一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统

1.一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统，包括康复机器人机械臂（1）、虚拟训练环境客户端（2）、下位机控制系统（3）、网络通信单元（4）、上位机监控系统（5），其中康复机器人机械臂（1）分别和虚拟训练环境客户端（2）、下位机控制系统（3）互连，网络通信单元（4）分别于虚拟训练环境客户端（2）、下位机控制系统（3）、上位机监控系统(5)互连；其特征在于：所述康复机器人机械臂（1）包括底座(6)、第一和第二支撑杆固定部分(7、
8)、第一和第二支撑杆可伸缩部分（9、10）、第一和第二旋转摇杆（11、12）、显示器（13）和可变换结构的机械臂（14），其中第一和第二支撑杆的固定部分（7、8）分别安装在底座（6）上，第一、第二旋转摇杆（11、12）分别安装在对应的第一、第二支撑杆的固定部分（7、8）上，第一、第二支撑杆的可伸缩部分（9、10）分别安装在对应的第一、第二支撑杆的固定部分（7、
8）上，显示器（13）安装在第二支撑杆的可伸缩部分（10）上，可变换结构的机械臂（14）安装在第一支撑杆的可伸缩部分（9）上。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统，其特征在于所述可变换结构的机械臂（14）包括机械臂固定部分（15）、机械臂可旋转部分（16）、旋转轴（17），患者手柄（18）、托板（19）、肢体护板（20）、手柄连杆（21）、传动轴（22）、力传感器（23）、位置传感器（24）和直流力矩电机（25），机械臂可旋转部分（16）通过旋转轴（17）与机械臂固定部分（15）连接，直流力矩电机（25）安装在机械臂可旋转部分（16）内部，位置传感器（24）安装在直流力矩电机（25）的转轴上，传动轴（22）与直流力矩电机（25）的转轴相连，手柄连杆（21）安装在传动轴（22）上，肢体护板（20）安装在手柄连杆（21）上，托板（19）和患者手柄（18）安装在肢体护板（20）上，力传感器（23）安装在患者手柄（18）上。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统，其特征在于所述下位机控制系统（3）包括运动信号采集电路、信号调理电路、ARM系统电路、键盘电路、LCD显示电路、网络接口电路、存储卡电路、光耦隔离电路和驱动放大电路，其中运动信号采集电路的输入端与康复机器人机械臂（1）的运动信号输出端相连，运动信号采集电路的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端、键盘电路的输出端分别与ARM系统电路的输入端相连，LCD显示电路的输入端、光耦隔离电路的输入端分别与ARM系统电路的输出端相连，网络接口电路、存储卡电路与ARM系统电路互连，光耦隔离电路的输出端与驱动放大电路的输入端相连，驱动放大电路的输出端与康复机器人机械臂（1）的控制信号输入端相连，网络接口电路通过网络通信单元（4）与上位机监控系统（5）互连。

一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种康复机器人系统，具体为一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统。\n背景技术\n[0002] 康复机器人作为一种自动化康复医疗设备，以医学理论为依据，帮助患者进行科学而又有效的康复训练，可以使患者的运动机能得到更好的恢复。康复机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，康复训练在设定的程序下自动进行，可以自动评价康复训练效果，根据患者的实际情况调节运动参数，实现最佳训练。\n[0003] 康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。1991年，MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS；2005年，瑞士苏黎世大学的Nef等开发了一种新型的上肢康复机器人ARMin；1999年，Reinkensmeyer等研制了辅助和测量向导ARM-Guide；2000年，Rutgers和Stanford医学院研制了一套家用康复医疗机器人系统。国内用于康复医疗训练的机器人系统比较少，但也正在开展相关研究。清华大学在国家“863”计划支持下，从2000年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了一种上肢康复设备UECM；东南大学宋爱国等将力反馈遥感操作机器人技术应用于康复医疗，设计了基于互联网的，一对多的力觉辅助远程康复医疗机器人系统。\n[0004] 申请号为“200710168725.1”、名称为“一种穿戴式手功能康复机器人及其控制系统”，公开一种可穿戴式手功能康复机器人，主要用于辅助因脑中风、脑外伤、脊椎损伤以及周围神经损伤导致手运动功能障碍的患者在社区或者家庭中重复进行运动功能康复训练，这种康复机器人虽然自由度多，还加入了虚拟环境来提高患者的主动性与训练兴趣，但是其没有加入网络通信，患者只能够在医院或者相应的康复训练机构才能进行训练，属于典型的本地康复机器人。\n[0005] 申请号为“200810064878.6”、名称为“五自由度外骨骼式上肢康复机器人”该机器人为患者提供各关节的单关节运动与三维空间多关节复合运动，并提供简单、基本的日常生活动作训练，这种康复机器人虽然自由度比较多，动作范围较大，训练动作较一般康复机器人复杂，但是它没有加入虚拟训练环境，训练过程中患者难免会产生厌烦情绪，影响康复训练的效果。\n发明内容\n[0006] 为解决上述问题，本发明提出了一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统，通过改变机械臂的结构分别可以完成水平方向和竖直方向上的康复训练，加入虚拟训练环境使得整个康复训练过程不再那么乏味，提高了患者的参加康复训练的主动性和兴趣性，并且加入网络通信单元使得患者在家中就可以进行康复训练，而医师在医院就可以通过上位机监控系统实时的观察患者训练状态，发送康复训练指令。\n[0007] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：\n[0008] 本发明一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统，包括康复机器人机械臂、虚拟训练环境客户端、下位机控制系统、网络通信单元、上位机监控系统，其中康复机器人机械臂分别和虚拟训练环境客户端、下位控制系统互连，网络通信单元分别与虚拟训练环境客户端、下位机控制系统、上位机监控系统互连。\n[0009] 所述康复机器人机械臂包括底座、第一和第二支撑杆固定部分、第一和第二支撑杆可伸缩部分、第一和第二旋转摇杆、显示器、可变换结构的机械臂，其中第一和第二支撑杆的固定部分分别安装在底座上，第一、第二旋转摇杆分别安装在对应的第一、第二支撑杆的固定部分上，第一、第二支撑杆的可伸缩部分分别安装在对应的第一、第二支撑杆的固定部分上，显示器安装在第二支撑杆的可伸缩部分上，可变换结构的机械臂安装在第一支撑杆的可伸缩部分上。\n[0010] 所述可变换结构的机械臂包括机械臂固定部分、机械臂可旋转部分、旋转轴，患者手柄、托板、肢体护板、手柄连杆、传动轴、力传感器、位置传感器和直流力矩电机，机械臂可旋转部分通过旋转轴与机械臂固定部分连接，直流力矩电机安装在机械臂可旋转部分内部，位置传感器安装在直流力矩电机的转轴上，传动轴与直流力矩电机的转轴相连，手柄连杆安装在传动轴上，肢体护板安装在手柄连杆上，托板和患者手柄安装在肢体护板上，力传感器安装在患者手柄上。\n[0011] 所述下位机控制系统包括运动信号采集电路、信号调理电路、ARM系统电路、键盘电路、LCD显示电路、网络接口电路、存储卡电路、光耦隔离电路和驱动放大电路，其中运动信号采集电路的输入端与康复机器人机械臂的运动信号输出端相连，运动信号采集电路的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端、键盘电路的输出端分别与ARM系统电路的输入端相连，LCD显示电路的输入端、光耦隔离电路的输入端分别与ARM系统电路的输出端相连，网络接口电路、存储卡电路与ARM系统电路互连，光耦隔离电路的输出端与驱动放大电路的输入端相连，驱动放大电路的输出端与康复机器人机械臂的控制信号输入端相连，网络接口电路与上位机监控系统互连。\n[0012] 所述虚拟训练环境客户端包括运行虚拟训练环境软件的PC机和虚拟训练环境软件，所述虚拟训练环境软件采用OpenGL开发。\n[0013] 所述网络通信单元采用Internet进行网络通信。\n[0014] 与现有技术相比，本发明的主要优点有：\n[0015] 1、现有的康复机器人一般只能完成上肢或者下肢的康复训练，训练模式比较单一，而本发明通过转换机械臂的结构，可以完成水平方向上的上肢康复训练和竖直方向上的上肢或下肢的多功能康复训练。\n[0016] 2、加入了虚拟训练环境，给予患者视觉和力觉的反馈，使得患者更易于理解康复训练的要求，并在康复训练过程中为患者提供暗示和帮助，使得枯燥乏味的训练过程变得有趣生动，激发病人训练的主动性和积极性，达到更好的康复训练效果。\n[0017] 3、加入网络通信单元，患者既可以住院治疗，也可以进行远程康复训练，患者端和医生端采用客户机/服务器的方式，通过Internet连接，医生可以远程设置训练参数，控制机械臂的运动模式，训练过程中的力和位置信息以及视频信息通过Internet发送给医生，使医生可以监控到患者的训练情况，并及时地修改康复训练方案，有效地实现医患互动，提高诊疗效率。\n附图说明\n[0018] 图1为本发明的总体结构图；\n[0019] 图2为本发明的康复机器人机械臂的整体结构和外观示意图；\n[0020] 图3为本发明的可变换结构的机械臂的结构示意图；\n[0021] 图4为本发明的下位机控制系统的结构示意图；\n[0022] 图5为本发明的虚拟训练环境软件运行流程示意图；\n[0023] 图6为本发明的工作流程示意图。\n具体实施方式\n[0024] 下面参考附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。\n[0025] 如图1所示，本发明设计的一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统，它包括康复机器人机械部分1、虚拟训练环境客户端2、下位机控制系统3、网络通信单元4、上位机监控系统5，其中康复机器人机械臂1是带动患者的患肢进行康复训练的执行机构；虚拟训练环境客户端2提供与患者交互的虚拟环境场景，下位机控制系统3接收处理传感器采集的数据，接收上位机监控系统5的指令，控制整个系统的运行；网络通信单元4负责虚拟训练环境客户端2、下位机控制系统3、上位机监控系统5之间的数据通信、命令传输；上位机监控5实时显示康复训练数据供医师参考，然后设置康复训练参数，发送指令。\n[0026] 如图2所示，所述的康复机器人机械臂1包括底座6、第一和第二支撑杆固定部分\n7、8、第一和第二支撑杆可伸缩部分9、10、第一和第二旋转摇杆11、12、显示器13、可变换结构的机械臂14，其中第一和第二支撑杆的固定部分7、8分别安装在底座6上，第一、第二旋转摇杆11、12分别安装在对应的支撑杆的固定部分11、12上，第一、第二支撑杆的可伸缩部分9、10分别安装在对应的支撑杆的固定部分7、8上，显示器13安装在第二支撑杆的可伸缩部分10上，可变换结构的机械臂14安装在第一支撑杆的可伸缩部分9上，通过调整第一、第二旋转摇杆11、12来改变可变换结构的机械臂14和显示器13的高度达到适合患者进行康复训练的位置。\n[0027] 如图3所示，本发明所述的可变换结构的机械臂14包括机械臂固定部分15、机械臂可旋转部分16、旋转轴17，患者手柄18、托板19、肢体护板20、手柄连杆21、传动轴22、力传感器23、位置传感器24和直流力矩电机25，机械臂可旋转部分16通过旋转轴17与机械臂固定部分15连接，直流力矩电机25安装在机械臂可旋转部分16内部，位置传感器24安装在直流力矩电机25的转轴上，传动轴22与直流力矩电机25的转轴相连，手柄连杆21安装在传动轴22上，肢体护板20安装在手柄连杆21上，托板19和患者手柄18安装在肢体护板20上，力传感器23安装在患者手柄18上。在此结构下，患者将手臂放在托板19上并且握住患者手柄18，调整第一和第二旋转摇杆11、12直到可变换结构的机械臂14和显示器13达到适合患者上肢进行康复训练的位置后患者便可以进行竖直平面上的上肢康复训练；调整可变换结构的机械臂14到适合患者进行下肢康复训练的位置后，患者将脚放在托板19(此时托板19可以看成是踏板)上便可以进行的循环踏车式的下肢康复训练；当将机械臂可旋转部分16旋转90度后，取下托板19，同样调整可变换结构的机械臂14的到合适的位置后患者将手臂放在肢体护板20(此时肢体护板20可以看成是手臂的托板)并且握住患者手柄18便可以进行水平方向上的上肢康复训练了。\n[0028] 如图4所示，本发明所述下位机控制系统3包括位置信号采集电路、信号调理电路、ARM系统电路、键盘电路、LCD显示电路、网络接口电路、存储卡电路、光耦隔离电路和驱动放大电路，运动信号采集电路采集力传感器23(监测患者手臂与患者手柄18之间的作用力)和位置传感器24(监测机械臂的位置)的信号，将信号传送到信号调理电路进行调理放大后，送入ARM系统电路中进行处理后将数据传到网络接口电路中，通过网络通信单元4将数据传送到上位机监控5中供医师参考，医师通过上位机监控系统5发送指令经过网络通信单元4发送至网络接口电路上后送到ARM系统电路中，经过算法处理后发送PWM信号至光电隔离电路后，经过驱动放大电路后驱动直流力矩电机25运动。\n[0029] 如图5所示，本发明所述虚拟训练环境客户端2包括包括运行虚拟训练环境软件的PC机和虚拟训练环境软件，其中虚拟训练环境软件采用OpenGL开发。OpenGL是个专业的\n3D程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层3D图形库，采用虚拟现实技术，利用OpenGL绘制一个具有良好用户界面的游戏程序，以此作为患者康复训练的平台，是患者在游戏过程中不知不觉地完成锻炼，对患者的心理调节将起到积极地作用，本系统通过OpenGL来绘制训练所需的虚拟场景，游戏开始后，患者通过机械臂左右水平移动来控制赛车的左右方向来避开前面出现的障碍物，并且检测是否发生碰撞，如有碰撞发生，便发送指令产生力反馈给患者。\n[0030] 结合图1-6，本发明设计的一种基于虚拟训练环境的网络化康复机器人系统的工作原理和流程如下：将康复机器人的机械臂1放置在地面上，患者坐在相邻的椅子上，医师根据患者的情况选择是进行竖直方向上的上肢康复训练或者是下肢康复训练，还是水平方向上的上肢康复训练，下面以实施水平方向上的康复训练为例来介绍，将机械臂可旋转部分16旋转90度后，取下托板19，摇动第一和第二旋转摇杆11、12上调可变换结构的机械臂\n14和显示器13到合适的位置后，患者将手臂放在肢体护板20上，握紧患者手柄18，医师根据为患者设计的康复训练策略选择训练模式，设定训练参数，以及选择是否加入虚拟训练环境场景，如要求加入则选择合适的虚拟场景，开始训练，可变换结构的机械臂14中的力传感器23和位置传感器24实时采集康复训练数据供医师观察，后台程序记录这些康复训练数据，医师根据这些数据，掌握患者患肢的康复状况，及时改变康复训练策略使其更加适合患者患肢的康复训练要求，有利于患者的早日康复。