CN111358660A - 一种下肢康复训练装置、方法计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的下肢康复训练装置，包括至少一组外骨骼、电机驱动模块、信号采集模块、运动监控模块、轨迹规划模块以及上位机模块，轨迹规划模块根据所述意图识别模块的判断结果、运动监控模块监控的运动状态和上位机模块的控制指令规划所述电机驱动模块的运动轨迹，上位机模块接收用户对康复训练的参数设定，并将所述参数生成控制指令发送至所述轨迹规划模块通过对装置进行模块化设计，便于产品的维护与升级，通过意图识别模块可以检测到用户的运动意图通过轨迹规划模块，调整用户所需的康复训练模式，无需医护人员参与，提高产品的易用性，实现可靠、稳定、安全的运动控制。本发明还提供了一种下肢康复训练及计算机设备。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种下肢康复训练装置、方法计算机设备。
背景技术
康复机器人是近年来机器人的重点研究领域。老年人、骨折患者、脑神经病患，都会遇到下肢肌肉萎缩的情况。站立下肢康复型机器人可以帮助人们运动腿部肌肉，进行康复训练，相较于康复技师，有着工作持久、感应灵敏、综合成本低等显著优势。由于站立下肢康复训练器的主要适用对象为老、弱、病群体，尤其需要考虑以下问题：用户使用时的安全问题；用户操作的方便问题；长期工作的稳定问题，目前急需要一种装置去解决这些问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种下肢康复训练装置、方法计算机设备，实现可靠、稳定、安全的运动控制。
第一方面，本发明提供一种下肢康复训练装置，包括：
至少一组外骨骼，具有多个关节，用于对下肢提供支撑；
电机驱动模块，设置在关节处，用于根据位置指令带动所述关节旋转；
信号采集模块，设置所述外骨骼上,包括第一采集单元和第二采集单元，用于采集下肢和所述外骨骼之间的压力信号，其中所述第一采集单元采集下肢前进方向上对外骨骼的第一压力信号，所述第二采集单元用于采集下肢对外骨骼施加阻挡的第二压力信号；
运动监控模块，用于检测所述外骨骼在下肢的带动下运动状态；
意图识别模块,用于在所述第一采集单元采集到第一压力信号达到第一预设阈值时确定为主动运动状态；
轨迹规划模块，用于根据所述意图识别模块的判断结果、运动监控模块监控的运动状态和上位机模块的控制指令规划所述电机驱动模块的运动轨迹；
上位机模块，用于提供交互界面并接收用户对康复训练的参数设定，并将所述参数生成控制指令发送至所述轨迹规划模块。
可选地，还包括：
痉挛判定模块，用于在所述第二采集单元采集到的第二压力信号达到第二预设阈值时确定为下肢痉挛。
可选地，还包括报警模块，用于在所述痉挛判定模块检测到下肢痉挛或电机驱动模块出现异常时向所述轨迹规划模块发出报警。
可选地，所述异常包括绝对编码器超差、过流、超速、过载、热过载、速度超差、母线过压、母线欠压、编码器断线或霍尔信号错误中一种或多种。
可选地，所述参数设定包括开始/停止训练、主被动/被动训练、左右腿的最大/最小运动角度、运动步速或痉挛检测灵敏度中一种或多种。
可选地，所述轨迹规划模块具体用于：
根据上位机模块的开关信号、下肢运动角度、运动步速，进行运动轨迹规划；
根据运动监控模块反馈的运动状态，监测下肢交替运动的对称性，在下肢都达到指定位置附近后，开始下一次运动轨迹规划；
根据痉挛判定模块的检测结果进行痉挛缓解轨迹规划，当痉挛发生时，将下肢维持在原处第一预设时间后沿原前进运动方向的相反方向减速运动，当在回到最低运动位置时停止，待停止达到第二预设时间时重新开始训练运动；
根据意图识别模块的判断结果进行主动运动轨迹规划，当接收到用户主动运动信号时，根据反馈力信号的强弱程度，线性提高运动步速，并重新进行轨迹规划，进入主动康复训练模式，当主动运动信号消失，根据反馈力信号的强弱程度，线性降低运动步速，并重新进行轨迹规划，回到被动康复训练模式；
根据报警模块的反馈信息，当电机驱动模块出现警报时，将电机驱动模块断电或保持原处。
可选地，所述信号采集模块包括力传感器、绝对值编码器、霍尔电流传感器或采样电阻。
可选地，所述外骨骼包括两组，分别用于支撑左下肢和右下肢。
第二方面，本发明提供一种下肢康复训练方法，应用于如上述的下肢康复训练装置，所述方法包括：
根据上位机模块的开关信号、下肢运动角度、运动步速，进行运动轨迹规划；
根据运动监控模块反馈的运动状态，监测下肢交替运动的对称性，在下肢都达到指定位置附近后，开始下一次运动轨迹规划；
根据痉挛判定模块的检测结果进行痉挛缓解轨迹规划，当痉挛发生时，将下肢维持在原处第一预设时间后沿原前进运动方向的相反方向减速运动，当在回到最低运动位置时停止，待停止达到第二预设时间时重新开始训练运动；
根据意图识别模块的判断结果进行主动运动轨迹规划，当接收到用户主动运动信号时，根据反馈力信号的强弱程度，线性提高运动步速，并重新进行轨迹规划，进入主动康复训练模式，当主动运动信号消失，根据反馈力信号的强弱程度，线性降低运动步速，并重新进行轨迹规划，回到被动康复训练模式；
根据报警模块的反馈信息，当电机驱动模块出现警报时，将电机驱动模块断电或保持原处。
第三方面，本发明提供一种计算设备，包括：处理器；存储有计算机程序代码的存储器；当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行上述的下肢康复训练方法。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供的下肢康复训练装置，包括至少一组外骨骼、电机驱动模块、信号采集模块、运动监控模块、轨迹规划模块以及上位机模块，轨迹规划模块根据所述意图识别模块的判断结果、运动监控模块监控的运动状态和上位机模块的控制指令规划所述电机驱动模块的运动轨迹，上位机模块接收用户对康复训练的参数设定，并将所述参数生成控制指令发送至所述轨迹规划模块通过对装置进行模块化设计，便于产品的维护与升级，通过意图识别模块可以检测到用户的运动意图通过轨迹规划模块，调整用户所需的康复训练模式，无需医护人员参与，提高产品的易用性，实现可靠、稳定、安全的运动控制。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的下肢康复训练装置的结构框图；
图2是本发明实施例中提供的下肢康复训练方法的流程图。
附图标记：电机驱动模块1，信号采集模块2，运动监控模块3，轨迹规划模块4，上位机模块5，痉挛判定模块6，意图识别模块7，报警模块8。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明提供一种下肢康复训练装置，包括：
至少一组外骨骼(图中未示出)，具有多个关节，用于对下肢提供支撑，下肢包括左腿和右腿，一组外骨骼用来支撑一侧下肢，外骨骼包括用于放置脚掌的踏板、与踏板转动连接的第一连杆、与所述第一连杆转动连接的第二连杆、与第二连杆转动连接的安装架，第一连杆和第二连杆上都设有用于容纳下肢的凹槽托板，下肢可以容纳在凹槽托板内，凹槽托板的截面呈“U”型，第一连杆和踏板之间形成第一关节，第一连杆和第二连杆之间形成第二关节，第二连杆和安装架之间形成第三关节，通过在关节上设置电极驱动模块可以实现关节的转动，进而可以辅助下肢进行运动，在一定程度上可以起到引导和支撑的作用；
电机驱动模块1，设置在关节处，用于根据位置指令带动所述关节旋转，可以包括电机、传动齿轮和减速器，通过控制电机的转速实现对外骨骼移动速度的控制，通过电机的正转和反转实现外骨骼的前进或倒退，电机驱动模块1与轨迹规划模块4电性连接，根据轨迹规划模块4的控制指令进行运行；
信号采集模块2，设置所述外骨骼上,包括第一采集单元和第二采集单元，还包括对电机驱动模块1进行数据采集的第三采集单元，用于采集下肢和所述外骨骼之间的压力信号，第一采集单元可以设置在踏板上，用户下肢踩在踏板上，第一采集单元可以持续检测到第一压力信号，第二采集单元设置在凹槽托板的内表面，下肢放置在凹槽托板内的时候可以接触到第二采集单元，其中所述第一采集单元采集下肢前进方向上对外骨骼的第一压力信号，所述第二采集单元用于采集下肢对外骨骼施加阻挡的第二压力信号，第三采集单元用于采集电机驱动模块1的运转情况，如电流、电压、是否过载、是否短路等；
运动监控模块3，用于检测所述外骨骼在下肢的带动下运动状态，用来监测下肢是否可以移动到指定位置，另外，在进行双下肢康复训练时候检测左右下肢运动的对称性，在停止工作时将外骨骼复位到最低点位置；
意图识别模块7,用于在所述第一采集单元采集到第一压力信号达到第一预设阈值时确定为主动运动状态，主要用于判断用户可以主动进行运动，这时可以线性提高运动速度，因为用户在试图主动运动时候会对踏板施加更多力，这时第一采集单元可以将检测到的第一压力信号与第一预设阈值进行比较，当达到第一预设阈值则认为用户有主动运动的意图进入主动运动状态，第一预设阈值可以通过多次预先试验统计得出，当第一压力信号没有到达第一预设阈值则继续保持原有速率进行运动，当然可以理解的是，为了提高准确性，可以增加时间限制，当持续一段时间内第一压力信号大于等于第一预设阈值则确定为进入主动运动状态，在进入主动运动状态后检测到第一压力信号低于第一预设阈值时则线性降低运动速度，可以检测到用户的运动意图，并通过轨迹规划模块4，调整用户所需的康复训练模式，无需医护人员参与，提高产品的易用性；
轨迹规划模块4，用于根据所述意图识别模块7的判断结果、运动监控模块3监控的运动状态和上位机模块5的控制指令规划所述电机驱动模块1的运动轨迹，根据上位机模块5的开关信号、下肢运动角度、运动步速，进行运动轨迹规划；根据运动监控模块3反馈的运动状态，监测下肢交替运动的对称性，在下肢都达到指定位置附近后，开始下一次运动轨迹规划；根据痉挛判定模块6的检测结果进行痉挛缓解轨迹规划，当痉挛发生时，将下肢维持在原处第一预设时间后沿原前进运动方向的相反方向减速运动，当在回到最低运动位置时停止，待停止达到第二预设时间时重新开始训练运动；根据意图识别模块7的判断结果进行主动运动轨迹规划，当接收到用户主动运动信号时，根据反馈力信号的强弱程度，线性提高运动步速，并重新进行轨迹规划，进入主动康复训练模式，当主动运动信号消失，根据反馈力信号的强弱程度，线性降低运动步速，并重新进行轨迹规划，回到被动康复训练模式；根据报警模块8的反馈信息，当电机驱动模块1出现警报时，将电机驱动模块1断电或保持原处；
上位机模块5，用于提供交互界面并接收用户对康复训练的参数设定，并将所述参数生成控制指令发送至所述轨迹规划模块4，上位机模块5的参数设定包括开始/停止训练、主被动/被动训练、左右腿的最大/最小运动角度、运动步速或痉挛检测灵敏度中一种或多种，上位机模块5可以包括显示器、输入装置，当然还可以采用触摸显示屏，便于进行参数设定。
为了避免用户在康复训练中突发情况造成损伤，本装置还包括痉挛判定模块6，肌肉痉挛是一种肌肉自发的强直性收缩。发生在小腿和脚趾的肌肉痉挛最常见，发作时疼痛难忍，可持续几秒到数十秒钟之久，通过痉挛判定模块6用来监测下肢运动过程中是否出现痉挛情况，在下肢发生痉挛时，腿部会出现紧绷情况，这时外骨骼继续运动则会收到下肢的阻挡，而设置在凹槽托板上的第二采集单元可以检测到第二压力信号，当第二压力信号达到第二预设阈值时确定为下肢痉挛，第二预设阈值也是通过预设多次试验统计获得，痉挛检测灵敏度的设定即是对第二预设阈值大小的设定，设定的值大则对应的痉挛检测灵敏度低，反之，设定的值小则对应的痉挛检测灵敏度高，当痉挛发生时将下肢维持在原处一段时间进行缓解，然后沿着原来运动方向的相反方向缓慢运动作进一步缓解，直到回到最低点位置时静止一段时间，之后恢复正常运动，停止的时间可以根据需要进行设定，具体不做限定，通过增加痉挛判定模块6实现对患者下肢痉挛状况的检测，并由轨迹规划模块4实现痉挛恢复处理，提高产品在下肢康复中的实用性。
报警模块8，用于在所述痉挛判定模块6检测到下肢痉挛或电机驱动模块1出现异常时向所述轨迹规划模块4发出报警，电机驱动模块1的异常包括绝对编码器超差、过流、超速、过载、热过载、速度超差、母线过压、母线欠压、编码器断线或霍尔信号错误中一种或多种，当出现告警时候轨迹规划模块4对电机驱动模块1进行下电，停止运动，避免对用户发生伤害。
可选地，所述信号采集模块2包括力传感器、绝对值编码器、霍尔电流传感器或采样电阻，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不作限定。
本实施例中，所述外骨骼包括两组，分别用于支撑左下肢和右下肢。
本发明提供的下肢康复训练装置，包括至少一组外骨骼，具有多个关节，用于对下肢提供支撑；电机驱动模块1，设置在关节处，用于根据位置指令带动所述关节旋转；信号采集模块2，设置所述外骨骼上,包括第一采集单元和第二采集单元，用于采集下肢和所述外骨骼之间的压力信号，其中所述第一采集单元采集下肢前进方向上对外骨骼的第一压力信号，所述第二采集单元用于采集下肢对外骨骼施加阻挡的第二压力信号；运动监控模块3，用于检测所述外骨骼在下肢的带动下运动状态；意图识别模块7,用于在所述第一采集单元采集到第一压力信号达到第一预设阈值时确定为主动运动状态；轨迹规划模块4，用于根据所述意图识别模块的判断结果、运动监控模块3监控的运动状态和上位机模块5的控制指令规划所述电机驱动模块1的运动轨迹；上位机模块5，用于提供交互界面并接收用户对康复训练的参数设定，并将所述参数生成控制指令发送至所述轨迹规划模块4，通过对装置进行模块化设计，便于产品的维护与升级，通过意图识别模块可以检测到用户的运动意图通过轨迹规划模块4，调整用户所需的康复训练模式，无需医护人员参与，提高产品的易用性，实现可靠、稳定、安全的运动控制。
结合图2所示，相应地，本发明提供一种下肢康复训练方法，应用于如上述的下肢康复训练装置，所述方法包括：
S201、根据上位机模块5的开关信号、下肢运动角度、运动步速，进行运动轨迹规划；
S202、根据运动监控模块3反馈的运动状态，监测下肢交替运动的对称性，在下肢都达到指定位置附近后，开始下一次运动轨迹规划；
S203、根据痉挛判定模块6的检测结果进行痉挛缓解轨迹规划，当痉挛发生时，将下肢维持在原处第一预设时间后沿原前进运动方向的相反方向减速运动，当在回到最低运动位置时停止，待停止达到第二预设时间时重新开始训练运动；
S204、根据意图识别模块7的判断结果进行主动运动轨迹规划，当接收到用户主动运动信号时，根据反馈力信号的强弱程度，线性提高运动步速，并重新进行轨迹规划，进入主动康复训练模式，当主动运动信号消失，根据反馈力信号的强弱程度，线性降低运动步速，并重新进行轨迹规划，回到被动康复训练模式；
S205、根据报警模块8的反馈信息，当电机驱动模块1出现警报时，将电机驱动模块1断电或保持原处。
本发明提供一种计算设备，包括：处理器；存储有计算机程序代码的存储器；当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行上述的下肢康复训练方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种下肢康复训练装置、方法计算机设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种下肢康复训练装置，其特征在于，包括：
至少一组外骨骼，具有多个关节，用于对下肢提供支撑；
电机驱动模块，设置在关节处，用于根据位置指令带动所述关节旋转；
信号采集模块，设置所述外骨骼上,包括第一采集单元和第二采集单元，用于采集下肢和所述外骨骼之间的压力信号，其中所述第一采集单元采集下肢前进方向上对外骨骼的第一压力信号，所述第二采集单元用于采集下肢对外骨骼施加阻挡的第二压力信号；
运动监控模块，用于检测所述外骨骼在下肢的带动下运动状态；
意图识别模块,用于在所述第一采集单元采集到第一压力信号达到第一预设阈值时确定为主动运动状态；
轨迹规划模块，用于根据所述意图识别模块的判断结果、运动监控模块监控的运动状态和上位机模块的控制指令规划所述电机驱动模块的运动轨迹；
上位机模块，用于提供交互界面并接收用户对康复训练的参数设定，并将所述参数生成控制指令发送至所述轨迹规划模块。
2.根据权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，还包括：
痉挛判定模块，用于在所述第二采集单元采集到的第二压力信号达到第二预设阈值时确定为下肢痉挛。
3.根据权利要求2所述的下肢康复训练装置，其特征在于，还包括报警模块，用于在所述痉挛判定模块检测到下肢痉挛或电机驱动模块出现异常时向所述轨迹规划模块发出报警。
4.根据权利要求3所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述异常包括绝对编码器超差、过流、超速、过载、热过载、速度超差、母线过压、母线欠压、编码器断线或霍尔信号错误中一种或多种。
5.根据权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述参数设定包括开始/停止训练、主被动/被动训练、左右腿的最大/最小运动角度、运动步速或痉挛检测灵敏度中一种或多种。
6.根据权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述轨迹规划模块具体用于：
根据上位机模块的开关信号、下肢运动角度、运动步速，进行运动轨迹规划；
根据运动监控模块反馈的运动状态，监测下肢交替运动的对称性，在下肢都达到指定位置附近后，开始下一次运动轨迹规划；
根据痉挛判定模块的检测结果进行痉挛缓解轨迹规划，当痉挛发生时，将下肢维持在原处第一预设时间后沿原前进运动方向的相反方向减速运动，当在回到最低运动位置时停止，待停止达到第二预设时间时重新开始训练运动；
根据意图识别模块的判断结果进行主动运动轨迹规划，当接收到用户主动运动信号时，根据反馈力信号的强弱程度，线性提高运动步速，并重新进行轨迹规划，进入主动康复训练模式，当主动运动信号消失，根据反馈力信号的强弱程度，线性降低运动步速，并重新进行轨迹规划，回到被动康复训练模式；
根据报警模块的反馈信息，当电机驱动模块出现警报时，将电机驱动模块断电或保持原处。
7.根据权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述信号采集模块包括力传感器、绝对值编码器、霍尔电流传感器或采样电阻。
8.根据权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述外骨骼包括两组，分别用于支撑左下肢和右下肢。
9.一种下肢康复训练方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8中任一项所述的下肢康复训练装置，所述方法包括：
根据上位机模块的开关信号、下肢运动角度、运动步速，进行运动轨迹规划；
根据运动监控模块反馈的运动状态，监测下肢交替运动的对称性，在下肢都达到指定位置附近后，开始下一次运动轨迹规划；
根据痉挛判定模块的检测结果进行痉挛缓解轨迹规划，当痉挛发生时，将下肢维持在原处第一预设时间后沿原前进运动方向的相反方向减速运动，当在回到最低运动位置时停止，待停止达到第二预设时间时重新开始训练运动；
根据意图识别模块的判断结果进行主动运动轨迹规划，当接收到用户主动运动信号时，根据反馈力信号的强弱程度，线性提高运动步速，并重新进行轨迹规划，进入主动康复训练模式，当主动运动信号消失，根据反馈力信号的强弱程度，线性降低运动步速，并重新进行轨迹规划，回到被动康复训练模式；
根据报警模块的反馈信息，当电机驱动模块出现警报时，将电机驱动模块断电或保持原处。
10.一种计算设备，包括：处理器；存储有计算机程序代码的存储器；当所述计算机程序代码被所述处理器运行时，导致所述计算设备执行权利要求1至8中任一项所述的下肢康复训练方法。
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