CN212880063U - 一种膝关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种膝关节康复机器人，涉及医疗康复设备技术领域。本实用新型包括MCU电路、电源供电模块、人机交互模块、步进电机驱动模块、ESP‑M1无线模块、电机电流检测模块、电机测速模块、肌电流采集模块和HMI串口触摸屏；ESP‑M1无线模块通过RS‑485总线将HMI串口触摸屏与MCU进行通信连接；人机交互模块用于人与机器的可视化交互、训练模式的选择。本实用新型通过可视化人机交互的方式对康复机器人的康复策略进行选择，患者直接通过触摸显示屏实现对被动训练、主动训练、主动加阻抗训练三种模式的选择，使患者足不出户即可完成康复训练，避免患者去医院做康复的麻烦，同时减轻患者痛苦，降低了医疗成本。

Description

一种膝关节康复机器人

技术领域

本实用新型属于医疗康复设备技术领域，特别是涉及一种膝关节康复机器人。

背景技术

脑卒中又称脑血管意外或中风，是由大脑血管异常所造成的突发性神经功能损害，包括脑梗死、脑出血和蛛网膜下腔出血。临床主要表现为偏瘫、视觉缺损、失语及认知障碍等。脑卒中具有发病率高、高致残率、高死亡率等特点，给家庭和社会带来沉重的负担。根据相关统计表明：中国每年患得脑中风的病人达到200万，现幸存中风病人700万，其中450万病人不同程度丧失劳动力甚至生活不能自理，致残率高达75％。同时，已得过脑中风的患者，还易复发，每复发一次，加重一次，所以更需要采取有效的措施进行预防。

近年的相关研究表明，由脑卒中造成的偏瘫可利用人体的中枢神经系统具有可塑性进行康复医疗。原因在于脑卒中患者发病后造成神经细胞及组织坏死，导致患者各类偏瘫症状，而干细胞是一种易再生的细胞，移植的干细胞可以自我分辨并迁移到损伤的神经部位，通过细胞替代作用更换机体已经死亡或受损伤的神经细胞，修复受损神经网络。所以对于脑卒中患者，及时地进行康复训练不仅可以减少中枢神经的损失，降低并发症的发生，而且能够趁早恢复正常的运动功能，重塑患者的自信心，减小家庭生活压力。

脑卒中患者根据不同的症状及康复阶段具有不同的治疗手段。在临床上有如下几种治疗方法：物理治疗、作业治疗、言语治疗、心理治疗、传统疗法。物理疗法包括运动疗法和电疗法，前者包括神经肌肉促进技术(恢复大脑对瘫痪肢体的运动控制能力)如Brunnstrom技术、肢体主动性运动控制训练、肌肉牵伸治疗、关节活动范围训练、肌力训练、平衡训练、减重训练、站立和步行训练等，后者包括电子生物反馈、电疗、光疗、水疗、冷热疗、针灸、氧疗、脉管仪等。作业治疗针对患者脑卒中后患者所出现的功能障碍，以及其在日常生活活动中所遇到的困难，设计和选择一些有目的的活动，对患者进行治疗与训练。言语治疗针对听力障碍和失语症的患者，综合性的应用一对一或刺激促进的方法，提高语言理解和表达能力，恢复其交流功能，为重返社会创造条件。心理治疗通过言行、音乐或生物反馈的方法，对脑卒中后出现心理、精神、情绪和行为异常的患者进行针对性治疗，鼓励其建立、巩固与疾病相抗衡的积极心理。传统疗法运用传统的中药、针灸、推拿等方法，达到疏通经络、平衡阴阳、调和血气、协调脏腑的功能。上述的脑卒中治疗方法，在临床中均有一定的应用，但仍是以康复医师辅助患者的运动疗法为主，其他的治疗方法为辅。

康复医师在辅助患者进行康复治疗时，主要是通过一对一的形式徒手或借助一定的器械辅助患者完成一系列特定的动作，但这存在较多的局限性：首先，在整个的训练的过程中康复医师的技能水平直接影响着训练效果，同时康复医师的身体状况以及情绪等因素也都会产生一定的影响；其次，对于中风患者而言被动地重复同样的动作不易调动训练的主动性及积极性，同时由于中风也容易引起语言及认知功能障碍，对医患间的交流造成不便；最后，由于国内人口基数大，需要进行康复的中风患者众多，但康复医师数量严重不足，造成大量的患者得不到及时的治疗，错失康复的最佳时机。

康复机器人系统是脑卒中康复领域出现的新技术，它的出现使原有一对一的医患关系得到了极大的改善，即使足不出户患者也可进行康复训练。它可以与康复医师形成很好的互补，可以使康复医师从繁重的康复治疗中解脱出来，根据不同患者的患病症状选择不同种类的康复机器人，制定不同的康复策略，提高康复医师的工作效率。另外康复机器人可以兼容各领域的先进技术，利用各类新式传感器检测患者的生理、机能指标，为康复医师修订训练计划提供客观数据；利用人机接口技术，根据患者的身体状态调整训练强度及训练模式，这样的智能机制，有利于改善患者脑部的供血状态，兴奋大脑的病变部分，对于改善肌肉反射弧具有促进作用，有利于调动患者康复的积极性，使患者肌肉得到充分的锻炼。因此，为了使更多的病患能够早日康复，对于康复机器人及其控制技术的研究具有重大的社会及人文意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种膝关节康复机器人，通过可视化人机交互的方式对康复机器人的康复策略进行选择，利用人机接口技术根据患者的身体状态调整训练强度和训练模式，实时记录人体数据，进行健康数据管理，解决了现有的患者需要到医院进行康复训练、康复方案不能定制、康复效果不佳的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型为一种膝关节康复机器人，包括MCU电路、电源供电模块、人机交互模块、步进电机驱动模块、ESP-M1无线模块、电机电流检测模块、电机测速模块、肌电流采集模块和HMI串口触摸屏；

所述ESP-M1无线模块用于实现无线通讯并传输数据；所述ESP-M1无线模块通过RS-485总线将HMI串口触摸屏与MCU进行通信连接；所述人机交互模块用于人与机器的可视化交互、训练模式的选择；所述步进电机驱动模块用于驱动步进电机实现电机运动方式的控制；

所述MUC分别与电源供电模块、人机交互模块、步进电机驱动模块、 ESP-M1无线模块、电机电流检测模块、电机测速模块和肌电流采集模块通过串口连接。

优选地，所述MCU选用STM32F373RBT6作为主控芯片；所述 STM32F373RBT6的Cortex-M4引脚实现电机的驱动、串口功能以及数据包的推送。

优选地，所述人机交互模块为USART HMI智能串口屏；所述USART HMI 智能串口屏内部设置有GUI，用于通过串口通信对控件上的参数进行修改。

优选地，所述ESP-M1无线模块采用ESP8285芯片；所述ESP8285芯片内集成了内核处理器并带上SRAM；所述ESP8285芯片内置有高速缓冲存储器。

优选地，所述步进电机驱动模块采用MC33931芯片；所述ESP8285芯片中33931H桥用于控制感性负载。

优选地，所述电机电流检测模块采用AD8211YRJZ芯片，用于对电机进行电流测试。

优选地，所述电机测速模块采用SN74LVC2G17芯片；所述SN74LVC2G17 芯片对VCC引脚进行操作为输入提供迟滞，再通过MCU内部的定时器进行测速。

优选地，所述肌电流采集模块通过电极贴片对信号进行采集；所述肌电流采集模块通过整流电路、平滑电路以及信号放大再通过STM32内部ADC 进行采集。

优选地，所述膝关节康复机器人的系统工作流程步骤如下：

步骤S1：获取RCC时钟频率；

步骤S2：设置滴答定时器；

步骤S3：配置电极控制PWM参数；

步骤S4：初始化所有外设；

步骤S5：开机初始化ESP状态变量；

步骤S6：判断定时器是否到1ms时间；

若超过1ms，则执行步骤S7；

若不足1ms，则执行步骤S9；

步骤S7：将led设置成1ms显示方式；

步骤S8：调用ESP相关模式处理函数；

步骤S9：执行ESP的接收指令；

步骤S10：再次判断定时器是否到1ms时间；

若超过1ms，则执行步骤S11；

若不足1ms，则执行步骤S13；

步骤S11：设置电机PWM数值；

步骤S12：ESP执行1s处理函数；

步骤S13：判断定时器是否到1min时间；

若超过1min，则执行步骤S14；

若不足1min，则执行步骤S15；

步骤S14：ESP执行1min处理函数；

步骤S15：判断串口1是否接收到数据；

若是，则执行步骤S16；

若否，则执行步骤S17；

步骤S16：执行处理函数；

步骤S17：获取速度值；

步骤S18：获取ADC数值；

步骤S19：返回至步骤S6，依次循环。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型通过可视化人机交互的方式对康复机器人的康复策略进行选择，患者直接通过触摸显示屏实现对被动训练、主动训练、主动加阻抗训练三种模式的选择，使患者足不出户即可完成康复训练，避免患者去医院做康复的麻烦，同时减轻患者痛苦，降低了医疗成本。

(2)本实用新型通过康复机器人实时监测患者生理、机能指标，进行健康数据管理，为康复医师修订训练计划提供客观数据；利用人机接口技术，根据患者的身体状态调整训练强度及训练模式，有利于改善患者脑部的供血状态，对于改善肌肉反射弧具有促进作用，有利于调动患者康复的积极性，使患者肌肉得到充分的锻炼。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的一种膝关节康复机器人系统的结构示意图；

图2为膝关节康复机器人中MCU的电路图；

图3为供电模块的电路图；

图4为ESP-M1无线模块的电路图；

图5为步进电机驱动模块的电路图；

图6为电机电流检测模块的电路图；

图7为电机测速模块的电路图；

图8为肌电流采集模块的电路图；

图9为膝关节康复机器人的系统工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1所示，本实用新型为一种膝关节康复机器人，包括MCU电路、电源供电模块、人机交互模块、步进电机驱动模块、ESP-M1无线模块、电机电流检测模块、电机测速模块、肌电流采集模块和HMI串口触摸屏；

ESP-M1无线模块用于实现无线通讯并传输数据；ESP-M1无线模块通过 RS-485总线将HMI串口触摸屏与MCU进行通信连接；人机交互模块用于人与机器的可视化交互、训练模式的选择；步进电机驱动模块用于驱动步进电机实现电机运动方式的控制；

MUC分别与电源供电模块、人机交互模块、步进电机驱动模块、ESP-M1 无线模块、电机电流检测模块、电机测速模块和肌电流采集模块通过串口连接；膝关节康复机器人系统需要在人工选择状态下进行康复训练，对于用户需首先通过人机交互模块进行人工选择运动方式，需要对数据进行采集、处理、传输，并对步进电机进行控制。

如图2所示，MCU选用STM32F373RBT6作为主控芯片；STM32F373RBT6 的Cortex-M4引脚实现电机的驱动、串口功能以及数据包的推送；STM芯片上集成32-512KB的Flash和6-64KB的SRAM两种存储器，调试模式分为串行调试(SWD)和JTAG接口，最多高达112个的快速I/O端口、11个定时器和13个通信接口。STM32采用ARM Cortex-M内核的32位微控制器，具有高性能、实时性强、低功耗和便于低电压操作等优点，同时还易于开发；因此，本申请文件的MCU电路选用STM32F373RBT6作为主控芯片，因为所有的数据处理与发送都集中在终端模块中，同时集成化整个下层硬件，为了功能的实现以及高效性，系统选用了STM32F373来构建整个下层电路， STM32F373是一款应用32位微控制器以及72MHz功耗的以Cortex-M4为内核，拥有各个模块功能的高度集成化的开发板。

如图3所示，考虑到步进电机的驱动使用的是12V电压，为了可扩展性采用最大电压为48V的供电电路设计。

其中，人机交互模块的设计，采用工业串口屏、工业触摸屏等是专门用来做工业智能显示仪表的屏幕，一般都有软件以拖控件的形式对GUI界面进行设计，人机交互模块为USART HMI智能串口屏；USART HMI智能串口屏内部设置有GUI，用于通过串口通信对控件上的参数进行修改；GUI为图形用户界面(Graphical User Interface，简称GUI，又称图形用户接口) 是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面，图形用户界面是一种人与计算机通信的界面显示格式，允许用户使用鼠标等输入设备操纵屏幕上的图标或菜单选项，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其它一些日常任务。与通过键盘输入文本或字符命令来完成例行任务的字符界面相比，图形用户界面有许多优点。图形用户界面由窗口、下拉菜单、对话框及其相应的控制机制构成，在各种新式应用程序中都是标准化的，即相同的操作总是以同样的方式来完成，在图形用户界面，用户看到和操作的都是图形对象，应用的是计算机图形学的技术。

如图4所示，ESP-M1无线模块核心处理器采用高性价比的ESP8285芯片；ESP8285芯片在较小尺寸封装中集成了增强版的Tensilica’s L106钻石系列32-bit内核处理器并带上SRAM；ESP8285拥有完整的Wi-Fi网络功能，既能够独立应用，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。当ESP8285 托管应用时，能够直接从外接Flash中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并且优化存储系统。此外ESP8285只需通过SPI/SDIO接口或I2C/UART口即可作为Wi-Fi适配器，应用到基于STM32控制器中。

如图5所示，步进电机驱动模块采用MC33931芯片；ESP8285芯片中 33931H桥用于控制感性负载，电流高达5.0峰值。RMS电流能力是受的程度散热器提供给器件封装。内部峰值电流限制的负载电流激活上述6.5± 1.5A.输出负载可以是脉宽调制在频率高达11千赫。负载电流反馈功能提供了一个比例，比例为负载电流的0.24％，适合于由一个监测电流输出单片机的A/D输入。可以实现欠压状态标志输出报告，过电流和过温故障。

如图6所示，电机电流检测模块采用AD8211YRJZ芯片，用于对电机进行电流测试，便于实现电机控制的电流闭环。

如图7所示，电机测速模块采用SN74LVC2G17芯片；SN74LVC2G17芯片对1.65V-5.5V的VCC引脚进行操作为输入提供迟滞，再通过MCU内部的定时器进行测速。

如图8所示，肌电流采集模块通过电极贴片对信号进行采集；肌电流采集模块通过整流电路、平滑电路以及信号放大再通过STM32内部ADC进行采集。

如图9所示，膝关节康复机器人的系统工作流程步骤如下：

步骤S1：获取RCC时钟频率；

步骤S2：设置滴答定时器；

步骤S3：配置电极控制PWM参数；

步骤S4：初始化所有外设；

步骤S5：开机初始化ESP状态变量；

步骤S6：判断定时器是否到1ms时间；

若超过1ms，则执行步骤S7；

若不足1ms，则执行步骤S9；

步骤S7：将led设置成1ms显示方式；

步骤S8：调用ESP相关模式处理函数；

步骤S9：执行ESP的接收指令；

步骤S10：再次判断定时器是否到1ms时间；

若超过1ms，则执行步骤S11；

若不足1ms，则执行步骤S13；

步骤S11：设置电机PWM数值；

步骤S12：ESP执行1s处理函数；

步骤S13：判断定时器是否到1min时间；

若超过1min，则执行步骤S14；

若不足1min，则执行步骤S15；

步骤S14：ESP执行1min处理函数；

步骤S15：判断串口1是否接收到数据；

若是，则执行步骤S16；

若否，则执行步骤S17；

步骤S16：执行处理函数；

步骤S17：获取速度值；

步骤S18：获取ADC数值；

步骤S19：返回至步骤S6，依次循环。

本实施例的一个具体应用为：

在系统供电后，MCU首先对整体电路进行初始化，包括对数据的初始化，对各GPIO口的初始化，初始化需要延时一段时间，防止之前数据对之后数据的影响。系统设计了中断触发的模式来检测是否有高低电平的变化，外部中断是由于外部干扰而发生的计算机系统中断，无论是来自用户、外围设备，其他硬件设备还是通过网络。这些与机器通过程序指令读取时自动发生的内部中断不同，整个系统在正常情况下只进行主要功能的实现或者休眠模式，同时一直检测外部设备引脚是否有中断触发的信号，一旦有外部中断触发后，整个硬件进入中断功能的实现，然后在中断结束后，设备自动恢复到之前的状态。

初始化完成后，人机交互界面启动，等待用户操作，通过RS-485通讯读取康复机器人数据并在HMI串口屏上显示，用户通过串口并进行相应操作，MCU实时采集相关用户操作数据并进行处理，控制步进电机推动进而实现康复运动，系统流程如图9所示。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本实用新型的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种膝关节康复机器人，包括MCU电路、电源供电模块、人机交互模块、步进电机驱动模块、ESP-M1无线模块、电机电流检测模块、电机测速模块、肌电流采集模块和HMI串口触摸屏；其特征在于：

所述ESP-M1无线模块用于实现无线通讯并传输数据；所述ESP-M1无线模块通过RS-485总线将HMI串口触摸屏与MCU进行通信连接；所述人机交互模块用于人与机器的可视化交互、训练模式的选择；所述步进电机驱动模块用于驱动步进电机实现电机运动方式的控制；

所述MUC分别与电源供电模块、人机交互模块、步进电机驱动模块、ESP-M1无线模块、电机电流检测模块、电机测速模块和肌电流采集模块通过串口连接。

2.根据权利要求1所述的一种膝关节康复机器人，其特征在于，所述MCU选用STM32F373RBT6作为主控芯片；所述STM32F373RBT6的Cortex-M4引脚实现电机的驱动、串口功能以及数据包的推送。

3.根据权利要求1所述的一种膝关节康复机器人，其特征在于，所述人机交互模块为USART HMI智能串口屏；所述USART HMI智能串口屏内部设置有GUI，用于通过串口通信对控件上的参数进行修改。

4.根据权利要求1所述的一种膝关节康复机器人，其特征在于，所述ESP-M1无线模块采用ESP8285芯片；所述ESP8285芯片内集成了内核处理器并带上SRAM；所述ESP8285芯片内置有高速缓冲存储器。

5.根据权利要求1所述的一种膝关节康复机器人，其特征在于，所述步进电机驱动模块采用MC33931芯片；所述ESP8285芯片中33931H桥用于控制感性负载。

6.根据权利要求1所述的一种膝关节康复机器人，其特征在于，所述电机电流检测模块采用AD8211YRJZ芯片，用于对电机进行电流测试。

7.根据权利要求1所述的一种膝关节康复机器人，其特征在于，所述电机测速模块采用SN74LVC2G17芯片；所述SN74LVC2G17芯片对VCC引脚进行操作为输入提供迟滞，再通过MCU内部的定时器进行测速。

8.根据权利要求1所述的一种膝关节康复机器人，其特征在于，所述肌电流采集模块通过电极贴片对信号进行采集；所述肌电流采集模块通过整流电路、平滑电路以及信号放大再通过STM32内部ADC进行采集。

Images