一种沉浸式上下肢康复训练系统

1.本发明涉及康复训练技术领域，具体为一种沉浸式上下肢康复训练系统。


背景技术：

2.传统康复治疗需要依赖治疗师进行康复训练，一方面影响康复训练效率，无法进行居家康复，另一方面，其训练效果也受到治疗师水平的影响。随着经济的发展以及机器人技术的完善，使用康复机器人辅助患者进行自主康复已成发展的主流趋势。例如，针对肩关节康复训练机器人可基于治疗任务，带动患者上肢做出训练动作，有利于患者上肢力量的有效恢复以及上肢运动功能的康复。
3.沉浸式虚拟现实（immersive virtual reality ，简称ivr）提供参与者完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟世界之中的感觉。而由于虚拟现实技术具有逼真度高、临场感强、安全可靠等优势，已广泛应用于医疗辅助等领域，将康复训练与沉浸式虚拟现实结合也是一重大突破。
4.通过这几年的研究与发展，上下肢康复机器人领域已取得一些突破和进展，但是依旧存在一些不足。例如现有训练装置上的脚踏板，手摇杆等，主要通过主动或被动的单一方式进行，内容枯燥，缺乏正向反馈，降低康复训练的积极性和训练效果，又如现有训练装置缺乏正向反馈机制，影响患者康复疗效，因此，新设计的康复训练装置必须在稳定性、安全性、趣味性、可反馈性等方面有所突破，将传统的物理康复与虚拟现实技术相结合，在肢体功能恢复的不同时期，通过主动和被动训练相结合的不同组合模式，根据患者肢体活动能力匹配个体化治疗方案，同时给予正向反馈，调动病患进行康复训练的积极性。
5.为此需要设计一种沉浸式上下肢康复训练系统，以便于解决上述中提出的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种沉浸式上下肢康复训练系统，以解决上述背景技术提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种沉浸式上下肢康复训练系统，包括训练方舱和康复训练机构，所述康复训练机构安装于训练方舱内，所述训练方舱的左侧舱板上开设有舱口，且舱口内通过驱动机构密封安装有舱门；所述康复训练机构包括定位基座、训练座椅、高度角度调节杆、视觉传感器、vr眼罩、上位机控制器、无线上下肢跟踪套器和vr第三视角显示器，所述定位基座固定安装于括训练方舱的内底壁，所述训练座椅可拆式安装于定位基座上，且康复者坐立于训练座椅上，由安全带固定，所述vr眼罩佩戴于康复者的头上并位于双目位置，所述训练座椅的背靠板上固定安装有高度角度调节杆，且视觉传感器安装于高度角度调节杆上，所述高度角度调节杆可调整视觉传感器的高度和角度；所述上位机控制器设于定位基座上，所述无线上下肢跟踪套器套于康复者的双臂及脚踝上，且无线上下肢跟踪套器与上位机控制器通过gps卫星信号连接，所述定位基座上
还安装有定位架，且定位架的顶端安装有与vr眼罩电连的vr第三视角显示器，所述vr第三视角显示器正对康复者。
8.优选的，所述定位基座的顶部固定连接有承置腿，且承置腿的顶端固定连接有载体，所述上位机控制器置于载体上。
9.优选的，所述驱动机构包括安置箱、步进电机a、动力强轴、套环、焊接杆和单向透镜，所述训练方舱的左侧舱板上固定安装有安置箱，且安置箱的内壁固定安装步进电机a，所述步进电机a的输出端固定连接动力强轴，且动力强轴的表面固定连接有套环，所述套环的底部固定连接有焊接杆，且焊接杆的另一端固定连接有单向透镜，所述单向透镜固定安装于舱门上，且单向透镜位于舱门上的150cm处，所述舱门的正面贴于舱口的位置并将其封堵。
10.优选的，所述单向透镜可为门镜。
11.优选的，所述训练方舱的背面设有防盗口，且防盗口内设有防盗机构。
12.优选的，所述防盗机构由收缩槽、螺杆、闭合座和防盗门组成，所述收缩槽开设于训练方舱的右侧舱板内，且收缩槽前后两侧壁均转动连接有螺杆，所述螺杆上螺纹安装有闭合座，且两个闭合座上均固定连接有防盗门，所述防盗门滑动于收缩槽内，所述防盗门呈半圆柱形，且两个防盗门组成的圆柱直径与防盗口的直径相同，所述螺杆与舱板连接的一端设有传动机构。
13.优选的，所述传动机构包括步进电机b、驱动杆、齿轮a和齿轮b，两个所述螺杆相互远离的一端均固定连接有齿轮b，所述训练方舱的右侧舱板内固定安装有步进电机b，且步进电机b为双轴电机，所述步进电机b的两个输出端均固定连接有驱动杆，且驱动杆的另一端固定连接有于齿轮b啮合的齿轮a。
14.优选的，所述上位机控制器内包括上下肢康复机器人硬件电路板，其上下肢康复机器人硬件电路板可分为传感器数据采集模块、驱动控制电路模块、电源管理模块、主控制器模块、通信及调试接口模块和ad转换模块。
15.优选的，所述康复训练机构还包括有下肢脚踏训练器，且下肢脚踏训练器安装于定位基座上，所述训练座椅上还连接有用于束缚患者的魔术绑带。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）该沉浸式上下肢康复训练系统，训练系统中的控制中心采用模块化设计，有利于化整为零精简设计过程，通过将复杂的电路分解为固定模块，并对各个模块进行独立测试，提高电路设计质量。电路的模块化设计在复杂的pcb（printed circuit board）的并行设计领域发挥着良好的作用，而沉浸式的康复训练方式采用vr正反馈，其优势即有主动训练也有被动训练，进而使得康复者享受更加完善的上下肢康复治疗。
17.（2）该沉浸式上下肢康复训练系统，进入训练方舱内时需要先按动适配步进电机a的触碰开关，使伺服电话a带动动力强轴旋转，动力强轴带动套环摆动，进而使套环通过焊接杆带动舱门向存储舱体外摆动，以便康复者和医护人员进入训练方舱内，并且在舱门打开一段时间后，步进电机a自动反转，使得舱门再次将初入口封闭，避免外界环境对康复训练的干扰，营造沉浸式的训练环境中，提高康复训练效果。
18.（3）该沉浸式上下肢康复训练系统，在正常使用防盗门时，步进电机b启动，步进电机b输出端通过驱动杆带动齿轮a转动，齿轮a带动齿轮b旋转，使得齿轮b带动螺杆旋转，从
而使得其上的两个闭合座相离移动，此时两个防盗门相离移动并解除对防盗口的封锁，打开一段时间后，其步进电机b反转，使得两个防盗门相向移动并对防盗口进行封锁，使用简单，安全系数高。
附图说明
19.图1为本发明结构正剖图；图2为本发明结构康复训练机构的示意图；图3为本发明结构图1另一种状态的示意图；图4为本发明结构左侧剖图；图5为本发明结构右侧剖图；图6为本发明结构图5另一种状态的示意图；图7为本发明结构上下肢康复机器人硬件电路板的总体结构图；图8为本发明结构力矩传感器的放大电路图。
20.图中：1、训练方舱；2、康复训练机构；201、训练座椅；202、高度角度调节杆；203、视觉传感器；204、vr眼罩；205、上位机控制器；206、无线上下肢跟踪套器；207、定位架；208、vr第三视角显示器；209、下肢脚踏训练器；210、魔术绑带；3、舱口；4、安置箱；5、步进电机a；6、动力强轴；7、套环；8、焊接杆；9、单向透镜；10、舱门；11、防盗口；12、收缩槽；13、螺杆；14、闭合座；15、防盗门；16、步进电机b；17、驱动杆；18、齿轮a；19、齿轮b；20、承置腿；21、载体。
具体实施方式
21.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，都属于本发明保护的范围。
22.请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种沉浸式上下肢康复训练系统，包括训练方舱1和康复训练机构2，康复训练机构2安装于训练方舱1内，训练方舱1的左侧舱板上开设有舱口3，且舱口3内通过驱动机构密封安装有舱门10；康复训练机构2包括定位基座、训练座椅201、高度角度调节杆202、视觉传感器203、vr眼罩204、上位机控制器205、无线上下肢跟踪套器206和vr第三视角显示器208，定位基座固定安装于括训练方舱1的内底壁，训练座椅201可拆式安装于定位基座上，且康复者坐立于训练座椅201上，vr眼罩204佩戴于康复者的头上并位于双目位置，训练座椅201的背靠板上固定安装有高度角度调节杆202，且视觉传感器203安装于高度角度调节杆202上，高度角度调节杆202可调整视觉传感器203的高度和角度；上位机控制器205设于定位基座上，无线上下肢跟踪套器206套于康复者的双臂及脚踝上，且无线上下肢跟踪套器206与上位机控制器205通过gps卫星信号连接，定位基座上还安装有定位架207，且定位架207的顶端安装有与vr眼罩204电连的vr第三视角显示器208，vr第三视角显示器208正对康复者，vr第三视角显示器208显示的内容与vr眼罩204显示的内容同步，以便医护人员和陪护人员观察到训练内容。
23.定位基座的顶部固定连接有承置腿20，且承置腿20的顶端固定连接有载体21，上
位机控制器205置于载体21上。
24.驱动机构包括安置箱4、步进电机a5、动力强轴6、套环7、焊接杆8和单向透镜9，训练方舱1的左侧舱板上固定安装有安置箱4，且安置箱4的内壁固定安装步进电机a5，步进电机a5的输出端固定连接动力强轴6，且动力强轴6的表面固定连接有套环7，套环7的底部固定连接有焊接杆8，且焊接杆8的另一端固定连接有单向透镜9，单向透镜9固定安装于舱门10上，且单向透镜9位于舱门10上的150cm处，舱门10的正面贴于舱口3的位置并将其封堵。
25.单向透镜9可为门镜，并设于高度150cm的位置，以便观察。
26.训练方舱1的背面设有防盗口11，且防盗口11内设有防盗机构。
27.防盗机构由收缩槽12、螺杆13、闭合座14和防盗门15组成，收缩槽12开设于训练方舱1的右侧舱板内，且收缩槽12前后两侧壁均转动连接有螺杆13，螺杆13上螺纹安装有闭合座14，且两个闭合座14上均固定连接有防盗门15，防盗门15滑动于收缩槽12内，防盗门15呈半圆柱形，且两个防盗门15组成的圆柱直径与防盗口11的直径相同，螺杆13与舱板连接的一端设有传动机构。
28.传动机构包括步进电机b16、驱动杆17、齿轮a18和齿轮b19，两个螺杆13相互远离的一端均固定连接有齿轮b19，训练方舱1的右侧舱板内固定安装有步进电机b16，且步进电机b16为双轴电机，步进电机b16的两个输出端均固定连接有驱动杆17，且驱动杆17的另一端固定连接有于齿轮b19啮合的齿轮a18。
29.上位机控制器205内包括上下肢康复机器人硬件电路板，其上下肢康复机器人硬件电路板可分为传感器数据采集模块、驱动控制电路模块、电源管理模块、主控制器模块、通信及调试接口模块和ad转换模块。
30.康复训练机构2还包括有下肢脚踏训练器209，且下肢脚踏训练器209安装于定位基座上，患者训练时，双脚可踩于下肢脚踏训练器209的两个踏板上，以类似“骑自行车”的方式进行康复训练，训练座椅201上还连接有用于束缚患者的魔术绑带210，患者坐于训练座椅201上后，可将魔术绑带210系于其腰部，使其坐立更加稳健。
31.其中图7为上下肢康复机器人硬件电路板的总体结构图；该训练系统中的控制中心采用模块化设计，有利于化整为零精简设计过程，通过将复杂的电路分解为固定模块，并对各个模块进行独立测试，提高电路设计质量。电路的模块化设计在复杂的pcb（printed circuit board）的并行设计领域发挥着良好的作用，而沉浸式的康复训练方式采用vr正反馈，其优势即有主动训练也有被动训练，进而使得康复者享受更加完善的上下肢康复治疗。
32.其中图8为力矩传感器的放大电路图：外接电阻阻值设置为100ω，应变式力矩传感器的信号输入vf经过ad620后信号放大了495倍；2、3 引脚接待放大信号；引脚4和7接电源，范围在
±
2.3~
±
18v内即可；引脚5是参考端，将一个外围的电压输入到5号管脚ref端作为电压偏置，vout=(vf
ꢀ‑ꢀ
vf-)xg vref，确保输出结果不失真；6是放大后信号的输出端。而在ad620的前一段采用lm358d构成的一个电压跟随器来提高偏置电压，利用电压跟随器输入阻抗高，输出阻抗低的特点，隔离跟随器前后电路之间相互的影响。
33.本发明的具体实施方式为：本发明通过康复训练机构、训练座椅、高度角度调节杆、视觉传感器、vr眼罩、上位机控制器、无线上下肢跟踪套器、定位架和vr第三视角显示器，结合传感器数据采集模块、驱动控制电路模块、电源管理模块、主控制器模块、通信及调试接口模块和ad转换模块，实现了上肢康复训练过程的安全化、科学化、趣味化、系统化、个
性化和数据化。
34.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
35.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。