[发明专利]基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统

摘要

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。

主权项

1.一种基于虚拟现实的多功能下肢康复集成系统，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；其特征在于：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)；负向转矩：T＝N×(f_m‑f₀)/(f₀‑f_p)  (2)；所述的辅助医疗模块中外骨骼有三个转动关节串联二乘，其各个关节的运动轨迹通过运动学反解求出，并且通过扭矩传感器和力传感器进行实时插补，从而实现对患者下肢的驱动功能；所述的运动控制系统主要通过工控机完成下肢外骨骼三个关节的协同运动，根据机构反解生成运动文件，由多轴运动控制器完成各个电机的实时控制，反解过程见式(3)；其中(x,y)表示踏板末端位置信息，l₁,l₂,l₃分别表示外骨骼连杆长度，θ₁,θ₂,θ₃分别表示各个关节连杆与水平面夹角大小；根据受力平衡原理，将各个关节的扭矩传感器测得的驱动力矩作为反馈值，反馈给运动控制卡，从而实时调整电机输出力矩的大小，进而保证适应不同病患对康复过程的需求，力矩平衡公式如式(4)～(6)：M₂＝(G₂₁+G₂₂)×((L₂/2)cosθ₂)+(G₃₁+G₃₂)×(L₂cosθ₂+(L₃/2)cos(θ₂+θ₃))  (5)；M₃＝(G₃₁+G₃₂)×((L₃/2)cosθ₃)  (6)；其中M₁,M₂,M₃分别表示髋关节、膝关节以及踝关节的驱动力矩；G₁₁,G₁₂分别表示大腿以及外骨骼大腿部分的重量，G₂₁,G₂₂分别表示小腿以及外骨骼小腿部分的重量，G₃₁,G₃₂分别表示足部以及外骨骼足部的重量；通过电机编码器将各关节的运动参数进行反馈；运动控制器与工控机的通讯模式采用C/S模式，即TCP/IP协议，工控机为服务器端，运动控制器为客户端；当二者间建立连接后，工控机将医生的指令以套接字的形式传递给运动控制器，驱动外骨骼各个关键运动，而患者在整个康复过程中的运动数据均存储在工控机中，供后续康复参考；各个关节的扭矩传感器、底板处力传感器均与多轴运动控制器通讯，实时反馈患者下肢各个关节的力信号，作为决定下一阶段康复疗程的判断依据；所述的虚拟现实系统通过结合患者的康复程度与医生所推荐的康复模式，将虚拟现实场景分为初期康复环境、中期康复环境、后期康复环境；初期康复环境主要模拟患者在公路骑车下坡的场景，康复系统机械部分为患者下肢各个关节提供助力的作用，且助力大小随着康复过程的进行逐渐降低；中期康复环境模拟患者在公路平地骑自行车的场景，康复系统机械部分对患者提供的作用力保证各个关节匀速运动，且踏板检测到的力为一恒定值，其下肢各关节保持在零力输出状态；后期康复环境对应为模拟患者在公路骑车上坡的场景，外骨骼机器人为患者各个关节提供阻力的作用，并且阻力的大小随着康复的过程逐渐升高，直至整个康复过程结束；另外，在虚拟现实系统上可以显示患者的康复计划的具体日期，并显示每个阶段的推荐开始和结束日期；在装置工作时，显示屏上显示经过处理过的数据，简单明了的看出患者所处的康复阶段；显示屏实时的显示当前骑行道路的坡度、骑行速度加速度以及外骨骼各个关节输出力的大小。