CN106562868A - 一种康复训练系统及康复训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于中风病人或上肢运动障碍患者的康复训练系统，包括可穿戴式机械臂和控制驱动子系统，所述可穿戴式机械臂由机械上臂和机械下臂组成，所述机械上臂被穿戴在患肢的后臂上，主要提供支撑和安装固定功能；所述机械下臂被穿戴在患肢的前臂上，所述机械上臂通过控制驱动子系统控制所述机械下臂运动本发明的一种康复训练系统，具有康复训练成本低、便携性好的特点，可以大大降低康复医疗成本，并广泛应用于家庭、康复训练中心、医院等场所，因而具有广阔的应用前景。

Description

一种康复训练系统及康复训练方法

技术领域

本发明涉及一种康复训练系统，尤其是涉及一种适用于中风病人或上肢运动障碍患者的康复训练系统。

背景技术

随着老龄人口的增加，年龄增长引起的疾病也逐渐增加，其中最常见，危害最大的就是中风。中风患者会发生意识和功能活动障碍等多方面的症状和体征，严重时出现偏瘫，失语，认知障碍甚至死亡。根据不完全统计，目前我国由于中风引起的偏瘫、上肢运动障碍患者总数超过1000万，肢体运动障碍伴随 75%的中风幸存者，严重影响他们的日常生活和工作。如何帮助中风后患者恢复肢体运动功能，重新获得独立生活的能力，具有非常重要的社会意义和实际研究价值。

对于中风病人，对其偏瘫部位进行有效和及早的康复训练是十分重要和关键的医疗手段。传统的康复治疗中，治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练，这种方式的训练效率和训练强度难以保证，训练效果受到治疗师水平的影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。为了减轻家庭和社会的经济负担，提高康复训练效率，目前国内外研究者们将计算机智能控、模式识别、多传感器信息融合、机器人技术应用于康复领域，开展了康复医疗机器人技术的研究。

现有技术中的康复训练系统，由于装置比较庞大，便携性不好，另外，目前的康复医疗系统，不能对患者的训练状况实时监控，故而无法给予实时的专业性康复训练指导，在康复医疗资源相对短缺的情况下，康复训练成本极高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于中风病人或上肢运动障碍患者的康复训练系统，至少部分的解决现有技术中康复训练系统存在的问题。

本发明采用的技术方案是，一种康复训练系统，包括可穿戴式机械臂和控制驱动子系统，其特征在于：所述可穿戴式机械臂由机械上臂和机械下臂组成，所述机械上臂被穿戴在患肢的后臂上，主要提供支撑和安装固定功能；所述机械下臂被穿戴在患肢的前臂上，所述机械上臂通过控制驱动子系统控制所述机械下臂运动。

进一步的，所述机械上臂和所述机械下臂分别设计有多个自由度，以保证更加贴合患肢的各部位；和/或所述机械上臂和所述机械下臂的长度可以各自调节，以满足不同患者对结构的需求。

进一步的，所述可穿戴式机械臂采用铝合金、工程塑料或碳素材料制造。

进一步的，所述机械上臂的骨架上安装有肌电传感器，所述肌电传感器布置在肱二头肌和肱三头肌上，分别检测手臂弯曲和伸张的肌肉电信号，并反馈给所述控制驱动子系统。

进一步的，所述可穿戴式机械臂的骨架上安装有血压、心律传感器，所述血压、心律传感器监测患者的血压、心律参数指标。

进一步的，所述控制驱动子系统安装在所述可穿戴式机械臂的骨架上，其包括控制模块、肌电信号采集处理单元、血压、心律信号采集处理单元、电机参数采集单元、电机驱动模块和高精度A/D数据采集模块，肌电信号和血压、心律参数的猜忌和处理采用所述高精度的A/D数据采集模块，通过所述肌电信号采集处理单元和所述血压、心律信号采集处理单元进行信号噪声滤除、特征提取和识别，实现手臂肌电信号的准确识别以及血压、心律等辅助参数的获得，根据识别出的肌电信号，所述控制模块准确判别患者的运动意图，利用闭环的反馈控制，根据肌电信号的类型发送不同的控制指令给所述电机参数采集单元，进而使所述电机驱动模块依据电机参数发送PWM脉冲信号驱动减速电机实现所述机械下臂的运动控制，完成康复训练计划指定的动作。

进一步的，所述减速电机安装在所述可穿戴式机械臂上，并配合编码器，实现所述机械下臂的运动驱动，同时实时测量运动角度、运动次数、运动时间参数。

进一步的，所述控制模块包括电源电路、核心处理器、控制面板和存储电路，其中：

所述电源电路用于给所述核心处理器供电，保证所述核心处理器正常工作；

所述核心处理器为嵌入式处理器，负责所有的控制功能，与其它电路或模块进行实时数据交互，结合高精度A/D数据采集模块，实现上肢肌电信号、血压、心律参数以及手臂运动状态数据的实时采集、处理、辨识与记录；

所述控制面板负责供用户选择相应的康复功能及显示相应的运动数据；

所述存储电路用于存储用户的手臂运动状态数据。

进一步的，所述控制模块可将实时采集到的数据通过通信模块传输给客户端子系统，所述客户端子系统通过网络将所述实时采集的数据传输给服务器或医疗专家，以便于医疗专家对康复训练过程进行实时监控并且给予专业的训练指导；或者所述客户端系统从所述服务器上下载所述医疗专家给予的康复运动建议及相关指令，依据所述康复建议和指令使用康复训练系统进行康复训练。

进一步的，所述客户端子系统包括设备控制模块、通信模块、应用模块和数据库模块，其中：

所述设备控制模块负责控制可穿戴式机械臂的运动控制情况；

所述通信模块通过蓝牙通信、WIFI通信或3G/4G网络通信，实时获得采集的训练数据，并将实时获得的数据传递给所述应用模块以方便实时显示以及后续的分析与评估；

所述应用模块包括用户管理、设备管理、训练装置搜索和连接、训练数据实时展示、训练数据对比分析与训练结果评估、数据上传与训练计划的下载；

所述数据库模块包括设备管理数据库、用户数据库和训练参数数据库，用于存储所有的数据。

本发明还提供一种康复训练方法，所述方法包括：

患者将可穿戴式机械臂穿在患肢上，启动客户端子系统。

连接专家服务器，下载训练任务并初始化训练界面；

将可穿戴式机械臂与客户端子系统进行配对连接，根据下载任务开始康复训练动作并实时采集训练参数数据；

将实时采集的训练参数数据传递给客户端子系统进行显示、对比、评价或反馈；

训练完成后，上传训练参数数据至专家服务器，等待康复专家评估。

由于采用了上述技术方案，本发明的一种康复训练系统，具有康复训练成本低、便携性好的特点，可以大大降低康复医疗成本，并广泛应用于家庭、康复训练中心、医院等场所，因而具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的一种康复训练系统机械臂的结构示意图。

图2为本发明实施例的一种康复训练系统的原理示意图。

图3为本发明实施例的一种康复训练系统的客户端子系统结构示意图。

图4为本发明实施例的一种康复训练系统控制驱动子系统的控制模块的原理示意图。

图5为本发明实施例的一种康复训练系统的反馈控制理论原理示意图。

图6为本发明实施例的一种康复方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于对本发明的进一步理解，下面将结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明适用于中风病人或上肢运动障碍患者，提供一种基于肌电信号的康复训练系统。

一种康复训练系统，包括可穿戴式机械臂10，患者将可穿戴式机械臂10穿戴在需要训练的手臂上，通过机械臂10中的人体生物电传感器采集患者的手臂的功能性肌电信号，通过肌电信号类型的分析实现对机械臂10的运动控制，辅助患者开展上肢康复训练。具体的：

如图1所示，可穿戴式机械臂10由机械上臂11和机械下臂12组成，机械上臂11被穿戴在患肢的后臂上，主要提供支撑和安装固定功能；机械下臂12被穿戴在患肢的前臂上，机械上臂11通过控制驱动子系统20控制机械下臂12运动。机械上臂11和机械下臂12可分别设计有多个自由度，以保证更加贴合患肢的各部位，满足患肢各部位的训练需要，同时要增强外界刺激，通过机械的辅助运动，恢复手臂的肌肉和神经功能，提高患者对肌肉的控制能力和协调能力。另外，机械上臂11和机械下臂12的长度可以各自调节，以满足不同患者对结构的需求。

由于机械臂10用于康复训练，因此机械臂10遵循人体仿生学原理，能够与人体上肢结构相吻合,和患者肢体相一致。此外，由于整个结构要全部穿戴在患肢上，因此对于材料有相应的要求，它必须密度小，质量轻，避免对患者造成二次伤害，按照质轻、便携、易操作、便于佩戴的原则，采用铝合金、工程塑料或碳素材料制造。

结合图2所示，减速电机13和肌电传感器14安装在可穿戴式机械臂10的骨架上，由于机械下臂12要被驱动运动，因此减速电机13和肌电传感器14安装在机械上臂11上更为妥当。肌电传感器14采集的是肱二头肌和肱三头肌的肌肉电信号，因此布置在对准后臂的肱二头肌和肱三头肌的位置处，为了保证肌电信号采集的准确性，分别在肱二头肌和肱三头肌上布置肌电传感器各三个，分别检测手臂弯曲和伸张的肌电信号，并反馈给控制驱动子系统20。

进一步的，其他类传感器15（比如血压、心律传感器15）也可以安装在可穿戴式机械臂10的骨架上，辅助监测患者的其他参数指标，根据需要可以选择安装在机械上臂11或机械下臂12上，图1所示部分是安装在机械下臂12上。

控制驱动子系统20安装在可穿戴式机械臂10的骨架上，由于机械下臂12要被驱动运动，因此控制驱动子系统安装在机械上臂11上更为妥当。控制驱动子系统20包括控制模块21、肌电信号采集处理单元22、血压、心律信号采集处理单元23、电机参数采集单元24、电机驱动模块25和高精度A/D数据采集模块26。肌电信号由肌电传感器14获得，血压、心律参数可以由血压传感器、心律传感器15获得；由于身体表面信号干扰多、信号弱，肌电信号和血压、心律参数的猜忌和处理需要采用高精度的A/D数据采集模块26，通过肌电信号采集处理单元22和血压、心律信号采集处理单元23进行信号噪声滤除、特征提取和识别，实现手臂肌电信号的准确识别以及血压、心律等辅助参数的获得，根据识别出的肌电信号，控制模块21准确判别患者的运动意图，比如判别患者想要进行上肢的伸展运动、弯曲运动、抬起或方向等运动意图，利用闭环的反馈控制，根据肌电信号的类型发送不同的控制指令给电机参数采集单元24，进而使电机驱动模块25依据电机参数发送PWM脉冲信号驱动减速电机13实现机械下臂12的收缩和伸张等运动控制，完成康复训练计划指定的动作。

进一步的，减速电机13可配合编码器，实现机械下臂12的运动驱动，并实时测量运动角度、运动次数、运动时间等参数。

训练的同时，控制模块21可将实时采集到的数据（比如采集到的患者训练状态以及血压、心律等生命体征参数）进行记录，存储到存储电路214中，并且可通过通信模块30（比如蓝牙、3G、4G或无线信号等）传输给客户端子系统40（比如手机、ipad等移动终端）供用户查看，也可以将实时采集的数据在控制模块21的控制面板213上显示，实现运动状态的实时显示、评估和反馈，使用方便、安全可靠。

进一步的，客户端子系统40可通过网络将上述参数传输给服务器50或医疗专家，便于医疗专家对康复训练过程进行实时监控并且给予专业的训练指导。

进一步的，客户端子系统40也可以从服务器50下载医疗专家给予的康复运动建议及相关指令，依据康复建议和指令使用康复训练系统进行康复训练。本实施例的远程康复医疗训练系统，打破了本地康复医疗训练机器人系统的局限，无论对患者和医疗专家都更为经济便利。

如图3所示，本发明示例性的给出了客户端子系统40的结构示意图，客户端子系统40包括设备控制模块、通信模块、应用模块和数据库模块，其中：

设备控制模块负责控制可穿戴式机械臂的运动控制情况，比如抬起或放下的运动数量、角度等等；

通信模块通过蓝牙通信、WIFI通信或3G/4G网络通信，实时获得采集的训练数据，并将实时获得的数据传递给应用模块以方便实时显示以及后续的分析与评估；

应用模块包括用户管理、设备管理、训练装置搜索和连接、训练数据实时展示、训练数据对比分析与训练结果评估、数据上传与训练计划的下载。用户管理可设置客户端子系统登录的用户名和密码，以及选择的康复指导专家等；设备管理可设置训练要求、标准参数、训练计划等；训练装置搜索和连接可保证客户端子系统与可穿戴式机械臂实现配对，完成客户端子系统与可穿戴式机械臂的连接，保证训练数据的获得；训练数据实时展示用于实时显示获取的训练数据，通过通信模块，实时采集患者的训练状态数据，包括训练次数、每个动作完成时间、每次运动的角度以及心率、血压等身体状态数据，将采集的每个动作的训练数据以图形化的方式展示给患者；训练数据对比分析与训练结果评估，用于对实时获得的训练数据，与康复专家给出的标准数据进行对比，给出评价结果，分为优、良、中、差等级别；数据上传与训练计划的下载，可在每次训练完成，选择数据上传，将本次训练的详细数据上传到服务器，便于康复专家的实时监控患者训练情况，给予评价和指导，同时制定下一次的训练任务并将其下载到客户端子系统。

数据库模块包括设备管理数据库、用户数据库和训练参数数据库，用于存储所有的数据。通过数据库患者可以查询训练的历史过程，包括详细的数据记录，可以将疑问和解决不了的问题反馈给专家，并接受专家指导，实现实时交互等。

如图4所示，控制模块21包括电源电路211、核心处理器212、控制面板213和存储电路214，其中，电源电路211用于给核心处理器212供电，保证核心处理器32正常工作；核心处理器212为嵌入式处理器，负责所有的控制功能，与其它电路或模块进行实时数据交互，结合高精度A/D数据采集模块26，实现上肢肌电信号、血压、心律等参数以及手臂运动状态（包括运动时间、运动次数、电机转动角度等）数据的实时采集、处理、辨识与记录；控制面板213负责供用户选择相应的康复功能及显示相应的运动数据，比如胳膊前臂的抬起、放下、弯曲等等；存储电路214可存储用户的手臂运动状态数据，方便用户调取之前的运动记录查看康复进展。

如图5所示，在运动训练过程中，系统采用经典的反馈控制理论，通过肌电信号传感器14感知人体运动意识，将信号反馈给核心处理器212，经过信号处理、运动意图识别（弯曲还是伸张等），最终利用PWM脉冲信号驱动减速电机13带动机械下臂12的运动，通过功能性刺激反馈实现运动控制，完成相应的训练动作。

本发明主要采用肌电信号传感器实现中风患者手臂运动信号的采集，包括肱二头肌和肱三头肌的肌肉信号。在康复运动训练过程中，本发明的康复训练系统采用经典的反馈控制理论，通过肌电信号传感器感知人体运动意识，将信号反馈给核心处理器，经过信号处理，识别运动意识：弯曲还是伸张，然后利用PWM脉冲信号驱动减速电机带动机械下臂运动，完成相应的训练动作。

本发明的康复训练系统能够通过对减速电机的运动驱动，实现机械臂空间的三维运动。整体系统结构简单、紧凑、操作方便，能够完成空间运动，彼此不发生干涉，能够保证康复训练的有序进行。

通过上述实施例，可以发现本发明具有下述优点：

本发明是基于肌电信号感知与智能处理的中风患者康复医疗训练系统，采用可穿戴式机械臂，通过肌电传感器采集患者的手臂的功能性肌电信号实现康复装置的运动控制，辅助患者开展上肢康复训练，为患者提供了一种便携、高效、低成本的康复训练手段。在患者自主意识的控制下，通过反复的训练，帮助中风后患者锻炼上肢肌肉和神经，恢复上肢运动功能，重新获得独立生活的能力。该系统属于新型康复医疗装备，具有康复训练成本低、便携性好等特点，可以大大降低康复医疗成本，并可广泛应用于医院、家庭、康复训练中心等场所，在医院临床上利用本发明的康复医疗训练系统，既可提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健的成本，同时，可以通过系统记录的详实数据具有改善康复效果和提高康复效率的潜力；在家庭里，由于本发明为可穿戴式康复训练系统，对于中风和上肢损伤等需要进行康复医疗训练的患者，可以直接在家里接受康复训练，使用更便利，更易推广，且康复训练成本低，可以减轻家庭和社会的经济负担；另外，本发明对于国家康复医疗水平的提升，建设国家智能医疗发展战略有一定的推动作用；因而本发明具有广阔的应用前景。

作为本发明的另一个方面，如图6所示，本发明还提供一种康复训练方法，所述方法包括：

患者将可穿戴式机械臂穿在患肢上，启动客户端子系统。

连接专家服务器，下载训练任务并初始化训练界面；

将可穿戴式机械臂与客户端子系统进行配对连接，根据下载任务开始康复训练动作并实时采集训练参数数据；

将实时采集的训练参数数据传递给客户端子系统进行显示、对比、评价或反馈；

训练完成后，上传训练参数数据至专家服务器，等待康复专家评估。

进一步的，客户端子系统启动后，用户可输入用户名和密码，客户端子系统可根据患者目前的康复疗程下载康复专家给出的本期训练计划（一般是上肢伸展、弯曲、抬起、放下等动作的次数、动作完成的标准参数，如每个动作的完成时间、最终的角度等），同时以图形化或视频化的方式展示在训练监测的界面上，以便患者及时了解自己的训练任务。开启可穿戴式机械臂，根据客户端子系统给出的训练任务，进行相应动作的训练。在训练过程中，可穿戴式机械臂肌电传感器实时采集患者上肢肱二头肌和肱三头肌的肌肉电信号，经过高精度A/D数据采集模块和信号滤波、特征提取与识别等过程，辨识患者的运动意图，最终控制减速电机驱动手臂完成相应的动作。动作时间、肌电信号特征、最终动作的角度以及患者的血压、心律等信息均通过通信模块传递给客户端子系统，并以图形化和/或语音等方式展示实际训练过程的参数变化，并与专家给出的标准数据进行对比，从而患者可以实时评价每个动作的完成情况以及当前的身体状况。训练完成后，客户端子系统自动将采集的本次训练数据上传给康复专家，便于专家评价康复训练状况，并制定下次训练计划，同时对训练过程中出现的问题给予针对性指导。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种康复训练系统，包括可穿戴式机械臂和控制驱动子系统，其特征在于：所述可穿戴式机械臂由机械上臂和机械下臂组成，所述机械上臂被穿戴在患肢的后臂上，主要提供支撑和安装固定功能；所述机械下臂被穿戴在患肢的前臂上，所述机械上臂通过控制驱动子系统控制所述机械下臂运动。

2.根据权利要求1所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述机械上臂和所述机械下臂分别设计有多个自由度，以保证更加贴合患肢的各部位；和/或所述机械上臂和所述机械下臂的长度可以各自调节，以满足不同患者对结构的需求；和/或所述可穿戴式机械臂采用铝合金、工程塑料或碳素材料制造。

3.根据权利要求1所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述机械上臂的骨架上安装有肌电传感器，所述肌电传感器布置在肱二头肌和肱三头肌上，分别检测手臂弯曲和伸张的肌肉电信号，并反馈给所述控制驱动子系统。

4.根据权利要求1所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述可穿戴式机械臂的骨架上安装有血压、心律传感器，所述血压、心律传感器监测患者的血压、心律参数指标。

5.根据权利要求1所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述控制驱动子系统安装在所述可穿戴式机械臂的骨架上，其包括控制模块、肌电信号采集处理单元、血压、心律信号采集处理单元、电机参数采集单元、电机驱动模块和高精度A/D数据采集模块，肌电信号和血压、心律参数的猜忌和处理采用所述高精度的A/D数据采集模块，通过所述肌电信号采集处理单元和所述血压、心律信号采集处理单元进行信号噪声滤除、特征提取和识别，实现手臂肌电信号的准确识别以及血压、心律等辅助参数的获得，根据识别出的肌电信号，所述控制模块准确判别患者的运动意图，利用闭环的反馈控制，根据肌电信号的类型发送不同的控制指令给所述电机参数采集单元，进而使所述电机驱动模块依据电机参数发送PWM脉冲信号驱动减速电机实现所述机械下臂的运动控制，完成康复训练计划指定的动作。

6.根据权利要求6所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述减速电机安装在所述可穿戴式机械臂上，并配合编码器，实现所述机械下臂的运动驱动，同时实时测量运动角度、运动次数、运动时间参数。

7.根据权利要求6所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述控制模块包括电源电路、核心处理器、控制面板和存储电路，其中：

所述电源电路用于给所述核心处理器供电，保证所述核心处理器正常工作；

所述核心处理器为嵌入式处理器，负责所有的控制功能，与其它电路或模块进行实时数据交互，结合高精度A/D数据采集模块，实现上肢肌电信号、血压、心律参数以及手臂运动状态数据的实时采集、处理、辨识与记录；

所述控制面板负责供用户选择相应的康复功能及显示相应的运动数据；

所述存储电路用于存储用户的手臂运动状态数据。

8.根据权利要求6所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述控制模块可将实时采集到的数据通过通信模块传输给客户端子系统，所述客户端子系统通过网络将所述实时采集的数据传输给服务器或医疗专家，以便于医疗专家对康复训练过程进行实时监控并且给予专业的训练指导；或者所述客户端系统从所述服务器上下载所述医疗专家给予的康复运动建议及相关指令，依据所述康复建议和指令使用康复训练系统进行康复训练。

9.根据权利要求9所述的一种康复训练系统，其特征在于：所述客户端子系统包括设备控制模块、通信模块、应用模块和数据库模块，其中：

所述设备控制模块负责控制可穿戴式机械臂的运动控制情况；

所述通信模块通过蓝牙通信、WIFI通信或3G/4G网络通信，实时获得采集的训练数据，并将实时获得的数据传递给所述应用模块以方便实时显示以及后续的分析与评估；

所述应用模块包括用户管理、设备管理、训练装置搜索和连接、训练数据实时展示、训练数据对比分析与训练结果评估、数据上传与训练计划的下载；

所述数据库模块包括设备管理数据库、用户数据库和训练参数数据库，用于存储所有的数据。

10.一种康复训练方法，所述方法包括：

患者将可穿戴式机械臂穿在患肢上，启动客户端子系统；

连接专家服务器，下载训练任务并初始化训练界面；

将可穿戴式机械臂与客户端子系统进行配对连接，根据下载任务开始康复训练动作并实时采集训练参数数据；

将实时采集的训练参数数据传递给客户端子系统进行显示、对比、评价或反馈；

训练完成后，上传训练参数数据至专家服务器，等待康复专家评估。