CN110013419A - 一种双臂康复机器人及训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双臂康复机器人及训练方法，涉及医疗机械领域，旨在帮助周围神经严重损伤患者进行术后的上肢康复训练。该双臂康复机器人包括双臂机构、电气系统、上位机控制系统、动作捕捉系统及视觉反馈系统。本发明提供的双臂康复机器人包括镜像训练方式和协作训练方式。其中，在镜像训练模式下，由健侧机械臂主动运动进而带动患侧机械臂完成镜像运动；在协作训练模式下，患者上肢主动运动进而带动健侧机械臂完成协作运动，进一步提高双手协作完成动作的能力。

Description

一种双臂康复机器人及训练方法

技术领域

本发明涉及医疗机械领域，具体涉及一种双臂康复机器人及训练方法。

背景技术

在康复医学领域，周围神经严重损伤患者术后的上肢康复治疗一般由理疗师与患者通过一对一的直接长时间肢体接触，由理疗师协助患者进行肢体运动，附加语言交流、药物治疗等，训练患者进行大量反复的重复性运动，逐渐刺激受损脑部神经，修复脑神经，这种重复性一对一训练的效率低、成本高、不宜在家操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种双臂康复机器人及训练方法，旨在帮助周围神经严重损伤患者进行术后的上肢康复训练。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双臂康复机器人，包括：

上位机控制系统；

双臂机构，与所述上位机控制系统连接，用于引导患者进行协作康复训练和/或镜像康复训练；

电气系统，与所述上位机控制系统连接，用于信号传递；

动作捕捉系统，与所述上位机控制系统连接，用于在康复训练中实时捕捉患者的上肢运动参数，并将所述上肢运动参数传输至所述上位机控制系统；

视觉反馈系统，与所述上位机控制系统连接，用于获取所述上肢运动参数，并将所述上肢运动参数映射到游戏模型中，以通过所述游戏模型中的游戏内容或游戏轨迹来引导患者进行康复训练。

可选的，所述双臂康复机器人的训练方式包括协作康复训练方式和镜像康复训练方式。

可选的，所述双臂机构通过局域网与所述上位机控制系统连接。

可选的，所述电气系统通过电线与所述上位机控制系统连接。

可选的，所述动作捕捉系统通过交换机与所述上位机控制系统连接。

可选的，所述视觉反馈系统通过视频转接线与所述上位机控制系统连接。

一种双臂康复机器人的镜像训练方法，包括：

动作捕捉系统初始化，具体包括：

动作捕捉系统标定，准备用于所述动作捕捉系统捕捉的6组刚体，分别佩戴在左手部、左肘部、左肩部、右手部、右肘部和右肩部上；

视觉反馈系统和双臂机构进行初始化，具体包括：

在所述视觉反馈系统中导入游戏模型；

启动所述双臂机构，进入指令监听状态；

确定训练方式，具体包括：

进入上位机控制系统的控制界面，选择镜像训练方式，选择训练参数，确认无误后保存，然后根据所选训练方式进入所述游戏模型的轨迹训练界面或游戏界面；所述训练参数包括健侧机械臂、患侧机械臂训练难度、训练时间、轨迹类型和游戏类型；

镜像康复训练，具体包括：

控制所述双臂机构到达指定位置，以便将患者左右手与所述双臂机构脱离末端绑定；

控制所述双臂机构的健侧机械臂主动运动，以带动患侧机械臂，进而引导患者进行镜像康复训练，并在所述游戏模型的界面中实时显示患者上肢的运动状态。

一种双臂康复机器人的协作训练方法，包括：

动作捕捉系统初始化，具体包括：

动作捕捉系统标定，准备用于所述动作捕捉系统捕捉的6组刚体，分别佩戴在左手部、左肘部、左肩部、右手部、右肘部和右肩部上；

视觉反馈系统和双臂机构进行初始化，具体包括：

在所述视觉反馈系统中导入游戏模型；

启动所述双臂机构，进入指令监听状态；

确定训练方式，具体包括：

进入上位机控制系统的控制界面，选择协作训练方式，选择训练参数，确认无误后保存，然后根据所选训练方式进入所述游戏模型的轨迹训练界面或游戏界面；所述训练参数包括健侧机械臂、患侧机械臂、训练难度、训练时间、轨迹类型和游戏类型；

协作康复训练，具体包括：

控制所述双臂机构到达指定位置，以便将患者左右手与所述双臂机构脱离末端绑定；

控制所述双臂机构中的健侧机械臂和患侧机械臂处于一定刚度下的柔顺状态，患者主动带动所述双臂机构的健侧机械臂和患侧机械臂进行运动，以实现协作康复训练，并在所述游戏模型的界面中实时显示患者上肢的运动状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种双臂康复机器人及训练方法，旨在帮助周围神经严重损伤患者进行术后的上肢康复训练。双臂康复机器人包括双臂机构、电气系统、上位机控制系统、动作捕捉系统以及视觉反馈系统。本发明基于上述双臂康复机器人提供了两种适用于康复的训练方法：镜像训练与协作训练；其中，在镜像模式下，由健侧机械臂主动运动带动患侧机械臂完成镜像运动，在协作模式下，患者上肢进行主动运动从而提高双手协作完成动作的能力。

在康复训练过程中，上位机控制系统提供可视化操作界面，依据康复程度设置训练模式及训练参数，患者通过双臂机构进行协作运动或镜像运动，患者在训练过程中上肢的运动参数通过动作捕捉系统采集并传输给视觉反馈系统，实现上肢康复训练参数的实时可视化。

此外，在视觉反馈系统中，包含相应的训练游戏，引导患者在游戏中进行康复训练，实时反馈患者上肢运动状态，提升患者对康复训练的参与度与认可度，提高训练效率。患者通过完成对应模式下的游戏，进一步促进双手的协作能力，通过视觉反馈增强其康复信心。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种双臂康复机器人的结构框图；

图2为本发明实施例双臂康复机器人的训练方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种双臂康复机器人，包括上位机控制系统1，双臂机构2，电气系统3，动作捕捉系统4以及视觉反馈系统5。

上位机控制系统1用于实现对双臂康复机器人的控制工作，以及训练过程中相关参数的处理。

双臂机构2，通过局域网与上位机控制系统1连接，用于引导患者进行康复运动，实现协作康复训练方式和镜像康复训练方式。

电气系统3，通过电线与上位机控制系统1连接，用于系统之间信号的传递，并完成相应的控制工作。

运动捕捉系统4，通过交换机与上位机控制系统1连接，用于实时捕捉患者在康复训练中上肢的运动参数，并通过上位机系统1将数据传输给视觉反馈系统5。

视觉反馈系统5，通过视频转接线连接上位机控制系统1，用于将患者上肢的运动状况映射到游戏模型中，并通过具体的游戏内容或轨迹引导康复训练。

实施例2

本实施例提供一种双臂康复机器人的镜像训练方法，该镜像训练方法用于健侧机械臂带动患侧手臂进行镜像运动，提高康复效率。具体步骤如下：

Step1：安全检查和系统初始化。具体包括：

动作捕捉系统初始化，具体包括：

动作捕捉系统标定，准备用于动作捕捉系统捕捉的6组刚体，分别佩戴在左手部、左肘部、左肩部、右手部、右肘部、右肩部。

视觉反馈系统初始化：导入训练游戏。

双臂机构初始化：启动双臂康复机器人，进入指令监听状态。

Step2：制定训练方案。具体包括：

进入上位机控制系统的控制界面，选择镜像训练方式，选择训练参数(健/患侧手、训练难度、训练时间、轨迹类型或游戏类型等)，确认无误后保存。

Step3：开始训练。具体包括：

选择Step2中制定的训练方案，开始训练。

双臂机构到达指定位置，医护人员将患者左右手与双臂机构可脱离末端绑定，视觉反馈系统根据所选方案进入轨迹训练界面或游戏界面，并在轨迹训练界面或游戏界面中实时显示患者上肢的运动状态；在双臂机构中，健侧机械臂实时采集其各个关节的关节角并发送给患侧机械臂，患侧机械臂将各个关节角运动到对应角度，引导患者患侧手臂做镜像运动，达到健侧机械臂主动运动进而带动患者患侧手臂进行镜像运动的效果。动作捕捉系统将患者双臂的运动映射到视觉反馈系统中的游戏模型中，视觉上给患者营造一种患侧手臂也能正常运动的现象，从而帮助患者树立良好的康复信心。

Step4：异常情况处理。具体包括：

当患者手臂与所持末端脱离或患者踩下外接急停装置，康复训练立即停止，以保护患者安全。

Step5：结束或重新训练。

实施例3

本实施例提供一种双臂康复机器人的协作训练方法，所述协作训练方法用于患者上肢主动协作运动，进一步提高患者双臂自主完成动作的能力；具体步骤如下：

Step1：安全检查和系统初始化。具体包括：

动作捕捉系统初始化，具体包括：

动作捕捉系统标定，准备用于动作捕捉系统捕捉的6组刚体，分别佩戴在左手部、左肘部、左肩部、右手部、右肘部、右肩部。

视觉反馈系统初始化：导入训练游戏。

双臂机构初始化：启动双臂康复机器人，进入指令监听状态。

Step2：制定训练方案。具体包括：

进入上位机控制系统的控制界面，选择协作训练方式，选择训练参数(健/患侧手、训练难度、训练时间、轨迹类型或游戏类型等)，确认无误后保存。

Step3：开始训练。具体包括：

选择Step2中制定的训练方案，开始训练。

所述双臂机构到达指定位置，操作人员将患者左右手与双臂机构可脱离末端绑定，视觉反馈系统根据选择方案进入轨迹训练界面或游戏界面，并在轨迹训练界面或游戏界面中实时显示患者上肢的运动状态；在双臂机构中，健侧机械臂与患侧机械臂均处于在一定刚度下的柔顺状态，由患者手臂主动带动两侧机器人的手臂运动，完成视觉反馈系统中的轨迹训练或游戏训练。

Step4：异常情况处理。当患者手臂与所持末端脱离或患者踩下外接急停装置，康复训练立即停止，以保护患者安全。

Step5：结束或重新训练。

实施例4

如图2所示，本实施例提供了一种双臂康复机器人的训练方法，包括镜像训练和协作训练。

首先，在进行康复训练前，先完成安全检查，启动电源进入上位机控制系统；初始化双臂机构，使双臂机器人到达指定位置，进入等待上位机指令的状态；动作捕捉系统标定，准备用于动作捕捉系统捕捉的6组刚体，分别佩戴在左手部、左肘部、左肩部、右手部、右肘部、右肩部；在视觉反馈系统中，导入训练游戏。

其次，制定康复训练方案时，在上位机控制系统中选择相应参数(主要有健/患侧手、时间、训练方法、难度、轨迹类型、游戏类型等)，制定训练方案进行训练。

在镜像训练模式下，健侧机械臂实时采集其各个关节的关节角并发送给患侧机械臂，患侧机械臂将各个关节角运动到对应角度，引导患侧手臂做镜像运动，达到健侧机械臂主动运动进而带动患者患侧手臂进行镜像运动的效果。在协作训练模式下，健侧机械臂与患侧机械臂均处于在一定刚度下的柔顺状态，由患者手臂主动带动两侧机器人的手臂运动，完成视觉反馈系统中的轨迹训练或游戏训练。

然后，进行康复训练。双臂机构到达指定位置，操作人员将患者左右手与双臂机构可脱离末端绑定，视觉反馈系统根据训练方案进入轨迹训练界面或游戏界面，患者根据视觉反馈系统中的轨迹或游戏进行自主的操作，带动机械臂完成训练任务。在训练过程中，视觉反馈系统中实时显示患者上肢的运动状态，并在游戏系统中显示患者上肢模型实时运动，通过视觉反馈刺激提高康复效率。

最后，当患者手臂与所持末端脱离或患者踩下外接急停装置，康复训练将立即停止，以保护患者安全，异常情况处理后，选择重新训练或结束训练。

本发明提供的双臂康复机器人是为了克服适于长时间、繁杂重复性劳动工作的机械系统应运而生。在患者的双臂康复治疗中，给予双侧训练可以有效地改善患侧上肢功能。而这种治疗效果的理论前提是通过神经协同效应，同时训练非瘫痪侧上肢可以起到促进瘫痪侧上肢功能的恢复和改善其表现的作用。镜像训练利用平面镜成像原理，将健侧活动通过视觉反馈诱发患侧的运动，达到消除异常感觉和恢复运动功能的目的，镜像训练在改善患肢运动准确性、关节灵活度、灵巧性和肢体握力方面十分有效。协作训练则进一步以功能任务为导向，锻炼患者上肢协同工作的能力，进一步提高康复效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种双臂康复机器人，其特征在于，所述双臂康复机器人包括：

上位机控制系统；

双臂机构，与所述上位机控制系统连接，用于引导患者进行协作康复训练和/或镜像康复训练；

电气系统，与所述上位机控制系统连接，用于信号传递；

动作捕捉系统，与所述上位机控制系统连接，用于在康复训练中实时捕捉患者的上肢运动参数，并将所述上肢运动参数传输至所述上位机控制系统；

视觉反馈系统，与所述上位机控制系统连接，用于获取所述上肢运动参数，并将所述上肢运动参数映射到游戏模型中，以通过所述游戏模型中的游戏内容或游戏轨迹来引导患者进行康复训练。

2.根据权利要求1所述的双臂康复机器人，其特征在于，所述双臂康复机器人的训练方式包括协作康复训练方式和镜像康复训练方式。

3.根据权利要求1所述的双臂康复机器人，其特征在于，所述双臂机构通过局域网与所述上位机控制系统连接。

4.根据权利要求1所述的双臂康复机器人，其特征在于，所述电气系统通过电线与所述上位机控制系统连接。

5.根据权利要求1所述的双臂康复机器人，其特征在于，所述动作捕捉系统通过交换机与所述上位机控制系统连接。

6.根据权利要求1所述的双臂康复机器人，其特征在于，所述视觉反馈系统通过视频转接线与所述上位机控制系统连接。

7.一种双臂康复机器人的镜像训练方法，其特征在于，所述镜像训练方法包括：

动作捕捉系统初始化，具体包括：

动作捕捉系统标定，准备用于所述动作捕捉系统捕捉的6组刚体，分别佩戴在左手部、左肘部、左肩部、右手部、右肘部和右肩部上；

视觉反馈系统和双臂机构进行初始化，具体包括：

在所述视觉反馈系统中导入游戏模型；

启动所述双臂机构，进入指令监听状态；

确定训练方式，具体包括：

进入上位机控制系统的控制界面，选择镜像训练方式，选择训练参数，确认无误后保存，然后根据所选训练方式进入所述游戏模型的轨迹训练界面或游戏界面；所述训练参数包括健侧机械臂、患侧机械臂训练难度、训练时间、轨迹类型和游戏类型；

镜像康复训练，具体包括：

控制所述双臂机构到达指定位置，以便将患者左右手与所述双臂机构脱离末端绑定；

控制所述双臂机构的健侧机械臂主动运动，以带动患侧机械臂，进而引导患者进行镜像康复训练，并在所述游戏模型的界面中实时显示患者上肢的运动状态。

8.一种双臂康复机器人的协作训练方法，其特征在于，所述协作训练方法包括：

动作捕捉系统初始化，具体包括：

动作捕捉系统标定，准备用于所述动作捕捉系统捕捉的6组刚体，分别佩戴在左手部、左肘部、左肩部、右手部、右肘部和右肩部上；

视觉反馈系统和双臂机构进行初始化，具体包括：

在所述视觉反馈系统中导入游戏模型；

启动所述双臂机构，进入指令监听状态；

确定训练方式，具体包括：

进入上位机控制系统的控制界面，选择协作训练方式，选择训练参数，确认无误后保存，然后根据所选训练方式进入所述游戏模型的轨迹训练界面或游戏界面；所述训练参数包括健侧机械臂、患侧机械臂、训练难度、训练时间、轨迹类型和游戏类型；

协作康复训练，具体包括：

控制所述双臂机构到达指定位置，以便将患者左右手与所述双臂机构脱离末端绑定；

控制所述双臂机构中的健侧机械臂和患侧机械臂处于一定刚度下的柔顺状态，患者主动带动所述双臂机构的健侧机械臂和患侧机械臂进行运动，以实现协作康复训练，并在所述游戏模型的界面中实时显示患者上肢的运动状态。