CN105266798A - 基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置及康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置，该装置包括脑电转换单元，将实时采集得到的脑电波信号转换为模拟控制信号；电流驱动单元，将所述模拟控制信号转换为功率电流信号；伸缩机构，基于所述功率电流信号，进行收缩运动，在无功率电流状态下自然恢复初始状态。本发明进一步公开了一种基于脑电波和记忆合金结合的康复训练系统。本发明所述技术方案基于脑电和记忆合金结合实现康复训练，训练系统体积小携带方便，简单易行；本方案可根据用户需求调整合适的训练强度进行康复训练，无需专人开户，节省了人力物力的消耗。

Description

基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置及康复训练系统

技术领域

本发明涉及医疗器械，特别是涉及一种基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置及康复训练系统。

背景技术

记忆合金(shapememoryalloy)的产生与发展有已有一定历史。1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应。1963年美国海军军械实验室的比勒在研究中发现Ni-Ti合金的形状记忆效应。合金的这种记忆效应是由合金的相变来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为"神奇的功能材料"。形状记忆合金加热之后会发生收缩形变，冷却后会恢复形变的这一特性。使其在仪器仪表、自动控制、汽车、航空航天、生物医学和机器人等领域有广泛的应用。

例如利用记忆合金制成可以代替焊接的套管，利用其记忆效应，在低温时在管内扩张，加热后，管套收缩恢复回原来形状，这样的过程使接头间的结合变得更紧密。1970年美国F-14战斗机上的低温配合连接器就使用了这样的接头，多年来都没有发生漏油或损坏。

记忆合金也用于医学，例如齿科用的矫齿丝，脊柱侧弯矫形。利用TiNi形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器的等。而在康复治疗领域鲜有应有。

现今，各类可穿戴电子设备开始兴起，例如谷歌眼镜，智能手环等的出现极大地改变了人们的生活，基于此提出可穿戴的记忆合金康复训练装置。形状记忆合金的本身具有超弹性效应、高阻尼特性、电阻突变效应等一般金属不具备的力学特性，而且其质量轻，便于可以随意弯曲，便于人体穿戴。形状记忆合金丝用于可穿戴的康复训练装置，将会有广阔的市场前景。

传统的康复训练装置通常庞大的机械设备，动作通过控制电机的运动来带动完成。带来复杂的机械结构与电气连线。装置的体积、重量等都比较大，不便于具体情况具体改装。还有康复训练者需要到特定的康复训练中心去进行康复治疗，并且通常需要在专家或相关人员的配合下才能完成。这样一来就浪费了大量的人力、财力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置及康复训练系统，以解决现有技术中康复机械体积较大不方便使用，改装性能差使用不够灵活，需要有人监护下才能进行康复训练的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置，该装置包括

脑电转换单元，对实时采集得到的脑电波信号进行处理，获得脑电控制信号，并将其转换为模拟控制信号；

电流驱动单元，将所述模拟控制信号转换为功率电流信号；

伸缩机构，基于所述功率电流信号，进行收缩运动，在无功率电流状态下自然恢复初始状态。

优选的，所述脑电转换单元包括

脑电波信号采集模块，用于实时采集用户的脑电波信号；

脑电波处理模块，用于将采集的得到的脑电波信号处理为多个不同的脑电控制信号；

多个数模转换模块，将不同的脑电控制信号，转换为与其相对应的模拟控制信号。

优选的，所述电流驱动单元包括多个电流放大器。

优选的，所述伸缩机构包括多个记忆合金。

基于脑电波和记忆合金结合的康复训练系统，该系统包括如权利要求1所述的伸缩装置和可拆卸的仿生壳体，所述仿生壳体包括依次可活动连接的小臂部、手腕部和手部；

所述伸缩装置中的伸缩机构与所述手腕和所述手部的手指连接。

优选的，所述小臂部和手部上分别设有用于固定支撑所述伸缩机构的支撑挡片。

优选的，所述手部的每个手指位置设有用于辅助伸缩机构牵引手指的滑轮。

优选的，所述伸缩机构包括多个并联的记忆合金。

优选的，所述记忆合金为Ni-Ti合金丝，其最大型变量为总长的5％。

优选的，所述伸缩机构的外部包裹有线缆套筒。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案基于脑电和记忆合金结合实现手指关节与手腕关节的可穿戴康复训练，训练系统体积小携带方便，简单易行；本方案可根据用户需求调整合适的训练强度进行康复训练，无需专人开户，节省了人力物力的消耗。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明所述伸缩装置的示意图；

图2示出本发明所述康复训练系统的示意图；

图3示出本发明所述伸缩机构的示意图；

图4示出本发明所述电流驱动器的示意图。

附图标号

1、线缆套筒；2、支撑挡片；3、记忆合金丝；4、滑轮；5、手部；6、小臂部。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置，该装置包括对实时采集得到的脑电波信号进行处理分析，获得脑电控制信号，并将该脑电控制信号转换为模拟控制信号的脑电转换单元；将所述模拟控制信号转换为功率电流信号的电流驱动单元；以及，基于所述功率电流信号，进行伸缩运动的伸缩机构。其中，所述脑电转换单元包括用于实时采集用户的脑电波信号的脑电波信号采集模块；用于将采集的得到的脑电波信号处理为多个不同的脑电控制信号的脑电波处理模块；以及，将不同的脑电控制信号，转换为与其相对应的模拟控制信号的多个数模转换模块。如图2所示，所述电流驱动单元包括多个电流放大器，分别将脑电转换单元输出的多个模拟控制信号转换为功率电流信号。本发明所述伸缩装置中，所述伸缩机构包括多个记忆合金。本发明中所述脑电转换单元采用STM32型处理器。

如图3所示，本发明进一步公开了一种基于脑电波和记忆合金结合的康复训练系统，该系统包括如上述的伸缩装置和可拆卸的仿生壳体，所述仿生壳体包括依次可活动连接的小臂部6、手腕部和手部5；所述小臂部6、手腕和手部5的各关键间可自由活动；所述伸缩装置的伸缩机构中的多个记忆合金分别与所述手腕和所述手部5的五根手指连接，通过记忆合金的收缩运动带动手腕和手指进行收缩运动，待停止提供功率电流信号时，记忆合金会通过手腕和手指的自然力回复原始长度。该系统所述小臂部6和手部5上分别设有用于固定支撑所述伸缩机构的支撑挡片2，该固定板上设有通孔，可将积极合金分别从通孔穿过，实现支撑固定。为了防止记忆合金与仿生壳体出现摩擦致其磨损，在仿生壳体所述手部5的每个手指的指跟位置分别设有用于辅助记忆合金牵引手指的滑轮4，将记忆合金绕在滑轮4上，通过滑轮4辅助记忆合金牵引手指。如图4所示，本方案中采用的记忆合金为Ni-Ti合金丝，其最大型变量为总长的5％。更了提供安全性，在所述伸缩机构的外部包裹有线缆套筒1，起到绝缘隔热的作用。

本发明所述康复训练系统的工作原理：用户佩戴上可拆卸的仿生壳体后，通过STM32型处理器实时采集康复训练者发出的脑电波信号，并对该脑电波信号进行处理处理获得多个不同的脑电控制信号，再对多个不同的脑电控制信号进行数模转换获得与其相对应的多个模拟控制信号，利用电流驱动单元，将多个弱电模拟信号变成功率电流信号后，发送给记忆合金，记忆合金根据该功率电流信号进行收缩形变，从而带动仿生壳体的手腕和手部上的各个手指进行收缩运动，待停止提供功率电流信号时，记忆合金会通过手腕和手部的自然力恢复原始状态，通过往复的收缩和复原训练，实现训练者的康复训练。在一定范围内通入电流越大，合金形变量也越大，通过这样的方式，康复训练者就可以自己完成康复训练。

下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：

形状记忆合金是一种受热后会收缩的合金材料，在记忆合金形变范围内，受热强度越大形变量越大，受热强度与形变量正相关。本发明采用Ni-Ti合金丝，最大形变量为总长度的5％。，即一米长的合金丝最大形变量为5cm。利用这一特性，记忆合金具有一定的电阻，通过给记忆合金通电流，会产生焦耳热，从而使其发生收缩形变。

将伸缩机构制成抽丝结构，类似自行车刹车条，外面是空心线缆套筒1。这样可以使内部的记忆合金得到保护。伸缩机构内部包括多根并联的记忆合金丝3，每单根记忆合金丝3采用折叠后与其它折叠后的合金并联排布。在实际应用中可根据负载力的不同配置不同数量的合金丝，即拉动手指所用的力小于拉动手腕所需的力，因此实际应用中，根据上述原理，需调整与手腕和手指连接记忆合金的数量。

如图4所示，a与b为同一根合金丝的不同两端，通过回绕的方式引出，这样可以使通电更为方便。a与b只是多根合金丝里的一个代表，将电流源正负一起接在多根记忆合金ab两端，通电后即可控制通入记忆合金的电流，继而控制记忆合金的收缩。

电流驱动单元集成了多个电流放大器，如图2所示，为电流放大器的电路图。将脑电转换单元提供的控制信号经过三极管放大成电流信号，a与b为记忆合金的两端。

该装置基于采集到的脑电波信号进行分析处理，并结合手指的动力学模型、手腕恢复动力学模型得到特定的连续电流信号，参与控制记忆合金丝的伸缩实现训练者的康复训练运动。其具体工作过程：用户佩戴上可拆卸的仿生壳体后，通过STM32型处理器实时采集康复训练者发出的脑电波信号，并对该脑电波信号进行处理获得多个不同的脑电控制信号，再对多个不同的脑电控制信号进行数模转换获得与其相对应的多个模拟控制信号。利用电流驱动单元，将多个弱电模拟信号变成功率电流信号后，发送给记忆合金，记忆合金根据该功率电流信号进行收缩形变，从而带动仿生壳体的手腕和手部上的各个手指进行收缩运动。待停止提供功率电流信号时，记忆合金会通过手腕和手部的自然力恢复原始状态，通过往复的收缩和复原训练，实现训练者的康复训练。在一定范围内通入电流越大，合金形变量也越大，通过这样的方式，康复训练者就可以自己完成康复训练。

综上所述，本发明所述技术方案基于脑电和记忆合金结合实现手指关节与手腕关节的可穿戴康复训练，训练系统体积小携带方便，简单易行；本方案可根据用户需求调整合适的训练强度进行康复训练，无需专人开户，节省了人力物力的消耗。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.基于脑电波和记忆合金结合的伸缩装置，其特征在于，该装置包括

脑电转换单元，对实时采集得到的脑电波信号进行处理，获得脑电控制信号，并将其转换为模拟控制信号；

电流驱动单元，将所述模拟控制信号转换为功率电流信号；

伸缩机构，基于所述功率电流信号，进行收缩运动，在无功率电流状态下自然恢复初始状态。

2.根据权利要求1所述的伸缩装置，其特征在于，所述脑电转换单元包括

脑电波信号采集模块，用于实时采集用户的脑电波信号；

脑电波处理模块，用于将采集的得到的脑电波信号处理为多个不同的脑电控制信号；

多个数模转换模块，将不同的脑电控制信号，转换为与其相对应的模拟控制信号。

3.根据权利要求1所述的伸缩装置，其特征在于，所述电流驱动单元包括多个电流放大器。

4.根据权利要求1所述的伸缩装置，其特征在于，所述伸缩机构包括多个记忆合金。

5.基于脑电波和记忆合金结合的康复训练系统，其特征在于，该系统包括如权利要求1所述的伸缩装置和可拆卸的仿生壳体，所述仿生壳体包括依次可活动连接的小臂部、手腕部和手部；

所述伸缩装置中的伸缩机构与所述手腕和所述手部的手指连接。

6.根据权利要求5所述的康复训练系统，其特征在于，所述小臂部和手部上分别设有用于固定支撑所述伸缩机构的支撑挡片。

7.根据权利要求5所述的康复训练系统，其特征在于，所述手部的每个手指位置设有用于辅助伸缩机构牵引手指的滑轮。

8.根据权利要求5所述的伸缩装置，其特征在于，所述伸缩机构包括多个并联的记忆合金。

9.根据权利要求8所述的伸缩装置，其特征在于，所述记忆合金为Ni-Ti合金丝，其最大型变量为总长的5％。

10.根据权利要求8所述的伸缩装置，其特征在于，所述伸缩机构的外部包裹有线缆套筒。