[发明专利]基于虚拟场景交互的康复训练机器人系统及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种康复训练机器人技术，具体涉及一种基于虚拟场景交互的康复训练机器人系统及其使用方法。

背景技术

康复训练机器人已成为康复医学工程与机器人领域跨学科的研究热点，而随着科技的进步，功能单一化的康复训练机器人已不能满足日益增长的康复训练的多种需要，功能更为强大的康复训练机器人系统已成为康复机器人新的发展方向。机器人辅助训练作为近十年来一种方兴未艾的智能化康复治疗技术，得到各发达国家的普遍重视。

康复训练机器人不仅可以将理疗师从医患一对一甚至多对一的繁重康复过程中解放出来，而且可以对因脑卒中(中风)和脊髓损伤等引起的肢体运动功能障碍患者进行安全可靠、自适应与针对性强的康复训练，通过定量运动、实时监测可以为患者提供更加科学的康复训练模式，将运动康复疗法通过自动化康复设备付诸实践，同时将虚拟现实技术与机器人技术相结合，通过多通道的信息反馈，激励中风患者实现主动的康复训练，对于提高肢体运动功能障碍患者的康复质量、促进患者的及早康复、减轻社会负担具有重要意义。

然而，现有的康复训练器机器人系统中多数缺乏情景交互能力，不利于患者积极主动地投入康复训练，而有情景交互的康复训练机器人系统中，多数仅针对康复训练机器人自身进行了简单的交互设计，交互系统由于信息捕获等原因非常依赖于自身硬件系统设计，而各个交互系统对于硬件要求并不相同，导致其移植性和拓展性非常差，同时，为了采集人体的运动信息，往往需要让患者佩戴上很多传感器设备，进而造成患者的心理抵触和身体不适。交互中仅采用视觉和听觉的现有康复训练机器人系统不足以带给患者逼真的沉浸感和交互体验，以至于不能更好地激励患者进行主动的康复训练。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于虚拟场景交互的康复训练机器人系统及其使用方法。

技术方案：本发明所述的一种基于虚拟场景交互的康复训练机器人系统，包括虚拟交互场景模块、视觉信息采集模块、生理参数采集模块、力测量模块、状态监控模块、指令生成模块和康复训练机器人，其中，虚拟交互场景模块为患者提供实时的视觉和听觉交互；视觉信息采集模块由摄像头实时采集患者的体感信息并作为虚拟交互场景模块的输入；生理参数采集模块实现患者康复训练过程中的实时生理信息采集；力测量模块负责检测患者康复训练过程中与康复训练机器人之间的各向作用力；状态监控模块实时监控整个康复训练过程，同时负责汇集生理参数采集模块采集到的患者生理参数、力测量模块测得的作用力以及康复训练机器人的运动状态并以友好的人机交互界面显示；指令生成模块由医生或基于专家系统开发的决策软件根据状态监控模块提供的信息或虚拟交互场景模块提供的虚拟场景交互信息及时生成虚拟交互场景模块和康复训练机器人所需的控制指令，并拥有紧急制动指令发布等保护功能；康复训练机器人负责实现主动康复情形下的力反馈输出和被动康复训练情形下牵引患者进行康复训练。

进一步的，所述虚拟交互场景模块根据患者自主意愿或者患者康复状态选择合适的场景，在虚拟交互场景中设有虚拟代理，可以实时响应患者的动作，虚拟交互场景模块根据视觉信息采集模块所采集的患者康复训练体感信息做出实时的交互响应，计算并输出虚拟代理与虚拟环境间的作用力关系，包括虚拟环境中虚拟代理的碰撞检测虚拟力信息给指令生成模块，作为生成康复训练机器人提供力反馈的指令所需的参考，并可以接收指令生成模块发出的场景或交互模式转换指令。

进一步的，所述视觉信息采集模块使用Kinect摄像头采集患者的体感信息，然后通过通信连接将其发送给虚拟交互场景模块。

进一步的，所述生理参数采集模块佩戴在患者身上，采集患者的生理参数，并将生理参数数据通过无线通信发送给状态监控模块。

进一步的，所述力测量模块包括测力传感器和放大接口电路(可以用现有的也可以用自己设计的，没有特殊要求)，实时测量患者与康复训练机器人之间的作用力，并将作用力信息通过无线通信发送给状态监控模块。

进一步的，所述状态监控模块汇集(这里意思是这个模块接收并显示很多信息)和显示患者生理参数、作用力数据以及康复训练机器人的运动状态，实时监控整个康复训练过程，并将所得信息发送给指令生成模块。

进一步的，所述指令生成模块根据状态监控模块提供的信息或虚拟交互场景模块提供的虚拟场景交互信息，由医生或基于专家系统开发的决策软件及时生成虚拟交互场景模块和康复训练机器人所需的控制指令，并拥有紧急制动指令发布功能。