申请/专利权人：中国工程物理研究院总体工程研究所

申请日：2019-02-13

公开（公告）日：2021-09-21

公开（公告）号：CN109692104B

主分类号：G06F13/00(20060101)

分类号：G06F13/00(20060101);A61H1/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.09.21#授权;2019.05.28#实质审查的生效;2019.04.30#公开

摘要：本发明公开了医疗康复外骨骼交互式同步控制系统，包括位置编码器、力矩传感器、运动姿态采集装置、康复外骨骼控制器与外骨骼驱动装置；运动姿态采集装置包括惯性测量单元与信号处理模块；惯性测量单元与信号处理模块相连，位置编码器、力矩传感器分别与康复外骨骼控制器相连；位置编码器设置于外骨骼驱动装置，外骨骼驱动装置与康复外骨骼控制器相连。本发明引入医师与患者之间交互活动，同步控制患者跟随医师的姿态运动，提升康复方案准确性及效率；将医护人员从繁重、机械的治疗过程中解放出来，对患者施以精准、稳定的作用，提高康复训练的效果和效率。

主权项：1.医疗康复外骨骼交互式同步控制系统，其特征在于，包括位置编码器、力矩传感器、运动姿态采集装置、康复外骨骼控制器、外骨骼驱动装置；所述运动姿态采集装置包括惯性测量单元与信号处理模块；所述惯性测量单元与信号处理模块相连，用于采集医师肢体各关节的运动参数；所述位置编码器、所述力矩传感器分别与所述康复外骨骼控制器相连；所述位置编码器设置于所述外骨骼驱动装置上，用于测量康复外骨骼机器人各关节角度；所述信号处理模块与所述康复外骨骼控制器相连；所述外骨骼驱动装置与所述康复外骨骼控制器相连，用于带动康复外骨骼机器人各关节运动；所述惯性测量单元包括三轴加速度传感器与三轴陀螺仪；所述三轴加速度传感器、所述三轴陀螺仪分别与所述信号处理模块相连；医疗康复外骨骼交互式同步控制系统是由如下步骤实现的，包括：S1.康复外骨骼控制器通过运动姿态采集装置采集医师肢体各关节的运动参数，包括三轴加速度和三轴角速度；S2.康复外骨骼控制器根据采集的运动参数，横坐标为时间，纵坐标为医师肢体各关节的角度，计算医师肢体各关节运动参数的运动曲线A；S3.设定各关节的安全力矩阈值，将医师肢体各关节的运动参数作为康复外骨骼机器人各关节运动的目标参数，外骨骼驱动电机在康复外骨骼控制器控制下带动康复外骨骼机器人各关节做同步运动；S4.康复外骨骼控制器通过位置编码器测量康复外骨骼机器人各关节角度位置，通过计算或者力矩传感器测量得到康复外骨骼机器人各关节的力矩反馈值，建立康复外骨骼机器人各关节的反馈运动曲线B；S5.判断康复外骨骼机器人各关节的力矩反馈值是否小于安全力矩阈值，若是，则外骨骼驱动电机按照医师肢体各关节运动参数的运动曲线进行位置伺服运行；否则外骨骼驱动电机保持当前运动位置不变。

全文数据：医疗康复外骨骼交互式同步控制系统及方法技术领域本发明属于医疗康复外骨骼技术领域，尤其涉及医疗康复外骨骼交互式同步控制系统及方法。背景技术急性脑血管疾病、脊柱损伤、脑外伤等引起的神经受损会导致人体运动功能障碍。现代医学理论和临床医学证明，运动功能障碍患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用，不仅能够活动肌肉关节，防止挛缩，还能促进修复相应受损的神经区域。患者进行康复治疗前，需要医师对患者的肢体运动功能状态进行诊断，以确定患者当前的肢体运动能力与范围，并设定合适的康复训练方案。传统康复外骨骼缺少医师对患者肢体运动功能状态直观的诊断途径，医师通过手动搬动患者肢体的方式来诊断患者肢体运动功能状态，尤其是对于下肢肢体瘫痪或高度僵直状态的患者，费时费力。而传统康复外骨骼的方式仅是通过设定外骨骼带动患者肢体缓慢运动来判断患者状态。受限于外骨骼控制方式，医师与患者之间隔着外骨骼，操作缺乏灵活性，诊断缺乏直观性；医师与患者的交互性差。传统康复外骨骼设定康复训练姿态曲线的方式机械化，缺少灵活性，康复训练姿态曲线不能根据不同患者的实际情况准确方便的修改调整。传统的康复治疗是一名乃至数名医师对一位患者进行徒手训练治疗，劳动强度大、康复效率低，或者传统康复外骨骼的康复训练方案制定是通过人工输入康复训练曲线，缺少灵活性，无法对肢体在运动过程中的速度、加速度等细节参数的进行准确灵活的调整。发明内容本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供医疗康复外骨骼交互式同步控制系统，包括位置编码器、力矩传感器、运动姿态采集装置、康复外骨骼控制器与外骨骼驱动装置；所述运动姿态采集装置包括惯性测量单元与信号处理模块；所述惯性测量单元与信号处理模块相连，用于采集医师肢体各关节的运动参数；所述位置编码器、力矩传感器分别与康复外骨骼控制器相连；所述位置编码器设置于外骨骼驱动装置，用于测量患者外骨骼各关节角度θfb；所述信号处理模块与康复外骨骼控制器相连；所述外骨骼驱动装置与康复外骨骼控制器相连，用于带动患者外骨骼各关节运动。进一步的，所述惯性测量单元包括三轴加速度传感器与三轴陀螺仪；所述三轴加速度传感器与三轴陀螺仪分别与信号处理模块相连。医疗康复外骨骼交互式同步控制方法，包括如下步骤：S1.康复外骨骼控制器通过运动姿态采集装置采集医师肢体各关节的运动参数，包括三轴加速度[axk，ayk，azk]和三轴角速度[ωxk，ωyk，ωzk]；S2.康复外骨骼控制器根据采集的运动参数，计算医师肢体各关节运动参数的运动曲线A；S3.设定各关节的安全力矩阈值Tlimit，将医师肢体各关节的运动参数作为患者外骨骼各关节运动的目标参数，外骨骼驱动电机在康复外骨骼控制器控制下带动患者外骨骼各关节做同步运动；S4.康复外骨骼控制器获取患者外骨骼各关节的力矩反馈值Tfbk，建立患者外骨骼各关节的反馈运动曲线B；S5.判断患者外骨骼各关节的力矩反馈值Tfbk是否小于安全力矩阈值Tlimit，若是，则外骨骼驱动电机按照医师肢体各关节运动参数的运动曲线进行位置伺服运行；否则外骨骼驱动电机保持当前运动位置不变。本发明的有益效果在于：本发明能够引入医师与患者之间交互活动，在保证安全的前提下同步控制患者跟随医师的姿态运动，增强医师诊断的直观性与灵活性。同时，医师可以通过自身肢体运动来进行不同患者的康复训练曲线的设定与调整，提升了康复方案制订的准确性及效率；本发明将医护人员从繁重、机械的治疗过程中解放出来，对患者施以精准、稳定的作用，提高康复训练的效果和效率。附图说明图1是医疗康复外骨骼交互式同步控制系统的原理图；图2是以医师肢体各关节运动参数为目标参数的控制原理图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1所示，本发明医疗康复外骨骼交互式同步控制系统，包括位置编码器、力矩传感器、运动姿态采集装置、康复外骨骼控制器与外骨骼驱动装置；所述运动姿态采集装置包括惯性测量单元与信号处理模块；所述惯性测量单元与信号处理模块相连，用于采集医师肢体各关节的运动参数；所述位置编码器、力矩传感器分别与康复外骨骼控制器相连；所述位置编码器设置于外骨骼驱动装置，用于测量患者外骨骼各关节角度θfb；所述信号处理模块与康复外骨骼控制器相连；所述外骨骼驱动装置与康复外骨骼控制器相连，用于带动患者外骨骼各关节运动。进一步的，所述惯性测量单元包括三轴加速度传感器与三轴陀螺仪；所述三轴加速度传感器与三轴陀螺仪分别与信号处理模块相连。医疗康复外骨骼交互式同步控制方法，包括如下步骤：S1.康复外骨骼控制器通过运动姿态采集装置采集医师肢体各关节的运动参数，包括三轴加速度[axk，ayk，azk]和三轴角速度[ωxk，ωyk，ωzk]；S2.康复外骨骼控制器根据采集的运动参数，以横坐标为时间，纵坐标为医师肢体各关节的角度，建立运动曲线A，计算医师肢体各关节运动参数的运动曲线A；S3.设定各关节的安全力矩阈值Tlimit，将医师肢体各关节的运动参数作为患者外骨骼各关节运动的目标参数，外骨骼驱动电机在康复外骨骼控制器控制下带动患者外骨骼各关节做同步运动；S4.康复外骨骼控制器通过位置编码器测量患者外骨骼各关节角度位置θfb，通过计算或者力矩传感器测量得到患者外骨骼各关节的力矩反馈值Tfbk，并建立患者外骨骼各关节的反馈运动曲线B；S5.判断患者外骨骼各关节的力矩反馈值Tfbk是否小于安全力矩阈值Tlimit，若是，则外骨骼驱动电机按照医师肢体各关节运动参数的运动曲线进行位置伺服运行；否则外骨骼驱动电机保持当前运动位置不变。运动参数包括下肢运动参数为髋关节角度θhipk、髋关节角速度ωhipk、髋关节角加速度ahipk、膝关节角度θkneek、膝关节角速度ωkneek和膝关节角加速度akneek，上肢运动参数为肩关节角度θshoulderk、肩关节角速度ωshoulderk、肩关节角加速度ashoulderk、肘关节角度θelbowk、肘关节角速度ωelbowk和肘关节角加速度aelbowk。医师穿戴上运动姿态采集装置，运动姿态采集装置可以是穿戴式的惯性测量单元，也可以是基于视觉的运动捕捉系统。惯性测量单元的输出信号由信号处理模块处理，然后将数据信息传输给康复外骨骼控制器，传输方式可以是有线传输，也可以是无线传输。信号处理模块可以安装在穿戴式的惯性测量单元上，也可以集成在康复外骨骼控制器里。外骨骼关节处或电机内部安装有位置编码器用于测量各关节角度θfb，通过计算或者力矩传感器测量得到关节力矩Tfb。医师根据目标姿态曲线A与反馈姿态曲线B的差异对患者的运动功能状态进行直观的诊断和评估。系统设定一个判定阈值θp自动进行评估，当目标姿态曲线A与反馈姿态曲线B的差小于θp时，认为患者肢体运动能力状态能够达到医师设定目标，反之则不能。如附图2所示，以医师肢体各关节运动参数为目标参数的控制原理图，实现外骨骼关节角度反馈调节。系统获取医师关节角度、角速度及角加速度，通过位置环调节器、速度环调节器实现位置及速度调节。康复外骨骼控制器采集并存储的医师肢体各关节运动姿态曲线可以直接作为患者的目标康复训练曲线，同时医师可以通过改变自身运动来同步调整目标康复训练曲线，灵活方便。本发明能够引入医师与患者之间交互活动，在保证安全的前提下同步控制患者跟随医师的姿态运动，增强医师诊断的直观性与灵活性。同时，医师可以通过自身肢体运动来进行不同患者的康复训练曲线的设定与调整，提升了康复方案制订的准确性及效率；本发明将医护人员从繁重、机械的治疗过程中解放出来，对患者施以精准、稳定的作用，提高康复训练的效果和效率。本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

权利要求：1.医疗康复外骨骼交互式同步控制系统，其特征在于，包括位置编码器、力矩传感器、运动姿态采集装置、康复外骨骼控制器与外骨骼驱动装置；所述运动姿态采集装置包括惯性测量单元与信号处理模块；所述惯性测量单元与信号处理模块相连，用于采集医师肢体各关节的运动参数；所述位置编码器、力矩传感器分别与康复外骨骼控制器相连；所述位置编码器设置于外骨骼驱动装置，用于测量患者外骨骼各关节角度θfb；所述信号处理模块与康复外骨骼控制器相连；所述外骨骼驱动装置与康复外骨骼控制器相连，用于带动患者外骨骼各关节运动。2.根据权利要求1所述医疗康复外骨骼交互式同步控制系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括三轴加速度传感器与三轴陀螺仪；所述三轴加速度传感器与三轴陀螺仪分别与信号处理模块相连。3.医疗康复外骨骼交互式同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.康复外骨骼控制器通过运动姿态采集装置采集医师肢体各关节的运动参数，包括三轴加速度[axk，ayk，azk]和三轴角速度[ωxk，ωyk，ωzk]；S2.康复外骨骼控制器根据采集的运动参数，计算医师肢体各关节运动参数的运动曲线A；S3.设定各关节的安全力矩阈值Tlimit，将医师肢体各关节的运动参数作为患者外骨骼各关节运动的目标参数，外骨骼驱动电机在康复外骨骼控制器控制下带动患者外骨骼各关节做同步运动；S4.康复外骨骼控制器获取患者外骨骼各关节的力矩反馈值Tfbk，建立患者外骨骼各关节的反馈运动曲线B；S5.判断患者外骨骼各关节的力矩反馈值Tfbk是否小于安全力矩阈值Tlimit，若是，则外骨骼驱动电机按照医师肢体各关节运动参数的运动曲线进行位置伺服运行；否则外骨骼驱动电机保持当前运动位置不变。4.根据权利要求3所述医疗康复外骨骼交互式同步控制方法，其特征在于，所述S2步骤中，计算医师肢体各关节运动参数的运动曲线A的具体步骤包括：横坐标为时间，纵坐标为医师肢体各关节的角度，建立运动曲线A。5.根据权利要求3所述医疗康复外骨骼交互式同步控制方法，其特征在于，所述S4具体步骤包括：康复外骨骼控制器通过位置编码器测量患者外骨骼各关节角度位置θfb，通过计算或者力矩传感器测量得到患者外骨骼各关节的力矩反馈值Tfbk。6.根据权利要求3所述医疗康复外骨骼交互式同步控制方法，其特征在于，所述运动参数包括髋关节角度θhipk、髋关节角速度ωhipk、髋关节角加速度ahipk、膝关节角度θkneek、膝关节角速度ωkneek、膝关节角加速度akneek、肩关节角度θshoulderk、肩关节角速度ωshoulderk、肩关节角加速度ashoulderk、肘关节角度θelbowk、肘关节角速度ωelbowk和肘关节角加速度aelbowk。

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