[发明专利]一种基于虚拟现实的下肢康复训练机器人系统

说明书

技术领域

本发明涉及下肢康复训练机器人技术，具体涉及一种基于虚拟现实的下肢康复训练机器人系统。

背景技术

康复训练机器人是康复医学工程与机器人工程的结合，已成为跨学科的前沿技术和研究热点。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，多数为简单的视觉、听觉反馈，不足以给患者带来逼真的沉浸感和交互体验，并且，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，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，提供一种基于虚拟现实的下肢康复训练机器人系统。

技术方案：本发明所述的一种基于虚拟现实的下肢康复训练机器人系统，包括虚拟交互场景模块、生理参数采集模块、人机交互模块、控制模块和下肢康复训练机器人；其中，所述生理参数采集模块实时采集患者康复训练过程中的生理参数信息，并传输给人机交互模块；所述人机交互模块实时监控整个康复训练过程，并通过人际界面显示患者的生理参数信息、下肢康复训练机器人的运动状态以及下肢康复训练机器人所测得的与患者之间的各向作用力，然后将上述信息提供至控制模块；所述控制模块根据人机交互模块提供的信息和虚拟交互场景模块提供的虚拟场景交互信息，及时发布虚拟交互场景模块和康复训练机器人所需的控制指令；所述虚拟交互场景模块为患者提供实时的视觉和听觉交互，并将场景交互信息传给控制模块；所述下肢康复训练机器人根据控制模块的指令对患者进行康复训练；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相应场景，在虚拟交互场景中设有虚拟人物实时响应患者的动作，虚拟交互场景中结合所建立模型推断当前虚拟人物在虚拟场景中所受作用力，即可根据下肢康复训练机器人所发送的运行速度和运行位置信息，计算出当前虚拟人物模型在虚拟场景中所对应的运动姿态以及运动速度，其中，虚拟人物运动姿态为一个仅与下肢康复训练机器人运行位置线性相关的量，即下肢康复训练机器人运动至某一位置，虚拟人物对应一确定姿态，虚拟人物运动速度为一个仅与下肢康复训练机器人运行速度线性相关的量，即下肢康复训练机器人运动速度为某值时，虚拟人物对应一确定速度，根据运动姿态与运动速度对应预设公式计算得到所受的作用力，将所受作用力发送给控制模块，作为生成下肢康复训练机器人提供力反馈的指令所需的参考，并可以接收控制模块发出的场景或交互模式转换指令。

例如，在泳池虚拟场景中，虚拟人物做游泳运动，下肢康复训练机器人运行位置对应虚拟人物当前姿态，即可转化成当前虚拟人物在泳池中垂直于速度方向的截面积S，下肢康复训练机器人的运行速度即为虚拟人物当前运动速度V，定义公式F＝S*V，计算出当前虚拟人物所受泳池中水的阻力。

进一步的，所述下肢康复训练机器人包括机器人主体以及安装于机器人主体的编码器、直流电机和力传感器，患者坐于机器人主体中，编码器实时采集下肢康复训练机器人当前运行速度和运行位置，力传感器实时采集采集患者与康复训练机器人之间的各项作用力；下肢康复训练机器人用以实现被动康复训练情形下牵引患者进行康复训练和主动康复情形下的力反馈输出，通过蓝牙接收(下肢康复训练机器人蓝牙与控制器均属于机器人主体)控制模块输出的反馈力信息，下肢康复训练机器人控制器根据该信息调节直流电机转速，从而调节患者与下肢康复训练机器人之间的作用力。

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人机交互模块。