一种基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统的制作方法

技术特征：
1.一种基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，包括座椅式下肢康复机器人、足底压力采集调速系统、运动环境仿真系统；其特征在于：所述的座椅式下肢康复机器人包括座椅单元、下肢运动单元、控制单元、人机操作界面单元和主体框架；足底压力采集调速系统包括压力采集鞋垫和微型处理器；运动环境仿真系统包括环绕座椅放置的三块led屏幕；所述的座椅式下肢康复机器人包括可调节座椅、由髋、膝、踝三关节和具有三个自由度连杆机构的下肢运动单元、基于多轴运动控制卡的控制单元、人机操作界面单元、主体框架；座椅通过电动推杆提供动力，电动推杆的一端通过转动副铰接在框架上，另一端则通过转动副铰接在座椅靠背；髋、膝、踝三个关节设置独立电机实现独立运动；关节之间通过多个连杆和传动部件连接，各个连杆之间通过转动副连接，髋关节的一端通过同步轮采用过盈配合安装在轴套上，另一端与大腿部分固定连接；膝关节和踝关节分别与大腿、小腿连接，三个关节处使用螺栓拧紧；髋关节通过电机带动减速器，并通过带传动将动力传递给外骨骼腿部上侧部分，从而带动人体髋关节运动；膝关节与踝关节均通过电机带动减速器，直接将动力传递给人体小腿与足弓；运动控制单元通过多轴运动控制卡完成下肢外骨骼三个关节的协同运动；人机操作界面单元用于开机后各关节初始位置找零工作和单关节独立运动操作；所述的足底压力采集调速系统包括压力采集鞋垫和微型处理器；压力采集鞋垫上布置有压力传感器，鞋垫固定在下肢运动单元的脚掌支撑上；运动中的足底压力集中于人体的大脚趾、第一跖骨、第五跖骨和足跟，压力传感器分布在人体脚部的这四个位置，压力采集单元采用左右各四路压力采集；八路压力采集做均值处理作为调速的触发信号；微型处理器通过对压力传感器的信号进行识别比对处理，然后对运动控制卡发出相应的指令，通过足底压力变化引起座椅运动速度的变化，实现下肢运动单元各关节的协调运动；患者足底压力改变时，压力信号传递给pc并在虚拟动画界面显示压力数据；同时传递给下肢康复椅的运动控制卡根据对应的设定速度进行调速；所述的运动环境仿真系统画面由三块led显示屏环绕在座椅式下肢康复机器人周边显示，令患者置身虚拟环境进行训练；屏幕上显示当前骑行速度和累计的里程；虚拟环境动画基于vrml建模语言设计，vrml通过插补器和软件中的时钟传感器完成动画；虚拟环境的插补器节点接受来自时钟传感器的时钟传输实现动画效果；时钟传感器的控制参数传递到插补器，根据预设的画面关键值和关键点，在动画渲染时自动进行线性插值完成虚拟动画的搭建；下肢康复座椅运动变速时单片机将变速信号传递给时钟控制器，产生变速参数令显示动画速度也发生相应变化，实现机器与画面的协调变速。2.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的足底压力采集调速系统设定有0.25m/s、0.5m/s、0.75m/s和1.0m/s四个调速档，分别对应0～22n、25～47n、50～72n、76～100n不同压力阈值下的骑行速度，每个档位之间保留2～3n的无效压力数值，以减弱康复训练期间足底压力跳变带来的系统紊乱影响，保证系统的流畅运行。3.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的足底压力采集调速系统压力信号的转化过程为：足底压力传感器将压力转化为阻值信号，经rfp转换模块的处理将阻值信号转换为电信号，并传递给stm32f103单片机，stm32f103单片机再将处理过的电信号传递给a/d转换模块，接着由a/d转换模块输出数字
信号到串口通信模块，pc上位机接收到串口通信模块传递来的压力值后，会在虚拟动画界面显示具体压力数据。4.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的运动环境仿真系统设计有多种运动模式。5.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的座椅式下肢康复机器人的主体框架由7050航空铝材搭建。6.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的可调节座椅的椅背角度能够自行调整。7.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的大腿和小腿的连杆长度均可调。8.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的足底压力采集调速系统以我国男性平均体重66kg为压力阈值基准，用标定好的八路压力传感器对人体垂直站立在地面上和坐在康复椅上两种情况进行测量，得到的垂直站立时平均压力为100n；坐在康复椅上的平均压力为16n。9.如权利要求1所述的基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，其特征在于：所述的髋关节的另一端采用螺栓与大腿部分连接；膝关节和踝关节与大腿、小腿采用键连接；鞋垫采用胶接固定在下肢运动单元的脚掌支撑上。

技术总结
本发明公开了一种基于足底压力主动调速的下肢康复集成系统，包括座椅式下肢康复机器人、足底压力采集调速系统、运动环境仿真系统；座椅式下肢康复机器人包括座椅单元、下肢运动单元、控制单元、人机操作界面单元和主体框架，足底压力采集调速系统包括压力采集鞋垫和微型处理器，运动环境仿真系统包括环绕座椅放置的三块LED屏幕。本发明结合足底压力主动调速和虚拟现实仿真环境，由座椅式下肢康复机器人的下肢运动单元带动患者进行康复训练。压力调速的档位设定能够满足患者自主的运动需求，化被动训练为主动训练，避免了形成固有的运动模式，提升训练乐趣，可极大提高患者参与康复训练的积极性与参与感；同时实现康复运动的数字化与可视化。化与可视化。化与可视化。


技术研发人员：陈凯 武子健 于大川 马艳敏 谭富林
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2021.12.27
技术公布日：2022/3/8