一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组系统；所述系统包括人体体征数据采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制与康复评测模块、定位导航与建图模块、群组通信模块、智能交互模块、云平台；基于模块化的设计，针对不同特征患者，可实现对于人体下肢单双侧各关节的运动评测与康复训练；机器人群组采用MAS的组织特性控制，通过密切协作实现不同患者的单双侧下肢康复训练；基于无线自组网通信技术，各机器人将测量的位置、障碍物数据通过自组网汇总给基站，并构建地图，实现机器人群组的自主导航，大大提高群组机器人自主运动的能力；基于区域链技术，提高其数据传输与储存的安全性。

An Intelligent Interactive Robot Group System for Horizontal Lower Limb Rehabilitation in ICU Ward Based on Ad Hoc Navigation

The invention discloses a group system of horizontal lower limb rehabilitation intelligent interactive robots in ICU ward based on self-organizing network navigation, which includes human body signs data acquisition module, base module, lower limb exoskeleton, control and rehabilitation evaluation module, positioning navigation and mapping module, group communication module, intelligent interaction module, and so on. Cloud platform; based on modular design, for different patients with different characteristics, it can realize the motion evaluation and rehabilitation training of the unilateral and bilateral lower extremity joints of human body; MAS is used to control the organizational characteristics of the robot group, and the rehabilitation training of the unilateral and bilateral lower extremities of different patients is realized through close cooperation; based on wireless ad hoc network communication technology, Each robot aggregates the measured position and obstacle data to the base station through the ad hoc network, and constructs a map to realize the autonomous navigation of the group of robots, which greatly improves the autonomous movement ability of the group robots. Based on the region chain technology, the data transmission and storage security of the group robots is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组系统
本专利技术属于医疗康复器材领域，具体涉及一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组系统，满足重症加强护理病房不同患者的单双侧下肢康复评测及康复训练要求。
技术介绍
康复医学研究表明，脑瘫或下肢体损伤患者长期未进行下肢训练，会导致肌肉“废用性”萎缩而无法痊愈，因此，在术后重症加强护理病房（ICU）患者身体体征平稳后，应尽早进行肢体康复训练，有助于其恢复肢体正常功能；然而，由于脑瘫或下肢损伤患者的下肢运动障碍，不能独立完成肢体康复训练，一般需要具有一定护理知识的医护人员帮助患者反复完成运动训练，这给ICU病房医护人员带来极大的劳动负担，训练时间和强度不能精准把控，导致ICU患者训练难以取得最佳治疗效果，更重要的局限是，患者分为全瘫和半瘫两种类型，不同类型患者的治疗过程侧重点有所不同，不能针对单侧或双侧患者灵活调换训练方案，不能针对全瘫患者的双侧下肢同时进行康复训练，不能针对患者的下肢多个关节部位协同进行康复训练；其次，不能实时监测患者康复情况，导致重复训练和治疗效果的反馈不及时，不利于医护人员根据ICU患者恢复效果有效调整康复训练计划。现有下肢康复装置的控制系统普遍存在如下问题：1）康复训练模式单一，患者各个康复阶段的康复需求得不到有效满足；康复部位类型单一，机器人一次只可以对于病人的部分关节进行康复训练，病人康复效率较低；2）机器人交互方式单一且繁琐，医生必须手动、多次控制机器人完成康复治疗，有些脑瘫患者肢体不能行动，无法与机器人交互，机器人只能用于肢体上的康复治疗而不能用于患者心理上的康复治疗；3）各个机器人之间不能相互配合，不能协同完成患者单侧或双侧等需要不同机器人间协作完成的治疗任务，ICU病房效率过低；不同种类的康复机器人或康复系统通过对ICU病人的测试做出不同的康复方式，不同种类的康复机器人或康复系统之间不能进行数据通信，只能通过人为判断，确定适合ICU病人的康复训练方式，在一定程度上加重了医院中医护人员的劳动负担；4）机器人移动方式较为原始，单台机器人不能自主的避开障碍物并根据医生设置的导航路线移动到指定位置；多台机器人不能相互感知定位、导航路线，有条不紊地在病房之间协同工作。基于上述原因，迫切需要开发一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组系统，通过对病人的单侧或双侧下肢的多关节部位协同控制训练，以及与病人智能交互，完成术后ICU病房病人的康复治疗，多机自主定位、导航、通信，减轻医护人员劳力，增加ICU患者下肢康复效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，从而设计了一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组，包括单侧下肢康复机器人、双侧下肢康复机器人，基于无线自组网通信技术，实现定位数据、导航数据、避障数据共享的多机协同控制功能，康复机器人群组可自主且相互协同为一个患者的单侧或双侧下肢的多关节部位进行有针对性的协同康复训练；康复机器人群组采集的ICU病人人体数据信息通过云计算的分析与处理，确定适合ICU病人的康复训练模式；为了提高群组机器人协作完成任务的能力,采用MAS的组织特性控制群组机器人系统；以完成任务为目的,建立基于动态角色的多Agent体系结构,灵活实现机器人个体的自主性，以及多机器人之间的协作作业；多台机器人将各自的定位数据汇总给基站并构建全局地图，根据地图完成自身导航功能，移动过程中主动避开障碍物，并将避障数据即时汇总给基站，用于实时更新地图；为提高安全性、速度、准确度以及康复机器人的效率，数据存储与传送均采用区块链技术。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案如下：所述基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人的群组，包括单侧下肢康复机器人、双侧下肢康复机器人；单侧或双侧下肢康复机器人的结构都包括人体体征数据采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制与康复评测模块、智能交互模块、定位导航与建图模块；下肢康复机器人间相互通信构成群组，包括自组网群组通信模块、云平台模块。所述人体体征数据采集模块包括光电脉搏传感器、气体流量传感器及电机光电编码器，可实现ICU病房病人的体征数据（如脉搏、心率、血压、血氧饱和度、肺活量、下肢各关节运动速度及加速度）的采集及监测，一旦采集到的数据超出人体体征数据正常值范围，可使控制模块停止ICU病房患者康复训练，避免ICU病人运动过量及运动过程中再发损伤的出现。所述底座模块采用可移动平台设计，基于麦克纳姆轮实现其全方位移动，机器人可完成前行、横移、斜行、旋转及其组合等多种运动方式；机器人在行走过程中不需要进行转弯、掉头等占用医院走廊较大空间的动作，从而有效提高了医院走廊空间的利用率。所述下肢外骨骼包括腿部训练机构和脚部训练机构；腿部训练机构由大腿外骨骼杆件、膝关节外骨骼训练机构和小腿外骨骼杆件组成；脚部训练机构则由用于固定人体脚部的脚踏板和驱动脚踏板转动的踝关节训练机构组成。所述控制与康复评测模块是指基于控制指令，实现下肢康复训练机辅助病人完成多模式的下肢协调运动康复训练；同时还可帮助医生为患者制定合理的康复训练方案，并采用主动训练、被动训练、及阻抗训练三种模式，满足患者不同阶段的康复训练需求；主动训练模式是指通过病人克服下肢康复训练机提供的阻抗扭矩，实现病人下肢协调运动的主动康复训练；被动训练模式是指通过控制下肢康复训练机运动，牵引病人实现下肢协调运动的被动康复训练；主被动自适应训练模式为根据病人下肢协调运动特征变化，基于所述控制与康复评测模块的自适应运动控制策略，实现病人下肢的主被动协调康复训练。所述定位导航与建图模块通过机器人搭载ROS操作系统，每个机器人都读取自身惯性测量单元、里程计、激光雷达等数据，多个机器人相互通信将数据汇总到一起，实现即时定位与地图构建（SLAM），地图构建完成之后，通过导航算法控制机器人到达指定位置；机器人在行走过程中通过360°全方位旋转检测，通过高精度的激光雷达距离测量技术，在当前运行方向上一旦检测到行人或者其他障碍物，会采取紧急停止措施，防止机器人在行走过程中撞到行人或者其他障碍物；停止以后，将检测到的避障数据及时汇总给基站，用于建图模块更新地图，导航系统根据新地图规划出一条目的地相同且距离最近的无障碍物路径，机器人沿着新路线继续行走；此外，激光雷达避障在黑暗环境下测量效果更好。所述自组网群组通信模块是所述系统的通信基础；机器人间互相共享位置、避障等多种数据，为定位导航的地图绘制提供准确信息，为机器人间协同控制提供数据通信；采用ZigBee技术实现机器人群组中康复机器人之间的数据传送。所述智能交互模块，相比传统的人机交互系统，具备对话控制、机器学习、需求理解多种功能，可实现机器人与患者、与医生之间的全自动、全语音化交互；基础场景为患者服务场景，特点包括：自主学习患者习惯、与患者智能聊天、患者通过语音控制机器人；机器人针对不同习性的患者，不断学习并创建适合该患者的交互场景，使用时间越长该患者的交互场景越完善，给康复病人带来极好的交互体验；在重症监护室外的家属可通过该模块与重症监护室内的患者进行实时语音或视频通话，缓解家属关切患者的焦虑以及患者想念家属的思念之情。所述协同控制模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术公开了一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组系统，包括单侧下肢康复机器人、双侧下肢康复机器人，其结构都包括人体体征数据采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制与康复评测模块、智能交互模块、定位导航与建图模块；基于自组网群组通信模块与云平台，机器人群组相互协作，实现患者单双侧下肢的运动评测与康复训练；人体体征数据采集模块包括光电脉搏传感器、气体流量传感器及电机光电编码器，用于获取并监控康复训练中ICU病人的体征数据，即脉搏、心率、血压、血氧饱和度、肺活量、下肢各关节运动速度及加速度等各项病人的体征数据，通过串口通信传递给控制与康复测评模块，实现脑瘫病人下肢运动评测及安全控制；也可基于无线通信，人体体征数据传输给位于远程服务器端的云平台，通过云计算生成评测结果与康复治疗方案，同时评测结果还发送给医护人员；此外，医护人员还可通过设置康复训练模式与参数来生成控制指令，发送给控制与康复评测模块，基于控制指令实现下肢康复训练机辅助病人完成多模式的双下肢协调运动康复训练；云平台存储、分析和挖掘终端上传的病人数据，判断脑瘫病人康复运动情况及肌肉疲劳状况，并将结果反馈给控制与康复测评模块显示，并修正康复训练参数，还可从医院病历管理系统中导入病人病历信息，采用聚类分析生成个性化康复治疗方案；自组网群组通信模块采用ZigBee技术，可实现机器人组间的高速通信；基于区域链技术，提高了系统在数据传输与储存中的安全性；为了提高群组机器人协作完成任务的能力,采用MAS的组织特性控制机器人群组，为不同特征的单双侧下肢患者提供个性化治疗。...

【技术特征摘要】
1.本发明公开了一种基于自组网导航的ICU病房卧式下肢康复智能交互机器人群组系统，包括单侧下肢康复机器人、双侧下肢康复机器人，其结构都包括人体体征数据采集模块、底座模块、下肢外骨骼、控制与康复评测模块、智能交互模块、定位导航与建图模块；基于自组网群组通信模块与云平台，机器人群组相互协作，实现患者单双侧下肢的运动评测与康复训练；人体体征数据采集模块包括光电脉搏传感器、气体流量传感器及电机光电编码器，用于获取并监控康复训练中ICU病人的体征数据，即脉搏、心率、血压、血氧饱和度、肺活量、下肢各关节运动速度及加速度等各项病人的体征数据，通过串口通信传递给控制与康复测评模块，实现脑瘫病人下肢运动评测及安全控制；也可基于无线通信，人体体征数据传输给位于远程服务器端的云平台，通过云计算生成评测结果与康复治疗方案，同时评测结果还发送给医护人员；此外，医护人员还可通过设置康复训练模式与参数来生成控制指令，发送给控制与康复评测模块，基于控制指令实现下肢康复训练机辅助病人完成多模式的双下肢协调运动康复训练；云平台存储、分析和挖掘终端上传的病人数据，判断脑瘫病人康复运动情况及肌肉疲劳状况，并将结果反馈给控制与康复测评模块显示，并修正康复训练参数，还可从医院病历管理系统中导入病人病历信息，采用聚类分析生成个性化康复治疗方案；自组网群组通信模块采用ZigBee技术，可实现机器人组间的高速通信；基于区域链技术，提高了系统在数据传输与储存中的安全性；为了提高群组机器人协作完成任务的能力,采用MAS的组织特性控制机器人群组，为不同特征的单双侧下肢患者提供个性化治疗。2.根据权利要求1所述的定位导航与建图模块，基于机器人搭载的操作系统，通过读取惯性测量单元、里程计、激光雷达数据，进行即时定位与地图构建（SLAM）；地图构建采用cartographer算法，该算法主要通过Kalman滤波算法对IMU、里程计及激光雷达数据进行融合，并基于这些数据进行地图构建与机器人位姿估计；地...

【专利技术属性】
技术研发人员：任海川，麻晓东，段航琪，李嘉，刘青林，张朔，闫家玉，张静，孙翔宇，李志洋，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41