CN107320285A - 一种多功能智能康复训练与评估系统 - Google Patents

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Abstract

一种多功能智能康复训练与评估系统，包括：控制终端、用于上下肢康复训练的机械臂、力传感器、位置传感器、肌电传感器和用于固定不同关节的3D打印支具；力传感器设在机械臂与患者接触的一端，位置传感器安装在机械臂上可记录机械臂空间位置，肌电传感器贴在患者的肌肉体表；控制终端通过采集分析力传感器和肌电传感器信息结合内置参数下发康复指令给机械臂，对患者实施相应的康复训练动作，控制终端于康复训练动作过程中实时获取机械臂的位置信息并记录肌电传感器反馈患者的肌力以及力传感器反馈患者训练过程中施加的力，并依此实时调整康复训练模式。机构臂体积小，成本低，通用性强，由于具备力和肌电反馈功能对于神经与运动重建康复效果好。

Description

一种多功能智能康复训练与评估系统
技术领域
本发明涉及康复训练技术领域，具体涉及一种多功能智能康复训练与评估系统。
背景技术
随着社会加速迈入老龄化，老年疾病，中风等导致运动障碍的疾病率日益增加，康复医学科建设也保持增长，然而人力成本日益更加，康复医师，治疗师的缺口越来越大。在工业领域，安全精密的机器人已广泛应用于精密制造行业。康复医师和康复治疗师的部分工作尤其是运动康复工作多为一些重复性协助或辅助肢体运动的工作。目前的康复机器人多为专一功能康复机器人，如步态康复机器人、手功能康复机器人，上肢康复机器人等，其功能要么为主动康复要么为被动康复，且康康复模式往往是设定好的固定模式；现有功能较为复杂和智能的机器人体积都很大，难以在病床旁治疗，对于早期康复患者应用受限；大部分机器人是固定的座椅类型或者将病人固定在机器人上，很难模拟真正的康复师手法治疗；再加上机器人本身的成本较高，导致目前康复机器人在市场上的销量并不大。
发明内容
本申请提供一种多功能智能康复训练与评估系统，包括控制终端、用于上下肢各关节康复训练的机械臂以及相应的力传感器、位置传感器、肌电传感器和用于固定患者不同关节的3D打印支具；系统具备上下肢主动、被动、助力、预设、自定义等多种康复模式；
力传感器设置于机械臂与患者接触的一端，位置传感器安装于机械臂上可记录机械臂的运动空间位置，肌电传感器贴于患者的肌肉体表，机械臂、力传感器、位置传感器和肌电传感器分别与控制终端信号连接；
控制终端通过采集分析力传感器和肌电传感器信息并结合机械臂内置参数下发康复指令给机械臂，机械臂执行康复指令作用于3D打印支具对患者实施相应的康复训练动作，且，控制终端于康复训练动作过程中实时获取并记录机械臂的位置信息、肌电传感器反馈患者的肌力以及力传感器反馈患者训练过程中施加的力，并依此实时调整康复训练模式。
一种实施例中，机械臂与个性化的3D打印支具配合，能够用于上下肢各关节的康复治疗。
一种实施例中，机械臂具有六自由度方向的运动空间，力传感器获取机械臂运动空间的六维的力信息。
一种实施例中，控制终端内置有预设康复模块和自定义康复模块，预设康复模块和自定义康复模块分别内置有被动康复训练、主动康复训练和助力康复训练。
一种实施例中，控制终端内置有示教模块，示教模块被触发时进入示教模式，控制终端于示教模式状态下实时记录并存储康复训练流程和机械臂动作模式，记录完毕后机械臂根据记录的示教模式对患者实施相应重复的被动康复训练。
一种实施例中，患者在预设康复模块下进行主动康复训练或助力康复训练过程中，控制终端实时获取并存储肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈患者训练过程中施加的力，对肌电传感器反馈的肌力和力传感器反馈的力进行分析，并依分析结果实时调整机械臂的运动幅度和阻尼系数。
一种实施例中，控制终端还内置有虚拟动画模拟模块，患者康复训练过程中，虚拟动画模拟模块执行根据机械臂的位置信息、肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈的力模拟患者康复训练的动作并形成相应的虚拟动画。
一种实施例中，控制终端还内置有康复评估模块，康复评估模块执行根据患者被动康复训练、主动康复训练或助力康复训练过程中位置传感器记录的机械臂运动空间位置、肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈患训练过程中施加的力进行评估。
一种实施例中，控制终端还内置有个性化康复训练模块，患者主动康复训练或助力康复训练过程中，个性化康复训练模块执行依据前一主动康复训练或助力康复训练过程中肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈患者训练过种中施加的力给出患者当前主动康复训练或助力康复训练的方案。
一种实施例中，控制终端还内置有匹配模块，匹配模块执行根据患者的病况信息匹配并推荐相应的康复训练疗程。
依据上述实施例的多功能智能康复训练与评估系统，由于将机械臂应用于上下肢康复训练中，与康复机器人相比，机构臂体积小，成本低，而且，该系统集主动康复训练、被动康复训练和助力康复于一体，既有预设的康复训练模式也可以自定义康复训练模式，不仅能进行康复训练还能进行康复评估，功能多，通用性强，由于具备力和肌力反馈功能对于神经与运动重建康复效果好；另外，通过记录机械臂的运动空间位置、肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈的力创建相应的虚拟动画，通过虚拟动画提高患者康复训练的兴趣和乐趣。
附图说明
图1为康复训练系统原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
为解决现有康复机器人体积大，难以在病床旁治疗，对于早期康复患者应用受限，以及成本高的问题，本例提供一种多功能智能康复训练与评估系统，如图1所示，包括控制终端、用于上下肢康复训练的机械臂、力传感器、位置传感器、肌电传感器和用于固定患者不同关节的3D打印支具，患者根据控制终端提供的康复治疗方案利用机械臂进行主动康复训练、被动康复训练和助力康复训练，机械臂可以最大限度替代康复医师的一些重复性工作，减少医疗机构人力成本，另外，在关节康复训练尤其是多关节康复训练过程中，为了保证多关节中的每个关节按规划的路径运动和保护关节，需要使用支具来限定和支持关节，不同的患者或者不同的动作需要不同的支具，本例提供的系统通过机械臂与个性化的3D打印支具配合能够适用于上下肢各关节的康复治疗。
需要说明的是，本例是通过机械臂执行患者的康复训练动作，机械臂具有六自由度方向的运动空间，相应的，机械臂可以对肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节和踝关节进行六自由度方向的康复训练，如，机械臂可以执行相应关节的屈伸、旋转、滑移等动作，适用于需要运动康复的早期、中期和后期的各个阶段的患者，机械臂动作控制的具体方式可参考现有机械臂技术领域中的控制方式。
具体的，力传感器设置于机械臂与患者接触的一端，通过力传感器反馈康复训练过程中患者对机械臂施加的力，位置传感器安装于机械臂上可记录机械臂的运动空间位置，肌电传感器贴于患者的肌肉体表，通过肌电传感器可以检测康复训练过程中患者的肌肉力，机械臂、力传感器、位置传感器和肌电传感器分别与控制终端信号连接；控制终端通过采集分析力传感器和肌电传感器信息并结合机械臂内置参数(指机械臂的固有参数，如负载的规格大小，关节速度等)向机械臂下发康复指令，机械臂执行康复指令作用于3D打印支具对患者实施相应的康复训练动作，且，控制终端于康复训练动作过程中实时获取并记录机械臂的位置信息、肌电传感器反馈患者的肌力以及力传感器反馈患训练过程中施加的力，并依此实时调整康复训练模式。
本例的控制终端内置有个人信息记录模块、信息采集与分析模块、预设康复模块和自定义康复模块，其中，个人信息记录模块用于记录患者的个人病况信息，并根据患者的康复训练情况自动对患者的病况进行实时更新；信息采集与分析模块实现对力传感器、位置传感器和肌电传感器的数据进行实时采集，并对采集的信息进行分析，根据分析结果对患者的康复训练方案进行实时调整；预设康复模块内置有多种预设康复训练方案，如，相关工作人员在控制终端的预设康复模块中预存有多种常见的运动康复疗法，由于预设康复模块中设置的是固定的运动康复疗法，为了让患者有多种选择，找到适合自身的康复训练方案，患者或相关工作人员根据患者的要求通过自定义康复模块自定义相应的康复训练方案。
进一步，本例的预设康复模块和自定义康复模块分别内置有被动康复训练、主动康复训练和助力康复训练，以扩展本例系统的通用性，使各种患者根据本例系统都能达到康复训练的效果。
对于早期患者首次康复训练时，需要康复医师手动对患者实施相应的康复训练操作，为了替代康复医师的重复性工作，本例的控制终端还内置有示教模块，示教模块被触发时，康复训练系统进入示教模式，这时，康复医师手动操作机械臂对患者进行康复训练，在示教模式状态下，控制终端记录并存储康复医师的康复训练流程和机械臂动作模式，记录完毕后，在无康复医师指导的情况下，机械臂根据记录的示教模式对患者实施相应重复的被动康复训练。另外，控制终端还可以将康复医师的示教动作传输至后台，以提供教学材料或者供实习人员学习材料，也可以实现现场教学。
对于可以主动康复训练或助力康复训练的患者，特别是患者在预设康复模块下进行主动康复训练或助力康复训练过程中，控制终端通过信息采集与分析模块实时获取肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈患者训练过种中施加的力，并对肌电传感器反馈的肌力和力传感器反馈的力进行分析，并依分析结果实时调整机械臂的运动幅度和阻尼系数，由于目前技术连续表面肌电动作信号的起止点很难进行准确地自动定位，从而难以实现多自由度机械臂的连续控制，本系统通过肢体与机械臂的接触处放置力传感器，力传感器可以接收机械臂运动空间的六维的力的信息，通过雅克比矩阵可以得到各个关节的力矩值，从而得到肢体施加给机械臂的合力和分力的大小和方向，结合肌电传感器的监测的肌电信号判断肌力的大小和肌肉的疲劳程度，从而可实现实时调整机械臂的运动幅度和阻尼系数，以实现机械多自由度的机械臂的连续控制。
如，患者腕关节进行某一主动康复训练的训练动作时，如果控制终端采集的力传感器反馈的力小于该训练动作的预设力，则控制终端缩小机械臂在该训练动作下的运动幅度，同时减小机械臂的阻尼系数，相应的，如果采集的力传感器反馈的力大于该训练动作的预设力，则控制终端扩大机械臂在该训练动作下的运动幅度，同时，增大机械臂的阻尼系数，与机械臂的固定预设运动幅度和固定阻尼系数相比，动态变化的机械臂运动幅度和阻尼系数更能加快患者的康复。
控制终端还内置有虚拟动画模拟模块，患者康复训练过程中可模拟常见的作业治疗措施如磨砂、据木、织布等生物力学措施；积木、橡皮泥、套环和日常生活活动等感觉神经措施。当患者根据这些活动进行康复训练时，虚拟动画模拟模块通过机械臂，位置传感器、力传感器，肌电传感器采集患者的肢体运动路径及力量，通过这些信息来完成模拟患者康复训练的动作并形成相应的虚拟动画，从而达到虚拟康复训练的目的，并可以根据虚拟动画的完成程度对患者进行康复功能评估。另外患者可通过显示器观看该虚拟动画即可获知自身训练动作是否标准，及待改进之处，以实现患者与虚拟动画的交互。
另外，本系统的虚拟动画不同于目前的仅仅是路径规划实现的虚拟动画，而是结合了肢体感觉的虚拟增强现实动画，即本系统在记录路径的基础上，结合肌电信号和力反馈信息，可在虚拟动画中添加患者的真实运动感觉。
为了对患者的康复训练进行评估，进一步，本例的控制终端还内置有康复评估模块，康复评估模块执行根据患者被动康复训练、主动康复训练或助力康复训练过程中位置传感器记录的机械臂运动空间位置、肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈患训练过程中施加的力进行评估，根据评估结果可详细得知患者各个方面的康复情况。
由于患者在主动康复训练中各个阶段的训练程度不同，为了实现针对每个患者的个性化康复训练，进一步，本例的控制终端还内置有个性化康复训练模块，患者主动康复训练或助力康复训练过程中，个性化康复训练模块记录患者每一次康复训练的过程信息及病程信息，并依据前一主动康复训练或助力康复训练过程中肌电传感器反馈患者的肌力和力传感器反馈患者训练过种中施加的力给出当前主动康复训练或助力康复训练的方案，如，前一主动康复训练的结果中显示患者对机械臂施加的力较小，则个性化康复训练模块在当前主动康复训练的方案中会主动提示患者加大关节运动的力度，以防止患者做无功的康复训练。
进一步，由于每个患者的病况不同，为了适合不同患者的通用性康复训练，本例的控制终端还内置有匹配模块，当控制终端获取患者的病况信息后，匹配模块执行根据患者的病况信息匹配并推荐最佳的康复训练疗程，提高康复训练的便捷性。
进一步，本例的控制终端配置有触摸屏，通过触摸屏输入患者的病况信息、选择相应的康复训练方案等其他操作。
需要说明的是，本例的机械臂体积小，可以设置于病床旁边以解决患者早期康复训练受限的问题。
本例的系统不仅能够减少医疗机构人力成本，而且兼具主动康复训练、被动康复训练、和助力康复训练，既有预设的康复训练模式也可以自定义康复训练模式，不仅能进行康复训练还能进行康复评估，功能多，通用性强，由于具备力和肌力反馈功能对于神经与运动重建康复效果好。另外，主动康复训练过程中患者与虚拟动画交互提高患者康复训练的兴趣和乐趣。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，包括：控制终端、用于上下肢康复训练的机械臂、力传感器、位置传感器、肌电传感器和用于固定患者不同关节的3D打印支具；
所述力传感器设置于所述机械臂与患者接触的一端，所述位置传感器安装于所述机械臂上可记录所述机械臂的运动空间位置，所述肌电传感器贴于患者的肌肉体表，所述机械臂、力传感器、位置传感器和肌电传感器分别与所述控制终端信号连接；
所述控制终端通过采集分析所述力传感器和肌电传感器信息并结合所述机械臂内置参数向所述机械臂下发康复指令，所述机械臂执行所述康复指令作用于所述3D打印支具对患者实施相应的康复训练动作，且，所述控制终端于所述康复训练动作过程中实时获取并记录所述机械臂的位置信息、所述肌电传感器反馈患者的肌力以及所述力传感器反馈患训练过程中施加的力，并依此实时调整康复训练模式。
2.如权利要求1所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述机械臂与个性化的3D打印支具配合，用于上下肢各关节的康复治疗。
3.如权利要求1所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述机械臂具有六自由度方向的运动空间，所述力传感器获取所述机械臂运动空间的六维的力信息。
4.如权利要求1所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述控制终端内置有预设康复模块和自定义康复模块，所述预设康复模块和自定义康复模块分别内置有被动康复训练、主动康复训练和助力康复训练。
5.如权利要求1所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述控制终端内置有示教模块，所述示教模块被触发时进入示教模式，所述控制终端于所述示教模式状态下实时记录并存储康复训练流程和机械臂动作模式，记录完毕后所述机械臂根据记录的示教模式对患者实施相应重复的被动康复训练。
6.如权利要求4所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，患者在预设康复模块下进行主动康复训练或助力康复训练过程中，所述控制终端实时获取并存储所述肌电传感器反馈患者的肌力和所述力传感器反馈患者训练过种中施加的力，对所述肌电传感器反馈的肌力和所述力传感器反馈的力进行分析，并依分析结果实时调整所述机械臂的运动幅度和阻尼系数。
7.如权利要求4所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述控制终端还内置有虚拟动画模拟模块，患者康复训练过程中，所述虚拟动画模拟模块执行根据所述机械臂的位置信息、所述肌电传感器反馈患者的肌力和所述力传感器反馈的力模拟患者康复训练的动作并形成相应的虚拟动画。
8.如权利要求4所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述控制终端还内置有康复评估模块，所述康复评估模块执行根据患者被动康复训练、主动康复训练或助力康复训练过程中所述位置传感器记录的机械臂运动空间位置、所述肌电传感器反馈患者的肌力和所述力传感器反馈患训练过程中施加的力进行评估。
9.如权利要求4所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述控制终端还内置有个性化康复训练模块，患者主动康复训练或助力康复训练过程中，所述个性化康复训练模块执行依据前一主动康复训练或助力康复训练过程中所述肌电传感器反馈患者的肌力和所述力传感器反馈患者训练过种中施加的力给出患者当前主动康复训练或助力康复训练的方案。
10.如权利要求1所述的多功能智能康复训练与评估系统，其特征在于，所述控制终端还内置有匹配模块，所述匹配模块执行根据患者的病况信息匹配并推荐相应的康复训练疗程。
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