[发明专利]基于呼吸困难度反馈的机器人肺康复训练系统

权利要求书

1.一种基于呼吸困难度反馈的机器人肺康复训练系统，其特征在于，包括可穿戴式呼吸传感监测系统和肺康复训练机器人，所述可穿戴式呼吸传感监测系统包含若干可穿戴式惯性传感器(15)、若干表面肌电传感器(16)、若干触觉传感器(17)和电子鼻；所述电子鼻安装在患者口鼻腔附近，测量患者的呼气量大小和气体流速信号；所述可穿戴式惯性传感器(15)通过弹性橡胶(18)粘附在患者运动关节；所述表面肌电传感器(16)和触觉传感器(17)通过弹性橡胶(18)粘附在患者的呼吸肌表面；

所述肺康复训练机器人包括中央处理器、PLC、伺服驱动器、第一伺服电机(1)、轴承座(2)、螺杆(3)、X型支撑杆(4)、腋下支撑板(5)、平板(6)、齿轮齿条结构(7)、抓手(8)、第二伺服电机(9)、竖直滑轨(10)、X型固定架(11)、基座(12)、U形螺母(13)和支撑台(14)；其中，所述基座(12)固定在病床或座椅上，基座(12)的前端固定两个轴承座(2)；一根两端具有相反旋向螺纹的螺杆(3)固定在两个轴承座(2)中，水平方向固定；所述U形螺母(13)的下端开有与螺杆(3)的螺纹相配合的螺孔，两个U形螺母(13)分别安装在螺杆(3)的两端螺纹上；U形螺母(13)的两个侧面均开有通孔，所述两侧通孔的中心轴与下端螺孔的中心轴垂直；所述X型支撑杆(4)的中心具有可转动的销轴，两个底端均开有通孔，两个底端分别置于两个U形螺母(13)的U形槽中，通过销轴穿过通孔将X型支撑杆(4)与U形螺母(13)连接；螺杆(3)一端通过联轴器安装第一伺服电机(1)，第一伺服电机(1)作为扭矩输入端；当螺杆(3)在第一伺服电机(1)带动下旋转运动时，带动两个U型螺母(13)做相向或相反运动，同时带动X型支撑杆(4)的两个底端做相向或相反运动；所述支撑台(14)的中部下端开有两个平行的两面槽口，X型支撑杆(4)两个上端分别插入两面槽口与之滑动配合，两个腋下支撑板(5)分别安装在支撑台(14)伸出的手臂上；支撑台(14)后侧楔入一块平板(6)，平板(6)上用两个轴承座固定一个齿轮，齿轮下方配合安装一段齿条，齿条可以随着齿轮的转动而前后移动，从而形成齿轮齿条结构(7)；两个抓手(8)均与齿条的末端相连，能和齿条一同前后运动；所述第二伺服电机(9)和齿轮用联轴器相连；支撑台(14)尾部两端分别伸出两个燕尾型凸起与所述竖直滑轨(10)的燕尾槽滑动配合；所述X型固定架(11)与所述竖直滑轨(10)焊接；所述竖直滑轨(10)底部用螺钉固定在基座(12)上；所述第一伺服电机(1)和第二伺服电机(9)均与伺服驱动器相连，所述伺服驱动器与PLC相连，通过PLC控制电机的转向和转速；所述PLC、可穿戴式惯性传感器、表面肌电传感器、触觉传感器和电子鼻均与中央处理器相连；

将传感器测得患者的呼吸困难信息，包括胸腔、肌肉的运动状况，呼吸肌的肌肉电信号，胸腔压力信号，呼气量的大小以及气体流速信号由外设接口传输至机器人的中央处理器，中央处理器对患者呼吸信号进行量化处理，得到量化的患者呼吸困难度信号，将呼吸困难度类比于电机工作时的负载，利用阻抗反馈的控制算法，控制电机的转速和运转方向，实现呼吸困难度的反馈控制。

2.根据权利要求1所述一种基于呼吸困难度反馈的机器人肺康复训练系统，其特征在于，所述阻抗反馈的控制方法是利用患者呼吸困难度等效为电机的负载阻抗，由负载的大小变化对电机的输出力矩进行控制，假设T_e、T_m、T_n分别为伺服驱动电机的电磁转矩、患者呼吸困难度等效的负载转矩和抬升机器人和患者所需的力矩，J、B分别为伺服驱动电机的转动惯量和粘性摩擦系数，w为电机角速度，则：

$T_e-T_m=J\frac{dw}{dt}+Bw+T_n$

以患者呼吸困难度等效力矩、患者运动和机器人运动所需力矩之和T_m+T_n作为输入量，控制电机的输出力矩T_e，G_(s)为对系统摩擦损耗的补偿系数，H_(s)为病人训练时自身需求的设置参数，K_(s)为呼吸困难度等效负载的反馈系数，则闭环传递函数φ_(s)为：

${\mathrm{\φ}}_{\left(s\right)}=\frac{G_{\left(s\right)}{H}_{\left(s\right)}}{1+G_{\left(s\right)}{H}_{\left(s\right)}{K}_{\left(s\right)}}$

输出的拉氏变换为：