一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统
阅读：327发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种卧式踏步式康复训练 机器人 的 人机交互 系统，包括患者多体位采集模 块 、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块、 数据处理 模块、运动控 制模 块、紧急停止模块、伺服执行模块和人机交互模块，从 数据采集 、数据处理、驱动控制、设备操作、感官刺激以及游戏互动方面为患者提供康复训练过程的整体交互系统。本发明能够减少 治疗 师操作难度，增加患者训练过程趣味性和 互动性 ，提高卧式踏步式康复训练设备的训练效果。，下面是一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统专利的具体信息内容。
1.一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统，包括患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块、数据处理模块、运动控制模块、紧急停止模块、伺服执行模块和人机交互模块，其特征在于：
所述的患者多体位采集模块，采集患者训练高度、起立角度、前倾后仰角度、体位提升长度和体位水平长度；
所述的髋关节运动采集模块，采集患者训练过程中髋关节运动角度变化和人机作用拉压力；
所述的踝关节运动采集模块，采集患者训练过程中踝关节运动角度、翻转角度和足底压力；
所述的腿部肌电采集模块，采集患者训练过程中左右腿腿部肌电信号；
所述的心率采集模块，采集患者训练过程中的心电信号；
所述的血压采集模块，采集患者训练过程中的血压动态；
所述的数据处理模块采用算术平均滤波算法对患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块的输出进行滤波，按设定采样数量取平均值；然后进行数据计算，包括足底压力最大值计算、人机作用最大离心力及向心力计算、腿部活动范围计算；当患者一侧腿部进行离心运动时计算该侧腿部人机作用最大离心力值和患者离心运动肌力最大值，并计算另一侧人机作用最大向心力值和患者离心运动最大肌力值，同时判断在人机作用力与腿部运动方向相反时，若人机作用离心力大于设定阈值则记录此时腿部运动的角度和方向；存储过程记录数据和计算所得数据；
所述的运动控制模块根据数据处理模块发送的数据计算髋关节和踝关节踏步运动角度与时间的轨迹曲线，同时根据当前时刻轨迹曲线对应的角度值与实际角度值之差计算执行机构中电机的转动速度，输出运动轨迹和执行命令至伺服执行模块，伺服执行模块控制髋关节和踝关节按照预定的指令进行运动；同时，运动控制模块接收紧急停止模块发送的急停信号时，控制伺服执行模块停止运动；
所述的人机交互模块内置患者信息管理模块、肌力评估模块、训练设置模块、训练监视模块和游戏互动管理模块；
所述患者信息管理模块，记录患者基本信息、病情信息、康复过程数据、康复治疗方案信息；
所述肌力评估模块，对患者患侧或健侧肌肉力量评估，评估时，将患者髋关节固定在设定角度，测量患者的最大向心力和离心力，得到的最大值即为患者本次评估的向心肌力和离心肌力；
所述的训练设置模块，用以对患者训练过程的参数进行调整设置，包含训练时间、训练速度、训练模式、指导力系数、人机作用离心力设定阈值、健侧腿选择、阻力系数、肌电测量选择、心率测量选择、血压测量选择以及训练过程中的体位设置；
所述的训练监视模块，用以监视患者训练过程中的各个参数，包含患者训练过程中的体位变化、训练时间、踏步步数、髋关节运动角度、腿部肌力、腿部拉压力、足底压力、足底翻转角度、心率、血压、指导力、阻力系数；
所述的游戏互动管理模块，管理训练过程与游戏互动的交互、控制游戏显示与隐藏、互动语音播放与停止、游戏页面数据的刷新。
2.根据权利要求1所述的卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统，其特征在于：还包括数据通讯模块，所述的数据通讯模块一端分别与患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块连接，另一端与数据处理模块连接。数据通讯模块将各个采集模块收集的传感器数据经过滤波处理，按照通讯协议重新组包发送至数据处理模块。
3.根据权利要求1所述的卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统，其特征在于：还包括人脸识别模块，与人际交互模块连接，将人脸识别结果发送至人机交互模块，显示对应患者信息和训练过程数据。
一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统
技术领域
背景技术
[0002] 我国有上千万中风患者，且每年有上百万新增患者，另外还有大量脊髓损伤患者，中风和脊髓损伤等疾病导致大量患者偏瘫、瘫痪并长期卧床。随着智能机器人技术的发展，目前越来越多的针对偏瘫、瘫痪患者的智能康复设备被研发应用，这类设备通常由和患者身体固定的机械结构装置、监测机械结构运动状态的传感器、驱动机械结构运动的作动器、接收传感器信号并计算处理后输出运动信号给作动器的控制器以及人机交互系统组成。
[0003] 随着康复技术的发展及机器人技术在康复领域的应用，智能康复设备在医院中的应用越来越多，其中人机交互的实用性和友好性是除设备智能化以外人们关注的另一个核心问题。现有卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统页面功能单一，缺乏互动，交互性差，患者训练过程很难有参与感，导致其训练过程中主动运动频次少、时间短，枯燥的训练过程很难保证训练效果。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统，包括患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块、数据处理模块、运动控制模块、紧急停止模块、伺服执行模块和人机交互模块。
[0008] 所述的髋关节运动采集模块，采集患者训练过程中髋关节运动角度变化和人机作用拉压力；
[0009] 所述的踝关节运动采集模块，采集患者训练过程中踝关节运动角度、翻转角度和足底压力；
[0010] 所述的腿部肌电采集模块，采集患者训练过程中左右腿腿部肌电信号；
[0011] 所述的心率采集模块，采集患者训练过程中的心电信号；
[0012] 所述的血压采集模块，采集患者训练过程中的血压动态；
[0013] 所述的数据处理模块采用算术平均滤波算法对患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块的输出进行滤波，按设定采样数量取平均值；然后进行数据计算，包括足底压力最大值计算、人机作用最大离心力及向心力计算、腿部活动范围计算；当患者一侧腿部进行离心运动时计算该侧腿部人机作用最大离心力值和患者离心运动肌力最大值，并计算另一侧人机作用最大向心力值和患者离心运动最大肌力值，同时判断在人机作用力与腿部运动方向相反时，若人机作用离心力大于设定阈值则记录此时腿部运动的角度和方向；存储过程记录数据和计算所得数据；
[0014] 所述的运动控制模块根据数据处理模块发送的数据计算髋关节和踝关节踏步运动角度与时间的轨迹曲线，同时根据当前时刻轨迹曲线对应的角度值与实际角度值之差计算执行机构中电机的转动速度，输出运动轨迹和执行命令至伺服执行模块，伺服执行模块控制髋关节和踝关节按照预定的指令进行运动；同时，运动控制模块接收紧急停止模块发送的急停信号时，控制伺服执行模块停止运动；
[0015] 所述的人机交互模块内置患者信息管理模块、肌力评估模块、训练设置模块、训练监视模块和游戏互动管理模块；
[0016] 所述患者信息管理模块，记录患者基本信息、病情信息、康复过程数据、康复治疗方案信息；
[0017] 所述肌力评估模块，对患者患侧或健侧肌肉力量评估，评估时，将患者髋关节固定在设定角度，测量患者的最大向心力和离心力，得到的最大值即为患者本次评估的向心肌力和离心肌力；
[0018] 所述的训练设置模块，用以对患者训练过程的参数进行调整设置，包含训练时间、训练速度、训练模式、指导力系数、人机作用离心力设定阈值、健侧腿选择、阻力系数、肌电测量选择、心率测量选择、血压测量选择以及训练过程中的体位设置；
[0019] 所述的训练监视模块，用以监视患者训练过程中的各个参数，包含患者训练过程中的体位变化、训练时间、踏步步数、髋关节运动角度、腿部肌力、腿部拉压力、足底压力、足底翻转角度、心率、血压、指导力、阻力系数；
[0020] 所述的游戏互动管理模块，管理训练过程与游戏互动的交互、控制游戏显示与隐藏、互动语音播放与停止、游戏页面数据的刷新。
[0021] 本发明还包括数据通讯模块，所述的数据通讯模块一端分别与患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块连接，另一端与数据处理模块连接。数据通讯模块将各个采集模块收集的传感器数据经过滤波处理，按照通讯协议重新组包发送至数据处理模块。
[0022] 本发明还包括人脸识别模块，与人际交互模块连接，将人脸识别结果发送至人机交互模块，显示对应患者信息和训练过程数据。
[0025] 图2是本发明实施例的流程示意图；
[0026] 图3是本发明实施例的结构示意图；
[0027] 图4是本发明实施例的主动训练与被动训练模式自动切换示意图；
[0028] 图5是本发明实施例的健侧带动患侧的主被动模式实现示意图；
[0029] 图中，1-腿部拉压力测量传感器(左右均有)，2-踝关节角度测量传感器(左右均有)，3-足底压力测量传感器(左右均有)，4-患者体位提升长度霍尔测量传感器5-触摸一体机，6-患者训练起立角度测量传感器，7-髋关节角度测量传感器(左右均有)，8-患者训练减重长度霍尔测量传感器，9-患者训练高度霍尔测量传感器。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0031] 本发明提供一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统，所述的人机交互系统安装在卧式踏步式康复训练机器人上，所述的人机交互系统包含患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块、数据通讯模块、数据处理模块、运动控制模块、紧急停止模块、伺服执行模块、人机交互模块、游戏互动模块、语音互动模块以及人脸识别模块；
[0032] 所述患者多体位采集模块，包含五个维度的患者体位变化数据采集；
[0033] 所述髋关节运动采集模块，包含患者训练过程中髋关节运动角度变化采集、人机作用拉压力采集；
[0034] 所述踝关节运动采集模块，包含患者训练过程中踝关节运动角度采集、踝关节翻转角度采集、运动过程足底压力采集；
[0035] 所述腿部肌电采集模块，包含患者训练过程中左右腿腿部肌电信号采集；
[0036] 所述心率采集模块，包含患者训练过程中的心电信号采集；
[0037] 所述血压采集模块，包含患者训练过程中的血压动态采集；
[0038] 所述数据通讯模块一端分别与患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块连接，另一端与数据处理模块连接。数据通讯模块将各个采集模块收集的传感器数据经过滤波处理，按照通讯协议重新组包发送至数据处理模块。
[0039] 所述数据处理模块一端与数据通讯模块连接，另一端分别与运动控制模块和人机交互模块连接。数据处理模块接收到数据通讯模块发送的数据后，首先进行数据预处理，采用算术平均滤波算法对每组传感器滤波，取10次采样的平均值；其次进行数据计算，包括足底压力最大值计算、人机作用最大离心力及向心力计算、腿部活动范围计算；然后进行数据分析，当患者左腿进行离心运动时计算左腿人机作用最大离心力值和患者离心运动肌力最大值，同时计算右腿人机作用最大向心力值和患者离心运动最大肌力值，同理计算左腿对应的最大向心力和右腿对应的最大离心力值。同时通过判断在某一时刻人机作用力与腿部运动方向相反，如患者左腿人机作用离心力大于向心力且腿部运动处于向心运动，此时人机作用离心力大于设定的痉挛阈值则认为当前左腿处于痉挛状态，记录此时腿部运动的角度和方向，生成痉挛发生时间、痉挛发生角度、痉挛发生方向数据。最后进行数据组织与存储，将过程记录数据存储至数据库的过程数据表中。将计算所得数据存储至数据库的计算数据表中。数据处理完成后根据上位机交互模块的数据请求将实时显示数据发送至上位机交互模块。
[0040] 所述运动控制模块一端与数据处理模块连接，另一端分别与紧急停止模块和伺服执行模块相连。一方面根据数据处理模块发送的数据计算运动轨迹与执行命令，输出运动轨迹和执行命令至伺服执行模块，伺服执行模块控制髋关节和踝关节按照预定的指令进行运动。另一方面接收紧急停止模块发送的急停信号，当紧急停止按钮按下时控制伺服执行模块停止运动。
[0041] 所述人机交互模块包括操作一体机、游戏互动液晶显示器以及智能摄像头；所述操作一体机内置患者信息管理模块、肌力评估模块、训练设置模块、训练监视模块、训练结果模块、游戏互动管理模块；所述游戏互动液晶显示器显示游戏场景、播放互动语音。所述智能摄像头内部包含人脸识别算法，与人际交互模块采用蓝牙连接。
[0042] 所述患者信息管理模块，用以记录患者基本信息、病情信息、康复过程数据、康复治疗方案信息。
[0043] 所述肌力评估模块，用以对患者患侧或健侧肌肉力量评估，评估患者康复各个阶段的腿部肌肉最大离心力、最大向心力。所述肌力评估模块是指患者在某固定的角度时，对测量腿输出的最大人机作用力进行评估。该模块首先通过角度设定按钮设置患者髋关节固定角度。然后通过该模块提供的“角度”使能按钮将患者双侧髋关节固定在同样的角度，此时执行机构保证患者处于设定的角度不变；最后点击该模块中的“开始测量”按钮，开始测量后记录患者测量过程中的最大向心力和离心力，得到的最大值即为患者本次评估的向心肌力和离心肌力。
[0044] 所述训练设置模块，用以对患者训练过程的参数进行调整设置，包含训练时间、训练速度、训练模式、指导力系数、痉挛灵敏度系数、健侧腿选择、阻力系数、肌电测量选择、心率测量选择、血压测量选择以及训练过程中的五个体位设置。
[0045] 所述训练监视模块，用以监视患者训练过程中的各个参数，包含患者训练过程中五个维度的体位变化显示、训练时间显示、踏步步数显示、髋关节运动角度显示、腿部肌力显示、腿部拉压力显示、足底压力显示、足底翻转角度显示、心率显示、血压显示、指导力显示、阻力系数显示。
[0046] 所述训练结果模块，用以记录和展示训练结果数据，包含训练日期与时间、腿部活动范围、是否发生痉挛、痉挛发生时间、痉挛发生角度、痉挛发生方向、足底压力最大记录值、人机作用力最大离心力、人机作用最大向心力、腿部离心运动肌力最大值、腿部向心运动肌力最大值。
[0047] 所述游戏互动管理模块，用以管理训练过程与游戏互动的交互、控制游戏显示与隐藏、互动语音播放与停止、游戏页面数据的刷新。
[0048] 所述游戏互动液晶显示器为55寸电视，用以显示游戏互动画面。
[0049] 所述人脸识别模块，内置人脸识别智能算法，与人际交互模块采用蓝牙连接，将人脸识别结果发送至人机交互模块，供人机交互模块响应识别结果，显示对应患者信息和训练过程数据。
[0050] 本发明的实施例针对一套如图3所示的卧式踏步式康复训练机器人，包括机械部件、作动部件、传感部件、控制部件和人机交互部件。
[0051] 所述的机械部件包括床面、上身固定装置、2个腿部固定装置、2个脚部固定装置，康复训练患者上身紧贴在床面上，上身、双腿、双脚分别由所述上身固定装置、腿部固定装置和脚部固定装置固定，所述的脚部固定装置与床面之间通过弹簧连接；
[0052] 所述的作动部件包括腿部作动装置、床面垂直升降推杆装置、床面整体翻转推杆装置、床面上半部分翻转推杆装置、床身长度调节推杆装置和减重上下调节推杆装置，2个腿部作动装置分别连接1个腿部固定装置，带动腿部固定装置运动；所述的床面垂直升降推杆装置和床面整体翻转推杆装置分别在控制部件驱动下带动床面升降和翻转；所述的床面上半部分翻转推杆装置调整床面和腿部固定装置的夹角；所述的床身长度调节推杆装置调整床面和腿部固定装置的距离；所述的减重上下调节推杆装置调整上身固定装置和腿部固定装置的距离；
[0053] 所述的传感部件包括腿部拉压力传感装置、足底压力测量传感器、髋关节角度测量传感器、踝关节角度测量传感器、患者体位提升长度霍尔测量传感器、患者训练减重长度霍尔测量传感器、患者训练高度霍尔测量传感器；2个腿部拉压力传感装置分别安装在腿部固定装置上，测量腿部固定装置受到的力，代表患者腿部伸和屈的力；2个足底压力测量传感器分别安装在脚部固定装置后端，测量患者足底受到的力；2个髋关节角度测量传感器分别安装在腿部固定装置上，测量腿部固定装置与床面之间的运动相对角度；2个踝关节角度测量传感器分别安装在脚部固定装置上，测量脚部固定装置与床面之间的运动相对角度；所述患者训练高度霍尔测量传感器测量床面上半部分翻转推杆装置，患者体位提升长度霍尔测量传感器测量床身长度调节推杆装置的推杆伸长量，患者训练减重长度霍尔测量传感器测量减重上下调节推杆装置连接的推杆伸长量；
[0054] 所述的控制部件接收人机交互部件发送的控制指令和传感部件发送的传感信号，生成给腿部作动装置的连续控制信号。
[0055] 如图1所示，本实施例提供了一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互系统，该人机交互系统包含患者多体位采集模块、髋关节运动采集模块、踝关节运动采集模块、腿部肌电采集模块、心率采集模块、血压采集模块、数据通讯模块、数据处理模块、运动控制模块、紧急停止模块、伺服执行模块、人机交互模块、游戏互动模块、语音互动模块以及人脸识别模块。
[0056] 多体位采集模块，包含五个维度的患者体位变化数据采集，分别为患者训练高度采集、患者训练过程起立角度采集、患者训练过程中前倾后仰角度采集、患者训练过程中体位提升长度采集、患者训练过程中体位水平长度采集。其中体位提升长度用来采集患者由于起立角度的增大导致患者身体会有不同程度的下滑，为了保证训练效果使用推杆将患者体位进行上拉，推杆的伸长长度即为体位提升长度采集。
[0057] 如图3所示，其中患者训练高度采集、患者训练过程中体位提升长度采集、患者训练过程中体位水平长度采集均使用执行机构自带的霍尔传感器采集；其中训练高度通过高度推杆控制，该推杆的伸长量通过推杆自带的霍尔传感器采集，由于推杆伸长量与训练高度存在夹角，因此该霍尔传感器将长度数据发送至数据处理模块后，数据处理模块会进行长度与高度的转换，最终保存计算后的高度值。体位长度和提升长度均匀推杆伸出长度相同，霍尔传感器值即为最终值，无需转换。两种传感器输出均为数字量，每隔50ms上传一次采样值，通过串口方式发送至数据通讯模块。
[0058] 髋关节运动采集模块，包含患者训练过程中左右髋关节运动角度变化采集、左右腿人机作用拉压力采集。如图3所示，其中髋关节运动角度采用角位移传感器获得，角位移传感器安装在髋关节运动的转动轴处，根据转动轴转动的角度得到髋关节运动的角度值。患者大腿固定在髋关节运动固定底座上，拉压力传感器安装在固定底座的下方，固定底座为刚性材料，患者大腿发力通过刚性材料传导至拉压力传感器，拉压力传感器通过其自身的形变量计算表面收到的拉压力，从而输出患者腿部人机作用力。当作用力值大于零时为拉力，小于零时为压力。角位移传感器为数字量传感器，每个50ms上传一次采集值，通过串口方式发送至数据通讯模块。拉压力传感器为模拟量传感器，数据通讯模块每隔50ms读取该传感器输出的电压值，其中电压值转换为拉力值公式如下：
[0059] F＝(Vsamp-Vzero)*k
[0060] k＝a(Vsamp-Vzero)+b
[0061] 其中F表示输出的拉力值，最小值为0N,最大值为500N。Vsamp为实际获得的采样电压，最小值为2.5V，最大值为5V。Vzero为拉压力为0时的电压值，此处为2.5。k为电压与力的转换关系,经过实际测试，电压与力的转换关系并非为固定系数，而是与电压采集值成线性关系。此处a的值6.4，b的值为184。
[0062] 电压值转换为压力值公式如下：
[0063] F＝(Vzero-Vsamp)*k
[0064] k＝a(Vzero-Vsamp)+b
[0065] 其中F表示输出的拉力值，最小值为0N,最大值为500N。Vsamp为实际获得的采样电压，最小值为0V，最大值为2.5V。Vzero为拉压力为0时的电压值，此处为2.5。k为电压与力的转换关系,经过实际测试，电压与力的转换关系并非为固定系数，而是与电压采集值成线性关系。此处a的值-6.4，b的值为-184。
[0066] 踝关节运动采集模块，包含患者训练过程中左右踝关节运动角度采集、左右踝关节翻转角度采集。如图3所示，踝关节运动角度传感器安装在踝关节运动转动轴处，根据转动轴转动的角度得到踝关节运动的角度值。踝关节翻转角度传感器安装在翻转轴上，通过翻转轴的转动得到踝关节转动角度。两种角度均采用角位移传感器进行采集，将数字量角度值每隔50ms以串口方式发送至数据通讯模块。
[0067] 腿部肌电采集模块采集患者训练过程中左右腿肌电电压值，该电压值为模拟量，模拟量采样值每隔50ms采集一次肌电电压值，同时通过通讯模块中的AD芯片进行模数转换，将模拟量肌电值转换为数字信号。
[0068] 心率采集模块采用便携式动态心率测试仪进行终端采集，采集到的模拟量数据通过传感器内部模数转换，将采样值转换为数字量，以蓝牙的方式发送至数据通讯模块。
[0069] 血压采集模块采用便携式动态血压测试仪，每隔10分钟对训练患者进行血压测量，同时将血压测量的数字量数值通过蓝牙方式发送至数据通讯模块。
[0070] 数据通讯模块包含3路串口、2路模拟量以及2路蓝牙信号接收。其中3路串口分别接收五种体位变化值、髋关节运动角度值、踝关节运动及翻转角度值；2路模拟量分别接收腿部拉压力电压值和腿部肌电电压值；2路蓝牙分别接收心率和血压数据值。数据通讯模块将接收到的所有数据进行统一组包，分类标识，根据TCP/IP协议进行封装并发送至数据处理模块。
[0071] 数据处理模块首先接收数据通讯模块发送的传感器数据，将传感器数据缓存至本地，同时进行数据同步处理，保证发送给运动控制模块的数据为同一时刻采集的数据。然后对数据进行分类，将髋关节、膝关节运动角度值、髋关节拉压力值、腿部肌电值发送至运动控制模块供其进行反馈控制，同时将所有传感器值发送至人机交互模块供其显示。最后将所有数据存储值本地数据库中，以供历史数据查询与显示。
[0072] 运动控制模块用以对患者髋关节和踝关节运动进行控制，其中髋关节运动采用力矩模控制，根据拉压力传感器值得到患者运动过程中的腿部发力数值，控制电机输出力的大小，从而使得患者踏步运动更加平滑连续，保证患者无论多少肌力都能完成训练动作。踝关节运动采用位置控制，根据设定的角度值与反馈的角度值之差调制电机转速，从而保障训练过程踝关节运动的角度能够实时达到。运动控制模块同时接收人机交互模块发送的控制指令和控制模式，控制指令包括启动训练、暂停训练、恢复训练以及结束训练四种；控制模式包括主动训练、被动训练、主被动训练三种模式。运动控制模块还接收紧急停止模块发送的急停信号，当训练过程中患者感到不适或设备运行异常，患者或者治疗师可立即按下紧急停止按钮，该急停信号通过硬件直连线的方式发送至运动控制模块，运动控制模块接收后立即停止所有电机输出。
[0073] 运动控制模块的关键在于控制髋关节和踝关节的运动角度，传统控制模式为治疗师在操作页面上输入患者运动的最大角度值和偏移量，输入时根据治疗师的经验，无法精准达到患者髋关节和踝关节能运动的合理角度，需要在训练过程中根据运动效果不断调整运动角度。本发明中患者训练之前，治疗师先将患者髋关节和踝关节进行辅助活动，此时髋关节和踝关节角位移传感器会不断输出活动的角度值，数据处理模块会肌力活动的最大角度和最小角度(偏移角度)值，记录的最大和最小角度即为患者训练过程的角度值，无需在人机交互页面进行二次设置。
[0074] 运动控制模式包括主动训练、被动训练以及主被动训练三种，默认为被动训练，训练方式默认为自动方式。传统训练过程需要治疗师根据患者训练情况切换训练模式，如患者有一定的肌力时可采用主动训练，随着训练过程进行患者疲劳加大后无法主动训练，治疗师会调整为主动训练。本发明中一旦设定为自动方式，运动控制模块会根据各传感器的值自由平滑做主动和被动切换。如图4所示，默认的自动方式为主动训练，患者刚开始训练时为主动模式，执行机构为随动模式，此时执行机构只有比较小的阻力，在训练过程中拉压力传感器实时输出患者对执行机构的人机作用力，随着训练过程的进行，患者肌力下降，当患者肌力下降到不足以带动执行机构进行有效的髋关节运动时，切换至被动模式，此时被动模式执行机构输出力与患者自身肌力共同带动执行机构进行有效训练，保证训练过程。
[0075] 主被动控制模式采用健侧带动患侧方式实现，所谓健侧带动患侧是指偏瘫患者健侧能够正常运动，采集患者健侧运动步态，根据患者健侧的自然步态指导患侧进行康复。实现过程如图5所示，以左侧为健侧腿为例，首先判断健侧腿肌力是否达到主动腿肌力要求；其次对健侧腿进行位置控制，输出PWM控制指令；然后对健侧腿角度进行反相位变换，得出患侧腿运动角度；最后对患侧腿进行力矩和位置控制，输出PWM控制指令。
[0076] 人机交互模块一体机采用研华科技的三防医用一体机，内置人机交互软件程序和游戏互动软件程序。其中人机交互软件程序包含患者信息管理模块、肌力评估模块、训练设置模块、训练监视模块、训练结果模块以及历史记录模块。
[0077] 患者信息管理模块，患者首次训练时需要治疗师输入患者姓名、性别、电话号码、出生日期、腿长范围以及病情描述信息。当输入完患者信息后点击“下一步”按钮进入肌力评估模块。
[0078] 肌力评估模块，用以对患者患侧或健侧肌肉力量评估，评估患者康复各个阶段的腿部肌肉最大离心力、最大向心力。该模块首先设定左右腿角度值，设定角度值结束后点击“角度使能”按钮，将左右腿分别置于设定的角度值。此时按下“开始评估”按钮，同时引导患者腿部发力，患者发力数值会显示在左右腿肌力曲线中，同时最大发力值会作为患者肌肉力量评估值进行保存。肌力评估步骤必须先使能角度，再进行评估，因此，在“角度使能”按钮未按下时“开始评估”按钮为不可操作状态。肌力评估完成后进训练设置模块。
[0079] 训练设置模块用以对患者训练过程的参数进行调整设置，包含腿部活动范围设定、训练时间、训练速度、训练模式、指导力系数、痉挛灵敏度系数、健侧腿选择、阻力系数、肌电测量选择、心率测量选择、血压测量选择以及训练过程中的五个体位设置。进入该模块后首先进行腿部活动范围设定，腿部范围设定需要参考患者能够活动的最大范围，因此在设定之前需要对患者腿部活动范围进行测评。测评过程为治疗师通过手动将患者大腿活动至最大角度，此时训练设置模块自动记录患者能够运动的最大角度值和偏移值，如治疗师还需修改最大值则可通过手动修改，如治疗师不修改最大值，该最大值即为患者髋关节运动的最大角度值。患者训练前还需要设定运动步数，即每分钟运动多少步数。训练时间为本次训练时间，默认值为30分钟，从1到120分钟可调，分辨率为1分钟。考虑到偏瘫患者左右腿发力情况不一致，因此指导力系数、痉挛灵敏度系数分左右腿调节，其中指导力系数为电机发力参数设置，从0到100可调，分辨率为10,痉挛灵敏度从1到5可调，灵敏度越高，判断痉挛的阈值越低。训练模式包括主动模式、被动模式以及主被动模式。当选择主动模式时，需要设定阻力系数，当主动发力超过阻力系数时，系统会主动降低默认的指导力系数值。当选择被动模式时，可选择单侧训练或双侧训练。当选择主被动模式时，需要设定主动腿为左腿或右腿，当选定主动腿时，被动腿会根据主动腿的运动轨迹做反相位的踏步运动。设备控制指令包含启动训练、暂停训练、恢复训练以及结束训练四种。当启动训练后一体机显示和液晶电视显示会自动切换为扩展模式，其中一体机显示训练监视模块，液晶电视显示游戏互动游戏。从而保证治疗师仍然可对训练过程参数进行实时查看，而患者能够根据游戏游戏进行互动训练。
[0080] 训练监视模块，用以监视患者训练过程中的各个参数，包含患者训练过程中五个维度的体位变化显示、训练时间显示、踏步步数显示、髋关节运动角度显示、腿部肌力显示、腿部拉压力显示、足底压力显示、足底翻转角度显示、心率显示、血压显示、指导力显示、阻力系数显示。以上所有参数每间隔200ms刷新一次，每间隔400ms存入训练过程实时数据表中。
[0081] 训练结果模块，用以记录和展示训练结果数据，包含训练日期与时间、腿部活动范围、是否发生痉挛、痉挛发生时间、痉挛发生角度、痉挛发生方向、足底压力最大记录值、人机作用力最大离心力、人机作用最大向心力、腿部离心运动肌力最大值、腿部向心运动肌力最大值。该记录能够清晰的向治疗师展示本次训练过程的所有参数，同时给出下次训练的指导参数。
[0082] 游戏互动管理模块，用以管理训练过程与游戏互动的交互、控制游戏显示与隐藏、互动语音播放与停止、游戏页面数据的刷新。该模块接收人机交互模块发送的控制指令，根据不同的控制指令做不同的互动画面，与患者实际踏步做关联互动。如患者发力较好时游戏界面会有金币赠送，同时会有语音鼓励。当患者训练怠慢时，通过游戏画面设定关卡，同时运动控制模块会自动暂停伺服输出，此时会有生意提示患者加油通过该关卡，当患者配合训练后关卡通过同时伺服继续输出。通过各种形式新颖的互动画面、互动语音配合控制模块增加患者训练过程的趣味性和有效性。
[0083] 游戏互动液晶显示器为55寸电视，用以显示游戏互动画面。
[0084] 人脸识别模块，内置人脸识别智能算法。该模块采用高清摄像头，当患者已经不是第一次训练时，通过人脸识别技术识别出患者的姓名和内部ID，将姓名和内部ID通过蓝牙方式发送至人机交互模块，人机交互模块更新页面显示的患者信息。从而快速识别患者，无需治疗师手动选择当前训练患者。
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