本发明涉及康复器械技术领域，具体涉及一种基于人机交互的下肢康复机器人系统。
背景技术：
康复治疗是现今社会一大热点，伴随该热点，各种康复治疗仪器不断涌现市场。市面上现有的康复治疗仪器，要么结构过于复杂，自由度多，针对全身各部位康复进行设计，能够实现多种功能，难于操作控制，使用和维护成本均较高，大部分由医院或专业康复机构采购，需患者长期住院或定期前往进行康复治疗；要么结构过于简单，不够智能化，不能根据个人情况进行调节训练，需要看护者辅助患者进行相关动作锻炼，加大人力成本，康复效果不好。
康复治疗周期一般都比较漫长，需要循序渐进长期投入，尤其对于下肢康复患者，前期往往已经花费了大量的医药费用或手术费用，后期康复治疗高额的投入会进一步加重经济负担，由于自身行动不便，康复训练更为困难，长期住院或频繁前往康复机构还会加重患者心理负担，不利于康复，因此，急需一种结构简单便于操作控制且能够适于社区或家庭使用的康复机器人。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，本发明能够模拟人体步态轨迹，通过智能终端进行操控，调整和控制各项训练参数，辅助使用者进行下肢康复训练，结构简单成本低，利于向社区和家庭推广。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，包括下肢康复机器人本体和人机交互控制系统，所述下肢康复机器人本体包括机架、扶手、脚踏板、watt-i型六杆机构、传动系统以及电机，电机驱动watt-i型六杆机构带动脚踏板运动模拟人体步态轨迹，所述人机交互控制系统包括数据采集模块、数据传输模块、单片机和智能终端，所述数据采集模块为设置在康复机器人上的多个传感器，数据采集模块采集到的数据通过数据传输模块传递给单片机，经分析处理后将结果呈现在智能终端上，使用者可实时查看智能终端上呈现的结果，并能够通过智能终端实时调整康复运动计划，调整后的康复运动计划通过智能终端反馈给单片机，单片机进行分析处理后控制电机执行新的运动参数。
进一步地，所述康复运动计划包括运动时长、运动速度、运动频率、以及运动周期；智能终端上呈现的所述结果包括本次运动时长、运动步数、运动速度、消耗体能以及使用者当前的脉搏指数。
进一步地，所述智能终端能够通过使用者的年龄、性别、身高、体重以及下肢健康状况给使用者推荐合适的康复运动计划，或者由使用者自身设置运动计划。
进一步地，所述传感器具体包括设置在脚踏板上的速度传感器和压力传感器，设在脚踏板侧方机架上的计步器、计时器，以及设在扶手上的脉搏传感器。
进一步地，所述扶手上设有急停按钮，按下后能够直接控制电机断电停转，以防止控制系统故障或使用者操作不当导致的意外状况发生。
进一步地，watt-i型六杆机构包括曲柄杆ab、三角形杆bce、三角形杆cdf、连杆fg和连杆geh，其中，连杆geh由彼此呈一固定角度的杆ge和杆eh在e端一体连接组成，曲柄杆ab为驱动端，杆eh为执行端，曲柄杆ab与三角形杆bce通过b端铰接，三角形bce与三角形杆cdf通过c端铰接，三角形杆cdf的f端与连杆geh的g端之间铰接有连杆fg，连杆geh与三角形杆bce通过e端铰接，六杆机构的a端固定一连接轴穿过机架后与传动机构输出端连接，六杆机构的d端通过连接轴转动连接在机架上，电机通过传动机构连接六杆机构的驱动端，六杆机构的执行端通过脚踏板弯管与脚踏板连接。
进一步地，所述传动机构为带传动机构，由大带轮、小带轮和传送带组成，电机带动小带轮转动，小带轮通过传送带把动力传输给大带轮，大带轮通过机架销和六杆机构的驱动端连接，从而驱动六杆机构，六杆机构的执行端连接脚踏板，实现脚踏板以一定的速度模拟人体步态轨迹。
有益效果：本发明提供的基于人机交互的下肢康复机器人系统，通过单片机接收和反馈各项运动参数，控制电机驱动六杆机构模拟人体步态轨迹，帮助使用者进行下肢康复，还能通过智能终端显示和调整各项运动参数，制定合适的康复计划，实现人机交互，整体结构简单，易于控制，智能化程度高，制造和使用成本低，便于下肢康复患者使用，减少人力物力成本，适于社区和家庭推广。
附图说明
图1为本发明人机交互控制系统的原理框图；
图2为下肢康复机器人的结构示意图；
图3为六杆机构结构示意图。
附图标记：1机架、2扶手、3减重背心、4六杆机构、5脚踏板弯管、6脚踏板、7电机、8电机座、9小带轮、10传送带、11大带轮、12连接轴、13调整带。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1-3所示，本发明的一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，包括下肢康复机器人本体和人机交互控制系统，所述下肢康复机器人本体主要通过六杆机构复现人体步态轨迹，所述人机交互控制系统包括数据采集模块、数据传输模块、单片机和智能终端，所述数据采集模块为设置在康复机器人上的多个传感器，具体包括设置在脚踏板上的速度传感器和压力传感器，脚踏板侧方机架上的计步器、计时器，扶手上的脉搏传感器等；数据采集模块采集到的数据通过数据传输模块传递给单片机，经分析处理后将结果呈现在智能终端上，使用者可实时查看智能终端上呈现的结果，并能够通过智能终端实时调整运动参数或康复运动计划，调整后的运动参数或康复运动计划通过智能终端反馈给单片机，单片机进行分析处理后控制电机执行新的参数。
所述康复运动计划包括运动时长、运动速度、运动频率、以及运动周期等可设置参数，智能终端上呈现的所述结果包括本次运动时长、运动步数、运动速度、消耗体能以及使用者当前的脉搏指数等，以便于使用者了解目前运动状况和身体状况。
所述智能终端能够通过使用者的年龄、性别、身高、体重以及下肢健康状况给使用者推荐合适的康复运动计划，或者由使用者自身设置运动计划，智能终端可由使用者自身操作，还可以由其家属或看护者帮其设定操作。
所述智能终端与所述单片机通过数据线连接或通过蓝牙、wifi等无线模式进行连接，所述智能终端为手机、平板电脑或笔记本电脑等。
进一步地，所述扶手上设有急停按钮，按下后能够直接控制电机断电停转，以备使用者突然出现身体不适需要急停，或操作不当及控制系统故障导致的意外状况的发生。
本发明的下肢康复机器人本体主要通过watt-i型六杆机构（以下简称六杆机构）复现人体步态轨迹，以辅助使用者实现良好的下肢锻炼效果，作为一个具体实施例，如图2-3所示，所述下肢康复机器人本体包括机架1、扶手2、六杆机构4、脚踏板6、电机7以及减重背心3，所述扶手2与机架1一体设置，所述减重背心3固定在机架1上用于固定和支撑使用者的上身，所述机架1上左右对称设置两个六杆机构4，六杆机构4包括曲柄杆ab、三角形杆bce、三角形杆cdf、连杆fg和连杆geh，其中，连杆geh由彼此呈一固定角度的杆ge和杆eh在e端一体连接组成，曲柄杆ab为驱动端，杆eh为执行端，曲柄杆ab与三角形杆bce通过b端铰接，三角形杆bce与三角形杆cdf通过c端铰接，三角形杆cdf的f端与连杆geh的g端之间铰接有连杆fg，连杆geh与三角形杆bce通过e端铰接，六杆机构4的a端固定一连接轴12穿过机架1后与传动机构输出端连接，六杆机构4的d端通过连接轴12转动连接在机架1上，通过a端和d端实现六杆机构和机架的连接；六杆机构4各端点之间的距离通过优化设计确定，电机7通过传动机构连接六杆机构4的驱动端，六杆机构4的执行端通过脚踏板弯管5与脚踏板6连接，在电机7的驱动下六杆机构4运动使脚踏板6以一定的速度模拟人体步态轨迹。
所述减重背心3通过调整带13固定在机架1上，所述调整带13由扣环和绳子组成，通过扣环调节绳子长度从而调节减重背心3的高度以适应不同体型的使用者。
所述传动机构包括小带轮9、传送带和大带轮11，电机7通过电机座8固定在机架1上，所述电机7输出轴连接小带轮9，小带轮9和大带轮11之间通过传送带10连接，大带轮11与六杆机构4的驱动端通过连接轴12连接，电机7驱动六杆机构4，六杆机构4的执行端连接脚踏板6，实现脚踏板6以一定的速度模拟人体步态轨迹。
本发明使用时，通过智能终端连接单片机，使用者或看护者可通过智能终端预设各项运动参数或选择智能终端推荐的运动计划，设定之后，使用者上身通过减重背心固定，通过调整带的调节使背心高度适当，双脚放在脚踏板上，然后扶紧扶手，通过智能终端控制系统开始运动，单片机接收智能终端设置的各项参数，分析处理后控制电机转动，在电机的驱动下，六杆机构带动脚踏板运动复现人体步态轨迹，运动过程中，各传感器采集的运动参数通过单片机分析处理后呈现在智能终端上，使用者可随时查看，若运动过程使用者感到不适或需要调整参数，则可以通过智能终端输入参数进行调整，若需要急停，按动急停按钮即可使系统快速停下。
本发明与现有技术相比，能够实现人机交互且整体结构简单，便于下肢康复患者使用，模拟人体步态轨迹康复效果好，易于控制，智能化程度高，减少人力物力成本，制造和使用成本低，适于社区和家庭推广。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
技术特征：
1.一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，其特征在于，包括下肢康复机器人本体和人机交互控制系统，所述下肢康复机器人本体包括机架、扶手、脚踏板、watt-i型六杆机构、传动机构以及电机，电机驱动watt-i型六杆机构带动脚踏板运动模拟人体步态轨迹，所述人机交互控制系统包括数据采集模块、数据传输模块、单片机和智能终端，所述数据采集模块为设置在康复机器人上的多个传感器，数据采集模块采集到的数据通过数据传输模块传递给单片机，经分析处理后将结果呈现在智能终端上，使用者可实时查看智能终端上呈现的结果，并能够通过智能终端实时调整康复运动计划，调整后的康复运动计划通过智能终端反馈给单片机，单片机进行分析处理后控制电机执行新的运动参数。
2.如权利要求1所述的一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，其特征在于，所述康复运动计划包括运动时长、运动速度、运动频率、以及运动周期；智能终端上呈现的所述结果包括本次运动时长、运动步数、运动速度、消耗体能以及使用者当前的脉搏指数。
3.如权利要求1所述的一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，其特征在于，所述智能终端能够通过使用者的年龄、性别、身高、体重以及下肢健康状况给使用者推荐合适的康复运动计划，或者由使用者自身设置运动计划。
4.如权利要求1所述的一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，其特征在于，所述传感器具体包括设置在脚踏板上的速度传感器和压力传感器，设在脚踏板侧方机架上的计步器、计时器，以及设在扶手上的脉搏传感器。
5.如权利要求1所述的一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，其特征在于，所述扶手上设有急停按钮，按下后能够直接控制电机断电停转，以防止控制系统故障或使用者操作不当导致的意外状况发生。
6.如权利要求1所述的一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，其特征在于，watt-i型六杆机构包括曲柄杆ab、三角形杆bce、三角形杆cdf、连杆fg和连杆geh，其中，连杆geh由彼此呈一固定角度的杆ge和杆eh在e端一体连接组成，曲柄杆ab为驱动端，杆eh为执行端，曲柄杆ab与三角形杆bce通过b端铰接，三角形bce与三角形杆cdf通过c端铰接，三角形杆cdf的f端与连杆geh的g端之间铰接有连杆fg，连杆geh与三角形杆bce通过e端铰接，六杆机构的a端固定一连接轴穿过机架后与传动机构输出端连接，六杆机构的d端通过连接轴转动连接在机架上，电机通过传动机构连接六杆机构的驱动端，六杆机构的执行端通过脚踏板弯管与脚踏板连接。
7.如权利要求6所述的一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，其特征在于，所述传动机构为带传动机构，由大带轮、小带轮和传送带组成，电机带动小带轮转动，小带轮通过传送带把动力传输给大带轮，大带轮通过机架销和六杆机构的驱动端连接，从而驱动六杆机构，六杆机构的执行端连接脚踏板，实现脚踏板以一定的速度模拟人体步态轨迹。
技术总结
本发明涉及一种基于人机交互的下肢康复机器人系统，包括下肢康复机器人本体和人机交互控制系统，所述下肢康复机器人通过电机驱动Watt‑I型六杆机构带动脚踏板运动模拟人体步态轨迹，所述人机交互控制系统包括数据采集模块、数据传输模块、单片机和智能终端，数据采集模块采集到的数据通过数据传输模块传递给单片机，经分析处理后将结果呈现在智能终端上，使用者可实时查看智能终端上呈现的结果，并能够通过智能终端实时调整康复运动计划，调整后的康复运动计划通过智能终端反馈给单片机，单片机控制电机执行新的运动参数，结构简单易于控制，能实现人机交互，制造和使用成本低，适于社区和家庭推广。
技术研发人员：赵萍;侯其涛;顾晨晨;宋皖兵;滕志强;张昊
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：.11.21
技术公布日：.02.28
