多模態感知反饋的醫療康復機器人系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，包括支撐框架（100），其特征在于，在所述支撐框架（100）上設置有：多模態感知腳踏板結構（200）；髖部結構（300）；體重支撐平衡結構（400）；控制系統（500）；安全裝置；情感感應模塊（600）；遠程交流模塊（700）；等。它解決現有技術中康復醫療活動主要依賴醫護人員完成，勞動強度大，訓練強度標準不一的技術問題。本發明在醫療康復訓練中代替醫療工作者，大大降低人力成本，提高康復訓練的精確度，個體適應性更強、康復效果好。
【專利說明】
多模態感知反饋的醫療康復機器人系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種醫療康復機器人，尤其涉及一種多模態感知反饋的醫療康復機器人系統。
【背景技術】
[0002]康復醫學是醫學一個新分支的學科，主要涉及到利用物理因子和方法(包括電、光、熱、聲、機械設備和主動活動)以診斷、治療和預防殘疾和疾病(包括疼痛)，消除或減輕功能障礙，幫助他們發揮殘留功能，恢復其生活能力，工作能力以重新回歸社會。主要面向慢性病人及傷殘者，強調功能上的康復，而且是強調體功能康復，使患者不但在身體上，而且在心理上和精神上得到康復。這些特點決定了康復，相對于醫院的“治療”，往往是一個漫長和持續的過程。
[0003]同時，由于康復醫護人員的緊缺以及復健步驟所需的高昂費用，傳統的(通過人力的)康復師和病人之間一對一的康復訓練面臨挑戰。這種高強度和特殊的康復介入手段使得我們不能只依賴于傳統的康復技術，我們需要借助科技的手段。醫療界已發展出很多幫助病人進行步態康復的方法。
[0004]機器人科技的引進可使醫療人員避免重復的體力勞動，更專注于康復的質量。機器人在這里代替了醫療人員的手，使得醫療人員通過調整機器人的設置把重心放在引導和監督機器人上。目前關于怎樣設計一個完全迎合康復過程中遇到的挑戰的機器人的研究還很有限。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術中，醫療康復主要依靠人力，康復機械人技術不成熟、應用少的技術問題，提供一種多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，逼真地模仿康復動作，以達到最好的康復效果。
[0006]為此，本發明采用如下技術方案:
[0007]—種多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，包括支撐框架(100)，其特征在于，在所述支撐框架(100)上設置有:
[0008]多模態感知腳踏板結構(200)，用于向使用者提供多種模擬的康復動作，并接受使用者反饋的信息；
[0009]髖部結構(300)，用于向使用者提供髖部的康復動作；
[0010]體重支撐平衡結構(400)，用于在使用者動作時向其提供支撐；
[0011 ]控制系統(500)，根據運動軌跡作出指令，協調康復動作中的腳步和胯部同時動作；
[0012]安全裝置，用于在緊急情況下安全地停止康復動作；
[0013]情感感應模塊(600)，用于感知和反饋使用者的情緒變化；
[0014]遠程交流模塊(700)，與互聯網連接，用于使處于遠端的醫護人員能和使用者在康復訓練過程中進行交流與指導。
[0015]進一步地，所述多模態感知腳踏板結構(200)包括一對腳踏板(201)，每一腳踏板(201)具有X軸、Y軸、Z軸及Θ軸四個方向的自由度，腳踏板可在第一動力裝置(202)的驅動下繞Θ軸轉動，同時，腳踏板可在第二動力裝置(203)作用下分別沿X軸、Y軸、Z軸發生位移，在腳踏板的下方設置有用于感應X軸、Y軸及Z軸方向上的壓力的負載傳感器(204)，負載傳感器連接控制系統(500)。
[0016]進一步地，所述髖部結構(300)包括可柔性地固定在使用者髖部的第一支架(301)，所述第一支架可在第三動力裝置(302)作用下旋轉、傾斜、彎曲和伸展。
[0017]進一步地，所述體重支撐平衡結構(400)包括:可固定于使用者的身體吊帶(401)、滑輪系統(402)、動力裝置(403)，身體吊帶與動力裝置之間通過繩索(404)和滑輪系統連接，所述體重支撐平衡結構還包括用于檢測繩索張力的張力檢測裝置。
[0018]進一步地，所述身體吊帶(401)具有用于固定臀部和骨盆的吊帶。
[0019]進一步地，所述多模態感知腳踏板結構(200)是可拆卸的，并且可以單獨使用。
[0020]進一步地，所述髖部結構(300)是可拆卸的，并且可以單獨使用。
[0021]進一步地，所述支撐框架(100)包括垂直支撐結構(101)、垂直移動滑架(102)和被動水平移動彈簧結構(103)。
[0022]進一步地，所述支撐框架(100)具有提供給使用者雙手支撐的一套臂架(104)。
[0023]本發明的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，在使用過程中，可收集使用者康復動作過程中的多種模態的信息，如反作用力、情緒等，并將該些信息反饋給控制系統，從而使醫療康復訓練成為針對不同個體的、滿足個體差異的定制型訓練活動，個體適應性更強，康復效果好；同時，通過遠程交流接口，可使處于遠端的醫護人員能和使用者在康復訓練過程中進行交流和指導，使用方便。綜上，本發明可在醫療康復訓練中代替醫療工作者，大大降低人力成本，提高康復訓練的精確度，康復效果好。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明支撐框架的結構示意圖；
[0025]圖2、圖3、圖4a_4e、圖5a_5b以及圖6為本發明多模態感知腳踏板結構的結構示意圖；
[0026]圖7為本發明髖部結構的結構示意圖；
[0027]圖8a、8b為本發明體重支撐平衡結構的結構示意圖；
[0028]圖9為本發明髖部結構的第一支架的細節圖；
[0029]圖10為本發明髖部結構的動力裝置的細節圖；
[0030]圖11為本發明髖部結構的第一支架與動力裝置的安裝圖；
[0031 ]圖12為本發明支撐框架的垂直支撐結構的示意圖；
[0032]圖13、14為本發明體重支撐平衡結構的使用狀態示意圖；
[0033]圖15為本發明的用狀態不意圖；
[0034]圖16為本發明控制系統的工作原理圖；
[0035]圖17a、17b為本發明情感感應模塊的工作原理圖；
[0036]圖18為本發明遠程交流模塊的工作原理圖；
[0037]圖19為本發明控制系統的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0038]如圖1-15所示，本發明的一種多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，包括支撐框架100，支撐框架100包括垂直支撐結構101、垂直移動滑架102和被動水平移動彈簧結構103，所述支撐框架100還具有提供給使用者雙手支撐的一套臂架104。
[0039]在支撐框架100上設置有:
[0040]多模態感知腳踏板結構200，用于向使用者提供多種模擬的康復動作，并接受使用者反饋的信息；多模態感知腳踏板結構200包括一對腳踏板201，每一腳踏板201具有X軸、Y軸、Z軸及Θ軸四個方向的自由度，腳踏板可在第一動力裝置202的驅動下繞Θ軸轉動，同時，腳踏板可在第二動力裝置203作用下分別沿X軸、Y軸、Z軸發生位移，在腳踏板的下方設置有用于感應X軸、Y軸及Z軸方向上的壓力的負載傳感器204，負載傳感器連接控制系統500。多模態感知腳踏板結構200是可拆卸的，并且可以單獨使用，也可以置于本發明中與本發明的其他裝置配合使用。如圖2、圖3、圖4a_4e、圖5a_5b以及圖6所示。
[0041 ]圖5a_5b示出了一個集成的6軸負載傳感器204位于腳踏板201的下方，以測量病人動力學。6軸負載傳感器204利用所述踏板的觸覺反饋來測量腳踏板201上的負荷和扭矩，并且可以顯示在人機交互界面，使醫護人員可以調整和控制，得到適合于個體的康復動作。康復動作可以設置成在平坦地面走動、凹凸不平的地面，上或下樓梯等不同情形。作為患者接受訓練的各個階段，本發明根據需要設置不同的任務，從平坦地面走動過渡到樓梯行走或斜坡行走等。同時可提供不同步態訓練課程。
[0042]髖部結構300，用于向使用者提供髖部的康復動作；髖部結構300包括可柔性地固定在使用者髖部的第一支架301，所述第一支架可在第三動力裝置302作用下旋轉、傾斜、彎曲和伸展。髖部結構300是可拆卸的，并且可以單獨使用，也可以置于本發明中與本發明的其他裝置配合使用。如圖7、9-11所示。
[0043]體重支撐平衡結構400，用于在使用者動作時向其提供支撐;體重支撐平衡結構400包括:可固定于使用者的身體吊帶401、滑輪系統402、動力裝置403，身體吊帶與動力裝置之間通過繩索404和滑輪系統連接，所述體重支撐平衡結構還包括用于檢測繩索張力的張力檢測裝置。如圖8a、8b、13以及14所示。身體吊帶401具有用于固定臀部和骨盆的吊帶，通過利用附著到臀部/骨盆的吊帶，提供骨盆穩定化，并調整對髖部結構300的體重支承系統。
[0044]控制系統500，根據運動軌跡作出指令，協調康復動作中的腳步和胯部同時動作；圖19示出了本發明控制系統的一種實施例。
[0045]安全裝置，用于在緊急情況下安全地停止康復動作；
[0046]情感感應模塊600，用于感知和反饋使用者的情緒變化；17a、17b示出了本發明情感感應模塊的工作原理圖；從事一些設定康復任務的病人的生理信號被記錄，然后進行處理和識別以確定病人的情感狀態，情感狀態信息被輸入控制系統從而由控制器來決定接下來的操作過程。控制器發出指定指示本發明的醫療康復機器人系統，識別誰是正在與機器人進行交互的主體，然后決定具體的康復動作。
[0047]如17b所示，情感感應模塊600首先采集使用者的情緒狀態信息，存儲使用者的情緒狀態信息，建立用戶的情緒狀態的模型，定制用戶與系統之間的交互，更新用戶影響模型，以反映用戶的響應;且可隨時間改變，更新并建立用戶的行為，以形成一個更完整的模型。
[0048]遠程交流模塊700，與互聯網連接，用于使處于遠端的醫護人員能和使用者在康復訓練過程中進行交流與指導。圖19示出了本發明遠程交流模塊的工作原理圖。
[0049]本發明中，在使用本發明提供的醫療康復機器人系統進行康復訓練的意義上，“使用者”與“患者”、“病人”具有同一意義。
[0050]本發明的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，可顯著增強患者的神經系統和肌肉損傷或功能障礙康復訓練的質量和效益。同時，減輕了康復醫護人員的體力勞動強度，允許康復醫護人員將重點放在康復方案的制定、康復指導、使用者反應觀察等方面，從而為使用者提供更加精確的康復治療方案。
[0051]不同于傳統的跑步機式傳送帶，本發明的醫療康復機器人的多模態感知腳踏板結構200具有觸覺反應，擁有8個自由度來幫助病人下肢康復訓練，每個腳踏板具有4個自由度，即:具有X軸和Y軸、Z軸、Θ軸方向上的自由度，均靠皮帶傳動，X軸上具有線性驅動器、Θ軸具有高扭矩諧波驅動和皮帶傳動驅動的伺服電機，腳踏板結構200還有力感應器和可調式腳踏板附件通過感應反饋病人和腳踏板之間力的作用來調節輔助病人的步態訓練，同時允許病人在不同的地形反復訓練，根據不同軟硬度的平坦地面、不平地面以及升降樓梯坡道等引導病人設計不同的步態訓練方案，并允許病人在訓練中調整和預設可接受的訓練流程和方案。一個持續的體重支撐平衡結構400用來支持病人動作時產生的Y軸、Z軸上的位移，髖部結構300的第一支架301具有柔性驅動器根據胯部尺寸來調節裝置、調整傾斜度的自由度和皮帶傳動的胯部扭轉自由度。如圖17a、17b所示，情感感應模塊600是一個“情緒中介模塊”，該模塊搜集和記錄病人在執行每項任務時的生態信號，并分析出病人此時的情緒狀態。通過收集和記錄存儲病人的情緒狀態信息，建立病人情緒狀態的模型并產生交互影響反映出病人情緒反應隨時間和訓練的變化。如圖19所示，一臺通用的計算機通過適當地調配安裝應用軟件后，可作為康復機器人的控制系統，理療師通過電腦與病人遠程交流，并通過實時觀察病人的數據來提供醫療康復訓練建議。
【主權項】
1.一種多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，包括支撐框架(100)，其特征在于，在所述支撐框架(100)上設置有: 多模態感知腳踏板結構(200)，用于向使用者提供多種模擬的康復動作，并接受使用者反饋的信息； 髖部結構(300)，用于向使用者提供髖部的康復動作； 體重支撐平衡結構(400)，用于在使用者動作時向其提供支撐； 控制系統(500 )，根據運動軌跡作出指令，協調康復動作中的腳步和胯部同時動作； 安全裝置，用于在緊急情況下安全地停止康復動作； 情感感應模塊(600)，用于感知和反饋使用者的情緒變化； 遠程交流模塊(700)，與互聯網連接，用于使處于遠端的醫護人員能和使用者在康復訓練過程中進行交流與指導。2.根據權利要求書I所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述多模態感知腳踏板結構(200 )包括一對腳踏板(201)，每一腳踏板(201)具有X軸、Y軸、Z軸及Θ軸四個方向的自由度，腳踏板可在第一動力裝置(202)的驅動下繞Θ軸轉動，同時，腳踏板可在第二動力裝置(203)作用下分別沿X軸、Y軸、Z軸發生位移，在腳踏板的下方設置有用于感應X軸、Y軸及Z軸方向上的壓力的負載傳感器(204)，負載傳感器連接控制系統(500)。3.根據權利要求書I所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述髖部結構(300)包括可柔性地固定在使用者髖部的第一支架(301)，所述第一支架可在第三動力裝置(302)作用下旋轉、傾斜、彎曲和伸展。4.根據權利要求書I所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述體重支撐平衡結構(400)包括:可固定于使用者的身體吊帶(401)、滑輪系統(402)、動力裝置(403)，身體吊帶與動力裝置之間通過繩索(404)和滑輪系統連接，所述體重支撐平衡結構還包括用于檢測繩索張力的張力檢測裝置。5.根據權利要求書4所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述身體吊帶(401)具有用于固定臀部和骨盆的吊帶。6.根據權利要求書I所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述多模態感知腳踏板結構(200)是可拆卸的，并且可以單獨使用。7.根據權利要求書I所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述髖部結構(300)是可拆卸的，并且可以單獨使用。8.根據權利要求書I所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述支撐框架(100)包括垂直支撐結構(101)、垂直移動滑架(102)和被動水平移動彈簧結構(103)。9.根據權利要求書I所述的多模態感知反饋的醫療康復機器人系統，其特征在于:所述支撐框架(100)具有提供給使用者雙手支撐的一套臂架(104)。
【文檔編號】A61B5/16GK106074076SQ201610395235
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月4日 公開號201610395235.4, CN 106074076 A, CN 106074076A, CN 201610395235, CN-A-106074076, CN106074076 A, CN106074076A, CN201610395235, CN201610395235.4
【發明人】胡建軍, 林堤梨
【申請人】浙江侍維波機器人科技有限公司