CN106618963A - 一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置及康复训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置及康复训练方法，用来替代以往按摩、中草药熏洗等传统康复治疗方式。所述装置由肌电信号采集模块、主控芯片模块、运动控制模块、可穿戴手套模块、电池管理模块等组成。其手套部分由两个指套组成，分别佩戴于并指术后两个手指上。手套上配有无线接收装置，使患者使用更加方便。指套内部有关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器，可以测得康复训练动作手指关节的位置和力的大小，把训练信息及时反馈给患者。另外，患者可以根据自己手指关节的大小自行调节指套的大小，满足了差异化的需要。本发明具有智能化，操作简单，使用方便等优点，使患者在家就能自主进行康复训练，因此具有较高的应用价值。

Description

一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置及康复训练方法

技术领域

本发明涉及一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置及康复训练方法，用于并指术后康复的可穿戴机器人手套及康复训练方法，属于康复工程和机器人领域。

背景技术

并指是两个以上手指部分或全部组织成分先天性病理相连，是仅次于多指畸形的常见手部先天性畸形。据世界卫生组织（World Health Organization简称WHO）资料统计并指的发病率为0.33‰至0.5‰，半数患儿为双侧性并指，男女比例为3：1。目前并指术后康复治疗还停留在医生和家长密切配合下，指导孩子进行功能锻炼，有时还要配合中草药熏洗、按摩等方法进行康复锻炼，使手指各关节活动正常。康复训练往往需要长期反复执行，而传统的训练方式对康复医师具有依赖性，加上患者众多，康复治疗师数量有限。这样就会导致一方面康复医师的工作量增加，另一方面，训练时间不能保障，而且长时间重复性训练极易使康复治疗师疲劳，有可能造成训练误差、对患者训练强度不足等不利影响。因此传统的训练方式存在康复效率低，不利于开展临床康复等缺点。

医学研究表明，手部在大脑相应皮层投射区，可随着手功能的改变发生漂移和转换，即手部的大脑皮层投射区具有可塑性。同时，随着大脑皮层投射区的可塑性变化．可引起手部功能的改变。对于先天性并指患者，术前作脑磁波描记图显示，并指在大脑皮层的代表区是融台的，没有分开，进行并指分离术后同法检测，显示相应的皮层代表区已经分离。大脑皮层区的可塑性变化。在很大程度上是训练的结果。即获得的功能强弱与训练呈正相关。并指术后的恢复训练应在积极的环境下进行，被动或不积极的训练，对于促进皮层功能区的功能变化价值不大。并指患者手功能的恢复可以通过训练手指抓握和精细动作的活动来进行。训练的越好，功能恢复的越好，皮层代表区得到的反馈越多，则有用的功能重组发生越快。

发明内容

为了克服并指患者现有术后训练方式康复效率低，不利于开展临床康复等不足，本发明提供一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置及康复训练方法。该手套装置利用表面肌电信号作为控制信号，两个指套分别佩戴于并指术后两个手指上。手套上配有无线接收装置，使患者使用更加方便。指套里有关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器，可以测得患者训练动作手指关节的位置和用力的大小。另外，患者可以根据自己手指关节的大小自行调节指套的大小，满足了差异化的需要。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，包括用于供电的电源模块以及肌电信号采集模块、主控芯片模块、运动控制模块、可穿戴手套模块、显示模块，其中：

肌电信号采集模块，用于采集患者手臂肌肉的表面肌电信号；

可穿戴手套模块包括两个分别佩戴在患者两并指上的指套，每个指套上还分别设有关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器，关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器分别用于采集训练动作手部关节的位置和力的大小；

运动控制模块，与可穿戴手套模块连接，用于根据主控芯片模块的控制指令控制两个指套进行动作、接收关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器采集到的数据；

主控芯片模块，与肌电信号采集模块连接，接收肌电信号采集模块采集到的肌电信号；与运动控制模块连接，用于根据接收到的肌电信号向运动控制模块发出控制指令；与显示模块连接，用于将运动控制模块传输的关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器采集到的数据传输至显示模块进行显示。

作为本发明的进一步优化方案，肌电信号采集模块包括依次连接的高密度矩阵式电极贴片、前置放大电路、滤波电路、工频陷波电路、可变增益放大电路、A/D转换电路和数据采集卡，数据采集卡与主控芯片模块连接。

作为本发明的进一步优化方案，数据采集卡为AC6621 PCII数据采集卡。

作为本发明的进一步优化方案，运动控制模块包括控制器以及分别与其连接的无线收发模块、电机驱动模块以及两个分别与两个指套连接的电机。

作为本发明的进一步优化方案，电源模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路，电池、电流传感器和主控芯片模块依次连接，蜂鸣器电路与主控芯片连接。

作为本发明的进一步优化方案，PVDF压电薄膜传感器信号采集系统包括依次连接的压电薄膜传感器、放大电路、LC滤波电路和A/D转换电路。

另一方面，本发明还提供一种基于上述并指术后可穿戴康复机器人手套装置的并指术后康复训练方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，患者将肌电信号采集模块佩戴在手臂上，两个指套分别佩戴在两并指上；

步骤2，患者通过主观意愿控制指关节运动，肌电信号采集模块采集此时手臂上肌肉的表面肌电信号，并传输至主控芯片模块；

步骤3，主控芯片模块根据接收到的表面肌电信号向运动控制模块发出控制指令；

步骤4，运动控制模块根据接收到的控制指令，控制两个指套进行动作；

步骤5，两个指套上的关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器采集此时的训练动作手部关节的位置和力的大小，并将采集到的数据通过运动控制模块传输至主控芯片模块；

步骤6，主控芯片模块将接收到的数据传输至显示模块进行显示；

步骤7，患者根据显示模块显示的数据以及术后医嘱的训练计划，调整训练动作，继续完成训练。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）改变并指患者康复训练方式，不再依赖传统的康复治疗师，使之在家就能进行自主的康复训练；

（2）此发明可以很大程度上提高并指患者术后康复训练的效率，使他们早日回归健康生活。

附图说明

图1是本发明的总体结构图。

图2是FPGA主控芯片模块功能框图。

图3是肌电信号采集模块功能框图。

图4是运动控制模块功能框图。

图5是关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器系统框图。

图中：1-主控芯片模块，2-肌电信号采集模块，3-显示模块，4-电流传感器，5-电池，6-运动控制模块，7-可穿戴手套模块，8-PVDF压电薄膜传感器，9-关节位置传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了克服并指患者现有术后训练方式康复效率低，不利于开展临床康复等不足，本发明提出了一种基于表面肌电信号作为控制信号的可穿戴康复机器人手套及康复训练方法。

本发明提出一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，该手套装置利用表面肌电信号作为控制信号，两个指套分别佩戴于并指术后两个手指上。手套上配有无线接收装置，使患者使用更加方便。指套里有关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器，可以测得患者训练动作手指关节的位置和用力的大小。另外，患者可以根据自己手指关节的大小自行调节指套的大小，满足了差异化的需要。

下面结合附图对本发明创造作进一步详细说明：

本发明一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，如图1所示，包括肌电信号采集模块、运动控制模块、FPGA主控芯片模块、可穿戴手套模块、电源模块、显示模块等组成。所述肌电信号采集模块、运动控制模块、电源模块与FPGA主控芯片相连，所述运动控制模块与可穿戴手套模块相连。这种模块化设计使对模块进行单独调试、修改变得简单方便，同时也使控制系统变得更加独立和灵活。

如图2所示，肌电信号采集模块包括依次连接的高密度矩阵式电极贴片、前置放大电路、滤波电路、工频陷波电路、可变增益放大电路、A/D转换电路和数据采集卡，数据采集卡与主控芯片模块连接。首先采用意大利高密度矩阵式电极贴片作为表面肌电信号传感器，分别测得并指患者对应手臂的内侧和外测的表面肌电信号，然后由LM358运算放大器对信号进行前置放大，由RC电路组成的滤波电路对信号进行滤波。由于表面肌电信号主要能量集中在50~160Hz，所以必须有50Hz双T工频陷波电路进行工频陷波处理。由于前置放大电路放大倍数不能过高，否则会使噪声串扰影响加大，所以加上可变增益放大电路，这样可以根据患者的实际情况，由可变增益放大电路进行放大，以满足个体差异性的放大倍数。最后由AC6621 PCI数据采集卡将A/D转换电路转换后的数据通过SPI接口输入到FPGA主控芯片模块处理。

FPGA主控芯片模块主要作用是与肌电信号采集模块、运动控制模块、显示模块进行通信，还处理多种传感器信号和肌电信号传递来的数据，这些功能的软件设计是通过C++语言进行编写，硬件采用的是Altera公司EP3C25F256C8N芯片作为控制核心。如图3所示，FPGA的通信主要借助于2M的EEPROM进行，由双NIOS核构成双核处理器，其中一个核用于通信，另一个核用于肌电信号处理。RS—485通信接口外接无线发射电路与运动控制模块中DSP为核心的运动控制电路的无线接收电路进行通信，其中核内元件AutoSCI通过MAX1483收发接口芯片实现。收发芯片MAX1483可以实现非常高的数据传送，但必修要通过3.3V的低压才能实现。LVDS和CAN之间的数据传送使用的是变更收发芯片来实现功能的转换，其电路设计部分采用的是复用电路的形式。LVDS的数据传送使用的是美国德州仪器的收发接口芯片SN65HVD3082实现的，它的数据传送速度很快，一般可达26Mbps，并与PCI控制卡保持通信，这样的构成优点是确保了传感器信息和控制信息之间传递不会延误。

如图4所示，运动控制模块包括控制器以及分别与其连接的无线收发模块、电机驱动模块以及两个分别与两个指套连接的电机。运动控制模块采用的美国德州仪器的DSPTMS320F28020作为控制器，采用的是模块化的设计方案，这样能够增加系统的通用性和互换性。它的电机驱动模块采用的是直流无刷电机驱动芯片LB11820M，其内部集成双H桥，可直接控制直流无刷电机，它的作用主要是控制两并指指套的驱动，处理电机电流传感器、关节位置传感器、PVDF压电薄膜传感器采集的信息，并把处理后的信息通过RS-485接口外接的无线收发模块传递给主控芯片模块。

可穿戴手套模块包括两个指套，患者可以根据自己手指关节的大小进行自主调节，指套里有关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器，可以测得训练动作手关节的位置和力的大小，使训练动作更加规范。如图5所示，PVDF压电薄膜传感器包括压电薄膜传感器、放大电路、LC滤波电路和A/D转换电路。PVDF压电薄膜传感器作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测，它是一种自发电式传感器，放大电路主要采用的是LM368芯片对信息进行放大，然后经过LC滤波电路进行滤波，最后经过A/D转换电路把采集的模拟量转换为数字量，关节位置传感器系统也采用类似的结构，这里不再赘述。

电源模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路，电池、电流传感器和主控芯片模块依次连接，蜂鸣器电路与主控芯片连接。电流传感器实时监测电池输出电流大小，蜂鸣器电路用于电池电量过高报警。

此外，本发明还提供了一种冥想法和佩戴上述手套装置进行康复训练相结合的方法。冥想法是患者主动意愿控制的康复训练，首先需要患者先闭上眼睛，高度集中注意力，想象两个手指已经完全分开，并分别完成抓握-放松的动作，频率为10秒一次，进行连续10次的真实抓握-放松动作后，休息15秒；然后进行两并指抓握的运动想象，同时严格控制两并指不进行任何实际肌肉收缩；运动想象20秒后，再依次循环执行上面所述一系动作。冥想法在不需要外来刺激的情况下，激活大脑自身细胞的可塑潜力，将中枢神经系统的激活与主动意愿结合起来，这样能够加快分离两并指代表的大脑皮层重合区。

佩戴指套进行康复训练包括以下步骤：采集并指患者控制指关节运动的手臂上肌肉的表面肌电信号，并将所述表面肌电信号从模拟量转化为数字量；接收和处理数字表面肌电信号，发出控制指令；根据控制指令驱动指套完成康复训练动作；然后依据指套的关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器测得训练动作手指关节的位置和力的大小；若没有达到要求的精细训练动作，患者会主动有意识的进行调节，从而进一步加快了大脑皮层的重组。因此本发明利用患者自身的表面肌电信号作为控制信号，是基于患者积极主动训练基础上进行的，能够很大程度上提高康复训练的效率。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，其特征在于，包括用于供电的电源模块以及肌电信号采集模块、主控芯片模块、运动控制模块、可穿戴手套模块、显示模块，其中：

肌电信号采集模块，用于采集患者手臂肌肉的表面肌电信号；

可穿戴手套模块包括两个分别佩戴在患者两并指上的指套，每个指套上还分别设有关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器，关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器分别用于采集训练动作手部关节的位置和力的大小；

运动控制模块，与可穿戴手套模块连接，用于根据主控芯片模块的控制指令控制两个指套进行动作、接收关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器采集到的数据；

主控芯片模块，与肌电信号采集模块连接，接收肌电信号采集模块采集到的肌电信号；与运动控制模块连接，用于根据接收到的肌电信号向运动控制模块发出控制指令；与显示模块连接，用于将运动控制模块传输的关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器采集到的数据传输至显示模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，其特征在于，肌电信号采集模块包括依次连接的高密度矩阵式电极贴片、前置放大电路、滤波电路、工频陷波电路、可变增益放大电路、A/D转换电路和数据采集卡，数据采集卡与主控芯片模块连接。

3. 根据权利要求1所述的一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，其特征在于，数据采集卡为AC6621 PCII数据采集卡。

4.根据权利要求1所述的一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，其特征在于，运动控制模块包括控制器以及分别与其连接的无线收发模块、电机驱动模块以及两个分别与两个指套连接的电机。

5.根据权利要求1所述的一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，其特征在于，电源模块包括电池、电流传感器、蜂鸣器电路，电池、电流传感器和主控芯片模块依次连接，蜂鸣器电路与主控芯片连接。

6.根据权利要求1所述的一种并指术后可穿戴康复机器人手套装置，其特征在于，PVDF压电薄膜传感器信号采集系统包括依次连接的压电薄膜传感器、放大电路、LC滤波电路和A/D转换电路。

7.一种基于权利要求1至6中任一所述的并指术后可穿戴康复机器人手套装置的并指术后康复训练方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，患者将肌电信号采集模块佩戴在手臂上，两个指套分别佩戴在两并指上；

步骤2，患者通过主观意愿控制指关节运动，肌电信号采集模块采集此时手臂上肌肉的表面肌电信号，并传输至主控芯片模块；

步骤3，主控芯片模块根据接收到的表面肌电信号向运动控制模块发出控制指令；

步骤4，运动控制模块根据接收到的控制指令，控制两个指套进行动作；

步骤5，两个指套上的关节位置传感器和PVDF压电薄膜传感器采集此时的训练动作手部关节的位置和力的大小，并将采集到的数据通过运动控制模块传输至主控芯片模块；

步骤6，主控芯片模块将接收到的数据传输至显示模块进行显示；

步骤7，患者根据显示模块显示的数据以及术后医嘱的训练计划，调整训练动作，继续完成训练。