一种基于虚拟现实的下肢康复训练机器人系统的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

进一步的，所述控制模块由医生或基于专家系统开发的康复评估软件及时发布虚拟交互场景模块和下肢康复训练机器人的控制指令，根据患者生理参数和康复训练成效，实时调节康复训练强度，并拥有发布紧急制动指令的功能。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下区别技术特征：

(1)本发明采用实时的信息捕获及传递、控制指令生成与发布机制，控制过程连续、流畅，人机交互及时、友好，系统可实现稳定、安全的康复训练过程；

(2)本发明通过下肢康复训练机器人上的编码器获取运动速度及当前位置，作为虚拟现实场景中虚拟人物运动状态的参考输入信息，能够准确获取当前运动信息，减轻患者康复训练中的不适，降低康复训练机器人系统的成本；

(3)本发明中患者康复训练过程中可实时接收到多感官反馈：视觉、听觉和力触觉等，虚拟现实场景建模真实、运行稳定、可开发性强。相比大多数康复机器人，添加的力触觉反馈可以提高患者在康复训练过程中的沉浸感、真实感，极大地提高患者进行康复训练的主动性和积极性，显著改善康复训练效果；

(4)本发明可实现患者康复训练过程中的多种相关参数监控，可进行安全可靠、自适应与针对性强的康复训练。根据患者自身意愿和康复训练成效调整康复训练计划，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，并且能够保证患者康复训练过程的安全性。

综上所述，本发明采用下肢康复训练机器人自身的编码器作为获取运动信息的传感器，不依赖其余复杂的传感器，准确采集运动信息并作为虚拟场景中虚拟人物运动状态的输入信息；将视觉、听觉、力触觉反馈以及生理参数作为控制模块生成指令的参考，并且实时更新控制模块；虚拟现实场景建模真实、运行稳定、可开发性强，使得康复训练过程更加便捷、有效、有趣；整套系统结构简单、成本较低，康复训练过程更加友好。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的使用场景示意图；

图3为本发明的下肢康复训练机器人；

图4为本发明的一个虚拟交互场景示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明公开了一种基于虚拟现实的康复训练机器人系统，包括虚拟交互场景模块2、生理参数采集模块3、人机交互模块6、控制模块7和下肢康复训练机器人1，其中：虚拟交互场景模块2为患者4提供实时的视觉和听觉交互，下肢康复训练机器人1实时发送当前运动状态并作为虚拟交互场景模块2的输入，生理参数采集模块3实现患者4康复训练过程中的实时生理信息采集，人机交互模块6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3采集到的患者4生理参数、下肢康复训练机器人1的运动状态以及所测得的与患者的各向作用力并以友好的人机交互界面显示，控制模块7由医生或基于专家系统开发的康复评估软件根据人机交互模块6提供的信息或虚拟交互场景模块2提供的虚拟场景交互信息及时生成并发布虚拟交互场景模块2和下肢康复训练机器人1的控制指令，并拥有紧急制动指令等保护功能下肢康复训练机器人1包括编码器9、直流电机11、力传感器10以及机器人主体12，编码器9负责采集下肢康复训练机器人当前运行速度、运行位置，力传感器10用于测量患者4与下肢康复训练机器人1之间作用于足部的作用力：压力、牵引力，并能够将其通过蓝牙5发送给人机交互模块6，下肢康复训练机器人1用以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4进行康复训练。

虚拟交互场景模块2使用unity3d游戏引擎，开发有多种渐进式、目标导向型场景，可以根据患者4自主意愿或者患者康复训练成效选择合适的场景，在虚拟交互场景中设有虚拟人物，可以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，如在泳池虚拟场景中，虚拟人物13做游泳运动，下肢康复康复训练机器人1运行位置对应虚拟人物13当前姿态，即可转化成当前虚拟人物13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1的运行速度即为虚拟人物13当前运动速度v，定义公式f＝s*v，即可通过下肢康复训练机器人1所发送的运行速度、运行位置信息，计算出当前虚拟人物13所受泳池中水的阻力，将所得阻力发送给控制模块7，作为生成下肢康复训练机器人1提供力反馈的指令所需的参考，并可以接收控制模块7发出的场景或交互模式转换指令，及时响应，如图4所示，该场景可以让虚拟人物在其中进行运动，而该虚拟人物可以实时响应患者4的动作。

生理参数采集模块3基于stm32f103微控制器开发，采用现有电源管理电路、血压、脉搏和血氧饱和度参数的采集调理电路、蓝牙通信电路等，佩戴在患者4身上，采集患者4的生理参数包括血压、脉搏、血氧等，并能够将其通过蓝牙5发送给人机交互模块6。

人机交互模块6使用蓝牙5接收并在windows平台上以友好的人机交互界面汇集并显示生理参数采集模块3采集到的患者4生理参数，下肢康复训练机器人1的运动状态以及所测得的与患者4足部的各向作用力，并将所得信息发送给控制模块7。

控制模块7根据人机交互模块6提供的信息或虚拟交互场景模块6提供的虚拟场景交互信息，由医生或基于专家系统开发的康复评估软件及时生成及发布虚拟交互场景模块2和下肢康复训练机器人1的控制指令，根据患者4生理参数信息，实时调节康复训练强度，并拥有紧急制动指令等保护功能。

人机交互模块6、控制模块7和虚拟交互场景模块1共用同一计算机8，利用分屏实现人机交互模块6、控制模块7与虚拟交互场景模块2的分离显示和操作。

下肢康复训练机器人1采用末端牵引式轨迹规划控制下肢康复训练机器人，能够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4进行康复训练，并能够输出其运动状态，包括姿态、各部分运动位置、速度、加速度以及与患者4足部的各向作用力，力反馈的由下肢康复训练机器人驱动直流电机11控制产生。