CN206270960U - 可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统。该控制系统包括主控板、电机控制系统、传感器网络、无线手表控制端、数据库、远程监控服务器、医生客户端和家属客户端；所述主控板分别与电机控制系统、传感器网络以及无线手表控制端连接；主控板还通过网络远程监控服务器相连接；所述医生客户终端和家属客户终端通过网络连接远程监控服务器；数据库与远程监控服务器连接，数据库还通过网络与主控板连接；本实用新型提供的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统能由远程服务器与本地系统共同监控设备以及用户的安全，具有高度的安全性能，同时，医生以及家属能通过远程监控服务器及时了解患者状态并为用户制定合理的康复训练方案。

Description

可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统

技术领域

本实用新型涉及康复医疗器械领域，尤其是涉及一种可穿戴仿生康复外骨骼的控制系统。

背景技术

据相关调查数据显示，目前世界上的截瘫用户人数逐年增多，不仅给用户造成较大的经济负担，同时也造成了一定的心理负担。因此，截瘫助行与康复已经成为一个日益严峻的社会问题。近年来，由于各种各样的原因(例如地震等自然灾害)，我国下肢瘫痪的人数已经达到了数十万。对于那些完全瘫痪的用户而言，纯粹的药物治疗和手术治疗无法使用户彻底康复，因此，需要借助康复工程的手段去改善或代替瘫痪病人失去的功能。康复型外骨骼是一种穿戴在下肢，由电机关节带动下肢运动功能障碍用户相应关节运动，达到训练/代偿行走功能的机械装置。为了解决截瘫病人长期卧床或者坐轮椅引起的压疮和肌肉萎缩等疾病，帮助他们站立和行走，提高其生活质量，并减轻用户家庭和社会的经济负担，研究开发具有高科技含量和自主知识产权的康复型外骨骼和相应的协同外骨骼控制系统具有十分重要的实际意义。现在可穿戴仿生外骨骼技术还存在许多不足的地方，在控制系统的搭建与使用方面还存在不足以及发展空间。

实用新型内容

本实用新型目的在克服现有技术存在的问题，提供一种安全、方便、稳定的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统。

本实用新型目的通过如下技术方案实现：

一种可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，包括主控板、电机控制系统、传感器网络、无线手表控制端、数据库、远程监控服务器、医生客户端和家属客户端；

所述主控板分别与电机控制系统、传感器网络以及无线手表控制端连接；主控板还通过网络远程监控服务器相连接；

所述医生客户端和家属客户端通过网络连接远程监控服务器；数据库与远程监控服务器连接，数据库还通过网络与主控板连接；

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述主控板包括内部接口、外部接口、通信 模块、定位模块、电源转换模块、电源保护模块和处理器；内部接口包括CAN1模块、CAN2模块、内串口；外部接口包括外串口和USB/HUB模块；通信模块包括以太网调试模块、无线网卡、4G模块、2.4G无线模块；定位模块主要为GPS模块；电源转换模块包括总开关、3.3VLDO模块、5VDCDC模块、MOS模块和电源模块；电源保护模块主要为电流检测器；处理器包括中央处理器和第一微处理器；所述电源保护模块、定位模块、内部接口和外部接口都与中央处理器连接；以太网调试模块、无线网卡和4G模块都与中央处理器连接，2.4G无线模块与第一微处理器连接；第一微处理器通过内串口与中央处理器相连接；总开关分别与24V锂电池、3.3VLDO模块和5VDCDC模块连接；5VDCDC模块通过MOS模块与电源模块相连接，电源模块与中央处理器连接；3.3VLDO模块与第一微处理器相连接。

优选地，所述传感器网络由左肢CAN总线与右肢CAN总线组成；左肢CAN总线与右肢CAN都与CAN2模块相连接；左肢传感器网络包括左肢小腿传感器节点、左膝电机传感器、左肢大腿传感器节点和左髋电机传感器；右肢传感器网络包括右肢小腿传感器节点、右膝电机传感器、右肢大腿传感器节点和右髋电机传感器；

所述左肢大腿传感器节点、右肢大腿传感器节点、左肢小腿传感器节点、右肢小腿传感器节点323都包括倾角传感器、加速度传感器、压力传感器、AD转换模块、电压转换模块和第二微处理器；所述倾角传感器、加速度传感器、AD转换模块和电压转换模块都分别与第二微处理器连接；压力传感器与AD转换模块连接；电压转换模块与CAN2模块连接。

优选地，所述左肢大腿传感器节点与右肢大腿传感器节点的倾角传感器与加速度传感器同放置于躯干倾角传感器放置卡槽；左肢小腿传感器节点的倾角传感器与加速度传感器同放置于小腿支架处，压力传感器放置于脚底压力传感器放置槽；左髋电机传感器、右髋电机传感器、左膝电机传感器和右膝电机传感器是相同类型的传感器，分别放置于左肢髋部电机、右肢髋部电机、左肢膝部电机、右肢膝部电机的内部。

优选地，所述电机控制系统包括电机编码器与CAN伺服电机驱动；每个电机编码器与CAN伺服电机驱动组成一个伺服电机的驱动系统，电机编码器与主控板的MOS模块直接相连；左肢髋部电机、右肢髋部电机、左肢膝部电机、右肢膝部电机的CAN伺服电机驱动器挂载在统一CAN1模块总线上。

优选地，所述无线手表控制端包括2.4G无线模块、倾角传感器、按键、显示屏以及第三微处理器；所述2.4G无线模块、倾角传感器、按键和显示屏都分别与第三微处理器连接；所述无线手表控制端佩戴在仿生康复外骨骼使用患者手腕处；2.4G无线模块通过无线通信方式与主控板连接。

优选地，所述远程监控服务器包括身份认证模块、指令控制模块、实时监控模块、定时数据分析模块、预警模块和通信模块；身份认证模块和指令控制模块分别与通信模块连接；定时数据分析模块和实时监控模块分别与预警模块连接；预警模块与通信模块相连接。

应用所述的系统的可远程监控的仿生康复外骨骼控制方法，包括以下步骤：

步骤S10：用户按下总开关开机，仿生康复外骨骼开始工作；

步骤S11：仿生康复外骨骼开始进行自检，检查主控板是否正常，电机系统是否正常，传感器网络是否正常，通知远程监控系统仿生康复外骨骼已经开机；若自检发现异常，则进入步骤S13；若自检正常，则进入步骤；

步骤S13：仿生康复外骨骼向远程监控系统请求排除异常，通过步骤S14判断异常是否排出，若远程监控系统排除异常，则进入步骤；若异常没有排除，则系统报告提示用户错误后，进入步骤S30，系统进入待机状态；

步骤S12：电机控制系统打开与电机连接；

步骤S15：主控板等待无线手表控制端发送站立指令，若用户发送站立指令后进入步骤S16；

步骤S16：主控板接收传感器网络数据判断用户是否处于坐下状态，若用户处于坐下状态，则执行步骤S18；若用户不处于坐下状态，则执行步骤S17；

步骤S17：提示用户调整坐姿，重新进入步骤S16进行坐下状态判断；

步骤S18：主控板向电机控制系统发出指令，执行站立动作；进入步骤S19；

步骤S19:远程监控服务器的实时监控模块与中央处理器共同监控站立动作执行，保证用户安全；若动作执行过程中出现异常，则进入步骤S20；若动作成功完成，则进入步骤S21；

步骤S20：停止当前站立动作执行，返回动作起始点，系统检查排除错误后，通知用户重新进行站立，重回步骤S15；

步骤S21：用户状态转换为站立状态，主控板采集传感器网络数据作为接下来动作执行过程中的参考阈值；进入步骤S22；

步骤S22：主控板判断用户是否满足迈步条件，此处迈步条件为用户重心是否偏移到一边，躯干是否前倾；若满足触发条件则进入步骤S23；若不满足则重新进入S22进行检测；

步骤S23：主控板向电机控制系统发出指令，执行迈步动作；进入步骤S24；

步骤S24:远程监控服务器的实时监控模块与中央处理器共同监控迈步动作执行，保证用户安全；若动作执行过程中出现异常，则进入步骤S25；若动作成功完成，则进入步骤S26；

步骤S25：远程监控服务器与主控板共同尝试解决异常问题，如电机宕机后清除错误并重新连接；若异常能正常清除则进入步骤S23，继续完成迈步动作；若异常不能正常清除则进入步骤S27；

步骤S27：仿生康复外骨骼尝试锁死电机并调用机械锁锁住仿生康复外骨骼，并由远程监控服务器发送请求帮助信息；进入步骤S30，系统进入待机状态；

步骤S26：判断用户是否想停止迈步动作，若停止迈步动作，则进入步骤S28；若不停止迈步动作，则重新进入步骤S22判断是否触发下一步迈步动作；

步骤S28：主控板向电机控制系统发出指令，执行收腿动作；进入步骤S29；

步骤S29:远程监控服务器的实时监控模块与中央处理器共同监控收腿动作执行，保证用户安全；若动作执行过程中出现异常，则进入步骤S25，尝试清除异常；若动作成功完成，则进入步骤S30，系统进入待机状态；

步骤S31：用户按下任意按键唤醒系统，并回到步骤S21；

步骤S41：医生客户端向远程监控服务器发起TCP连接，双方建立连接后，向远程监控服务器发送身份认证信息；

步骤S42：远程监控服务器验证医生客户端的身份信息，确认该客户端所具有的操作权限；若身份信息验证失败，远程监控服务器自动关闭连接；

步骤S43：远程监控服务器验证客户端身份成功之后，从数据库读取该用户最新的数据记录，包括仿生康复外骨骼的自检信息，仿生康复外骨骼使用记录，用户生理数据和运动数据；数据库中的数据为定时数据分析模块与实时监控模块在工作过程中记录的数据；

步骤S44：远程监控服务器将数据传输给医生客户端后，将等待接收医生客户端的控制指令；

步骤S45：远程监控服务器收到医生客户端控制指令之后交由指令控制模块处理控制指令，若控制指令合法则将控制指令通过通信模块发送给主控板执行指令，主控板返回执行结果后，将执行结果同步到数据库并发送给医生客户端。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点：

1)本实用新型远程监控服务器通过网络连接仿生康复外骨骼主控板，接收主控板发送的数据，分析历史数据或者当前数据，监控仿生康复外骨骼穿戴患者的状态，并发送适当的控制指令；本实用新型提供的可远程监控的仿生康复外骨骼系统能进行远程以及本地的监控，提供更为安全的保障。

2)本实用新型数据库直接连接远程监控服务器，用以存储主控板发送的数据以及远程监控服务器发送过的指令，存储仿生康复外骨骼使用患者的历史数据分析患者的康复训练情况，并由医生客户端对仿生康复外骨骼配置作出适当的修改，为每个不同的患者提供个性化的训练方案，具有方便、安全以及稳定的特点。

3)本实用新型医生终端通过网络连接远程监控服务器，监控仿生康复外骨骼使用患者的状态并向远程监控服务器发送指令，作出适当的调整；家属终端通过网络连接远程监控服务器用以查看仿生康复外骨骼使用患者的状态；本实用新型便于医生以及家属能通过远程监控服务器及时了解患者状态，制定合理的康复训练方案。

4)本实用新型远程服务器与本地系统共同监控仿生康复外骨骼使用患者的安全，提高安全新能。

5)本实用新型可远程监控的仿生康复外骨骼系统结构简单高效，出现错误能快速查找并响应。

附图说明

图1是应用本实用新型控制系统的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的整体机械结构示意图。

图2为本实用新型可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统的框架图。

图3为本实用新型可穿戴外骨骼本地系统主控板的框架图。

图4为本实用新型可穿戴外骨骼本地系统传感器网络的框架图。

图5为本实用新型可穿戴外骨骼本地系统传感器节点的框架图。

图6为本实用新型可穿戴外骨骼本地系统电机控制系统的框架图。

图7为本实用新型可穿戴外骨骼本地系统无线手表控制端的框架图。

图8为本实用新型的远程监控服务器的框架图。

图9为本实用新型可穿戴外骨骼系统工作流程图。

图10为实用新型可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统的远程监控服务器与医生客户端交互的工作流程图。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面将结合附图对本实用新型可远程监控的仿生康复外骨骼系统作进一步的说明，需要说明的是，实施方式仅用于解释本实用新型，而不构成对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统主要应用于可穿戴仿生外骨骼机械 腿康复装置。本实用新型中，可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置与仿生康复外骨骼是同一意思。

图1是可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的整体机械结构示意图，可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置主要包括躯干支架1、大腿支架2、小腿支架3、左肢髋部电机4、右肢髋部电机5、左肢膝部电机6、右肢膝部电机7、脚底压力传感器放置槽8、躯干倾角传感器放置卡槽9、绑带10、背包内层11、背包上层16、腕表12、拐杖13、触地压力传感器14以及脚部支撑板15。拐杖13有两根，分别通过用户的左右手握住。

躯干支架1为左右对称结构，绑定在用户上身；大腿支架2为左右对称结构，绑定在用户左边和右边大腿上，小腿支架3为左右对称结构，绑定在用户左边和右边小腿上；脚部支撑板15设置在用户脚底；所述的绑定通过绑带10进行固定，绑带10置于大腿支架2与小腿支架3中间部位；躯干支架1与左肢大腿支架2通过左肢髋部电机4与右肢髋部电机5连接；左肢髋部电机4与右肢髋部电机5的定子与躯干支架1通过螺丝固定，左肢髋部电机4与右肢髋部电机5的转子与左肢大腿支架2通过可拔插结构固定；当左肢髋部电机4与右肢髋部电机5转动时，固定在定子上的躯干支架1与固定在转子上的大腿支架2被转动的电机带动并产生相对角度运动；左肢髋部电机4与右肢髋部电机5控制两者相对角度运动；大腿支架2与小腿支架3分别与左肢膝部电机6与右肢膝部电机7的定子和转子连接；左肢膝部电机6与右肢膝部电机7连接着大腿支架2与小腿支架3并控制两者相对角度运动；小腿支架3与脚部支撑板15活动连接。脚部支撑板15承受着用户身体的重量，脚部支撑板15上设置了脚底压力传感器放置槽8；脚底压力传感器产生的信号代表有力施加于它，其压力值取决于用户的姿态。躯干倾角传感器放置卡槽9放置于躯干支架1的左右两侧的中间位置，用于放置倾角传感器。背包内层11与背包上层16粘合于躯干支架1后面，背包内层11用于放置主控板100，背包上层16用于放置24V锂电池176。腕表12佩戴于用户左手手腕，拐杖13握于用户左右两只手用于支撑身体，触地压力传感器14置于拐杖底部，用于获取拐杖触地压力值。

如图2所示，可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统包括主控板100、电机控制系统200、传感器网络300、无线手表控制端400、数据库500、远程监控服务器600、医生客户端700和家属客户端800；其中，主控板100、电机控制系统200、传感器网络300以及无线手表控制端400构成可穿戴外骨骼本地系统；数据库500、远程监控服务器600、医生客户端700以及家属客户端800构成可穿戴外骨骼远程系统。主控板100分别与电机控制系统200、传感器网络300以及无线手表控制端400连接；主控板还通过网络与远程监控服 务器600相连接；医生客户端700和家属客户端800通过网络连接远程监控服务器600；数据库500与远程监控服务器600连接，数据库500还通过网络与主控板100连接。

主控板100放置于背包上层16中；主控板100与电机控制系统200相连，为电机控制系统200供电，发送控制指令和读取控制系统数据。主控板100与传感器网络300相连接，从传感器网络300中读取传感器采集的数据；主控板100与无线手表控制端400相连接，主控板100接收仿生康复外骨骼穿戴患者的控制指令并向无线手表控制端400传输状态数据；主控板100通过网络与远程监控服务器600相连接，主控板100向远程监控服务器600进行双向通信，交换控制指令、传感器数据、仿生康复外骨骼状态以及仿生康复外骨骼穿戴患者状态等信息。医生客户端700以及家属客户端800通过网络与远程监控服务器600相连接；数据库500通过网络与主控板100连接；数据库500还与远程监控服务器600连接。

如图3所示，主控板100包括内部接口、外部接口、通信模块、定位模块、电源转换模块、电源保护模块和处理器。内部接口包括CAN1模块110、CAN2模块111、内串口160；外部接口包括外串口162和USB/HUB模块161；通信模块包括以太网调试模块120、无线网卡121、4G模块140、2.4G无线模块123；定位模块主要为GPS模块150；电源转换模块包括总开关170、3.3VLDO模块173、5VDCDC模块172、MOS模块171和电源174；电源保护模块主要为电流检测器175；处理器包括中央处理器190和第一微处理器191。电源保护模块、定位模块、内部接口和外部接口都与中央处理器连接；以太网调试模块120、无线网卡121和4G模块140都与中央处理器连接，2.4G无线模块123与第一微处理器191连接；

其中，内部接口中，CAN1模块110分别与电机控制系统200中的伺服电机驱动220和中央处理器190直接相连，通过CAN总线协议完成中央处理器190与电机控制系统200的双向通信，中央处理器向190向电机发送控制指令，伺服电机驱动220向中央处理器发送指令执行状态、电机配置信息、电机状态等信息。CAN2模块111分别与传感器网络300和中央处理器190直接相连，通过CAN总线协议完成中央处理器190与传感器网络300的双向通信，中央处理器190向传感器网络300发送以及数据请求以及网络配置信息，如发送频率，开关传感器节点等，传感器网络300向中央处理器190发送采集的传感器数据以及报告传感器状态。

外部接口中，外串口162完成对中央处理器190中程序的更新，系统的烧写等功能，也作为拓展功能的预留接口。USB/HUB模块161完成向中央处理器拷入拷出数据的功能。

以太网调试模块120实现在局域网或者广域网中开发人员接入中央处理，查看仿生康复外骨骼运行状态，修改配置文件信息，以及手动发送控制指令调试仿生康复外骨骼。无线网卡121与4G模块140直接与中央处理器190相连接，无线网卡121通过互联网与远程监控服务器600相连接，完成中央处理器190与远程监控服务器600的通信，无线网卡121运行在具有流畅WIFI热点接入的环境中，当运行环境中不具备WIFI接入条件时自动切换为4G模块140提供中央处理器100与远程监控服务器600的通信。在4G模块140与无线网卡121都不具备工作条件，比如仿生康复外骨骼穿戴患者在郊区活动时，中央处理器190将需要发送的数据存储在本地，等待4G模块140与无线网卡121正常工作再与远程监控服务器进行通信。GPS模块150为仿生康复外骨骼使用患者提供定位服务，并周期地将位置信息传送给中央处理器190，中央处理器190将位置信息传输给远程监控服务器600，实时监控仿生康复外骨骼使用患者的位置信息，用以在意外出现的时候及时找到仿生康复外骨骼使用患者。

电源转换模块中，总开关170与24V锂电池176相连接，作为供电电源的开关，并具备分流功能。3.3VLDO模块173和5VDCDC模块172都与总开关相连接，完成电压转换功能，5VDCDC模块172通过MOS模块171与电源174模块相连接，将24V电压转换为中央处理器190的5V供电电压；3.3VLDO模块173与第一微处理器191相连接，将24V电压转换为3.3V第一微处理器191的供电电压。MOS模块171完成电压限制功能，在24V锂电池176供电电压不足时切断电源保护仿生康复外骨骼安全。电机编码器210分别与MOS模块171和电流检测器模块175连接；电流检测器模块175采集输入电机编码器210的电流，当电流数值过大，切断对电机控制系统200的供电，保护电机的安全运行。

第一微处理器191通过内串口160与中央处理器190相连接，第一微处理器191作为无线手表控制端400与中央处理器190的连接桥梁，将中央处理器190与无线手表控制端400之间的通信数据以自定义的方式打包，同时减轻中央处理器的负载。

加速度传感器130与中央处理器190相连接；加速度传感器130采集背包的加速度状况，采集的数据具有与传感器网络数据一样的性质，其数据值是判断仿生康复外骨骼穿戴患者运动状态的组成部分。

如图4所示，传感器网络300由左肢CAN总线与右肢CAN总线组成，两条CAN总线与CAN2模块111相连接，通过CAN2模块111接收发送数据至中央处理器190；传感器网络300为左右对称结构，左肢传感器网络包括左肢小腿传感器节点321、左膝电机传感器311、左肢大腿传感器节点320和左髋电机传感器310；相应地右肢传感器网络包括右肢小腿传 感器节点323、右膝电机传感器313、右肢大腿传感器节点322和右髋电机传感器312。左肢小腿传感器节点321放置于小腿支架3处；左膝电机传感器311放置于左肢膝部电机6处；左肢大腿传感器节点320放置于大腿支架2处；左髋电机传感器310放置于左肢髋部电机4处。右肢传感器网络同左肢传感器网络放置部署方式相对应。左髋电机传感器310、右髋电机传感器312、左膝电机传感器311以及右膝电机传感器313用以读取各个对应位置电机的位置信息，当前执行状态。左肢大腿传感器节点320与右肢大腿传感器节点322分别放置于左右大腿支架2上，左肢小腿传感器节点321与右肢小腿传感器节点323分别放置于左右小腿支架3上。左肢大腿传感器节点320与右肢大腿传感器节点322、左肢小腿传感器节点321、右肢小腿传感器节点323除放置位置不同外，具有完全相同的电路结构。

如图5所示，左肢大腿传感器节点320、右肢大腿传感器节点322、左肢小腿传感器节点321、右肢小腿传感器节点323都包括倾角传感器3201、加速度传感器3202、压力传感器3203、AD转换模块3204、电压转换模块3205和第二微处理器3206；倾角传感器3201、加速度传感器3202、AD转换模块3204和电压转换模块3205都分别与第二微处理器3206连接；压力传感器3203与AD转换模块3204连接；电压转换模块3205与CAN2模块111连接。左肢大腿传感器节点320与右肢大腿传感器节点322的倾角传感器3201与加速度传感器3202同放置于躯干倾角传感器放置卡槽9，用以测量仿生康复外骨骼穿戴患者运动加速度以及躯干倾角角度，判断仿生康复外骨骼穿戴患者实时姿态。左肢小腿传感器节点321的倾角传感器3201与加速度传感器3202同放置于小腿支架2处，用以检测小腿的倾角角度以及运动加速度，判断仿生康复外骨骼使用患者姿态，压力传感器3203放置于脚底压力传感器放置槽8，检测仿生康复外骨骼使用患者足底压力状况，用以构成动作触发条件以及判断仿生康复外骨骼使用患者的状态以及安全状态。AD转换模块3204用以将压力传感器3203采集的模拟传感器信号转换为数字信号，并发送给第二微处理器3206。电压转换模块3205连接第二微处理器3206与CAN总线，用以解决微处理器与CAN总线高低电平数值以及表达方式不一致的问题。左髋电机传感器310、右髋电机传感器312、左膝电机传感器311和右膝电机传感器313是相同类型的传感器，分别放置于左肢髋部电机4、右肢髋部电机5、左肢膝部电机6、右肢膝部电机7的内部，是用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速的一种传感器。

如图6所示，电机控制系统200包括电机编码器210与CAN伺服电机驱动220。每个电机编码器与CAN伺服电机驱动组成一个伺服电机的驱动系统，电机编码器210与主控板 100的MOS模块171直接相连，由主控板供给电源。CAN伺服电机驱动220是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位。左肢髋部电机4、右肢髋部电机5、左肢膝部电机6、右肢膝部电机7的CAN伺服电机驱动器挂载在统一CAN1模块110总线上，利用CAN1模块110总线与中央处理器190通信。

如图7所示，无线手表控制端400包括2.4G无线模块410、倾角传感器420、按键430、显示屏440以及第三微处理器450；2.4G无线模块410、倾角传感器420、按键430和显示屏440都分别与第三微处理器450连接。无线手表控制端400佩戴在仿生康复外骨骼使用患者手腕处，用以患者发送控制指令以及查看仿生康复外骨骼状态，自身身体状态等信息。2.4G无线模块410通过无线通信方式与主控板100连接，完成主控板100与无线手表控制端400的双向通信。倾角传感器420辅助检测用户当前姿态。按键430为仿生康复外骨骼使用患者与手表交互的方式，仿生康复外骨骼使用患者可选择运动模式，显示状态信息。显示屏440用以显示仿生康复外骨骼当前运动状态，工作状态等信息。

如图8所示，远程监控服务器600包括身份认证模块610、指令控制模块620、定时数据分析模块630、实时监控模块640、预警模块650和通信模块660；身份认证模块610和指令控制模块620分别与通信模块660连接；定时数据分析模块630和实时监控模块640分别与预警模块650连接；预警模块650与通信模块660相连接。

身份认证模块610以账号密码方式或者动态密令方式认证登录用户身份，不同的用户具有不同的权限，本实用新型中区分家属用户和医生用户，每个用户会绑定一个或者多个康复外骨骼硬件仿生康复外骨骼，所有登录的用户只能显示以及修改绑定仿生康复外骨骼的相关信息。

指令控制模块620用以向可穿戴外骨骼发送控制指令。所述控制指令包括：传感器状态查询指令，传感器网络配置指令，电机控制指令，电机配置指令，运动参数配置指令等。传感器状态查询指令用以查询传感器网络工作状态，当前配置信息等。传感器网络配置指令用以修改传感器网络配置参数。电机控制指令用以远程发送电机控制命令，远程操控仿生康复外骨骼。电机配置指令用以修改电机配置参数。运动参数配置指令用以修改仿生康复外骨骼步态规划参数，比如步伐大小，步伐频率等参数。指令控制模块620有两种工作方式，一种是由远程监控系统自行控制指令的发送，例如当传感器数据或者配置信息缺失时，发送询问指令询问传感器是否正常工作，一般用于外骨骼仿生康复外骨骼初始连接远程服务器。另一种是从医生客户端700登录后操作指令控制模块620，指令控制模块620 将提供医生客户端700操作界面发送任何合法的指令，例如运动参数配置指令用以调整仿生康复外骨骼的步态参数，电机控制指令用以单步操作电机训练病人等，通过指令控制模块620，医生客户端700将可以为每位仿生康复外骨骼穿戴患者制定个性化的训练方案，加快仿生康复外骨骼与仿生康复外骨骼使用患者的磨合。

实时监控模块640负责实时分析仿生康复外骨骼本地系统传送过来的传感器网络信息，仿生康复外骨骼状态信息，用户信息等，用以及时发现仿生康复外骨骼使用患者存在的安全隐患或者以及发生的安全问题比如传感器工作异常，电机宕机，仿生康复外骨骼使用患者摔倒等问题。实施监控模块640可使用贝叶斯分类算法，但不局限于此类算法。实时监控模块640在仿生康复外骨骼本地系统工作时才开启。实时监控模块640检测到异常之后生成异常信息交由预警模块650进行处理。实时监控模块640同时负责将接受到的所有数据写入数据库500中，更新数据库信息等操作。

定时数据分析模块630负责定期分析仿生康复外骨骼使用患者数据生成两类报告：仿生康复外骨骼使用患者健康报告以及仿生康复外骨骼运行报告。仿生康复外骨骼使用患者健康报告记录分析一定时间段内仿生康复外骨骼使用患者的生理数据如心跳，血压等信息，运动数据如行走距离，步数，步频，ZMP点变化等信息，定时数据分析模块630将根据分析结果确定信息级别交由预警模块进行处理，报告文件将以邮件形式发送给所有仿生康复外骨骼关联用户。数据库500用以建立数据库存储相关信息，例如SQLServer、MySQL、XML文件等。

预警模块650负责处理整个外骨骼系统的所有异常信息，预警模块650将预警级别分为三类：普通信息，如外骨骼系统周期自检信息，动作执行阶段性信息，仿生康复外骨骼传感器网络配置参数修改操作等；警告信息，如传感器节点参数异常或者缺失，仿生康复外骨骼电量异常等信息；紧急信息，如电机宕机，仿生康复外骨骼使用患者摔倒等。预警模块650对于不同的预警级别将采用不同的预警操作，普通信息以日志方式记入数据库，待用户需要时查看。警告信息同样以日志方式记入数据库，当关联用户登录远程监控系统600后，将读取数据库警告信息显示给用户，用户需要对警告信息进行处理后警告信息才会删除。对于不同紧急信息，预警模块650将会有对应的应急处理操作如电机宕机，预警模块将发送紧急指令开启机械锁防止病人摔倒，并尝试处理电机宕机错误，若成功处理错误将解锁机械锁。完成应急处理操作后，预警模块将紧急信息，对应处理操作及操作结果以短信方式告知该仿生康复外骨骼关联的所有用户。

通信模块660负责远程监控服务器与仿生外骨骼本地系统主控板100，医生客户端700， 家属客户端800通信。通信形式以互联网为主，也可以通过局域网、城域网、广域网、互联网、无线宽带网、无线局域网WLAN、通用分组无线服务GPRS、全球互通微波存取WIMAX、第三代移动通信网3G、第四代移动通信网4G等类似的网络通信服务的任意一种完成通信。通信模块660将预警模块650信息根据预警级别进行级别划分，越紧急的信息获得越高的优先发送权，任何非预警模块信息当作普通信息处理。

医生客户端700包含登录模块以及通信模块，登录模块用以与远程登录服务器600的身份认证模块进行身份认证，获取医生客户端应有的权限。当使用医生客户700端登录到远程监控服务器600，可以操作查看远程监控服务器的所有模块的信息，修改每个模块显示的信息配置参数例如传感器数据显示格式、增加减少仿生康复外骨骼使用患者健康报告包含项目等。

家属客户端800包含登录模块以及通信模块，登录模块用以与远程登录服务器600的身份认证模块进行身份认证，获取家属客户端800应有的权限，家属客户端800只具备查看实时监控模块640与定时数据分析模块630信息的权限，用以家属查看仿生康复外骨骼使用患者的状态信息。医生客户端700实现方式主要以PC客户端为主，也可采用手机APP形式。家属客户端800主要以手机APP形式实现。

医生客户端与家属客户端可登录远程监控服务器查看患者状态；医生客户端可登录远程监控系统修改仿生康复外骨骼配置参数，制定个性化的康复治疗方案。

如图9所示，可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统的工作流程图包括以下步骤：

步骤S10：用户按下总开关170开机，仿生康复外骨骼开始工作；

步骤S11：仿生康复外骨骼开始进行自检，检查主控板100是否正常，电机系统200是否正常，传感器网络300是否正常，通知远程监控系统600仿生康复外骨骼已经开机；若自检发现异常，则进入步骤S13；若自检正常，则进入步骤S12；

步骤S13：仿生康复外骨骼向远程监控系统600请求排除异常，通过步骤S14判断异常是否排出，远程监控系统600可恢复例如参数丢失、更新等异常；若远程监控系统600排除异常，则进入步骤S12；若异常没有排除，则系统报告提示用户错误后，进入步骤S30，系统进入待机状态；

步骤S12：电机控制系统打开与电机连接；

步骤S15：主控板100等待无线手表控制端400发送站立指令，若用户发送站立指令后进入步骤S16；

步骤S16：主控板100接收传感器网络300数据判断用户是否处于坐下状态，若用户处于坐下状态，则执行步骤S18；若用户不处于坐下状态，则执行步骤S17；

步骤S17：提示用户调整坐姿，重新进入步骤S16进行坐下状态判断；

步骤S18：主控板100向电机控制系统200发出指令，执行站立动作；进入步骤S19；

步骤S19:远程监控服务器600的实时监控模块640与中央处理器190共同监控站立动作执行，保证用户安全；若动作执行过程中出现异常，则进入步骤S20；若动作成功完成，则进入步骤S21；

步骤S20：停止当前站立动作执行，返回动作起始点，系统检查排除错误后，通知用户重新进行站立，重回步骤S15；

步骤S21：用户状态转换为站立状态，主控板100采集传感器网络数据作为接下来动作执行过程中的参考阈值；进入步骤S22；

步骤S22：主控板判断用户是否满足迈步条件，此处迈步条件为用户重心是否偏移到一边，躯干是否前倾；若满足触发条件则进入步骤S23；若不满足则重新进入S22进行检测；

步骤S23：主控板100向电机控制系统200发出指令，执行迈步动作；进入步骤S24；

步骤S24:远程监控服务器600的实时监控模块640与中央处理器190共同监控迈步动作执行，保证用户安全；若动作执行过程中出现异常，则进入步骤S25；若动作成功完成，则进入步骤S26；

步骤S25：远程监控服务器600与主控板100共同尝试解决异常问题，如电机宕机后清除错误并重新连接；若异常能正常清除则进入步骤S23，继续完成迈步动作；若异常不能正常清除则进入步骤S27；

步骤S27：仿生康复外骨骼尝试锁死电机并调用机械锁锁住仿生康复外骨骼，并由远程监控服务器发送请求帮助信息；进入步骤S30，系统进入待机状态；

步骤S26：判断用户是否想停止迈步动作，若停止迈步动作，则进入步骤S28；若不停止迈步动作，则重新进入步骤S22判断是否触发下一步迈步动作；

步骤S28：主控板100向电机控制系统200发出指令，执行收腿动作；进入步骤S29；

步骤S29:远程监控服务器600的实时监控模块640与中央处理器190共同监控收腿动作执行，保证用户安全；若动作执行过程中出现异常，则进入步骤S25，尝试清除异常；若动作成功完成，则进入步骤S30，系统进入待机状态；

步骤S31：用户按下任意按键唤醒系统，并回到步骤S21。

如图10所示，可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统的远程监控服务器600与医生客户端700交互的工作流程包括以下步骤：

步骤S41：医生客户端700向远程监控服务器600发起TCP连接，双方建立连接后，向远程监控服务器600发送身份认证信息；

步骤S42：远程监控服务器600验证医生客户端700的身份信息，确认该客户端所具有的操作权限；若身份信息验证失败，远程监控服务器600自动关闭连接；

步骤S43：远程监控服务器600验证客户端身份成功之后，从数据库500读取该用户最新的数据记录，包括仿生康复外骨骼的自检信息，仿生康复外骨骼使用记录，用户生理数据和运动数据；数据库500中的数据为定时数据分析模块630与实时监控模块640在工作过程中记录的数据；

步骤S44：远程监控服务器600将数据传输给医生客户端700后，将等待接收医生客户端700的控制指令，如调整仿生康复外骨骼电机速度、关节运动角度参数；

步骤S45：远程监控服务器600收到医生客户端700控制指令之后交由指令控制模块620处理控制指令，若控制指令合法则将控制指令通过通信模块660发送给主控板100执行指令，主控板100返回执行结果后，将执行结果同步到数据库500，并发送给医生客户端700；

在上述步骤中增加、或者插入有关医生客户端、家属客户端以及数据库的作用要体现

本实用新型可远程监控的仿生康复外骨骼系统具有以下优点：第一，系统结构简单高效，出现错误能快速查找并响应；第二：远程服务器与本地系统共同监控仿生康复外骨骼使用患者的安全，提高安全新能；第三：医生以及家属能通过远程监控服务器及时了解患者状态，制定合理的康复训练方案。

本领域技术人员还可以在本实用新型精神内做其他变化，这些依据本实用新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，其特征在于，包括主控板、电机控制系统、传感器网络、无线手表控制端、数据库、远程监控服务器、医生客户端和家属客户端；

所述主控板分别与电机控制系统、传感器网络以及无线手表控制端连接；主控板还通过网络远程监控服务器相连接；

所述医生客户端和家属客户端通过网络连接远程监控服务器；数据库与远程监控服务器连接，数据库还通过网络与主控板连接。

2.根据权利要求1所述的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，其特征在于，所述主控板包括内部接口、外部接口、通信模块、定位模块、电源转换模块、电源保护模块和处理器；内部接口包括CAN1模块、CAN2模块、内串口；外部接口包括外串口和USB/HUB模块；通信模块包括以太网调试模块、无线网卡、4G模块、2.4G无线模块；定位模块主要为GPS模块；电源转换模块包括总开关、3.3VLDO模块、5VDCDC模块、MOS模块和电源模块；电源保护模块主要为电流检测器；处理器包括中央处理器和第一微处理器；所述电源保护模块、定位模块、内部接口和外部接口都与中央处理器连接；以太网调试模块、无线网卡和4G模块都与中央处理器连接，2.4G无线模块与第一微处理器连接；第一微处理器通过内串口与中央处理器相连接；总开关分别与24V锂电池、3.3VLDO模块和5VDCDC模块连接；5VDCDC模块通过MOS模块与电源模块相连接，电源模块与中央处理器连接；3.3VLDO模块与第一微处理器相连接。

3.根据权利要求2所述的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，其特征在于，所述传感器网络由左肢CAN总线与右肢CAN总线组成；左肢CAN总线与右肢CAN都与CAN2模块相连接；左肢传感器网络包括左肢小腿传感器节点、左膝电机传感器、左肢大腿传感器节点和左髋电机传感器；右肢传感器网络包括右肢小腿传感器节点、右膝电机传感器、右肢大腿传感器节点和右髋电机传感器；

所述左肢大腿传感器节点、右肢大腿传感器节点、左肢小腿传感器节点、右肢小腿传感器节点323都包括倾角传感器、加速度传感器、压力传感器、AD转换模块、电压转换模块和第二微处理器；所述倾角传感器、加速度传感器、AD转换模块和电压转换模块都分别与第二微处理器连接；压力传感器与AD转换模块连接；电压转换模块与CAN2模块连接。

4.根据权利要求3所述的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，其特征在于，所述左肢大腿传感器节点与右肢大腿传感器节点的倾角传感器与加速度传感器同放置于躯干倾角传感器放置卡槽；左肢小腿传感器节点的倾角传感器与加速度传感器同放置于小腿支架处，压力传感器放置于脚底压力传感器放置槽；左髋电机传感器、右髋电机传感器、左膝电机传感器和右膝电机传感器是相同类型的传感器，分别放置于左肢髋部电机、右肢髋部电机、左肢膝部电机、右肢膝部电机的内部。

5.根据权利要求1所述的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，其特征在于，所述电机控制系统包括电机编码器与CAN伺服电机驱动；每个电机编码器与CAN伺服电机驱动组成一个伺服电机的驱动系统，电机编码器与主控板的MOS模块直接相连；左肢髋部电机、右肢髋部电机、左肢膝部电机、右肢膝部电机的CAN伺服电机驱动器挂载在统一CAN1模块总线上。

6.根据权利要求1所述的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，其特征在于，所述无线手表控制端包括2.4G无线模块、倾角传感器、按键、显示屏以及第三微处理器；所述2.4G无线模块、倾角传感器、按键和显示屏都分别与第三微处理器连接；所述无线手表控制端佩戴在仿生康复外骨骼使用患者手腕处；2.4G无线模块通过无线通信方式与主控板连接。

7.根据权利要求1所述的可远程监控的仿生康复外骨骼控制系统，其特征在于，所述远程监控服务器包括身份认证模块、指令控制模块、实时监控模块、定时数据分析模块、预警模块和通信模块；身份认证模块和指令控制模块分别与通信模块连接；定时数据分析模块和实时监控模块分别与预警模块连接；预警模块与通信模块相连接。