CN109276411A - 一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统，包括软体机器人部分、控制部分和信息显示部分，软体机器人部分包括软体手套、弯曲传感器、姿态传感器等，用于驱动人手进行康复训练，训练过程的各项运动数据实时记录，为患者康复评测提供数据支持；控制部分主要包括微型多路气阀、微型气泵和电动调节阀，通过三者的协同配合实现软体手指不同弯曲角度和运动速度的精确控制；信息显示部分主要包括触摸屏和功能按钮，系统通过显示部分实现与患者互动，充分调动患者康复训练的积极性，改善康复训练效果，本发明基于软体机器人实现手部运动康复的精确控制，简单可靠，价格低廉，体积小巧，易于维护，特别适合患者家中使用。

Description

一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统

技术领域

本发明涉及医疗康复领域，特别涉及一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统。

背景技术

随着中国社会的发展，中国人口老龄化问题越来越严重，中风后遗症中手部损伤最常见，因此人手康复治疗是医疗康复领域的重要组成部分，手在人体中的地位不言而喻，手能让人完成各种各样精细的工作，而很多偏瘫患者、中风患者不能控制手指的自由运动，对手指进行康复医疗的工作亟不可待，制作出一种疗效好的、舒适的手指康复训练装置更是迫切需求。

目前的手指康复训练装置大多用刚体式机械手，其本身也采用机械刚体驱动，已有的一种单自由度康复机械手驱动装置（中国发明专利CN106272404A），采用绳索驱动，齿轮之间相互啮合，但其噪声大、驱动手指不连续、不灵活，使装置的预期功能减少和效果降低。

目前的用软体材料进行手指康复训练的装置很少，已有的一种EMG控制的气动软体康复 机械手（中国发明专利CN106309083A），其手指用软材料制作，具有低刚度、高舒适度的特点，但其只能使患者手指进行盲目运动，对手指弯曲的角度无法自由控制，康复训练师无法进行针对性训练，患者手指的康复治疗效果不好。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统。该系统采用软体柔性材料，实现了用软体技术治疗偏瘫、中风患者手指不能自主运动的功能，克服了传统技术中用刚体式机械手、硬度大的材料治疗的缺点；该装置采用电动调节阀和微型多路气阀来控制软体机器人的运动，具有精度高、柔度大、无噪声、疗效好、轻巧便捷、人机互动等特点。

发明的技术方案如下：

一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统，包括控制部分、软体机器人部分和信息显示部分，所述控制部分包括通信接口、电源接口、导气接口、气管、控制系统、温度传感器、气压传感器、微型多路气阀、电动调节阀、电池组；所述软体机器人部分包括软体手套、弯曲传感器、姿态传感器；所述信息显示部分包括触摸屏、功能按钮、扩音器、指示灯和IO接口模块。

本发明所述的电动调节阀，包括步进电机、联轴器、调节阀和气压传感器，步进电机通过联轴器与调节阀连接在一起，并将三者固定在表面带有高弹性硅胶的金属板上，通过高弹性硅胶材料减小电机的震动，同时减小噪音的产生，把期望气压与气压传感器测量到的实际气压之间的差值作为步进电机的控制信号，以控制电机的正反转调节内部气压大小。

更进一步，电动调节阀中自带微型控制芯片，芯片中内嵌气压控制算法，控制系统只需向该自带芯片发送期望气压命令，即可完成气压的控制。

本发明所述的微型多路气阀，该装置外观为球形，球面上两个相邻气道为一组，气道中间带有一个信号指示灯，装置内部采用舵机式互锁微型气道控制装置，通过舵机中一字型舵盘的高频旋转控制气道的开关，通过互锁式设计实现一个气道的开启时，另一个气道的关闭。

更进一步，舵机舵盘采用十字形，甚至六齿型、八齿型等提高舵机对起到的开关频率。

本发明所述的软体手套由高弹性纤维、魔术贴和五个不同尺寸的软体手指组成，第一层高弹性纤维包裹软体手指构成软体手套，并在手指关节处留有拟人关节皱褶，由于皱褶的存在使得较小气压既可以实现较大弯曲角度的效果，并且软体手指与高弹性纤维之间不发生相对位移，魔术贴与高弹性纤维连接构成半圆状，在每个手指掌指关节与近侧指间关节中间，以及近侧指间关节与远侧指尖关节中间分别安装魔术贴，魔术贴的使用便于软体机器人与人手之间的快速安装与佩戴，特别适用于人手无法自主活动的情形。

更进一步，软体手套中的手指可以双向完成，不仅可以带动人手完成弯曲动作，还可以带动人手完成伸直动作。

本发明所述的控制系统是基于电动调节阀和微型多路气阀设备进行优化控制，根据病人病情、个人习惯和安全准则，以系统能量消耗最少为优化目标，并在训练过程中，采用迭代学习控制方法实现系统控制性能的不断优化，从而延长设备使用时间，提高设备利用率。

本发明所述的一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统，使用时包括以下步骤：（a）安装佩戴康复软体手套；（b）评测病人病情并开具康复训练治疗方案；(c)生成软体手套动作序列；（d）生成系统控制执行序列；（e）基于电动调节阀和微型多路气阀装置优化该执行序列；（f）迭代优化每一周次运动动作。

更进一步，系统中安装语音识别技术，支持普通话、英语等语言，患者可以通过语音控制系统运行，如控制系统启动、关闭、运行到某种状态以及紧急制动等，此外在治疗过程中，可以通过语音识别技术与患者交流，消除训练过程中的单调乏味，增加治疗过程的趣味性。

更进一步，增加人脸识别和语音识别技术，通过人脸识别或语音识别出患者个人情况，自动登录患者个人账号，调取、增加、修改患者康复训练病情。

更进一步，该装置系统具有自主优化算法功能，通过患者多次康复训练过程采集的信息以及训练后的反馈结果的大数据分析，将此类信息导入该系统的上位机进行云计算，分析得出一套康复疗效最好的一种最优训练算法，进行下一步的康复训练；因为给自主优化算法属于机器的自主学习，将不同患者的训练数据导入会产生不同的最优算法，因此适合所有的患者训练，因人制宜设计训练计划，疗效更好、训练更可靠、指导更专业。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置采用软体柔性材料，实现了用软体技术治疗偏瘫、中风患者手指不能自主运动的功能，克服了传统技术中用刚体式机械手、硬度大的材料治疗的缺点；该装置采用多传感器和体感控制器进行信息采集和滤波融合，精度高；该装置采用角度校准装置，能够精准定量地使患者手指弯曲自由设置的角度，能够对不准确的角度校正，方便医生对患者进行康复训练，治疗效果好；该装置具有功能强大的三维触摸显示屏，其具有立体技术和VR技术，界面设计大方，易于掌握，训练操作简单；该装置具有强大的机器学习功能，能对大数据进行深度学习，实现疗效提高的良性循环；该装置精度高、柔度大、无噪声、疗效好、轻巧便捷、人机互动。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清晰的理解，下面结合附图对被发明作进一步的说明，其中，

图1 是本发明所述的一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统结构图

图2 是本发明所述的控制箱正面视图

图3 是本发明所述的手指安装佩戴软体机器人示意图

图4 是本发明所述的系统运行图

在图1中：1-通信接口；2-电源接口；3-控制系统；4-控制箱；5-微型气泵；6-电动调节阀；7-气压传感器B；8-微型气阀；9-导气接口；10-导气管；11-温度传感器；12-气压传感器A；13-电池组；14-软体机器人；

在图2中：4-1触摸屏；4-2功能按键；4-3扩音器；4-4系统指示灯；

在图3中：14-1电路；14-2弯曲传感器；14-3姿态传感器；14-4软体手指；14-5魔术贴；14-6高弹性纤维；14-7人体手指。

具体实施方式

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。下面将结合附图，对本发明的技术方案进行更为清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使本发明的公开清楚和全面。

如图1所示，康复训练系统开启后，进入系统初始化，通过气压传感器A12和温度传感器11测量影响系统运行的环境气压和温度，将其记录在设备运行日志中，通过弯曲传感器14-2和姿态传感器14-3测量当前软体机器人运动状态，并将其作为初始状态。

系统初始化完毕后，将软体机器人中的魔术贴14-5打开，佩戴到患者手部，患者通过自主运动带动软体手套进行运动，运动过程中，手套中的弯曲传感器14-2和姿态传感器14-3实时监测患者手部运动情况，通过一定时间的运动测量数据与病情数据库中的相关病情进行模式识别，预判患者当前的病情，并根据病情和运动数据生成病情报告，通过通信接口将病情报告上传至云端。

具有执业资格的相关医护人员通过云端获得病情报告后，对患者进行康复运动治疗指导，并将治疗发放存入云端。

系统通过云端获取治疗方案，生成软体康复手套执行动作序列，并通过控制系统生成执行命令序列，基于微型气泵5、电动调节阀6和微型多路气阀8生成三个装置的具体执行时间命令序列，控制系统综合康复动作、个人习惯和安全准则，以系统能量消耗最小为优化目标，对三个装置所生成的时间命令序列进行综合仿真模拟，在保证安全的前提下，不断迭代优化设备性能，最终得到模拟环境下的最优控制时间序列。

系统通过扩音器4-3告知患者康复系统准备完成，并在触摸屏4-1中以动画的形式显示即将完成的康复动作，以及康复训练需要的时间和康复运动路径等信息，此时系统等待用户点击相关功能按钮4-2或触摸显示屏4-1中的按钮正式开启康复训练。

待患者选择康复训练开始，此时系统运行指示灯4-4亮起，系统安装预定轨迹和预定执行命令开展康复运动，在运动过程中，系统实时监测患者的运动情况和各装置的系统状态，并将相关内容实时显示在触摸屏4-1中，并通过扩音器4-3将患者的情况告知患者，鼓励并夸奖患者的康复训练，促进患者积极参与康复治疗。

当异常情况出现时，如患者突然出现的手部痉挛等，系统通过弯曲传感器14-2、气压传感器B7和姿态传感器14-3测量得到当前系统状态，并与当前时刻的期望状态相比较，当超过一定的阈值时，系统自动判定患者出现异常情况，此时系统缓慢恢复至安全状态，保证患者安全的同时，立即通过手机向陪护人员和医护人员通报情况，待查明原因后，系统方可继续运行。此外，当出现异常情况时，患者亦可通过控制箱表面的功能按钮4-2和患者的语音命令控制系统的运行。

在康复治疗过程中，软体机器人14带动人手进行循环往复运动，通过测量与记录系统的各项运动状态，如人手的各关节的活动角度范围，运动速度和加速度，建立起患者个体康复运动数据库，通过对运动数据的分析，对患者进行病情评测。在运动控制过程中，通过上一周次的运动控制命令及实际测量状态，可以作为下一周次控制命令输入，进而通过迭代优化，提升系统控制性能的同时，更加适应不同患者的不同病情和个人习惯。

Claims (6)

1.本发明公开了一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统，包括控制部分、软体机器人部分和信息显示部分，所述控制部分包括通信接口、电源接口、导气接口、气管、控制系统、温度传感器、气压传感器、微型多路气阀、电动调节阀、电池组；所述软体机器人部分包括软体手套、弯曲传感器、姿态传感器；所述信息显示部分包括触摸屏、功能按钮、扩音器、指示灯和IO接口模块。

2.根据权利要求1中所述的电动调节阀，包括步进电机、联轴器、调节阀和气压传感器，其特征在于步进电机通过联轴器与调节阀连接在一起，并将三者固定在表面带有高弹性硅胶的金属板上，调节阀的气道一端连接在微型气泵中，气道另一端通过三通连接在气压传感器和出气口，把期望气压与气压传感器测量到的实际气压之间的差值作为步进电机的控制信号，以控制电机的正反转调节内部气压大小。

3.根据权利要求1中所述的微型多路气阀，其特征在于外观为球形，球面上两个相邻气道为一组，气道中间带有一个信号指示灯，内部采用舵机式互锁微型气道控制装置，通过舵机的高频旋转控制气道的开关，通过互锁式设计实现一个气道的开启时，另一个气道的关闭。

4.根据权利要求1中所述的软体手套，其特征在于该手套由高弹性纤维、魔术贴和五个不同尺寸的软体手指组成，第一层高弹性纤维包裹软体手指构成软体手套，并在手指关节处留有拟人关节皱褶，魔术贴与高弹性纤维连接构成半圆状，在每个手指掌指关节与近侧指间关节中间，以及近侧指间关节与远侧指尖关节中间分别安装魔术贴。

5.根据权利要求1中所述的控制系统，其特征是该控制系统基于微型气泵、电动调节阀和微型多路气阀设备的优化控制，根据病人病情、个人习惯和安全准则，以系统能量消耗最少为优化目标，并在训练过程中，采用迭代学习控制方法实现系统控制性能的不断优化。

6.根据权利要求1中所述的一种基于软体机器人的手部运动康复训练及评测系统，其特征在于包括以下步骤：（a）安装佩戴康复软体手套；（b）评测病人病情并开具康复训练治疗方案；(c)生成软体手套动作序列；（d）生成系统控制执行序列；（e）基于电动调节阀和微型多路气阀装置优化该执行序列；（f）迭代优化每一周次运动动作。