【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及康复外骨骼领域，尤其涉及一种气囊式肩关节康复训练系统。
技术介绍
1、根据世界卫生组织报告显示，脑卒中是导致肢体功能障碍的疾病之一，是中国致死致残率最高的疾病。
2、脑卒中患者因病理因素导致肢体控制能力下降，进而引发肌肉肌力减退和萎缩，在康复训练早期，容易出现关节脱位和变形等问题。根据神经重塑理论，对患者进行重复的、高强度的康复训练能够帮助患者形成肌肉记忆，建立新的神经通路，重塑神经功能，进而促进其中枢神经系统对肢体运动的控制。近年来，康复医生着力于使用康复外骨骼对患者进行康复治疗，尤其是针对日常生活活动的康复训练能够调动患者的主动参与性，进一步加强康复训练效果。
3、目前，医院使用的康复外骨骼设备多为刚性结构，刚性上肢外骨骼因其关节轴心难以与人体关节拟合，易对患者造成损伤，尤其不适应早期康复患者。同时，刚性康复机器人普遍体积重量大，移动便携性差。
4、柔性上肢外骨骼机器人作为新兴的外骨骼机器人技术，集成了柔性驱动和可穿戴机构，有效解决了传统的刚性下肢外骨骼机器人笨重，且柔性外骨骼的驱动能源大多放在远离关节的位置，提高了外骨骼穿戴的轻质性和舒适性。但是，现有的气动肩关节康复训练系统较少，且不完善，安全性较低，训练动作较单一，患者参与度较低，康复效果较差。
5、因此，本领域的技术人员致力于开发一种气囊式肩关节康复训练系统。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是现有的气动肩关节康复训练系
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种气囊式肩关节康复训练系统，其特征在于，所述康复训练系统包括：电源模块、人机交互模块、mcu模块、数据采集模块、传感器模块、驱动模块和肩部执行机构，其中，
3、所述电源模块，与外界电源连接并将所述外界电源的电压转换为所述康复训练系统所需电压，确保整个所述康复训练系统的功率输出；
4、所述人机交互模块，包括语音子模块和触摸屏交互子模块，通过触摸屏和语音交互将人机交互指令发送给所述mcu模块；
5、所述mcu模块，设置为所述康复训练系统的主控模块，将所述交互模块、所述数据采集模块和所述驱动模块相连接，接收并分析所述数据采集模块采集的数据，根据所述交互指令选择不同的肩关节训练模式，控制所述驱动模块带动所述肩部执行机构完成对应的训练动作；
6、所述数据采集模块，通过所述传感器模块采集数据，并将所述采集数据发送给所述mcu模块；
7、所述传感器模块，包含多种传感器，实现数据采集，并将采集的数据发送给所述数据采集模块；
8、所述驱动模块，与所述肩部执行机构和所述mcu模块连接，接收所述mcu模块发送的指令，驱动所述肩部执行机构进行康复训练运动；
9、所述肩部执行机构，包括气囊式肩关节康复训练外骨骼装置，通过柔性绑带将患者上肢固定于所述装置内，并提供康复训练运动。
10、进一步地，所述电源模块包括24伏直流电源模块、12伏直流模块和5伏直流模块，所述24伏直流电源模块与所述12伏直流模块、所述5伏直流模块相连接，通过降压电路将24伏电源分别转化为12伏电源和5伏电源。
11、进一步地，所述传感器模块包括拉线位移传感器、气压传感器和姿态传感器，所述拉线位移传感器测量人工肌肉驱动器的位移变化，所述气压传感器测量所述人工肌肉驱动器的内部气压，所述姿态传感器用于识别上肢运动姿态。
12、进一步地，所述驱动模块包括高速电磁阀、电机驱动模块、充气气泵和抽气气泵，所述高速电磁阀包括第一高速电磁阀和第二高速电磁阀，所述充气气泵和所述第一高速电磁阀相连接，所述抽气气泵与所述第二高速电磁阀相连接，所述电机驱动模块驱动所述充气气泵和所述抽气气泵进行充气或者放气，所述充气气泵、所述抽气气泵和所述高速电磁阀相互协作控制所述肩部执行机构运动。
13、进一步地，所述mcu模块为所述康复训练系统的主控模块，用于驱动所述电机驱动模块和所述高速电磁阀。
14、进一步地，所述肩部执行机构包括肩关节气动肌肉、人工肌肉驱动器、重力平衡气囊和圆形气囊，所述肩关节气动肌肉包括前面肩关节人工肌肉、侧面肩关节气动肌肉和后面肩关节人工肌肉；所述重力平衡气囊用于肩关节运动导向和平衡上肢重力，配合所述侧面肩关节气动肌肉进行侧展运动；所述圆形气囊用于固定所述人工肌肉驱动器，并配合所述肩关节气动肌肉驱动所述肩部执行机构运动。
15、进一步地，所述肩部执行机构支持多种运动模式，包括前伸运动、侧展运动和后屈运动，其中，
16、所述前伸运动，由所述前面肩关节气动肌肉控制所述抽气气泵进行抽气，所述第二高速电磁阀阀口打开，所述前面肩关节人工肌肉进行收缩，开始肩关节前伸运动；所述充气气泵进行充气时，所述第一高速电磁阀阀口打开，所述前面肩关节气动肌肉进行舒张，肩关节恢复初始运动状态；
17、所述侧展运动，由所述侧面肩关节气动肌肉和所述重力平衡气囊控制，所述侧面肩关节人工肌肉进行收缩，所述重力平衡气囊进行充气，肩关节开始侧展运动；所述侧面肩关节人工肌肉进行舒张时，所述重力平衡气囊进行放气，肩关节恢复初始运动状态；
18、所述后屈运动，由所述后面肩关节气动肌肉控制所述抽气气泵进行抽气，所述后面肩关节人工肌肉进行收缩，所述第二高速电磁阀阀口打开，肩关节开始后屈运动；所述充气气泵进行充气时，所述第一高速电磁阀阀口打开，所述后面肩关节气动肌肉进行舒张，肩关节恢复初始运动状态。
19、进一步地，所述人工肌肉驱动器基于气动人工肌肉动力学模型，在传统pid控制器的基础上增加一个人工肌肉动力学模型，所述pid控制器为位置控制器，所述位置控制器设置为前馈补偿控制器，在给定位置信号的情况下，将所述前馈补偿控制器补偿的位移值和未经补偿的位移值，传递给所述人工肌肉动力学模型，通过所述人工肌肉动力学模型得到最终的气压值，增加控制的精确性。
20、进一步地，所述人工肌肉驱动器的前馈位置控制模型为：
21、
22、e(t)＝y(t)-yref(t)
23、其中，l为人工肌肉驱动器的位移，y(t)是输出位置信号，yref(t)是期望位置信号，y2(t)是未经补偿的期望值，e(t)为位置偏差信号，kp是连续比例系数，ti是积分增益，td是微分增益；
24、在所述气动人工肌肉动力学模型中，由于位移为离散型数据，将所述前馈位置控制器模型改为离散模型，则所述前馈位置控制模型为：
25、
26、其中，e(k)为当前期望值，e(k-1)为实际输出值，e(j)为当前期望值的累加之和，kp′是离散比例增益，ki是离散积分增益，kd是离散微分增益；
27、人工肌肉动力学模型如下：
28、
29、δpv＝pin-pout
30、其中，m为人工肌肉的质量，v为人工本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种气囊式肩关节康复训练系统，其特征在于，所述康复训练系统包括：电源模块、人机交互模块、MCU模块、数据采集模块、传感器模块、驱动模块和肩部执行机构，其中，
2.如权利要求1所述的康复训练系统，其特征在于，所述电源模块包括24伏直流电源模块、12伏直流模块和5伏直流模块，所述24伏直流电源模块与所述12伏直流模块、所述5伏直流模块相连接，通过降压电路将24伏电源分别转化为12伏电源和5伏电源。
3.如权利要求1所述的康复训练系统，其特征在于，所述传感器模块包括拉线位移传感器、气压传感器和姿态传感器，所述拉线位移传感器测量人工肌肉驱动器的位移变化，所述气压传感器测量所述人工肌肉驱动器的内部气压，所述姿态传感器用于识别上肢运动姿态。
4.如权利要求1所述的康复训练系统，其特征在于，所述驱动模块包括高速电磁阀、电机驱动模块、充气气泵和抽气气泵，所述高速电磁阀包括第一高速电磁阀和第二高速电磁阀，所述充气气泵和所述第一高速电磁阀相连接，所述抽气气泵与所述第二高速电磁阀相连接，所述电机驱动模块驱动所述充气气泵和所述抽气气泵进行充气或者放气，所述充气气泵
5.如权利要求4所述的康复训练系统，其特征在于，所述MCU模块为所述康复训练系统的主控模块，用于驱动所述电机驱动模块和所述高速电磁阀。
6.如权利要求1所述的康复训练系统，其特征在于，所述肩部执行机构包括肩关节气动肌肉、人工肌肉驱动器、重力平衡气囊和圆形气囊，所述肩关节气动肌肉包括前面肩关节人工肌肉、侧面肩关节气动肌肉和后面肩关节人工肌肉；所述重力平衡气囊用于肩关节运动导向和平衡上肢重力，配合所述侧面肩关节气动肌肉进行侧展运动；所述圆形气囊用于固定所述人工肌肉驱动器，并配合所述肩关节气动肌肉驱动所述肩部执行机构运动。
7.如权利要求6所述的康复训练系统，其特征在于，所述肩部执行机构支持多种运动模式，包括前伸运动、侧展运动和后屈运动，其中，
8.如权利要求7所述的康复训练系统，其特征在于，所述人工肌肉驱动器基于气动人工肌肉动力学模型，在传统PID控制器的基础上增加一个人工肌肉动力学模型，所述PID控制器为位置控制器，所述位置控制器设置为前馈补偿控制器，在给定位置信号的情况下，将所述前馈补偿控制器补偿的位移值和未经补偿的位移值，传递给所述人工肌肉动力学模型，通过所述人工肌肉动力学模型得到最终的气压值，增加控制的精确性。
9.如权利要求8所述的康复训练系统，其特征在于，所述人工肌肉驱动器的前馈位置控制模型为：
10.如权利要求9所述的康复训练系统，其特征在于，所述康复训练系统包括如下工作过程：
...【技术特征摘要】
1.一种气囊式肩关节康复训练系统，其特征在于，所述康复训练系统包括：电源模块、人机交互模块、mcu模块、数据采集模块、传感器模块、驱动模块和肩部执行机构，其中，
2.如权利要求1所述的康复训练系统，其特征在于，所述电源模块包括24伏直流电源模块、12伏直流模块和5伏直流模块，所述24伏直流电源模块与所述12伏直流模块、所述5伏直流模块相连接，通过降压电路将24伏电源分别转化为12伏电源和5伏电源。
3.如权利要求1所述的康复训练系统，其特征在于，所述传感器模块包括拉线位移传感器、气压传感器和姿态传感器，所述拉线位移传感器测量人工肌肉驱动器的位移变化，所述气压传感器测量所述人工肌肉驱动器的内部气压，所述姿态传感器用于识别上肢运动姿态。
4.如权利要求1所述的康复训练系统，其特征在于，所述驱动模块包括高速电磁阀、电机驱动模块、充气气泵和抽气气泵，所述高速电磁阀包括第一高速电磁阀和第二高速电磁阀，所述充气气泵和所述第一高速电磁阀相连接，所述抽气气泵与所述第二高速电磁阀相连接，所述电机驱动模块驱动所述充气气泵和所述抽气气泵进行充气或者放气，所述充气气泵、所述抽气气泵和所述高速电磁阀相互协作控制所述肩部执行机构运动。
5.如权利要求4所述的康复训练系统，其特征在于，所述mcu模块为所述康复训练系统的主控模块，用于驱...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟巧玲，郑宇欣，许蓉娜，朱书静，喻洪流，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：
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