[发明专利]基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统

说明书

本发明涉及一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统。本发明辅助医疗模块主要通过物理连接带动康复患者下肢髋关节、膝关节以及踝关节的运动；传感检测模块主要通过检测辅助医疗模块所对应各个关键的力传感器信号，并将力信号反馈到运动控制模块中；运动控制模块主要通过运动控制卡控制辅助医疗模块中各个关节运动信号的插补计算，并将传感检测模块中反馈的力信号作为反馈信息，实时调整辅助医疗模块中各个关节的运动大小以及虚拟现实模块中的场景变化；虚拟现实模块主要为康复患者提供虚拟场景，并根据运动控制模块的信号进行实时调整，以适应患者对康复场景变化的需求。本发明为患者提供舒适、有趣的康复环境。

技术领域

本发明属于人-机交互医疗康复技术领域，涉及一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统。

背景技术

虚拟现实技术是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界图像传回产生临场感。随着虚拟现实技术的不断发展成熟，在虚拟现实系统的浸入式虚拟环境体验中，首先需要实时的检测到人体下肢运动状态，并将信息传递给虚拟现实系统和运动控制系统，从而为使用者提供与现实世界一致的虚拟场景。

本发明中一种交互式力与速度反馈的人体下肢运动康复设备，来操控虚拟环境中人体下肢的动作，并使人体下肢获得虚拟环境给予的反馈力和速度，人体下肢运动同样也会影响虚拟环境中的情景，实现使用者人体下肢运动的可靠的康复。使用此设备可以让使用者在虚拟环境中自然的进行康复医疗，在初期阶段，虚拟现实空间模拟出骑自行车下坡的场景，硬件通过电机对使用者下肢产生力，使使用者可以根据硬件的运动做出骑自行车下坡的动作。在中期阶段，虚拟现实空间模拟出平坡走路的场景，硬件将不对使用者下肢产生作用力，使用者依靠自身下肢的运动来实现走路运动。在后期阶段，虚拟现实空间模拟出骑车上坡的场景，硬件将对使用者下肢产生适当的阻力，使用者下肢对硬件发力，让使用者体验到上坡的感觉。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统。

本发明包括辅助医疗模块、传感检测模块、运动控制模块和虚拟现实模块。所述的辅助医疗模块包括与患者下肢物理连接的各个关节传动结构，传感检测模块由各个关节电机编码器、扭矩传感器以及多轴运动控制卡构成，通过扭矩传感器实时反馈患者关节位置输出信号，结合扭矩传感器反馈下肢各个关节的力输出信号组成，多轴控制控制卡实现多轴联动的功能。运动控制模块包含下肢关节的反解计算，力插补集成算法以及与虚拟现实模块交互的通讯算法，虚拟现实模块能够根据患者的运动实时的调整显示内容，从而为患者提供沉浸式的体验；

所述的辅助医疗模块包括下肢外骨骼髋关节、踝关节、膝关节以及可调节靠椅，下肢外骨骼髋关节、踝关节、膝关节以及可调节靠椅均设置在主体框架上。外骨骼关节之间的连接是由多个连杆和传动部件实现，各个连杆之间通过转动副连接，并通过绑带的形式与患者连接。靠背通过电动推杆提供动力，电动推杆的一端通过转动副铰接在地面，另一端则通过转动副铰接在座椅靠背。髋关节通过电机带动减速器，并通过带传动的方式将动力传递给外骨骼腿部上侧部分，从而带动人体髋关节运动；膝关节与踝关节均通过电机带动减速器，直接将动力传递给人体小腿与足弓部分。

所述的传感检测模块包括位于脚掌部位的力传感器和各个关节部位的扭矩传感器，用于捕捉并计量患者下肢的运动参数以及患者与外骨骼设备的交互力。力传感器是用于检测机械结构对人体下肢产生作用力大小，并且依据这项数据处理和反馈患者的康复情况，并调整接下来的康复计划。扭矩传感器是主要用于检测电机输出的驱动力或者制动力的大小，依据此项数据处理和反馈患者下肢各个关节输出力的大小，并用来检测外骨骼输出力是否超过患者所能承受极限，从而避免对患者产生二次伤害。扭矩传感器的转速以及转矩由公式(1)和(2)得到：

正向转矩：T＝N×(f_m-f₀)/(f_p-f₀) (1)；