CN105455996A - 一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置，包括主控计算机、显示屏、肌电信号采集模块、物理信号采集模块、WiFi协调器模块和stm32控制器；其中：主控计算机与显示屏相连，肌电信号采集模块、物理信号采集模块和stm32控制器都通过WiFi信号与WiFi协调器模块相连，WiFi协调器模块与主控计算机相连。本发明实现了肌电信号和物理信号同时无线采集和实时显示，并可通过WiFi信号将控制命令发送给stm32控制器，搭建了可靠的脑中风康复训练平台，为后续的患者康复评估系统设计奠定了基础。本发明操作灵活，实时性好，适应性强，可应用于脑中风不同部位的康复训练及评定。

Description

一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置

技术领域

本发明涉及康复医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置。

背景技术

脑卒中又称脑血管意外或中风，是由大脑血管异常所造成的突发性神经功能损害，临床主要表现症状为偏瘫、视觉缺损、失语及认知障碍等。相关统计表明：中国每年患脑中风的病人达到2000万人，现幸存中风病人700万，其中450万病人不同程度丧失运动能力甚至生活不能自理，致残率高达75％。近年来相关研究表明，通过及时、积极的康复训练，大部分中风患者可以恢复简单肢体运动能力、甚至痊愈。

现有康复训练手段主要有被动和主动两种训练方式。当前应用较多的是被动训练方式，主要通过康复医师一对一徒手协助患者进行康复训练，这种训练方式的康复效果完全取决于医师水平。后来随着康复机器人的引入，显著地提高了康复训练效率和康复效果，减轻了康复医师的工作强度，而且能够采用主动训练方式进行康复训练。主动训练方式是指通过患者主动参与康复训练过程，按照患者的意图进行康复训练。有研究表明：主动康复训练效果显著优于被动训练。

目前，康复机器人越来越多地用于中风患者的运动康复训练，其控制方式有两种，一种是利用物理信号作为康复机器人的控制信号，如速度、角度等，但这种康复机器人训练模式简单，只能进行被动或半主动训练，缺乏与患者的交互，无法按患者的主观意愿进行康复训练。另一种控制方式为引入生物电信号作为康复机器人的控制信号，生物电信号在一定程度上可以反映患者的主观意愿，若将肌电信号用于康复机器人控制，将有助于提高康复训练效率和效果。但是，由于肌电信号易受噪声的影响，从而导致患者的主观意愿难以准确获取。因此，如将物理信号和肌电信号有机结合，进行多源信息融合和运动意图获取，按照病人的主观意愿进行康复训练，调动患者的主动参与意识和自信心，进而推动康复机器人的临床实用化进程，缓解康复医师短缺的现状，具有重要的经济和社会价值。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述缺陷，提供一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置，包括主控计算机、显示屏、肌电信号采集模块、物理信号采集模块、WiFi协调器模块和stm32控制器；其中：主控计算机与显示屏相连，肌电信号采集模块、物理信号采集模块和stm32控制器都通过WiFi信号与WiFi协调器模块相连，WiFi协调器模块与主控计算机相连；

所述的肌电信号采集模块肌包括主动电极、放大模块、AD采集模块，第一stm32微控芯片、第一无线WiFi发送模块；放大模块、AD采集模块、第一stm32微控芯片和第一无线WiFi发送模块相连并集成一体；所述的主动电极用来采集人体表面肌电信号经放大输入AD采集模块进行AD转换，第一stm32微控芯片用来控制AD采集模块的采集以及控制第一无线WiFi发送模块把所采集的肌电信号利用无线发送出去；

所述的物理信号采集模块包括模拟量采集部分、数字量采集部分、第二stm32微控芯片和第二无线WiFi发送模块；模拟量采集部分、数字量采集部分、第二stm32微控芯片和第二无线WiFi发送模块相连并集成一体；根据需要连接模拟量通道和数字量通道的通道数，模拟量采集部分能够采集通道的0-5V模拟量，数字量采集部分能够采集通道的数字量；第二stm32微控芯片用来控制数字量和模拟量的采集以及控制第二无线WiFi发送模块将采集到的模拟量和数字量以无线形式发出；

所述的stm32控制器包括无线WiFi接收模块和第三stm32微控芯片，两者相连并集成一体，stm32控制器设有串口及数字量引脚用于传送指令；无线WiFi接收模块用来接收上位机发送的控制命令，第三stm32微控芯片用来执行指令命令；

所述的WiFi协调器模块能接收肌电信号采集模块和物理信号采集模块发送的WiFi信号，然后通过以太网口传输给主控计算机，并且能将主控计算机发出的指令通过WiFi传输给stm32控制器；

所述的主控计算机，其内存不小于512M，系统为WindowsXP及以上版本，装有LabVIEW2011及以上版本控制软件，LabVIEW的编程采用G语言，有数个控件供用户自主选择调用，能够多线程并行执行；首先LabVIEW调用网口控件实现对下位机上传的物理信号和肌电信号进行读取，利用波形图显示控件分别实现物理信号和肌电信号的实时显示，利用TDMS存储控件实现数据的存储，同时肌电信号经滤波去噪处理后与物理信号进行信息融合后控制指令通过串口控件传给WiFi协调器模块，最后以WiFi信号形式发出，然后该控制指令由stm32控制器接收。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明实现了肌电信号和物理信号同时无线采集和实时显示，并可通过WiFi信号将控制命令发送给stm32控制器，搭建了可靠的脑中风康复训练平台，为后续的患者康复评估系统设计奠定了基础。本发明操作灵活，实时性好，适应性强，可应用于脑中风不同部位的康复训练及评定。

附图说明

图1为本发明的基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置的结构框图；

图2为本发明的系统原理框图。

图中标号：1—主控计算机，2—显示屏，3—WiFi协调器模块，4—肌电信号采集模块，5—物理信号采集模块，6—stm32控制器，7—主动电极、8—放大模块，9—AD采集模块，10—第一stm32微控芯片，11—第一无线WiFi发送模块，12—模拟量采集部分，13—数字量采集部分，14—第二stm32微控芯片，15—第二无线WiFi发送模块，16—无线WiFi接收模块，17—第三stm32微控芯片，18—人体，19—下肢膝关节单自由度康复机器人，20—压力传感器，21—限位开关。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置，如图1所示，它包括主控计算机1、显示屏2、肌电信号采集模块4、物理信号采集模块5、WiFi协调器模块3和stm32控制器6；其中：主控计算机1与显示屏2相连，肌电信号采集模块4、物理信号采集模块5和stm32控制器6都通过WiFi信号与WiFi协调器模块3相连，WiFi协调器模块3与主控计算机1相连；

所述的肌电信号采集模块4为自主研发的八通道无线肌电信号采集模块，它包括主动电极7、放大模块8、AD采集模块9，第一stm32微控芯片10、第一无线WiFi发送模块11；放大模块8、AD采集模块9、第一stm32微控芯片10和第一无线WiFi发送模块11相连并集成一体；所述的主动电极7贴附在人体肌肉表面用来采集人体18表面肌电信号，能够自由选择通道数量进行连接；由于肌电信号很微弱，所以需要利用放大部分8把所采集的肌电信号进行放大输入AD采集模块9进行AD转换，第一stm32微控芯片10用来控制AD采集模块9的采集以及控制第一无线WiFi发送模块11把所采集的肌电信号利用无线发送出去；放大模块8为自主搭建的有源2级放大电路，能有效抑制工频干扰；AD采集模块型号为AD7606，16位采样精度，最高采样率为240K，8通道同步采集；主动电极为自主研发的主动电极；

所述的物理信号采集模块5的模拟量输入为0-5V，数字量输入低电平为0-0.7V，高电平为0.7-5V，它包括模拟量采集部分12、数字量采集部分13、第二stm32微控芯片14和第二无线WiFi发送模块15；模拟量采集部分12、数字量采集部分13、第二stm32微控芯片14和第二无线WiFi发送模块15相连并集成一体；根据需要连接模拟量通道和数字量通道的通道数，模拟量采集部分能够采集12通道的0-5V模拟量，数字量采集部分能够采集10通道的数字量；第二stm32微控芯片用来控制数字量和模拟量的采集以及控制第二无线WiFi发送模块将采集到的模拟量和数字量以无线形式发出；

所述的stm32控制器6包括无线WiFi接收模块16和第三stm32微控芯片17，两者相连并集成一体，stm32控制器留有串口及数字量引脚，用于将指令传送给康复机器人的控制卡，从而驱动康复机器人进行康复训练；无线WiFi接收模块16用来接收上位机发送的控制命令，第三stm32微控芯片用来执行指令命令；本发明实施例中的第一无线WiFi发送模块11、第二无线WiFi发送模块15和无线WiFi接收模块16均为HLK-RM04，该模块可以实现全透明双向传输；

所述的WiFi协调器模块3能接收肌电信号采集模块4和物理信号采集模块5发送的WiFi信号，然后通过以太网口传输给主控计算机1，并且能将主控计算机1发出的指令通过WiFi传输给stm32控制器6；WiFi协调器模块3型号为W268R；

所述的主控计算机1，其内存不小于512M，系统为WindowsXP及以上版本，装有LabVIEW2011及以上版本控制软件，软件是由LabVIEW软件编写而成，LabVIEW的编程采用G语言，有数个控件供用户自主选择调用，能够多线程并行执行，其执行速度更快效率更高；首先LabVIEW调用网口控件实现对下位机上传的物理信号和肌电信号进行读取，利用波形图显示控件分别实现物理信号和肌电信号的实时显示，利用TDMS存储控件实现数据的存储，同时肌电信号经滤波去噪处理后与物理信号进行信息融合后控制指令通过串口控件传给WiFi协调器模块3，最后以WiFi信号形式发出，然后该控制指令由stm32控制器接收。本发明实施例中的中的第一stm32微控芯片10、第二stm32微控芯片和第三stm32微控芯片17均为STM32F103ZET6。

本发明的具体实施步骤如下：

根据有关人体足底受力分布的研究理论，在足底特定位置分别布置三个足底压力传感器20来测量足底压力信号，下肢膝关节单自由度康复机器人19为stm32控制器的控制对象，其具体实施步骤为：

将主动电极7贴在右腿(或左腿)股四头肌和股二头肌表面，把右腿(或左腿)固定于下肢膝关节单自由度康复机器人19上，三个足底压力传感器固定于下肢膝关节单自由度康复机器人19踏板上的特定位置，stm32控制器6与下肢膝关节单自由度康复机器人19的控制驱动卡相连用于控制下肢膝关节单自由度康复机器人19，依据个体性差异及训练强度在上位机软件中设置合适的压力调速上下阈值。

如图2所示，肌电信号采集模块4和压力传感器20分别采集腿部肌电信号和足底压力信号，肌电信号经过放大模块8后输入AD采集模块9，再经第一stm32微控芯片10处理后通过第一无线WiFi发送模块11以WiFi信号形式发送出去；同时，由足底压力传感器20采集的足底压力信号通过物理信号采集模块5的模拟量采集部分12进入第二stm32微控芯片14，限位开关21状态量通过数字量采集部分13也进入第二stm32微控芯片14，然后压力信号和限位开关21状态量同时通过第二无线WiFi发送模块15发送出去；WiFi协调器模块3接收到肌电信号、足底压力信号和限位开关21的状态量后传给主控计算机1，主控计算机1进行信号处理，然后由显示屏2实时显示，同时利用肌电信号进行模式识别，识别出动作模式，根据压力信号进行调速，使受试者按照一定的阻抗进行运动，达到最佳训练效果，限位开关21用来避免受试者拉伤，压力信号的调速阈值可以在上位机中进行设置，最后，根据分析结果发出指令，指令传到WiFi协调器模块3，WiFi协调器模块3通过WiFi信号将指令以WiFi形式传输给stm32控制器6，最后，stm32控制器6根据指令调整下肢膝关节单自由度康复机器人19的运动模式以及运动速度。

Claims (1)

1.一种基于无线的多源信号反馈控制康复训练装置，其特征在于：它包括主控计算机、显示屏、肌电信号采集模块、物理信号采集模块、WiFi协调器模块和stm32控制器；其中：主控计算机与显示屏相连，肌电信号采集模块、物理信号采集模块和stm32控制器都通过WiFi信号与WiFi协调器模块相连，WiFi协调器模块与主控计算机相连；

所述的肌电信号采集模块肌包括主动电极、放大模块、AD采集模块，第一stm32微控芯片、第一无线WiFi发送模块；放大模块、AD采集模块、第一stm32微控芯片和第一无线WiFi发送模块相连并集成一体；所述的主动电极用来采集人体表面肌电信号经放大输入AD采集模块进行AD转换，第一stm32微控芯片用来控制AD采集模块的采集以及控制第一无线WiFi发送模块把所采集的肌电信号利用无线发送出去；所述的物理信号采集模块包括模拟量采集部分、数字量采集部分、第二stm32微控芯片和第二无线WiFi发送模块；模拟量采集部分、数字量采集部分、第二stm32微控芯片和第二无线WiFi发送模块相连并集成一体；根据需要连接模拟量通道和数字量通道的通道数，模拟量采集部分能够采集通道的0-5V模拟量，数字量采集部分能够采集通道的数字量；第二stm32微控芯片用来控制数字量和模拟量的采集以及控制第二无线WiFi发送模块将采集到的模拟量和数字量以无线形式发出；

所述的stm32控制器包括无线WiFi接收模块和第三stm32微控芯片，两者相连并集成一体，stm32控制器设有串口及数字量引脚用于传送指令；无线WiFi接收模块用来接收上位机发送的控制命令，第三stm32微控芯片用来执行指令命令；

所述的WiFi协调器模块能接收肌电信号采集模块和物理信号采集模块发送的WiFi信号，然后通过以太网口传输给主控计算机，并且能将主控计算机发出的指令通过WiFi传输给stm32控制器；

所述的主控计算机，其内存不小于512M，系统为WindowsXP及以上版本，装有LabVIEW2011及以上版本控制软件，LabVIEW的编程采用G语言，有数个控件供用户自主选择调用，能够多线程并行执行；首先LabVIEW调用网口控件实现对下位机上传的物理信号和肌电信号进行读取，利用波形图显示控件分别实现物理信号和肌电信号的实时显示，利用TDMS存储控件实现数据的存储，同时肌电信号经滤波去噪处理后与物理信号进行信息融合后控制指令通过串口控件传给WiFi协调器模块，最后以WiFi信号形式发出，然后该控制指令由stm32控制器接收。