基于虚拟现实的膝关节康复动作感知系统

技术领域

本发明属于康复训练技术领域，尤其涉及基于虚拟现实的膝关节康复动作感知系统。

背景技术

膝关节手术后，需进行一系列康复动作，现有的膝关节康复机器人能使康复医师从繁重的康复治疗中解脱出来，通常设置有动力模块、驱动模块、机器人本体、采集模块、工控机，工控机输出信号到驱动模块，驱动模块驱动动力装置辅助运动，采集模块采集患者的生理、机能指标、动力模块的动力、角度等参数，反馈到工控机以满足训练需求，随着网络远程控制技术的发展，康复医师可以根据不同患者的患病症状远程设置不同的康复模式，也可以根据各类新式传感器检测患者的生理、机能指标，为康复医师修订训练计划提供客观数据，利用人机接口技术，患者根据自身身体状态也可调整训练强度及训练模式，并可以配备VR设备，选择要模拟的运动场景，利于调动患者康复的积极性。

虽然康复医师能根据不同患者的患病症状设置相应的康复模式，并根据各类新式传感器检测患者的生理、机能指标进行修订训练计划，患者也可根据自身身体状态也可调整训练强度及训练模式，但是，训练的时长导致患者的生理、机能指标不同，以及患者本身感觉不精准性，患者在康复训练过程中，极易因受力超限造成伤害，影响患者康复。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供基于虚拟现实的膝关节康复动作感知系统，有效的解决了患者在康复训练过程中，极易因受力超限造成伤害，影响患者康复的问题。

其技术方案是，包括姿态信号采集电路、肌电信号采集电路、拟合值计算电路、动力限制触发电路，所述姿态信号采集电路采用选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经第一级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经第二级采样保持、第一均值计算后进入拟合值计算电路；

所述肌电信号采集电路采用差动放大电路接收EMG测试仪检测的患者康复动作时电生理信号，经第三级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经第四级采样保持、第二均值计算后进入拟合值计算电路；

所述拟合值计算电路首先采用第一减法器计算出第一级采样保持后与第一均值计算后的差值，采用第二减法器计算出第三级采样保持后与第二均值计算后的差值，再采用乘法芯片IC1对两个差值进行相乘，相乘后进入模拟除法器IC4，采用乘法芯片IC2对第一减法器输出的差值进行平方，平方后进入模拟除法器IC4，模拟除法器IC4计算出斜率b，斜率b进入乘法芯片IC3与第一均值进行乘积，乘积后进入第三减法器与第二均值计算出a值，斜率b、a进入动力限制触发电路；

所述动力限制触发电路将选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经乘法芯片IC5与斜率b相乘，相乘后在进入加法器与a值进行加法运算，得出预估值，预估值高时，预估值改变与助力器械并联的场效应管漏源间阻值，限制驱动助力器械的动力。

本发明的有益效果：实时检测患者康复动作姿态信号、电生理信号，分别经第一级/三级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经采样保持电路第二/四级采样保持，与第一/三级采样保持后信号进入平均值电路第一/二均值计算，采用第一减法器计算出第一级采样保持后与第一均值计算后的差值，采用第二减法器计算出第三级采样保持后与第二均值计算后的差值，再采用型号为AD532的乘法芯片IC1对两个差值进行相乘，相乘后进入模拟除法器IC4，采用乘法芯片IC2对第一减法器输出的差值进行平方，平方后进入模拟除法器IC4，模拟除法器IC4计算出斜率b，斜率b进入乘法芯片IC3与第一均值进行乘积，乘积后进入第三减法器与第二均值计算出a值，斜率b、a进入动力限制触发电路，实现由历史数据，得出拟合线y=a+bx的a，b值，将选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经乘法芯片IC5与斜率b相乘，相乘后得出bx，再进入加法器与a值进行加法运算，得出肌电信号预估值输出，预估值高时，稳压管Z1反向击穿、三极管Q1导通，进而晶闸管VTL1导通，预估值经电阻R30、双向二极管SD1进一步判断，加到场效应管T1的栅极，改变与助力器械并联的场效应管漏源间阻值，限制驱动助力器械的动力，能及时的避免患者训练过程中，受力超限造成伤害，影响患者康复的问题。

附图说明

图1是本发明姿态信号采集电路原理图。

图2是本发明肌电信号采集电路原理图。

图3是本发明拟合值计算电路原理图。

图4是发明动力限制触发电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

以下结合说明书附图1至图4，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

基于虚拟现实的膝关节康复动作感知系统，包括姿态信号采集电路、肌电信号采集电路、拟合值计算电路、动力限制触发电路，所述姿态信号采集电路采用RLC选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经开关SW1、电容C2、运算放大器OP1组成的采样保持电路第一级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经开关SW2、电容C3、运算放大器OP2组成的采样保持电路第二级采样保持，与第一级采样保持后信号进入运算放大器OP3、电阻R4-电阻R5组成的平均值电路第一均值计算，再进入拟合值计算电路；

所述肌电信号采集电路采用运算放大器OP6、电阻R16-电阻R19、电感L1和L2、电容C4-电容C6组成的差动放大电路接收EMG测试仪检测的患者康复动作时电生理信号，经开关SW3、电容C7、运算放大器OP7组成的采样保持电路第三级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经开关SW4电容C8运算放大器OP8成的采样保持电路第四级采样保持，与第三级采样保持后信号进入运算放大器OP9、电阻R20-电阻R23组成的平均值电路第二均值计算，再进入拟合值计算电路；

所述拟合值计算电路首先采用运算放大器OP5、电阻R10-电阻R13组成的第一减法器计算出第一级采样保持后与第一均值计算后的差值，采用运算放大器OP4、电阻R6-电阻R9组成的第二减法器计算出第三级采样保持后与第二均值计算后的差值，再采用型号为AD532的乘法芯片IC1对两个差值进行相乘，相乘后进入型号为ICL8013的模拟除法器IC4，采用乘法芯片IC2对第一减法器输出的差值进行平方，平方后进入模拟除法器IC4，模拟除法器IC4计算出斜率b，斜率b进入乘法芯片IC3与第一均值进行乘积，乘积后进入运算放大器OP11、电阻R29、电阻R31-电阻R32组成的第三减法器与第二均值计算出a值，斜率b、a进入动力限制触发电路，实现由历史数据，得出拟合线y=a+bx的a，b值；

所述动力限制触发电路将选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经乘法芯片IC5与斜率b相乘，相乘后得出bx，再进入运算放大器OP10、电阻R24-电阻R27组成的加法器与a值进行加法运算，得出肌电信号预估值输出，预估值高时，稳压管Z1反向击穿、三极管Q1导通，进而晶闸管VTL1导通，预估值经电阻R30、双向二极管SD1进一步判断，加到场效应管T1的栅极，改变与助力器械并联的场效应管漏源间阻值，限制驱动助力器械的动力，避免患者训练过程中，受力超限造成伤害，影响患者康复的问题。

在上述技术方案中，所述姿态信号采集电路采用RLC选频网络接收传感器（可为姿态传感器E.T-ahrs进行检测，是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统，它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数据等，高速数据输出率，最高500Hz）检测的患者康复动作姿态信号，经开关SW1、电容C2、运算放大器OP1组成的采样保持电路第一级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经开关SW2、电容C3、运算放大器OP2组成的采样保持电路第二级采样保持，与第一级采样保持后信号进入运算放大器OP3、电阻R4-电阻R5组成的平均值电路第一均值计算，再进入拟合值计算电路，其中，采样保持的时钟信号CP1、CP2预先设定，时钟信号CP2为延时一个采样周期的CP1，包括电阻R1、电感H2，电阻R1的一端、电感H2的一端连接传感器检测的姿态信号，电感H2的另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端分别连接电阻R1的另一端、开关SW1的常开触点，开关SW1的控制端连接时钟信号CP1，开关SW1的公共端分别连接接地电容C2的一端、运算放大器OP1的同相输入端，运算放大器OP1的反相输入端分别连接运算放大器OP1的输出端、开关SW2的常开触点、电阻R3的一端，开关SW2的控制端连接时钟信号CP2，开关SW2的公共端分别连接接地电容C3的一端、运算放大器OP2的同相输入端，运算放大器OP2的反相输入端和输出端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接电阻R3的另一端、运算放大器OP3的同相输入端、电阻R4的一端，运算放大器OP3的反相输入端连接接地电阻R5的一端，运算放大器OP3的输出端分别连接电阻R4的另一端、乘法芯片IC3的引脚7；

所述肌电信号采集电路采用运算放大器OP6、电阻R16-电阻R19、电感L1和L2、电容C4-电容C6组成的差动放大电路接收EMG测试仪检测的患者康复动作时电生理信号，经开关SW3、电容C7、运算放大器OP7组成的采样保持电路第三级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经开关SW4电容C8运算放大器OP8成的采样保持电路第四级采样保持，与第三级采样保持后信号进入运算放大器OP9、电阻R20-电阻R23组成的平均值电路第二均值计算，再进入拟合值计算电路，其中，采样保持的时钟信号CP3、CP4预先设定，时钟信号CP3为在CP1时钟信号下采集姿态信号，姿态动作导致肌电信号变化时延采集的时钟信号，时钟信号CP4为延时一个采样周期的CP3，包括电感L1和电感L2，电感L1的左端和电感L2的左端连接传感器检测的肌电信号，电感L1的另一端分别连接电容C5的一端、接地电容C4的一端、电阻R16的一端，电阻R16的另一端分别连接运算放大器OP6的同相输入端、电阻R19的一端，电感L2的另一端分别连接电容C5的另一端、接地电容C6的一端、电阻R17的一端，电阻R17的另一端分别连接运算放大器OP6的反相输入端、接地电阻R18的一端，运算放大器OP6的输出端分别连接电阻R19的另一端、开关SW3的常开触点，开关SW3的控制端连接时钟信号CP3，开关SW3的公共端分别连接接地电容C7的一端、运算放大器OP7的同相输入端，运算放大器OP7的反相输入端分别连接运算放大器OP7的输出端、开关SW4的常开触点、电阻R20的一端，开关SW4的控制端连接时钟信号CP4，开关SW4的公共端分别连接接地电容C8的一端、运算放大器OP8的同相输入端，运算放大器OP8的反相输入端和输出端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端分别连接电阻R20的另一端、运算放大器OP9的同相输入端、电阻R23的一端，运算放大器OP9的反相输入端连接接地电阻R22的一端，运算放大器OP9的输出端分别连接电阻R23的另一端、电阻R7的一端。

在上述技术方案中，所述拟合值计算电路首先采用运算放大器OP5、电阻R10-电阻R13组成的第一减法器计算出第一级采样保持后与第一均值计算后的差值，采用运算放大器OP4、电阻R6-电阻R9组成的第二减法器计算出第三级采样保持后与第二均值计算后的差值，再采用型号为AD532的乘法芯片IC1对两个差值进行相乘，相乘后进入型号为ICL8013的模拟除法器IC4，采用乘法芯片IC2对第一减法器输出的差值进行平方，平方后进入模拟除法器IC4，模拟除法器IC4计算出斜率b，斜率b进入乘法芯片IC3与第一均值进行乘积，乘积后进入运算放大器OP11、电阻R29、电阻R31-电阻R32组成的第三减法器与第二均值计算出a值，斜率b、a进入动力限制触发电路，实现由历史数据，得出拟合线y=a+bx的a，b值，包括运算放大器OP4，运算放大器OP4的同相输入端分别连接电阻R6的一端、电阻R8的一端，运算放大器OP4的反相输入端分别连接电阻R7的另一端、接地电阻R9的一端，运算放大器OP4的输出端分别连接电阻R8的另一端、电阻R15的一端，电阻R15的另一端连接乘法芯片IC1的引脚9，乘法芯片IC1的引脚7连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端分别连接运算放大器OP5的输出端、电阻R13的一端，运算放大器OP5的同相输入端分别连接电阻R13的另一端、电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接运算放大器OP3的输出端，运算放大器OP5的反相输入端分别连接电阻R10的一端、接地电阻R12的一端，电阻R10的另一端连接运算放大器OP1的输出端，乘法芯片IC1的引脚14连接电位器RW1的左端，乘法芯片IC1的引脚11连接电位器RW1的中间端，乘法芯片IC1的引脚3连接电位器RW1的右端，乘法芯片IC1的引脚1和引脚2连接模拟除法器IC4的引脚1，模拟除法器IC4的引脚6分别连接乘法芯片IC2的引脚1和引脚2，乘法芯片IC2的引脚14连接电位器RW2的左端，乘法芯片IC2的引脚11连接电位器RW2的中间端，乘法芯片IC2的引脚3连接电位器RW2的右端，乘法芯片IC2的引脚7和引脚9连接运算放大器OP5的输出端，模拟除法器IC4的引脚7、引脚9、引脚10、引脚8连接地，模拟除法器IC4的引脚3连接电位器RW4的中间端，电位器RW4的下端连接地，电位器RW4的上端分别连接二极管D1的正极、乘法芯片IC3的引脚9，二极管D1的负极连接模拟除法器IC4的引脚4，模拟除法器IC4的引脚2连接电源+15V，模拟除法器IC4的引脚5连接电源-15V，乘法芯片IC3的引脚7连接运算放大器OP3的输出端，乘法芯片IC3的引脚14连接电位器RW3的左端，乘法芯片IC3的引脚11连接电位器RW3的中间端，乘法芯片IC3的引脚3连接电位器RW3的右端，乘法芯片IC3的引脚1和引脚2连接电阻R32的一端。

在上述技术方案中，所述动力限制触发电路将选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经乘法芯片IC5与斜率b相乘，相乘后得出bx，再进入运算放大器OP10、电阻R24-电阻R27组成的加法器与a值进行加法运算，得出肌电信号预估值输出，预估值高时，稳压管Z1反向击穿、三极管Q1导通，进而晶闸管VTL1导通，预估值经电阻R30、双向二极管SD1进一步判断，加到场效应管T1的栅极，改变与助力器械并联的场效应管漏源间阻值，限制驱动助力器械的动力，避免患者训练过程中，受力超限造成伤害，影响患者康复的问题，包括乘法芯片IC5，乘法芯片IC5的引脚9连接电感H2的另一端，乘法芯片IC5的引脚7连接二极管D1的正极，乘法芯片IC1的引脚14连接电位器RW4的左端，乘法芯片IC5的引脚11连接电位器RW4的中间端，乘法芯片IC5的引脚3连接电位器RW4的右端，乘法芯片IC5的引脚1和引脚2连接电阻R26的另一端，电阻R26的一端分别连接运算放大器OP10的同相输入端、电阻R24的一端、电阻R25的一端，电阻R24的另一端分别连接运算放大器OP11的输出端、电阻R29的一端，运算放大器OP11的同相输入端分别连接电阻R29的另一端、电阻R31的一端，电阻R31的另一端连接运算放大器OP9的输出端，运算放大器OP11的反相输入端分别连接电阻R32的另一端、接地电阻R33的一端，运算放大器OP10的反相输入端连接接地电阻R27的一端，运算放大器OP10的输出端分别连接电阻R25的另一端、稳压管Z1的负极、晶闸管VTL1的阳极，稳压管Z1的正极分别连接三极管Q1的基极、电阻R28的一端，电阻R28的另一端连接地，三极管Q1的集电极连接电源+12V，三极管Q1的发射极连接晶闸管VTL1的控制极，晶闸管VTL1的阴极连接电阻R30的一端，电阻R30的另一端连接双向二极管SD1的左端，双向二极管SD1的右端连接场效应管T1的栅极，场效应管T1的源极连接地，场效应管T1的漏极与助力器械并联，限制驱动助力器械的动力。

本发明具体使用时，姿态信号采集电路采用RLC选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经的采样保持电路第一级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经采样保持电路第二级采样保持，与第一级采样保持后信号进入平均值电路第一均值计算，再进入拟合值计算电路，肌电信号采集电路采用差动放大电路接收EMG测试仪检测的患者康复动作时电生理信号，经开采样保持电路第三级采样保持后，一路直接进入拟合值计算电路，另一路经采样保持电路第四级采样保持，与第三级采样保持后信号进入平均值电路第二均值计算，再进入拟合值计算电路，首先采用第一减法器计算出第一级采样保持后与第一均值计算后的差值，采用第二减法器计算出第三级采样保持后与第二均值计算后的差值，再采用型号为AD532的乘法芯片IC1对两个差值进行相乘，相乘后进入型号为ICL8013的模拟除法器IC4，采用乘法芯片IC2对第一减法器输出的差值进行平方，平方后进入模拟除法器IC4，模拟除法器IC4计算出斜率b，斜率b进入乘法芯片IC3与第一均值进行乘积，乘积后进入第三减法器与第二均值计算出a值，斜率b、a进入动力限制触发电路，实现由历史数据，得出拟合线y=a+bx的a，b值，进入动力限制触发电路，将选频网络接收传感器检测的患者康复动作姿态信号，经乘法芯片IC5与斜率b相乘，相乘后得出bx，再进入加法器与a值进行加法运算，得出肌电信号预估值输出，预估值高时，稳压管Z1反向击穿、三极管Q1导通，进而晶闸管VTL1导通，预估值经电阻R30、双向二极管SD1进一步判断，加到场效应管T1的栅极，改变与助力器械并联的场效应管漏源间阻值，限制驱动助力器械的动力，避免患者训练过程中，受力超限造成伤害，影响患者康复的问题。