CN109875844A - 一种智能的手腕及前臂镜像运动康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能手腕及前臂镜像运动康复装置，包括前臂镜像运动机构、手腕镜像运动机构、数据采集单元和数据处理单元四部分；数据采集单元采集患者健康侧手部及前臂的表面肌肉信号、加速度信号、角速度信号以及角度偏转信号，通过蓝牙通信传输至数据处理单元；数据处理单元对接收到的信号进行补偿、滤波、分析、计算等处理后，产生镜像运动控制指令，发送至电机及传动机构；电机传动机构根据接收到的镜像控制指令完成相应动作，实现患者健侧带动患侧进行主动、被动以及主被动康复训练；本发明简单易用，成本低且可靠性高，便于患者在家中或社区康复中心自主进行手腕及前臂的镜像康复训练。

Description

一种智能的手腕及前臂镜像运动康复装置

技术领域

本发明涉及运动康复器材领域，具体涉及一种智能的手腕及前臂镜像运动康复装置。

背景技术

手腕及前臂的运动功能意义重大，在人们日常生活中起着至关重要的作用，是人类使用最为频繁，最为重要的部位之一；调查显示，脑卒中、手外伤、肌肉萎缩、脑外伤等众多疾病均会导致手腕及前臂运动功能的完全或部分缺失，对患者的日常生活造成很大的不便，我国每年需要进行手腕及前臂运动功能康复的患者数量巨大。

传统的手腕及小臂运动康复训练，患者需要在正规医院中由专业的康复理疗师对病人的病情进行判断后，由康复理疗师带动患者进行康复；大部分患者行动不方便，无法独立到医院进行康复治疗，对患者及其家人带来了诸多不便。

康复理疗师的专业水准良莠不齐，会对病人的康复效果产生巨大影响；目前我国获取康复治疗师资格的技术人员总数少于1.4万人，平均每十万人口有一名专业技术人员；按照国际标准的每十万人口拥有8名康复治疗师估算，我国康复治疗师的缺口达几十万，病患康复的需求巨大，专业的康复治疗师数量无法满足大量病患的需求，急需设计一种智能的手腕及前臂镜像康复机器人，使病人可以通过健侧带动患侧自主进行专业安全的主动、被动及主被动镜像康复训练。

针对传统的手腕及前臂康复训练的局限性，基于惯性测量技术、表面肌电信号感知、数据融合等技术，本发明设计了一种智能的手腕及前臂镜像运动康复训练装置；该装置中采用BP神经网络算法对健康手腕运动时的肌电信号进行训练，得到健康手腕运动时的肌电信号对应时刻的手腕运动角度预测模型，将检测到的患者健侧肌电信号输入预测模型，得到患侧手腕对应的运动角度，控制电机对患侧手腕进行镜像康复训练；通过惯性测量单元得到重力加速度在坐标轴上的几何关系，计算出健康侧前臂的运动角度，实现前臂的镜像康复训练。

发明内容

本发明提出一种智能的手腕及前臂镜像运动康复装置，利用BP神经网络以及加速度信号处理，实现了对患者健侧手腕以及前臂运动角度的精确辨识，可实现手腕及前臂的主动、被动及主被动镜像康复训练。

本发明的技术解决方案如下：

所述的智能手腕及前臂镜像运动康复装置，由前臂镜像运动机构、手腕镜像运动机构、数据采集单元和数据处理单元四部分组成；患者可以利用此装置自主进行专业安全的手腕及前臂主动、被动及主被动镜像康复训练。

所述的前臂镜像运动机构是由前臂托板、前臂托板传动齿轮及前臂托板传动电机组成；前臂托板传动电机通过螺栓固定在顶部基座上，前臂托板传动电机接收到数据处理单元发出的镜像运动控制指令后，完成相应手腕内收与外展的运动控制；前臂托板传动电机转动带动传动齿轮，实现前臂托板带动患者的患侧前臂实现上下运动。

所述的手腕镜像运动机构由手腕托板、手腕托板支撑轴、手腕托板角度调节器、手腕托板高度调节器、手腕托板松紧调节轴、手腕托板高度轴、手腕托板距离调节器、手腕托板传动轴、手腕托板传动器以及手腕托板传动电机组成；手腕传动电机固定在底部基座上，可按照镜像运动控制指令实现其正反转；手腕托板转动器嵌套在手腕传动电机上，跟随电机转动，带动手腕托板转动轴进行左右转动；手腕托板距离调节器嵌套在手腕托板转动轴上，可以进行前后距离调节，满足不同人的个性化需求；手腕托板高度调节器嵌套在手部托板高度轴上，可以进行上下调节；手腕托板松紧调节轴可以通过旋钮调节手腕托板之间的距离，使手腕托板更加贴合患者手部；手腕托板角度调节器可以调整手腕托板的角度，在进行前臂被动镜像康复训练时，可通过手腕托板角度调节器将手腕托板放平，方便患者进行前臂康复训练；手腕托板固定在手腕托板支撑轴上，跟随电机转动进行康复训练。

所述的数据采集单元为MYO臂环，MYO臂环包含一个八通道肌电信号传感器和一个惯性测量单元。

所述的MYO臂环包括八通道sEMG传感器和惯性测量单元，八通道sEMG传感器可以实时采集前臂表皮肌电信号；惯性测量单元测量前臂的加速度信号和角度信号；测得的信号通过蓝牙传输到数据处理单元。

所述的数据处理单元实时接收MYO臂环采集到的患者健康侧表面肌电信号以及加速度信号，对接收到的信号进行变换、滤波、补偿、分析处理，从而减少MYO臂环采集信号中由于噪声等产生的误差，使处理后的数据更加精确可靠；将处理后的数据经过BP神经网络预测模型或加速度信号处理，实现对患者健侧手腕或前臂运动角度的精确辨识，产生相应的镜像运动控制指令，带动病人患侧进行镜像康复训练。

所述的手腕及前臂主动、被动及主被动镜像康复三种训练模式；其中所述的被动镜像康复训练模式包括手腕被动镜像康复训练模式和前臂被动镜像康复训练模式，即装置采集患者健侧手腕及前臂的表面肌电信号、加速度信号、角速度信号以及角度偏转信号，经过处理后使镜像运动机构完成规定动作；所述的主被动康复训练，即患者自主进行康复训练，当患者手腕或前臂无法完成规定运动时，装置将带动患者的患侧完成规定运动，达到主被动康复训练效果；所述的主动康复训练，即装置在断电状态下，患者可以利用电机断电状态下提供的阻力进行主动康复训练。

与现有技术相比，本发明具有的显著优点为：本发明可以使病人通过健侧带动患侧进行自主的手腕及前臂镜像康复训练；本发明结构对不同人群适应能力强，可以针对不同人群的身体姿态进行调整，一台装置可以供多人使用；本发明灵活度高、成本较低且安全可靠，可以在家中、社区康复中心随时使用，患者无需每天到专业医院就可以自主进行镜像康复训练。

附图说明

图1为智能手腕及前臂镜像运动康复装置三维结构图。

图2为智能手腕及前臂镜像运动康复装置系统框图。

图3为智能手腕及前臂镜像运动康复装置程序流程图。

具体实施方法

如图1所示的智能手腕及前臂镜像运动康复装置，包括底部基座[1]、上下基座支撑轴[2]、顶部基座[3]、大臂托板位置调节滑块[4]、大臂托板角度调节轴[5]、大臂托板[6]、前臂托板[7]、前臂托板传动电机[8]、前臂托板传动齿轮[9]、手腕托板[10]、手腕托板支撑轴[11]、手腕托板角度调节器[12]、手腕托板高度调节器[13]、手腕托板松紧调节轴[14]、手腕托板高度轴[15]、开始及停止按钮[16]、手腕镜像模式按钮[17]、前臂镜像模式按钮[18]、主被动模式按钮[19]、行程开关[20]、手腕托板传动轴[21]、手腕托板距离调节器[22]、手腕托板传动器[23]、手腕托板传动电机[24]、数据采集单元[25]及数据处理单元[26]。

如图1所示的前臂托板上有两个前臂固定孔，可以通过绑带将病人患侧前臂固定于前臂托板上，避免前臂在康复训练中滑脱影响康复效果；前臂托板下方安装有前臂托板传动齿轮，电机按照控制指令转动，从而带动传动齿轮，使前臂托板带动病人患侧前臂跟随病人健侧进行被动镜像康复训练。

如图1所示的大臂托板上安装有大臂托板位置调节滑块和大臂托板角度调节轴；大臂托板位置调节滑块以及大臂托板角度调节轴，可以针对不同康复人群，进行位置和角度调节，根据病人身材、臂长等因素进行位置和角度调节，使该装置可以适应不同性别、身材以及年龄的病人进行使用，具有很强的适应能力；大臂托板上设置有两个大臂固定孔，可以用绑带将病人患侧大臂固定于大臂托板上。

如图1所示的手腕托板固定于手腕托板支撑轴上，在手腕托板支撑轴末端安装有手腕托板松紧调节轴，手腕托板松紧调节轴采用螺纹轴结构，通过调节两端的旋钮，可以灵活地调节手腕托板之间的距离，更加贴合不同患者的手型；手腕托板高度调节器嵌套在手腕托板高度轴上，可以对手腕托板的高度进行上下调节，提升装置对于不同患者的适用性。

如图1所示的手腕托板距离调节器嵌套在手腕托板传动轴上，可以对手腕托板进行前后调节，适应病人患侧手部的位置，方便患者使用；手腕托板角度调节器可以调整手腕托板的旋转角度，可以将角度调整至适合病人手型的角度进行镜像康复训练；手腕托板角度调节器、手腕托板距离调节器以及手腕托板高度调节器配合使用，在患者进行前臂镜像康复训练时，可以使用手腕托板角度调节器将手腕托板放平，并通过手腕托板高度及距离调节器将放平后的手腕托板调整到合适位置，不会对前臂镜像康复训练造成影响，在不使用时可以将手腕托板收缩起来，节约空间。

如图1所示的开始及停止按钮按下或松开，使装置通电或立即停止运行并断电；对两个电机分别安装了行程开关，行程开关闭合，装置立即断电，可以最大限度保证病人的人身安全；手腕镜像模式按钮按下，开始进行手腕镜像康复模式；前臂镜像模式按钮按下，进行前臂镜像康复模式。

如图2所示的数据采集单元，MYO臂环包含八通道表面肌电信号传感器和一个九轴惯性测量单元；在手腕镜像康复训练时，MYO臂环的八通道表面肌电信号传感器采集病人患侧的表面肌电信号，MYO内置ADI芯片AD8221，可将肌电传感器信号进行可调放大、测量滤波，转换为数字信号，传送至数据处理单元；在前臂镜像康复训练时，MYO臂环的九轴惯性测量单元采集病人前臂的加速度信号、角速度信号以及各方向的偏转角度，MYO内置ADI芯片AD8221，可将惯性测量信号进行可调放大、测量滤波，转换为数字信号，传送至数据处理单元。

如图2所示的数据处理单元基于嵌入式系统开发，开发板中植入Ubuntu系统，装置在Ubuntu系统中的ROS平台下运行；手腕进行镜像康复训练时，通过MYO臂环将检测到的患者健侧肌电信号作为输入，基于BP神经网络算法推算出的健侧手腕运动角度预测模型，数据处理单元发出患侧手腕对应的运动角度控制指令，控制电机对患侧手腕进行镜像康复训练；前臂进行镜像康复训练时，设一个XY坐标系位于患者健侧手臂佩戴的MYO臂环上，其中X轴同前臂重合，Y轴垂直于前臂，重力加速度g始终向下垂直于水平面，当前臂抬起一个角度θ时，MYO臂环的惯性测量单元中的加速度计会检测到重力加速度g在X轴上产生加速度分量g_x，通过对加速度分量g_x与重力加速度g的比值进行反正弦函数运算，即可求得前臂抬起角度θ，具体计算公式为：

其中g为重力加速度，g_x为重力加速度在X轴上的重力分量，θ为前臂抬起角度。

所述的BP神经网络的具体设计方案是选取MYO臂环检测到的健康人手腕运动的八通道肌电信号数值作为输入，对应的角度作为输出，设置BP神经网络的输入层节点数为8，输出层节点数为1，选取隐层神经元个数为6，将Tan-Sigmoid函数作为隐层神经元的激励函数，选取Log-Sigmoid函数作为输出层神经元的激励函数，选取期望误差为0.00000001；训练完成后，可得出健侧手腕运动角度预测模型，即检测到的八通道肌电信号与对应的手腕运动角度的映射关系。

如图2所示的镜像传动机构包括手腕镜像传动机构和前臂镜像传动机构两部分，分别接收手腕镜像控制指令和前臂镜像控制指令，控制相应电机完成运动。

如图3所示的被动镜像康复训练模式包括手腕被动镜像康复训练和前臂被动镜像康复训练；即装置选择在手腕或前臂被动镜像康复训练模式下，MYO臂环佩戴于病人健侧前臂上，采集患者健康侧手腕及前臂的表面肌肉信号、加速度信号、角速度信号以及角度偏转信号，信号经过数据处理单元处理后，发出控制指令分别使镜像运动机构完成相应动作，带动病人的患侧手腕或前臂分别进行被动镜像康复训练。

如图3所示的主被动训练过程是患者首先进行主动康复训练，装置中两个电机自带编码器，电机中的编码器将检测到患者手腕或手臂运动位置的角度信号，并将每个位置唯一对应的数字码传送至数据处理单元；数据处理单元通过与健康人的运动角度进行计算比较，若装置停滞两秒后，患者仍没有达到健康人的运动水平，则发出控制指令，装置将辅助患者达到健康运动水平。

所述的主动康复训练模式即装置在断电状态下，病人的患侧固定于装置上，由断电状态的电机充当阻尼器，提供运动的阻力，患者可以利用电机断电状态下提供的阻力进行主动康复训练。

具体实施例

所述的智能的手腕及前臂镜像运动康复装置，其具体实施可分为训练前的准备工作和康复训练两部分。

训练前的准备工作，即病人将患侧放置于装置上，将患侧手臂姿态以及身体姿态调整至适合自己的位置，并用绑带将前臂和大臂分别固定于前臂托板和大臂托板上；将患侧手部放入手腕托板内，调整手腕托板角度、高度以及松紧度使手腕托板更加贴合病人患侧手部；将数据采集单元，即MYO臂环佩戴在患者前臂肘关节前5-10cm处，佩戴时需要保持患者皮肤干燥无杂物，根据不同患者的手臂粗细调节臂环至紧贴皮肤即可。

康复训练开始，首先选择需要进行的训练模式；若选择手腕被动镜像训练模式，按下手腕镜像模式按钮，随后病人佩戴MYO臂环的健康侧手腕进行内收外展运动，手腕镜像运动机构将跟随病人健康侧的运动完成相应动作，带动病人的患侧进行手腕被动镜像康复训练；若选择前臂被动镜像训练模式，首先将病人的患侧手腕从手腕托板拿出，并将手腕托板放平，避免影响患侧前臂进行镜像康复训练，然后按下前臂镜像模式按钮，随后病人佩戴MYO臂环的健康侧前臂进行上下收缩运动，前臂镜像运动机构将跟随病人健康侧的运动完成相应动作，带动病人的患侧进行前臂被动镜像康复训练；若选择主被动训练模式，按下主被动模式按钮，病人首先用患侧进行主动康复运动，若患者患侧手腕或前臂运动角度无法达到健康水平，则装置将辅助患者带动患侧达到健康运动水平；若选择主动康复训练模式，则松开开始及停止按钮，令装置处于断电状态，患者可以利用电机断电状态下提供的阻力进行主动康复训练；训练结束后，关闭装置电源，将绑带松开，并将MYO臂环从患侧去掉，放置于安全处即可，其他部分退回到初始位置。

以上叙述和说明了本发明的基本原理、具体实施过程及本发明的优点，业内技术人员应该了解，本发明不受上述实施例子的限制，在不脱离本发明精神和设计范围的前提下，本发明将有各种改进与拓展，这些改进与拓展均落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.本发明公开了一种智能手腕及前臂镜像运动康复装置，该装置由手腕镜像运动机构、前臂镜像运动机构、数据采集单元和数据处理单元四部分组成；该装置可以实现病人健侧带动患侧进行主动、被动以及主被动康复训练；所述的数据采集模块为MYO臂环，包括可以实时采集病人健侧前臂表皮肌电信号的八通道sEMG传感器，可用于测量病人健侧前臂加速度信号和角度信号的九轴惯性测量单元，并将采集到的数据通过蓝牙传输到数据处理单元；所述的数据处理单元基于嵌入式系统开发，开发板中植入Ubuntu系统，装置在Ubuntu系统中的ROS平台下运行；手腕进行镜像康复训练时，通过MYO臂环将检测到的患者健侧肌电信号作为输入，基于BP神经网络算法推算出的健侧手腕运动角度预测模型，数据处理单元发出患侧手腕对应的运动角度控制指令，控制电机对患侧手腕进行镜像康复训练；前臂进行镜像康复训练时，设一个XY坐标系位于患者健侧手臂佩戴的MYO臂环上，其中X轴同前臂重合，Y轴垂直于前臂，重力加速度始终向下垂直于水平面，当前臂抬起一个角度时，MYO臂环的惯性测量单元中的加速度计会检测到重力加速度在X轴上产生加速度分量，通过对加速度分量与重力加速度的比值进行反正弦函数运算，即可求得前臂抬起角度，具体计算公式为：

其中为重力加速度，为重力加速度在X轴上的重力分量，为前臂抬起角度。

2.根据权利要求1所述BP神经网络的具体设计方案是选取MYO臂环检测到的健康人手腕运动的八通道肌电信号数值作为输入，对应的角度作为输出，设置BP神经网络的输入层节点数为8，输出层节点数为1，选取隐层神经元个数为6，将Tan-Sigmoid函数作为隐层神经元的激励函数，选取Log-Sigmoid函数作为输出层神经元的激励函数，选取期望误差为0.00000001；训练完成后，可得出健侧手腕运动角度预测模型，即检测到的八通道肌电信号与对应的手腕运动角度的映射关系。

3.根据权利要求1所述的手腕镜像运动机构由手腕托板、手腕托板支撑轴、手腕托板角度调节器、手腕托板高度调节器、手腕托板松紧调节轴、手腕托板高度轴、手腕托板距离调节器、手腕托板传动轴、手腕托板传动器以及手腕托板传动电机组成；手腕传动电机固定在底部基座上，可按照镜像运动控制指令实现其正反转；手腕托板转动器嵌套在手腕传动电机上，跟随电机转动，带动手腕托板转动轴进行左右转动；手腕托板距离调节器嵌套在手腕托板转动轴上，可以进行前后距离调节，满足不同人的个性化需求；手腕托板高度调节器嵌套在手部托板高度轴上，可以进行上下调节；手腕托板松紧调节轴可以通过旋钮调节手腕托板之间的距离，使手腕托板更加贴合患者手部；手腕托板角度调节器可以调整手腕托板的角度，在进行前臂被动镜像康复训练时，可通过手腕托板角度调节器将手腕托板放平，方便患者进行前臂康复训练；手腕托板固定在手腕托板支撑轴上，跟随电机转动进行康复训练。

4.根据权利要求1所述的前臂镜像运动机构是由前臂托板、前臂托板传动齿轮及前臂托板传动电机组成；前臂托板传动电机通过螺栓固定在顶部基座上，前臂托板传动电机接收到数据处理单元发出的镜像运动控制指令后，完成相应手腕内收与外展的运动控制；前臂托板传动电机转动带动传动齿轮，实现前臂托板带动患者的患侧前臂实现上下运动。

5.根据权利1所述的智能手腕及前臂镜像运动康复装置包括被动镜像康复训练模式、主被动康复训练模式以及主动康复训练模式三种康复训练模式；其中所述的被动镜像康复训练模式包括手腕被动镜像康复训练模式和前臂被动镜像康复训练模式，即装置选择在手腕或前臂被动镜像康复训练模式下，MYO臂环佩戴于病人健侧前臂上，采集患者健康侧手腕及前臂的表面肌电信号、加速度信号、角速度信号以及角度偏转信号，信号经过数据处理单元处理后，发出镜像角度运动控制指令，使镜像运动机构完成相应动作，带动病人的患侧分别进行手腕或前臂被动镜像康复训练；所述的主被动康复训练，即患者自主完成康复训练，当患者手腕或前臂无法完成规定运动时，装置自动切换到被动康复训练模式，带动患者的患侧完成规定运动，达到主被动康复训练效果；所述的主动康复训练，即装置在断电状态下，患者可以利用电机断电状态下提供的阻力进行主动康复训练。