模态信息融合反馈、云端同步，康复医学等多个学科优势，实现康复实现智能、舒适、高效、人机友好的下肢康复训练。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，包括跑步机底盘模块、曲臂支撑旋转单元、智能综合减重系统、视觉反馈模块、髋宽调节机构、下肢外骨骼模块和控制主机，

跑步机底盘模块包括跑步机；

曲臂支撑旋转单元包括支撑立柱和旋转曲臂，支撑立柱设置在跑步机底盘模块一侧，旋转曲臂转动设置在支撑立柱上；

智能综合减重系统和旋转曲臂的自由端部连接，智能综合减重系统包括悬吊主动减重子系统、被动减重子系统和重心偏转偏移子系统，悬吊主动减重子系统包括主动减重电机、线轮和主动减重拉绳，主动减重拉绳通过线轮与主动减重电机以用于实现提拉或放低人体，被动减重子系统包括被动减重滑块和被动减重弹簧，被动减重弹簧的一端与能进行往复运动的被动减重滑块连接，另一端的位置可调，重心偏转偏移子系统与被动减重滑块连接，输出端用于与人体连接以实现人体的移的和旋转运动；

视觉反馈模块与智能综合减重系统相对设置，用于采集人体做康复训练时的图像；

髋宽调节机构与被动减重子系统连接，下肢外骨骼模块用于辅助下肢运动，包括左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块，且髋宽调节机构设置在左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块之间以调节两者之间的距离；

控制主机与跑步机底盘模块、曲臂支撑旋转单元、智能综合减重系统、视觉反馈模块、髋宽调节机构和下肢外骨骼模块均连接。

所述的跑步机底盘模块为支撑模块和视觉反馈模块提供模块化安装接口。

支撑立柱上端通过回转轴承与旋转曲臂连接，支撑立柱内腔布置系统控制主机，支撑立柱外侧设置触控操控面板。旋转曲臂内腔中空，可供线缆布置，末端连接智能减重系统，可根据需要绕支撑立柱旋转。

所述的髋宽调节机构，主要是为了适用不同人盆骨的宽度，同时也方便下肢与外骨骼的连接与分离。通过电机控制来自动的实现。所述的下肢外骨骼模块是实现辅助下肢运动，进行正常步态康复的主要功能单元，辅助康复患者下肢实现自然的个性化康复步态。

所述柔性可穿戴连接接口主要实现刚性支撑的外骨骼与柔性可穿戴物的连接功能。所述的接口可以实现一定范围内可调节，以适应不同体型的患者。同时，接口的连接采用已连接和分离的机构设计，保证穿戴流程的简便性。

还包括转移轮椅和分离式的可穿戴物，扶手可以向上翻转，然后随轮椅的靠背向后翻转，两者主要通过限制行程的铰链结构实现，在将患者送上康复平台后，医护人员可以将该轮椅从智能综合减重系统下方的空间中倒退拉出来。可穿戴减重背心的也是根据人体的形态进行来制作，内部添加柔性材料，外部对此设置受力点，将人体的重力通过拉绳传递到主动减重机构执行端，减重背心的背面设有能与偏移偏转靠背快速耦合和解耦的接口。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下:

1)采用分离式可穿戴设计，康复患者可以坐在轮椅上完成耗时耗力的穿戴过程,减少在康复机器人上准备的时间；

2)主动减重和被动减重相结合的方式，更加灵活的减重方案配置，保证康复患者进行高效的行走康复训练；

3)下肢康复运动与重心转移协同辅助，在保证足够多的行走自由度的前提下，实现多自由度的协同运动，能够帮助患者实现最自然舒适的步态康复功能；

4)采用本地康复机人训练与云端数据协同，整个康复训练流程记录电子化，保证康复治疗的连续性。本发明能帮助康复医护人员，实现个性化、高强度、多反馈、高效率、舒适安全的下肢功能康复训练。

5)康复机器人运行状态云端管理，云端远程实现产品的软件升级，提升产品的可维护性和管理水平，优化售后服务质量。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明在使用时的结构示意图；

图3是跑步机底盘模块结构示意图；

图4是支撑模块结构示意图；

图5是视觉反馈模块结构示意图；

图6中的(a)图和(b)图是下肢外骨骼模块在不同视角下的结构示意图；

图7是智能综合减重系统结构示意图；

图8是整机控制示意图；

图中，1—视觉反馈显示器；2—视觉相机；3—下肢外骨骼模块；4—跑步机底盘模块；5—悬吊主动减重子系统；6—智能综合减重系统；7—重心偏转偏移子系统；8—曲臂支撑旋转单元；9—触控操作面板；10—支撑立柱；11—减重背心；12—可穿戴物；13-靠背；14—斜坡；15—视觉反馈支撑立柱接口；16—支撑立柱接口；17—脚轮；18—搬运受力点；19—智能综合减重模块连接接口；20旋转曲臂；21—支撑立柱与旋转曲臂接口；22—旋转关节；23—触控操作面板转动臂；24—锁紧把手；25—触控操作面板支撑臂；26—支撑立柱与跑步机底盘模块接口；27—视角调节机构；28—视觉反馈支撑支架；29—外骨骼端连接接口；30—髋关节驱动电机；31—髋关节同步带张紧机构；32—髋关节同步带轮；33—大腿穿戴支撑机构；34—穿戴物调节接口；35—小腿穿戴支撑机构；36—足部穿戴固定接口；37—髋关节角度编码器；38—大腿固定支架；39—大腿长度调节伸缩推杆；40—套管；41—膝关节驱动电机；42—膝关节编码器；43—激光测距传感器；44—小腿长度调节电动伸缩推杆；45—踝关节驱动电机；46—髋关节力矩传感器；47—锁紧卡扣；48—膝关节同步带张紧机构；49—膝关节力矩传感器；50—踝关节角度编码器；51—智能综合减重系统外壳；52—减重系统框架；53—被动减重弹簧；54—控制主机；55—主动减重电机；56—主动减重拉绳；57—前后俯仰被动调节轴；58—第二重心偏移偏转电机；59—第一重心偏移偏转电机；60—髋宽调节轴；61—髋宽调节电机；62—被动减重滑块；63—锁紧螺栓；64—锁紧件；65—旋转关节旋转轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明更近一步进行说明，本发明包括但是不仅限于下述实施例。

请参阅图1-图8，本发明提供的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，包括跑步机底盘模块4、曲臂支撑旋转单元8、智能综合减重系统6、下肢外骨骼模块、视觉反馈模块、转移和穿戴模块、传感系统、安全机制和控制系统。

在本发明其中一些实施例中，请参阅图3，跑步机底盘模块4安装于平整地面，跑步机底盘模块4底部设置有搬运受力点18。跑步机底盘模块4的底面设置可自锁的脚轮17，方便转移，通过脚轮17实现平移、水平度调整及位置锁定。跑步机底盘模块4上内嵌设置有跑步机，且跑步机底盘模块4的一侧还设置有供转移轮椅用的斜坡14。跑步机底盘模块4两侧内部放置有直流供电电源。跑步机底盘模块4上还设置有支撑立柱接口16和视觉反馈支撑立柱接口15。

所述跑步机能够根据康复患者的训练速度和康复训练模式，其跑带实现行走位置复位功能，速度调整分为自适应调整模式和直接设定模式，自适应调整模式会根据康复患者的步态参数自适应地调整，人体先低速行走一段时间，置于人体前方的视觉相机2会检测识别人体行走的步行频率，当实际行走频率低于目标频率时，控制主机54会发送指令适当加快跑步机速度；当高于目标频率时，控制主机54会发送指令适当降低跑步机速度。直接设定模式直接按照给定的速度运行。

在本发明其中一些实施例中，请参阅图1和图4，曲臂支撑旋转单元8设置在支撑外壳内，曲臂支撑旋转单元8包括支撑立柱10、旋转关节22和旋转曲臂20，支撑立柱10的内腔设置有线缆的接口，支撑立柱10固定在支撑立柱接口16上，旋转关节22旋转设置在支撑立柱10上，旋转曲臂20与旋转关节22连接。旋转关节可以将旋转曲臂20及与其相连模块转出跑步机上方至平台一侧，从而腾出空间方便康复患者坐轮椅进入康复平台，旋转关节22能够实现角度的旋转功能和锁轴制动功能。支撑立柱10通过支撑立柱接口16与跑步机底盘模块固定时，旋转曲臂20可围绕旋转关节22的竖直轴线旋转。

旋转曲臂转动接口设置在支撑立柱上，可实现0-135°范围内的转动，当安装在底盘模块上方的智能综合减重系统和下肢外骨骼模块转向后侧方时(135°)，空出的底盘便于康复患者坐轮椅进出康复平台(底盘上面)

在本发明的其中一些实施例中，请参阅图4，锁紧把手24的作用是用于锁紧旋转关节22，主要通过锁紧件64抱住旋转关节旋转轴65。通过锁紧把手24拉开与复位来压紧通过锁紧螺栓63连接的两个锁紧件，具体地，支撑立柱10和旋转曲臂20之间通过旋转关节22连接，主要通过推力回转轴承来实现转动的功能，同时，也可通过锁紧件来锁定旋转轴，该锁紧件功能主要通过抱轴压紧旋转关节22的旋转轴，产生较大的摩擦力来锁定旋转轴，该锁紧件由两块半圆形结构组成一个圆环而成，一端通过轴连接，另一端通过锁紧把手24来缩紧圆环的周长，使之贴紧旋转关节22的转动轴，完成轴的锁定。通过上面的结构，可实现调节角度范围内的旋转以及抱轴锁定功能。

在本发明的其中一些实施例中，所述智能综合减重系统6主要实现三个主要的功能：1)实现按需按等级的减重；2)实现重心和身体躯干的偏移偏转功能；3)实现下肢外骨骼模块的连接和两条外骨骼之间髋部宽度的调节。减重实现主要依靠主动减重和被动减重相结合的方式来实现，目标是实现按需按等级的减重，首先测定人体的体重，然后设置10％来分等级，将减重从0％到100％分为11个等级，然后选择一个需要的等级，再通过主动减重电机55的正反旋转来控制主动减重拉绳56的缩放，维持该等级下绳子的拉力目标值，来实现按需按等级的减重；主动减重主要依靠主动减重电机55产生竖直向上的拉力牵引减重背心实现，被动减重主要依靠弹簧和滑块组成的竖直方向的实现在竖直方向的往复运动，利用弹簧势能和动能的相互转化模拟人体步行时的动能和势能相互转化的过程。

具体地，智能综合减重系统通过智能综合减重模块连接接口19衔接在旋转曲臂20的末端，可根据需要绕支撑立柱10旋转。智能综合减重系统6设置在智能综合减重系统外壳51内，智能综合减重系统6包括悬吊主动减重子系统、被动减重子系统、重心偏转偏移子系统7和外骨骼接口单元。

具体地，智能综合减重系统6集成了用于减重和重心转移的机构。请参阅图1和图7，在本发明的其中一些实施例中，悬吊主动减重子系统包括设置在智能综合减重系统外壳51内的减重系统框架52、主动减重电机55、线轮和主动减重拉绳56，主动减重电机55固定在减重系统框架52上，且位于减重系统框架52的顶部，线轮固定设置在主动减重电机55的输出轴上，主动减重拉绳56与线轮连接，主动减重拉绳56的末端用于连接供躯干穿戴的减重背心。主动减重电机55通过线轮正反旋转来收放主动减重拉绳56，从而可以提拉或放低减重背心。悬吊主动减重子系统通过用放置于患者正上方的主动减重电机55输出轴带动的线轮，主动减重拉绳56牵引患者所穿戴的减重背心，配合身体的迈步频率，有节奏的收放，减轻人体的直接下肢的负载效应，延迟肌肉疲劳时间。同时，悬吊主动减重子系统也可在准备训练前期给个人提供向上的支撑力，保证患者安全。

在本发明的其中一些实施例中，主动减重电机55为大力矩电机，以满足牵引最大体重为100kg的人体上下运动的需要。

在本发明的其中一些实施例中，还配设设有减重背心，减重背心和主动减重拉绳56的末端连接，减重背心用于穿戴在人体上。

在本发明的其中一些实施例中，被动减重子系统包括被动减重滑块62和被动减重弹簧53，被动减重弹簧53一端连接在能够往复运动的被动减重滑块62上，另一端的初始位置可调，被动减重子系统运用弹簧加滑块的方式，通过重心转移靠背和外骨骼来与人体相连，带动人体实现重心在上下方向的往复运动。由于被动减重弹簧53是弹性元件，与人体步态切换时的动能—势能周期转换类似，弹簧滑块的被动减重模式将更加符合人体自然行走时的重心运动模式。

在本发明的其中一些实施例中，被动减重弹簧53的另一端连接在初始位置可调整的机架端。初始位置的调整主要是为了满足不同身高的使用患者的使用需求，其主要通过竖直安装的电机带动滚珠丝杠旋转，来上下调整初始位置。

减重方式采用主动减重和被动减重相结合，减轻人体上半身重量对下肢运动的负载效应，同时实现重心随步态的起伏运动。主动减重主要通过置于康复患者正上方的大力矩电机通过减重拉绳，作用于患者所穿的减重背心上，配合人体的运动，周期性的拉放，实现人体重心的起伏运动。被动减重主要是利用弹簧等弹性元件加滑块的方式，实现人体在竖直方向的有规律的往复运动，同时根据不同的减重级别要求，可通过设置，自动地调整被动减重弹簧上端的位置，弹簧下端和人体相交互的重心转移和外骨骼能够有规律的上下往复运动。针对不同体重的康复患者，也可以按需更换不同弹簧刚度的系数弹性模组。

重心转移主要是指躯干的旋转和偏移，其运动实现主要依靠两个电机(第一重心偏移偏转电机59、第二重心偏移偏转电机58)驱动的串联机械臂及末端连接的靠背13来实现，重心偏转偏移子系统7与被动减重子系统的被动减重滑块62连接，随被动减重子系统一起上下往复运动。重心偏转偏移子系统包括两个自由度的旋转串联机构，末端通过活动铰与和人体耦合的柔性靠背相连，通过第一重心偏移偏转电机59、第二重心偏移偏转电机58转动带动末端的柔性靠背实现偏移的和旋转运动。重心偏移偏转子系统会根据人体左右腿步态切换时，给予人体侧向偏移和旋转的力/力矩。

重心的转移主要通过两个偏转电机来时实现，重心偏转偏移子系统7包括第一重心偏移偏转电机59、第二重心偏移偏转电机58，第一重心偏移偏转电机59、第二重心偏移偏转电机58通过串联的方式控制靠背13的左右偏移和旋转运动，第二重心偏移偏转电机58末端左右安装有前后俯仰被动调节轴，前后俯仰被动调节轴以被动铰链的方式连接柔性靠背，以保证和人体交互的柔性靠背能够前后不受约束的俯仰。靠背13能与穿戴在患者身上的减重背心11连接，实现偏移偏转作用力的传递。重心的监测则是通过安装在视觉反馈显示器1正下方的视觉相机来获取，以此形成重心和身体躯干的偏转闭环控制。

靠背13为柔性靠背。

在本发明的其中一些实施例中，被动减重子系统上连接有髋宽调节机构，请参阅图7，髋宽调节机构包括髋宽调节电机61和髋宽调节轴60，髋宽调节电机61与被动减重滑块62连接，然后随被动减重滑块62的上下运动而上下运动，主要是为了适应人体行走训练时的重心起伏变化，这主要是因为被动减重滑块62上会与重心偏转偏移子系统7以及下肢外骨骼模块连接，而这两个结构都是和人体之间交互，能够传递力与运动的，因此保证被动减重滑块62的上下运动，能够保证行走时竖直方向的自由度。髋宽调节轴60包括左调节轴和右调节轴，左调节轴和右调节轴上均分别设置有齿条，在两齿条之间设置有与两齿条均啮合的齿轮，且齿轮与髋宽调节电机61的输出轴连接。髋宽调节主要通过齿轮和齿条的啮合，通过与髋宽调节电机61输出轴连接的齿轮驱动与髋宽调节轴60连接的齿条，髋宽调节电机61的正反转与髋宽调节轴60的调节方向对应。髋宽调节轴60两端分别连接左右两外骨骼，通过髋宽调节轴60的相对运动来带动下肢外骨骼之间的宽度调整，宽度调整保证了对不同生理参数的适用性，同时也方便可穿戴物的连接操作。髋宽调节轴60末端为用以安装下肢外骨骼模块接口，髋宽调节机构通过髋宽调节电机61带动，可以根据康复患者髋宽尺寸调节左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块之间的距离。

在本发明的其中一些实施例中，下肢外骨骼模块是实现辅助下肢运动、进行正常步态康复的主要功能单元，辅助康复患者下肢实现自然的个性化康复步态，包括外骨骼的结构主体、多种传感器、柔性的分离式可穿戴物。下肢外骨骼模块的关节主要通过大力矩电机经过同步减速带来驱动(髋和膝关节)或直接驱动(踝关节)，驱动器和电机集成在外骨骼腿内部。

请参阅图1和图6，下肢外骨骼模块包括左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块，左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块均包括髋关节驱动机构、大腿机构、膝关节驱动机构、小腿机构和踝关节驱动机构。

髋关节驱动机构包括髋关节驱动电机30、髋关节同步带张紧机构31和髋关节同步带轮32，髋关节驱动电机30通过髋关节同步带张紧机构31与髋关节同步带轮32连接。通过髋关节驱动电机30带动髋关节同步带张紧机构31运动，进而带动髋关节同步带轮32运动，实现髋关节的转动，这就构成了外骨骼的髋关节。张紧机构主要靠可自由转动的轮子压紧皮带，实现可靠稳定的力矩传递。

大腿机构包括大腿长度调节伸缩推杆39、大腿固定支架38和大腿穿戴支撑机构33，大腿长度调节伸缩推杆39的两端分别连接髋关节驱动机构和膝关节驱动机构，大腿固定支架38固定设置在大腿长度调节伸缩推杆39上，大腿穿戴支撑机构33与大腿固定支架38固定连接。大腿固定支架38为大腿长度调节伸缩推杆39和电动伸缩推杆提供支撑和依附。大腿长度调节伸缩推杆39用来调节大腿长度，与其平行的是中空的套管40，套管分布在髋关节-膝关节以及膝关节-踝关节之间，可随大、小腿长度调节伸缩推杆自由滑动，也用以加强伸缩结构的机械强度，内部则方便电气布线。

膝关节驱动机构包括膝关节驱动电机41、膝关节同步带张紧机构48和膝关节同步带轮，膝关节驱动电机41通过膝关节同步带张紧机构48与膝关节同步带轮连接。膝关节驱动电机41通过带动同步减速带动外骨骼关节实现关节的转动。

小腿机构包括小腿长度调节电动伸缩推杆44和小腿穿戴支撑机构35，小腿长度调节电动伸缩推杆4的两端分别连接膝关节驱动机构和踝关节驱动机构，小腿穿戴支撑机构35与小腿长度调节电动伸缩推杆4固定连接。

大腿机构和小腿机构上还可拆卸设置有分离式的可穿戴物，大腿可穿戴物设置在大腿穿戴支撑机构33上，小腿可穿戴物设置在小腿穿戴支撑机构35上。且大腿穿戴支撑机构33和小腿穿戴支撑机构35上均设置有穿戴物调节接口34，用以调节可穿戴物在外骨骼穿戴支撑机构(大腿穿戴支撑机构33和小腿穿戴支撑机构35)的内外侧的位置，主要通过在外骨骼穿戴支撑机构(33和35)上内外侧滑动来调节位置，通过螺栓锁紧来固定好调节的位置。

髋、膝关节通过电机带动同步减速带带动外骨骼关节实现关节的转动，通过大小腿连杆上的柔性可穿戴作用于人体大腿和小腿。踝关节直接通过电机驱动外骨骼关节。髋、膝关节通过外骨骼上关节出的角度编码器和力矩传感器获取运动信息和力矩信息，踝关节则通过姿态传感器和角度编码器获取运动信息和脚掌姿态信息。

减重背心和分离式可穿戴物均可以在轮椅上完成穿戴，均采用柔性材质和人体接触。可穿戴物采用低温可塑性材料作为支撑，根据人体的形体外形成形，和人体接触面贴附海绵的柔性材料保证舒适性，外层的支撑上连接穿戴物调节接口34，保证能简便地和下肢外骨骼模块相连。

踝关节驱动机构包括踝关节驱动电机45和足部穿戴固定接口36。踝关节驱动电机45转动带动足部穿戴固定接口36实现踝关节的转动。

在本发明的其中一些实施例中，下肢外骨骼模块中的各驱动电机均为大力矩盘式电机，大力矩盘式电机体积小，功率高，集驱动器、电机和减速器于一体，采用CAN总线进行通信。

所述的下肢外骨骼的可调节或运动范围为：髋宽调节范围：31cm至54.4cm,大腿连杆调节范围为45cm至62cm，小腿连杆调节范围为40cm-60cm；髋关节活动范围55°至-17°，膝关节活动范围：6°至-70°，踝关节活动范围：30°至-30°。

所述的外骨骼关节是结构本身具有的，在实际使用时，会和人体的生物关节共轴，保证外骨骼可以带动人体下肢一起运动而不伤害人体下肢。

下肢外骨骼模块分为两条腿共计6个自由度，均采用的是刚性关节，髋和膝关节通过同步轮——同步减速带——同步轮驱动机构，髋关节采用4：1同步减速驱动，膝关节采用2.4：1的同步减速驱动，踝关节则是电机输出轴直接连接关节转动轴。髋关节和膝关节之间的大腿连杆及膝关节到踝关节之间的小腿连杆可以伸缩以适用不同身高的患者。其伸缩方式通过直线电动推杆来实现。康复患者下肢主要通过分离式可穿戴物和外骨骼耦合以及传递交互力。

下肢外骨骼模块的配置有髋关节、膝关节和踝关节，均采用柔性穿戴织物、锁紧卡扣47和人体相连接，主要着力点分布于人体的大腿、小腿中段，足部则通过机构和柔性绑带直接和鞋子绑紧，保障和地面的软接触；为保障适用不同系统的康复患者，外骨骼模块能够调节两条外骨骼之间的距离以适用不同髋宽的患者，同时，大腿和小腿的长度同样可以调节，保证外骨骼关节和人体关节能够对齐，保证运动的协调性和避免关节损伤。运动训练时主要通过外骨骼给予相应的辅助力，带动人体实现期望的步态运动。

在本发明的其中一些实施例中，所述机器人还包括传感系统，传感系统主要包括监测患者康复运动以及生理各项参数的第一传感子模块、监测康复机器人运行状态的第二传感子模块以及用于感知医护人员是否在场的第三传感子模块等多方面多维度的全面感知和监测系统。

所述的监测患者康复运动以及生理各项参数的第一传感子模块，主要是针对康复患者的多种运动、力学、生理、肌电脑电等多模态信息的感知：用于监测关节运动的角度编码器、惯性传感器(安装在大腿穿戴物、小腿穿戴物及足部穿戴固定器上，用以检测下肢各躯段的三维空间姿态)、力矩传感器、拉力传感器(安装主动减重拉绳上，用以测量主动减重拉力)、用于感知可以感知康复步态训练时的步态参数与足底压力的足底压力传感器、心率血氧传感器、表面肌电传感器、脑电信号传感器(放置在靠背13处以便于头部穿戴)采集和监测。

第一传感器子模块安装在外骨骼结构主体中用以监测下肢关节运动、肢体姿态和交互力作用、肌肉激活强度，肌肉血氧信息。其中，关节运动信息的采集通过安装在外骨骼关节处的角度编码器实现，躯干和脚掌在三维空间中的姿态通过惯性传感器测量。髋关节和膝关节的关节力矩通过力矩传感器来测量，踝关节的力矩则可根据驱动电机电流的大小估计得出。外骨骼大腿和小腿有表面肌电传感器测量接口和心率血氧传感器接口，以满足测量表面肌电和心率血氧的监测的需求。具体地，在髋关节驱动机构上设置有髋关节角度编码器37和髋关节力矩传感器46，膝关节驱动机构上设置有膝关节编码器42和膝关节力矩传感器49，踝关节驱动机构上设置有踝关节角度编码器50。小腿机构上还设置有激光测距传感器43，通过激光测距传感器43可以测量小腿伸缩的长度，实现小腿长度的闭环精确调节。大腿、小腿连杆处安装有表面肌电信号的接口和心率血氧接口，可测量跟目标运动相关的特定肌肉(比如，腓肠肌、比目鱼肌和腘绳肌)的表面肌电信号和心率血氧信号。在外骨骼髋、膝和踝关节轴心处装有绝对值角位移编码器。

用于监测康复机器人运行状态的第二传感子模块包含形变位移传感器、振动传感器、温度传感器等，形变位移传感器用以监测康复机器人主要受力机构(主要是曲臂支撑旋转单元8)的应力形变，振动传感器设置在智能综合减重模块连接接口19和旋转曲臂20连接处，用于感知运行时的机械振动，温度传感器用于监测控制主机的温度，以便散热，温度传感器设置控制主机54附近的框架上，散热主要通过控制主机上方的散热风扇来将智能综合减重系统内的热风排出，达到空气流动散热的效果，保证康复机器人的稳定运行。

所述的医护人员在场管理部分主要是用以感知有医护人员在康复机器人附近，实时掌握康复病人和康复机器人的运行状况。通过蓝牙通信应答、人体红外场感应传感器，实时感知医护人员是否在场，并做出相应的语音和信号警报响应。

传感系统是集成多种传感器实时采集多模态信息的监测系统，包括采集关节角度、角速度、角加速度，关节力矩，脚掌姿态、足底的压力、步频、步幅、重心转移轨迹、下肢及躯干三维康复运动视频、表面肌电信号、脑电信号、心率和血氧变化等多模态、多种类生理、运动和力学信息，后续可用于帮助控制决策、康复评估和康复策略优化等，同时，采集的传感数据采集能够上传服务器，建立患者的康复疗程档案，能够在不同的客户康复机器人端查看治疗疗程，追溯康复过程，也可实现远程专家指导和康复疗程优化。

在本发明的其中一些实施例中，所述机器人设置有安全机制，安全机制包括硬件安全机制、软件安全机制，硬件安全机制主要包括设置在外骨骼关节的机械限位、多紧急开关、机械扶手。软件安全机制主要依靠传感器采集的数据进行相关状态的监控，包括力/力矩限位、足底压力监控、关节角度、角速度、加速度监控、温度监控、振动监控、形变监控、医护人员在场监控。所处的软件安全机制下各个状态量可以通过相应的执行机构来响应。主要包括语音音响、信号灯等。安全系统有安全使用的体重和升高范围，康复患者按照设计的穿戴准备和康复流程执行。硬件安全措施不需要后续的调整操作，在非常情况下，保证人员的安全。软件安全措施则可根据需要适当的调整，以适应不同情况下的使用需求。软件安全还包对不同安全等级情况下的处理。主要分为：正常运行、语音提醒、限制性康复功能执行、停止康复训练至故障排除等不同等级，同时显示出异常的状态。

所述的跑步机运行速度可通过采用不同的速度模式：手动设置模式以及自适应调整模式。手动设置模式按照设置的速度运行，自适应调整模式则是按照康复患者的步行状态，步频、步幅度、脚尖脚跟有无摩擦等情况调整，以匹配患者的行走状态。

所述的控制系统为三个层次的架构设计：顶层主要是康复患者信息参数及云端数据库、康复任务规划、训练模式和训练难度选择、训练状态实时在线反馈与结果评估等；中间层主要实现各种康复训练模式的核心控制算法、运动模式的切换、运动轨迹的规划、根据传感数据的智能决策等；底层主要是实现各种通信协议、指令通信、传感器数据采集、处理与存储记录、多电机协同运动的模块化接口等。

在本发明的其中一些实施例中，触控操作面板支撑臂25的一端与支撑外壳连接，另一端固定设置有触控操作面板9。所述的触控操作面板9用于方便医护人员进行康复患者信息录入、生理参数输入、运动规划、数据显示、效果评估、显示模式等操作，实现自动化高效的康复训练。

控制系统包括控制主机54，所述的控制主机54是康复机器人的核心单元，用于实现传感数据的采集、处理、康复训练的任务规划、控制策略算法的实现、多电机的协同控制、康复机器人运行状态的管理、康复训练效果的实时反馈显示、沉浸式多互动模式的模拟场景生成、远程云端数据的交互等及多种任务和功能。

所述的控制主机54采用多核多线程的CPU处理器架构，通过对不同的任务进行划分，采用多线程的技术实时多任务并行处理传感器的信号、发送控制指令、响应操控输入、传输和显示运动信息。

在本发明的其中一些实施例中，请参阅图1和图5，视觉反馈模块包括视觉反馈支撑支架28、视角调节机构27、视觉反馈显示器1和视觉相机2，视觉反馈支撑支架28与智能综合减重系统6相对设置，视角调节机构27转动设置在视觉反馈支撑支架28上，视觉反馈显示器1和视觉相机2均固定设置在视角调节机构27上。使用时，视觉反馈显示器1置于康复患者正前方，视觉反馈显示器1的高度和倾角均可通过视角调节机构27调整。视角调节机构27用来调节视觉相机2的俯仰角度，通过弧形的滑槽加销钉螺栓来调节俯仰角度与位置固定。

视觉反馈显示器的功能包括但不限于康复步态参数可视化显示、康复过程实时图像显示、沉浸式游戏康复训练场景、动态评估与奖励、康复训练结果评价与康复疗程优化、实时显示康复患者的训练状态、各项运动参数等等。视觉反馈显示器通过直观的视觉信号，结合语音提示信息和外骨骼及其减重执行器，帮助患者形成运动——多感官反馈刺激——大脑皮层兴奋——强化的运动正反馈通路，给康复患者最直接和高效的反馈，多重感官刺激，提升康复效率。

视觉相机用来监测重心运动轨迹，记录训练的视频录像。视觉相机2集成了RGB色彩相机以及红外深度相机，以每秒30帧的速率获取RGB图像数据和深度数据，输入到控制主机54的GPU中，采用人体追踪算法和位置解算算法，获取人体重心的运动轨迹，反馈给控制主机54，动态地调整重心运动。

所述的康复机器人还包括除视觉反馈显示器1以外的其他响应设备，包括智能语音音响、信号灯、状态指示灯、以及散热风扇等信号显示和响应单元。智能语音能够配合视觉反馈显示器1播报训练提示、语音鼓励、以及特殊训练场景的音效输出。信号灯和状态指示灯则显示当前的机器人运行状态、训练的状态和以及非正常的状态等直观的视觉信号；散热风扇主放置在控制主机54上侧，实现温度管理功能，保证所述发明的稳定长久运行。

所述的各系统部分的供电如图8所示，交流220V为市电输入，跑步机直接为交流220V供电，其他用电设备通过直流电源的降压，整流，滤波稳压后输出直流电DC24V和DC48V，共给触控操作面板、传感器系统、显示输出部分以及控制主机54、智能综合减重系统以及下肢外骨骼模块供电。各个设备和主控制器直接的通信方式有多种形式，控制主机54和操控面板之间通过HDMI和USB进行数据交互，和传感器系统之间通过RS232/CAN总线/USB以及无线蓝牙进行通信，和显示输出之间主要通过HDMI进行传输。和跑步机、智能综合减重系统主要通过RS232通信，和外骨骼动力单元通过CAN总线进行控制。最后，可以通过TCP/IP通信和云端服务器进行数据交互。

本发明提供的机器人在使用时，康复患者首先在轮椅上完成减重背心。大腿分离式柔性穿戴物、小腿分离式柔性穿戴物以及足部固定穿戴物等的穿戴准备工作，同时将康复机器人旋转曲臂解锁，智能综合减重系统及下肢外骨骼模块部分旋转至侧边，然后康复患者通过转移轮椅或者搀扶的经斜坡进入康复平台，然后旋转复位智能综合减重系统及下肢外骨骼模块，连接减重和可穿戴部分，撤出轮椅，准备完毕，即可开始康复训练，结束训练，离开平台与此过程顺序相反。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：包括跑步机底盘模块（4）、曲臂支撑旋转单元（8）、智能综合减重系统（6）、视觉反馈模块、髋宽调节机构、下肢外骨骼模块和控制主机，

跑步机底盘模块（4）包括跑步机；

曲臂支撑旋转单元（8）包括支撑立柱（10）和旋转曲臂（20），支撑立柱（10）设置在跑步机底盘模块（4）一侧，旋转曲臂（20）转动设置在支撑立柱（10）上；

智能综合减重系统（6）和旋转曲臂（20）的自由端部连接，智能综合减重系统（6）包括悬吊主动减重子系统、被动减重子系统和重心偏转偏移子系统（7），悬吊主动减重子系统包括主动减重电机（55）、线轮和主动减重拉绳（56），主动减重拉绳（56）通过线轮与主动减重电机（55）连接以使主动减重电机（55）能够周期性拉放主动减重拉绳（56），以配合人体重心的起伏运动，被动减重子系统包括被动减重滑块（62）和被动减重弹簧（53），被动减重弹簧（53）的一端与能进行往复运动的被动减重滑块（62）连接，另一端的位置可调，重心偏转偏移子系统（7）与被动减重滑块（62）连接，输出端用于与人体连接以实现人体的侧向偏移和旋转运动；

视觉反馈模块与智能综合减重系统（6）相对设置，用于采集人体做康复训练时的图像；

髋宽调节机构与被动减重子系统连接，下肢外骨骼模块用于辅助下肢运动，包括左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块，且髋宽调节机构设置在左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块之间以调节两者之间的距离；

控制主机与跑步机底盘模块（4）、曲臂支撑旋转单元（8）、智能综合减重系统（6）、视觉反馈模块、髋宽调节机构和下肢外骨骼模块均连接；

其中，重心偏转偏移子系统包括第一重心偏移偏转电机（59）、第二重心偏移偏转电机（58）、串联机械臂和前后俯仰被动调节轴，第一重心偏移偏转电机（59）、第二重心偏移偏转电机（58）之间通过串联机械臂连接，前后俯仰被动调节轴与第二重心偏移偏转电机（58）的输出端连接，前后俯仰被动调节轴用于与人体连接。

2.根据权利要求1所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：视觉反馈模块包括视觉反馈支撑支架（28）、视角调节机构（27）、视觉反馈显示器（1）和视觉相机（2），视觉反馈支撑支架（28）与智能综合减重系统（6）相对设置，视角调节机构（27）转动设置在视觉反馈支撑支架（28）上，视觉反馈显示器（1）和视觉相机（2）均固定在视角调节机构（27）上。

3.根据权利要求1所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：左肢外骨骼子模块和右肢外骨骼子模块均包括依次连接的髋关节驱动机构、大腿机构、膝关节驱动机构、小腿机构和踝关节驱动机构，髋关节驱动机构用于实现髋关节的转动，大腿机构用于调节大腿长度，膝关节驱动机构用于实现膝关节转动，小腿机构用于调节小腿长度，踝关节驱动机构用于实现踝关节转动。

4.根据权利要求3所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：大腿机构包括大腿长度调节伸缩推杆，大腿长度调节伸缩推杆的两端分别连接髋关节驱动机构和膝关节驱动机构。

5.根据权利要求3所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：髋关节驱动机构包括髋关节驱动电机（30）、髋关节同步带张紧机构（31）和髋关节同步带轮（32），髋关节驱动电机（30）通过髋关节同步带张紧机构（31）和髋关节同步带轮（32）连接，实现髋关节的转动。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：所述机器人还包括传感系统，所述传感系统包括用于监测人体康复运动以及生理参数的第一传感器子模块、用于监测机器人运行状态的第二传感子模块。

7.根据权利要求6所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：所述第一传感器子模块包括用于检测下肢各躯段的三维空间姿态的惯性传感器、用于检测主动减重拉绳（56）拉力的拉力传感器、用于检测足底压力的足底压力传感器、用于检测心率血氧的心率血氧传感器、用于检测关节运动信息的角度编码器，用于检测关节力矩的力矩传感器。

8.根据权利要求6所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：第二传感子模块包括用于检测曲臂支撑旋转单元（8）应力形变的形变位移传感器，用于感知运行时机械振动的振动传感器，用于感知控制主机温度的温度传感器。

9.根据权利要求6所述的一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人，其特征在于：传感系统还包括用于感知医护人员是否在场的第三传感子模块，第三传感子模块包括人体红外场感应传感器或蓝牙通信应答。

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