CN110236879B - 外骨骼康复训练机械臂及其语音交互系统 - Google Patents
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Abstract
一种外骨骼康复训练机械臂及其语音交互系统，通过人机交互模块用于患者与外骨骼康复训练机械臂之间信息的高效交互传递，增加患者康复训练参与性，提高患者使用体验。本发明中的语音广播单元通过控制单元调用系统语音交互提示单元的信息进行语音播报，将信息传递给患者，完成信息流从机器到人的过程。为了增加患者的信息接收渠道，设置了图像显示单元作为语音播报单元的辅助，弥补了外骨骼康复机械臂领域中自然人机交互方面的不足。通过将语音交互系统与上肢外骨骼康复机械臂结合的方式融合多种训练模式以及运动指令，实现患者日常的上肢康复训练动作，并且具有操作简单、易于控制，对用户要求低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人交互系统技术领域，具体地涉及一种外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统。
背景技术
随着我国人口老龄化现象的日益凸显，对于老年人的护理工作显得尤为重要，而且对于一些丧失运动能力的人来说，康复治疗的训练工作也受到越来越多的重视，外骨骼康复机器人技术的出现，极大地填补了这项需求，解放了康复护理医师繁重的工作量，提高了康复治疗的效果。但对于目前的外骨骼(可穿戴)康复机械臂，不仅整套装备繁重复杂，价格昂贵，而且操作较为复杂，不能够让用户独立自主地进行康复训练。因此为了提高用户与机器之间的沟通效率，提升用户与机械臂的交互体验，简化用户的控制过程，有必要将语音控制模块引入到上肢外骨骼康复机械臂中进行进一步的研究。目前语音控制方面的内容较为丰富，但是将其用于上肢外骨骼康复机器人上面的却比较少。在授权公告号为CN205905035的实用新型专利提出了一种残疾人的辅助机械臂，将语音控制模块引入了设计当中，以提高用户与机器之间的沟通效率，方便残疾人自主地对自己进行料理。在一定程度上方便了残疾人，不需要医护人员、家属时时刻刻守在用户身旁。但该设计产品并没有以通过康复训练提高用户自主行动能力从而料理自己生活为目标，用户始终无法离开机器。授权公告号为CN205552533的实用新型专利提出了一种用于控制机械臂的控制装置，所述控制装置通过输入模块接收语音输入与数据库进行比对进行语音识别，识别成功则输出相应指令通过驱动单元驱动所述机械臂运动，识别不成功则通过提示单元提示用户，该设计与传统的机械臂相比，在控制方式上，简化了用户的操作，用户通过语音直接控制机械臂，有利于产品的推广。在申请号为201710107353.5的发明创造中提出了一种基于运动想象的上肢外骨骼控制方法及系统，通过采集脑电信号，利用卷积神经网络进行特征提取分类，输出识别结果，控制驱动器带动前臂做相应的运动。这种交互模式对于用户更加友好，用户范围也更加广泛，尤其对于一些丧失语言能力的患者也能进行通过运动想象进行康复训练。基于对现有专利及相关文献的分析，基于机器人的康复训练机器人在人机交互控制方面存在缺乏或者性能差的不足。采用脑电信号虽然可以实现一定程度的自主控制，但是为得到高质量脑电信号，需要打脑电膏佩戴电极帽，对于无自理能力的患者每次康复训练结束后需要专人料理清洗，后续处理麻烦，而且脑电控制本身有一定的局限性，比如技术难度高、设计和使用成本高等。命令模式也较为单一，运动想象动作与实际康复动作不一致，长期的训练下是否对用户以后的运动模式产生一定误导影响也有待考证。因此提供一种外骨骼康复机械臂领域内符合自然人交互习惯的系统成为亟待解决的问题。
发明内容
为克服现有技术中存在的人机交互效率低，患者康复训练效果及体验差的问题，本发明提出了一种外骨骼康复训练机械臂及其语音交互系统。
所述外骨骼康复训练机械臂包括肩关节、肘关节、第一上臂外骨骼、小臂外骨骼、小臂固定环、大臂固定环和执行器。其中：所述肩关节安装在第一上臂外骨骼的上端，肘关节安装在所述肘关节中的第二上臂外骨骼的下端；所述第一上臂外骨骼的下端与第二上臂外骨骼的上端通过夹紧块连接。所述小臂外骨骼的一端与所述肘关节中的肘部外骨骼铰接，该小臂外骨骼的另一端为悬臂端，在该悬臂端的端头固定有小臂固定环，并使该小臂固定环位于该小臂外骨骼的上表面。所述肘部外骨骼另一端与肘关节铰接。在所述第一上臂外骨骼的凹弧面上有大臂固定环。
执行器位于所述小臂外骨骼的下方，并使该执行器的内圈输出端端面与肘部外骨骼固连，所述执行器的外圈输出端端面与小臂外骨骼固连。
所述肩关节的三个自由度分别由第一电机、第二电机以及执行器进行控制实现。所述的三个自由度包括肩关节内旋/外旋自由度、肩关节的屈曲/伸展自由度和肩关节的外摆/内收自由度。
所述肘关节的屈曲/伸展自由度通过所述第三电机、第一齿轮轴、第二齿轮轴以及肘部外骨骼实现。当所述第三电机带动第一齿轮轴转动，通过该第一齿轮轴与第二齿轮轴啮合，使第二齿轮轴带动该肘部外骨骼摆动，从而实现肘关节的屈曲/伸展。
所述外骨骼康复机械臂的小臂外骨骼前端上安装有一个压力传感器，所述外骨骼康复机械臂的第二上臂外骨骼的下端安装有一个九轴传感器。所述压力传感器与九轴传感器构成了传感器模块。
所述肩关节包括固定板1、第一电机、第二电机和转向架。所述固定板一对支杆的一端分别套装在所述第二电机的输出轴上，并使二者之间转动配合。转向架的一对耳片分别固定在所述第二电机的输出轴上。所述第一电机的输出轴安装在该转向架上，并使该第一电机的输出轴与位于所述第一上臂外骨骼上端的肩关节环固连。所述第一电机的轴线与所述第二电机的轴向空间相互垂直。
所述肘关节包括第三电机、第一齿轮轴、倾角仪、第二齿轮轴和肘部外骨骼、第二上臂外骨骼。其中，所述第一齿轮轴两端的轴杆分别装入所述第二上臂外骨骼下端一侧的轴孔内，并使二者之间转动配合；所述第三电机位于该第二上臂外骨骼的一侧，并使该第三电机的输出轴与第一齿轮轴的轴杆固连。所述第二齿轮轴的两端分别装入所述第二上臂外骨骼下端另一侧的轴孔内，并使二者之间转动配合；所述肘部外骨骼的U形连接端套装在该第二齿轮轴的两端。所述第二齿轮轴与第一齿轮轴啮合。所述倾角仪安装在所述第二上臂外骨骼下端的表面上。
所述肩关节内旋/外旋自由度通过所述执行器、小臂外骨骼以及肘部外骨骼实现，具体是，通过所述执行器外圈的转动带动所述小臂外骨骼转动，使该小臂外骨骼产生相对于肘部外骨骼的转动，从而产生肩关节的内旋或外旋运动。
所述肩关节的屈曲/伸展自由度通过所述第一电机、转向架以及第一上臂外骨骼实现。当所述第一电机带动第一上臂外骨骼转动时，使该第一上臂外骨骼与转向架之间产生相对转动，从而实现该肩关节的屈曲/伸展运动。
所述肩关节的外摆/内收自由度通过所述第二电机、转向架以及固定板实现。当第二电机转动时，带动转向架摆动，使该转向架与固定板之间产生相对转动，从而实现肩关节的外摆/内收运动。
所述肩关节的第二电机的轴线与所述肘关节的第三电机的轴线空间相互垂直。所述的大臂固定环的轴线与小臂固定环轴线空间垂直相交。
本发明提出的所述外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统包括语音识别模块、存储模块、人机交互模块、电机驱动模块、传感器模块、外骨骼康复机械臂、以及主控单元。其中：
所述语音采集单元的音频接收端口接收来自用户的语音指令，并将采集到的语音指令发送至语音识别模块，通过语音识别模块中的语音处理单元对接收到的语音指令利用动态时间规整(DTW)与学习向量量化神经网络(LVQ)混合模型进行处理，并将所述语音指令的处理结果发送至该语音识别模块的指令匹配单元，由该指令匹配单元将所述语音指令的处理结果发送至控制单元，由该控制单元将数据写入至存储模块的用户指令模板存储单元。
或者由该指令匹配单元对所述语音指令的特征值进行匹配，将匹配结果传输至控制单元，并将匹配结果转化为与匹配结果相对应的各关节的驱动器控制指令。所述的匹配是将得到的所述语音指令的特征值与用户指令模板存储单元中的语音指令的特征值进行比对。
将所述各关节的驱动器控制指令分别传输至外骨骼康复机械臂上各关节的驱动器；所述各关节的驱动器将接收到的驱动器控制指令转化为电流信号，驱动所述外骨骼康复机械臂的各电机运转，从而完成用户期望的康复训练动作。通过所述传感器模块将康复训练过程中实时的角度、角速度信号及人机交互的力信号实时的传输至控制单元，并通过该控制单元实时调整对各驱动器的控制指令。
所述的语音识别模块包括语音采集单元、语音处理单元和指令匹配单元。所述语音采集单元将接收到的语音信息传输至所述语音处理单元。所述语音采集单元与语音处理单元之间有AD转换模块。所述语音处理单元选择集成了语音采集单元的语音处理芯片或者集成语音采集单元及AD转换模块的语音处理芯片。通过所述指令匹配单元将经过处理的音频信号传输至控制单元。
控制单元在语音采集模式下将通过指令匹配单元传送的来自于语音处理单元的语音处理信号特征值写入至存储模块的用户指令模板存储单元作为用户的指令模板数据库。
控制单元在康复训练模式下将指令匹配单元对语音信号特征值与指令模板数据库的匹配结果转化为对应的各关节运动的底层控制信号传给电机驱动模块中的驱动器，驱动器控制关节电机运转。所述语音信号特征值来自与语音处理单元，所述指令模板数据库来自于用户指令模板存储单元。同时控制单元调用系统语音交互提示存储单元中的内容，传输至人机交互模块中的语音广播单元进行语音播报，并生成图像交互内容通过图像显示单元将信息呈现给用户。所述控制单元根据内嵌算法对康复训练过程中电机运行状态进行调整。
存储模块包括用户数据存储单元、系统语音交互提示单元和用户指令模板存储单元。用户数据存储单元通过控制单元将用户识别码和用户信息以及患者相关的训练数据写入到内存中。用户指令模板存储单元通过控制单元写入不同患者音频信号训练得到的患者语音指令模板数据库。
所述传感器模块对康复训练过程中康复动作的角速度、角度及交互力信息进行实时检测并返回到直接电性连接的控制单元。控制单元依据程序代码按照预设方式处理数据，并将处理结果转换成对应运动控制的底层控制信号发送至电机驱动模块，对机械臂康复动作进行调整控制，实现对康复训练过程的实时监控。
本发明的目的在于弥补外骨骼康复机械臂领域中自然人机交互方面的不足，提供一种外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统。通过将语音交互系统与上肢外骨骼康复机械臂结合的方式融合多种训练模式以及运动指令，实现患者日常基本的上肢康复训练动作，并且具有操作简单，易于控制，对用户要求低的特点。
本发明通过人机交互模块用于患者与外骨骼康复训练机械臂之间信息的高效交互传递，增加患者康复训练参与性，提高患者使用体验。包括语音广播单元、图像显示单元，同样地，同时也包括语音采集单元。其中语音广播单元通过控制单元调用系统语音交互提示单元的信息进行语音播报，将信息传递给患者，完成信息流从机器到人的过程。为了增加患者的信息接收渠道，设置了图像显示单元作为语音播报单元的辅助。
本发明分为两种康复模式：单关节康复模式和整体协调康复模式。单关节训练模式提供了以下十一种语音指令：向上、向下、向外、向里、外旋、内旋、弯曲、伸展、加速、减速以及停止。前面八种语音指令分别对应着肩关节的屈曲/伸展，肩关节的外摆/内收，肩关节的外旋/内旋以及肘关节的屈曲/伸展。
所述系统的整体协调性训练模式则针对用户日常自理使用较多的动作进行模拟，提供了以下四种语音指令：喝水、摆臂、挥手以及自由路径规划。分别对应着日常生活中的喝水动作，摆臂动作，挥手动作以及在各自关节联动的关节角度范围内随机规划路径进行自由随机的康复路径轨迹训练。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将语音交互系统引入了上肢外骨骼康复机械臂中，并利用基于动态时间规整(DTW)与学习向量量化神经网络(LVQ)混合模型的语音处理单元，针对不同用户的语音指令特征，通过提取特征值进行分类训练得到针对特定用户的语音指令模板库，从而提供更加准确的指令识别能力，用户自主通过康复训练语音指令和外骨骼康复机械臂进行交互，进行自主的外骨骼康复训练，极大地提高用户与机器的沟通效率，提升了用户体验。
所述语音交互系统把初次使用用户大量采集语音学习训练素材进行学习训练构建识别指令模板这一繁重的简单重复过程分散到不同时间段进行。即用户在初次使用时，不需要重复输入大量的语音指令来让机器学习训练，直到达到期望的高识别率的指令模板。反而只需要输入一定量的语音指令，供系统进行学习训练得到用户语音指令模板，当识别准确率达到预设值，此时虽然识别准确率并没有达到非常高的状态，但是已经能够进行正常康复训练工作。此时用户即可开始进行康复训练，在之后每次开始重新启用机器开始康复训练计划时，再录入一定的语音指令数据用于对上次训练的语音指令模板进行微调，从而提高模板的识别准确率。
所述外骨骼康复训练机械臂语音交互系统用户初次使用录入信息中须自己构思一个用户识别码，这个识别码建议的一些积极向上，充满正能量的标语或者词汇，在之后的每次训练开始时，输入用户识别码，给用户提供较好的心理暗示，增加了用户康复训练的积极性。
所述外骨骼康复训练机械臂运转过程中，为了保护用户的安全，防止受到二次伤害，利用系统的传感器模块实时对训练状况进行检测反馈制动。
所述外骨骼康复训练机械臂实现了肩关节三个自由度，以及肘关节一个自由度的运动，拓展了患者康复训练的运动范围与动作多样性，有助于对患者肌肉进行更好的刺激，提升康复训练效果。
运动功能障碍患者通过穿戴外骨骼康复机械臂进行康复训练，其本身过程就需要人机之间的高效交互。本发明通过将语音交互系统引入到外骨骼的外骨骼康复机械臂中，保证了用户的自主性与交互的高效性，并且通过语言进行交流也更加符合人类习惯，从而减少患者排斥情绪。针对用户日常自我康复训练，本系统对可能出现各种动作都进行了考虑，所提供的指令内容基本能够满足用户的康复训练需求。因此所提出的上肢外骨骼康复机械臂的语音交互系统及控制方法能够很好的满足用户需求。
附图说明
图1是本发明语音交互系统的结构示意图；
图2是本发明语音控制方法原理图；
图3是外骨骼康复训练机械臂的结构示意图；
图4是外骨骼康复训练机械臂局部剖视图。
图5是外骨骼康复训练机械臂俯视图。
图6是外骨骼康复训练机械臂仰视图。
图7是外骨骼康复训练机械臂第二上臂外骨骼主视图。
图8是外骨骼康复训练机械臂第二上臂外骨骼左视图。
图中：1.固定板；2.第一电机；3.第二电机；4.第一上臂外骨骼；5.夹紧块；6.第二上臂外骨骼；7.倾角仪；8.第一齿轮轴；9.第三电机；10.执行器；11.第二齿轮轴；12.肘部外骨骼；13.小臂外骨骼；14.压力传感器；15.小臂固定环；16.大臂固定环；17.转向架；18.伸缩调节槽。
具体实施方式
本实施例是一种四自由度上肢外骨骼康复机械臂，其中包括肩关节的三个自由度及肘关节的一个自由度。所述肩关节的三个自由度分别为内旋/外旋自由度、伸展/屈曲自由度，以及外摆/内收自由度；所述肘关节的自由度是伸展/屈曲自由度。
本实施例包括肩关节、肘关节、第一上臂外骨骼4、第二上臂外骨骼6、肘部外骨骼12、小臂外骨骼13、压力传感器14、小臂固定环15、大臂固定环16、转向架17。其中：所述肩关节安装在第一上臂外骨骼4的上端，肘关节安装在所述第二上臂外骨骼6的下端；所述第一上臂外骨骼的下端与第二上臂外骨骼的上端通过夹紧块5连接。所述小臂外骨骼13的一端与所述肘部外骨骼12铰接，该小臂外骨骼的另一端为悬臂端，在该悬臂端的端头固定有小臂固定环15，并使该小臂固定环位于该小臂外骨骼的上表面。所述肘部外骨骼12另一端与肘关节铰接。在所述第一上臂外骨骼4的凹弧面上有大臂固定环16。
所述肩关节的第二电机3的轴线与所述肘关节的第三电机9的轴线空间相互垂直。
所述的大臂固定环16的轴线与小臂固定环15轴线空间垂直相交。
所述肩关节包括固定板1、第一电机2、第二电机3和转向架17。所述固定板1的一对支杆的一端分别套装在所述第二电机3的输出轴上，并使二者之间转动配合。转向架17的一对耳片分别固定在所述第二电机3的输出轴上。所述第一电机2的输出轴安装在该转向架上，并使该第一电机的输出轴与位于所述第一上臂外骨骼4上端的肩关节环固连。所述第一电机的轴线与所述第二电机的轴向空间相互垂直。
所述肘关节包括第三电机9、第一齿轮轴8、九轴传感器7、第二齿轮轴11和肘部外骨骼12、第二上臂外骨骼6。其中，所述第一齿轮轴8两端的轴杆分别装入所述第二上臂外骨骼6下端一侧的轴孔内，并使二者之间转动配合；所述第三电机9位于该第二上臂外骨骼的一侧，并使该第三电机的输出轴与第一齿轮轴的轴杆固连。所述第二齿轮轴11的两端分别装入所述第二上臂外骨骼6下端另一侧的轴孔内，并使二者之间转动配合；所述肘部外骨骼12的U形连接端套装在该第二齿轮轴的两端。所述第二齿轮轴11与第一齿轮轴8啮合。所述九轴传感器7为市场可购的MPU9250+BMP280模块，安装在所述第二上臂外骨骼6下端的表面。
所述的第一电机、第二电机和第三电机均为双向电机。
所述执行器10位于所述小臂外骨骼13的下方，并使该执行器10的内圈输出端端面与肘部外骨骼12通过螺栓固连，所述执行器10的外圈输出端端面与小臂外骨骼13固连。所述执行器选购为市场在售的INNFOS执行器。
所述肩关节的三个自由度分别由第一电机2、第二电机3以及执行器10进行控制实现。所述的三个自由度包括肩关节内旋/外旋自由度、肩关节的屈曲/伸展自由度和肩关节的外摆/内收自由度。
所述肩关节内旋/外旋自由度通过所述执行器10、小臂外骨骼13以及肘部外骨骼12实现，具体是，通过所述执行器外圈的转动带动所述小臂外骨骼转动，使该小臂外骨骼产生相对于肘部外骨骼12的转动，从而产生肩关节的内旋或外旋运动。
所述肩关节的屈曲/伸展自由度通过所述第一电机2、转向架17以及第一上臂外骨骼4实现。当所述第一电机带动第一上臂外骨骼转动时，使该第一上臂外骨骼与转向架之间产生相对转动，从而实现该肩关节的屈曲/伸展运动。
所述肩关节的外摆/内收自由度通过所述第二电机3、转向架17以及固定板1实现。当第二电机转动时，带动转向架17摆动，使该转向架与固定板之间产生相对转动，从而实现肩关节的外摆/内收运动。
所述肘关节的屈曲/伸展自由度通过所述第三电机9、第一齿轮轴8、第二齿轮轴11以及肘部外骨骼12实现。当所述第三电机带动第一齿轮轴转动，通过该第一齿轮轴与第二齿轮轴啮合，使第二齿轮轴带动该肘部外骨骼摆动，从而实现肘关节的屈曲/伸展。
本实施例考虑到用户的多样性，为了提高该语音控制上肢外骨骼康复机械臂与用户之间较好的交互兼容性，所述第一上臂外骨骼4上加工有伸缩调节槽18，以根据客户需要调整第二上臂外骨骼6与该第一上臂外骨骼之间的连接位置，并通过夹紧块5固紧。
所述外骨骼康复机械臂的小臂外骨骼前端上安装有一个压力传感器。
本实施例还提出一种适用于有运动功能康复需求的运动功能障碍患者康复训练的外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统，包括语音识别模块、存储模块、人机交互模块、电机驱动模块、外骨骼康复机械臂、传感器模块以及主控单元。其中：所述语音识别模块中包含有语音采集单元，所述语音采集单元的音频接收端口接收来自用户的语音指令，并将采集到的语音指令发送至语音处理单元，通过所述语音处理单元对接收到的语音指令利用动态时间规整与学习向量量化神经网络混合模型进行处理，并将所述语音指令的处理结果发送至该语音识别模块的指令匹配单元，由该指令匹配单元将所述语音指令的处理结果发送至控制单元，由该控制单元将数据写入至存储模块的用户指令模板存储单元；或者由该指令匹配单元对所述语音指令的特征值进行匹配，将匹配结果传输至控制单元，并将匹配结果转化为与匹配结果相对应的各关节的驱动器控制指令。所述的匹配是将得到的所述语音指令的特征值与用户指令模板存储单元中的语音指令的特征值进行比对。
将所述各关节的驱动器控制指令分别传输至外骨骼康复机械臂上各关节的驱动器；所述各关节的驱动器将接收到的驱动器控制指令转化为电流信号，驱动所述外骨骼康复机械臂的各电机运转，从而完成用户期望的康复训练动作。在所述外骨骼康复机械臂上安装有由力传感器14与九轴传感器7组成的传感器模块；通过该传感器模块将康复训练过程中的角度信号，角速度信号和人机交互的力信号实时地传输至控制单元，并通过该控制单元实时调整对各驱动器的控制指令。
所述外骨骼康复机械臂上的各关节包括肘关节和肩关节。
在人机交互过程中，控制单元通过调用存储模块中的系统语音交互提示存储单元中存储的系统语音交互提示信号，并将该系统语音交互提示信号传输至图像显示单元和语音广播单元，以完成数据流从机器到人的传输过程。
所述的语音识别模块包括语音采集单元、语音处理单元和指令匹配单元。所述语音采集单元接收用户发出的语音信息，并将接收到的语音信息传输至所述语音处理单元。该语音处理单元对接收的音频信号进行分析处理。所述语音采集单元与语音处理单元中间设置AD转换模块。所述语音处理单元具体为市场在售语音处理芯片。所述语音处理单元选择集成了语音采集单元的语音处理芯片或者集成语音采集单元及AD转换模块的语音处理芯片。通过所述指令匹配单元将经过处理的音频信号传输至控制单元。
控制单元在语音采集模式下将通过指令匹配单元传送的来自于语音处理单元的语音处理信号特征值写入至存储模块的用户指令模板存储单元作为用户的指令模板数据库。控制单元在康复训练模式下将指令匹配单元对语音信号特征值与指令模板数据库的匹配结果转化为对应的各关节运动的底层控制信号传给电机驱动模块中的驱动器，驱动器控制关节电机运转，所述语音信号特征值来自与语音处理单元，所述指令模板数据库来自于用户指令模板存储单元。同时控制单元调用系统语音交互提示存储单元中的内容，传输至人机交互模块中的语音广播单元进行语音播报，并生成图像交互内容通过图像显示单元将信息呈现给用户。所述控制单元根据内嵌算法对康复训练过程中电机运行状态进行调整。具体控制程序均在调试之前录入控制单元芯片中。
人机交互模块包括语音广播单元、图像显示单元，语音采集单元。所述语音广播单元通过控制单元调用系统语音交互提示单元的信息进行语音播报，将信息传递给患者，完成信息流从机器到人的过程。为了增加患者的信息接收渠道，设置了图像显示单元作为语音播报单元的辅助。所述图像显示单元采用液晶显示屏。考虑到外骨骼康复机械臂穿戴在患者手臂上，为获取较为清晰的音频信号，语音采集单元和图像显示单元布置在一块，即患者视觉正前方。所述语音广播单元通过控制单元调用存储模块的系统语音交互提示单元中预先录制的语音提示或者语音答复指令进行广播，从而发出对用户进行相关提示的语音信息。
存储模块包括用户数据存储单元、系统语音交互提示单元和用户指令模板存储单元。用户数据存储单元通过控制单元将用户识别码和用户信息以及患者相关的训练数据写入到内存中。用户指令模板存储单元通过控制单元写入不同患者音频信号训练得到的患者语音指令模板数据库。所述存储模块为与控制单元电性连接的本地存储介质。
传感器模块对康复训练过程中康复动作的速度、角度进行实时检测并返回到直接电性连接的控制单元。控制单元依据程序代码按照预设方式处理数据，并将处理结果转换成对应运动控制的底层控制信号发送至电机驱动模块，对机械臂康复动作进行调整控制，实现对康复训练过程的实时监控。
所述系统语音交互提示存储单元存储的语音提示指令由设计人员利用PC机上录音机自行录制用于交互的语音提示或语音答复指令并保存为单声道，16位属性的wav格式音频文件。之后将录制好的文件压缩成S480格式，并随之输入到存储模块中，以供控制单元进行读取操作通过语音广播单元调用播报。
如图2所示，本发明的控制过程是：
第一步，语音采集单元接收到特定语音指令后，控制单元进行唤醒启动。
第二步，用户根据语音广播单元的提示，语音回答输入自己是否为初次使用用户。若语音采集单元接收到用户语音信息经过指令匹配，输出到控制单元的结果值为真，则系统判断存储模块的用户指令模板存储单元中没有针对该用户的训练成熟的语音指令模板数据库，程序进入采集训练模式。
第三步，采集训练模式中，用户根据语音播报模块的提示，录入康复动作指令与识别码。录入指令为十组，其中七组用于训练，三种用于测试。在语音识别模块中通过动态时间规整与学习向量量化神经网络混合模型模型处理构建针对该用户的语音识别模型。并利用三组测试数据对训练好的相关模型进行识别准确率P的计算。当P≥s，则将训练好的相关模型输入到存储模块中进行，方便日后进行调用。其中s对于初次用户来说为语音识别准确率下限，对于非初次用户来说为针对上一次使用记录得到的语音识别模型准确率的基础上提高一定数值e得到的新下限，即s＝s+e。否则继续进行训练，直到达到预设准确率下限要求。
第四步，之后在语音广播单元的提示下，用户发出即将进行的康复动作的语音指令，语音识别模块将处理结果输出到控制单元中，由控制单元根据程序计算所需电机驱动量输入到电机驱动模块。
第五步，电机驱动模块中的驱动器驱动电机按照预设的轨迹规划进行运转，从而进行康复训练的动作。
所述第一步中若语音采集单元接收到回答信息经过指令匹配，输出到控制单元的结果值为假，则语音输入用户识别码，系统利用指令匹配单元与存储模块中的用户指令模板存储单元进行比对，得到识别结果。
所述的识别码为用户初次使用时，语音输入识别码以便日后康复训练开始时确认用户身份以调用该用户信息下的患者指令模板库进行比对识别，进行康复训练。该识别码使用任何字符组合。每次用户开始使用时，都需要语音输入具有正能量的识别码，从而对用户潜意识产生较好的影响，起到一个良性心理建设，从而提升用户信心与积极性。如果用户的识别码经过检索之后发现重复，则控制单元调用系统语音交互提示存储单元中的内容通过语音广播单元发出提示此识别码已存在，用户需要重新构思识别码。
本发明提供两种康复模式，分别是单关节康复模式和整体协调康复模式。两种康复模式用于对用户进行康复治疗训练。
所述单关节训练模式提供了以下语音指令：向上、向下、向外、向里、外旋、内旋、弯曲、伸展、加速、减速以及停止，共十一种语音指令。前面八种语音指令分别对应肩关节的屈曲/伸展，肩关节的外摆/内收，肩关节的外旋/内旋以及肘关节的屈曲/伸展。
所述整体协调训练模式提供了用户日常自理中使用的动作模型进行模拟训练，提供了以下四种语音指令：喝水、摆臂、挥手以及自由随机。分别对应着日常生活中的喝水动作，摆臂动作，挥手动作以及在各自关节联动的关节角度范围内随机规划路径进行自由随机的康复路径轨迹训练。
Claims (10)
1.一种外骨骼康复训练机械臂，其特征在于，包括肩关节、肘关节、第一上臂外骨骼、小臂外骨骼、小臂固定环、大臂固定环和执行器；其中：所述肩关节安装在第一上臂外骨骼的上端，肘关节安装在所述肘关节中的第二上臂外骨骼的下端；所述第一上臂外骨骼的下端与第二上臂外骨骼的上端通过夹紧块连接；所述小臂外骨骼的一端与所述肘关节中的肘部外骨骼铰接，该小臂外骨骼的另一端为悬臂端，在该悬臂端的端头固定有小臂固定环，并使该小臂固定环位于该小臂外骨骼的上表面；所述肘部外骨骼另一端与肘关节铰接；在所述第一上臂外骨骼的凹弧面上有大臂固定环；
执行器位于所述小臂外骨骼的下方，并使该执行器的内圈输出端端面与肘部外骨骼固连，所述执行器的外圈输出端端面与小臂外骨骼固连；
所述肩关节的三个自由度分别由第一电机、第二电机以及执行器进行控制实现；所述的三个自由度包括肩关节内旋/外旋自由度、肩关节的屈曲/伸展自由度和肩关节的外摆/内收自由度；
所述肘关节的屈曲/伸展自由度通过第三电机、第一齿轮轴、第二齿轮轴以及肘部外骨骼实现；当所述第三电机带动第一齿轮轴转动，通过该第一齿轮轴与第二齿轮轴啮合，使第二齿轮轴带动该肘部外骨骼摆动，从而实现肘关节的屈曲/伸展；
所述外骨骼康复训练机械臂的小臂外骨骼前端上安装有一个压力传感器，所述外骨骼康复训练机械臂的第二上臂外骨骼的下端安装有一个九轴传感器；所述压力传感器与九轴传感器构成了传感器模块。
2.如权利要求1所述外骨骼康复训练机械臂，其特征在于，所述肩关节包括固定板、第一电机、第二电机和转向架；所述固定板的一对支杆的一端分别套装在所述第二电机的输出轴上，并使二者之间转动配合；转向架的一对耳片分别固定在所述第二电机的输出轴上；所述第一电机的输出轴安装在该转向架上，并使该第一电机的输出轴与位于所述第一上臂外骨骼上端的肩关节环固连；所述第一电机的轴线与所述第二电机的轴向空间相互垂直。
3.如权利要求1所述外骨骼康复训练机械臂，其特征在于，所述肘关节包括第三电机、第一齿轮轴、倾角仪、第二齿轮轴和肘部外骨骼、第二上臂外骨骼；其中，所述第一齿轮轴两端的轴杆分别装入所述第二上臂外骨骼下端一侧的轴孔内，并使二者之间转动配合；所述第三电机位于该第二上臂外骨骼的一侧，并使该第三电机的输出轴与第一齿轮轴的轴杆固连；所述第二齿轮轴的两端分别装入所述第二上臂外骨骼下端另一侧的轴孔内，并使二者之间转动配合；所述肘部外骨骼的U形连接端套装在该第二齿轮轴的两端；所述第二齿轮轴与第一齿轮轴啮合；所述倾角仪安装在所述第二上臂外骨骼下端的表面上。
4.如权利要求1所述外骨骼康复训练机械臂，其特征在于，所述肩关节内旋/外旋自由度通过所述执行器、小臂外骨骼以及肘部外骨骼实现，具体是，通过所述执行器外圈的转动带动所述小臂外骨骼转动，使该小臂外骨骼产生相对于肘部外骨骼的转动，从而产生肩关节的内旋或外旋运动；所述肩关节的屈曲/伸展自由度通过所述第一电机、转向架以及第一上臂外骨骼实现；当所述第一电机带动第一上臂外骨骼转动时，使该第一上臂外骨骼与转向架之间产生相对转动，从而实现该肩关节的屈曲/伸展运动；
所述肩关节的外摆/内收自由度通过所述第二电机、转向架以及固定板实现；当第二电机转动时，带动转向架摆动，使该转向架与固定板之间产生相对转动，从而实现肩关节的外摆/内收运动。
5.如权利要求1所述外骨骼康复训练机械臂，其特征在于，所述肩关节的第二电机的轴线与所述肘关节的第三电机的轴线空间相互垂直；所述的大臂固定环的轴线与小臂固定环轴线空间垂直相交。
6.一种用于权利要求1所述外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统，其特征在于，包括语音识别模块、存储模块、人机交互模块、电机驱动模块、控制单元；其中：
所述语音识别模块包括语音采集单元、语音处理单元和指令匹配单元，所述语音采集单元的音频接收端口接收来自用户的语音指令，并将采集到的语音指令发送至语音识别模块，通过语音识别模块中的语音处理单元对接收到的语音指令通过内嵌的机器学习算法进行处理，得到该语音指令的特征值，并将所述语音指令的特征值发送至该语音识别模块的指令匹配单元，由该指令匹配单元将所述语音指令的特征值发送至控制单元，由该控制单元将数据写入至存储模块的用户指令模板存储单元；或者由该指令匹配单元对所述语音指令的特征值进行匹配，将匹配结果传输至控制单元，并将匹配结果转化为与匹配结果相对应的各关节的驱动器控制指令；所述的匹配是将得到的所述语音指令的特征值与用户指令模板存储单元中的语音指令的特征值进行比对；
将所述各关节的驱动器控制指令分别传输至外骨骼康复训练机械臂上各关节的驱动器；所述各关节的驱动器将接收到的驱动器控制指令转化为电流信号，驱动所述外骨骼康复训练机械臂的各电机运转，从而完成用户期望的康复训练动作；通过该传感器模块将康复训练过程中所产生的位移信号和人机交互的力信号实时的传输至控制单元，并通过该控制单元实时调整对各驱动器的控制指令。
7.如权利要求6所述外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统，其特征在于，所述的语音识别模块包括语音采集单元、语音处理单元和指令匹配单元；所述语音采集单元将接收到的语音信息传输至所述语音处理单元；所述语音采集单元与语音处理单元之间有AD转换模块；所述语音处理单元选择集成了语音采集单元的语音处理芯片或者集成语音采集单元及AD转换模块的语音处理芯片；通过所述指令匹配单元将经过处理的音频信号传输至控制单元。
8.如权利要求6所述外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统，其特征在于，控制单元在语音采集模式下将通过指令匹配单元传送的来自于语音处理单元的语音处理信号特征值写入至存储模块的用户指令模板存储单元作为用户的指令模板数据库；控制单元在康复训练模式下将指令匹配单元对语音信号特征值与指令模板数据库的匹配结果转化为对应的各关节运动的底层控制信号传给电机驱动模块中的驱动器，驱动器控制关节电机运转；所述语音信号特征值来自于语音处理单元，所述指令模板数据库来自于用户指令模板存储单元；同时控制单元调用系统语音交互提示存储单元中的内容，传输至人机交互模块中的语音广播单元进行语音播报，并生成图像交互内容通过图像显示单元将信息呈现给用户；所述控制单元根据内嵌算法对康复训练过程中电机运行状态进行调整。
9.如权利要求6所述外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统，其特征在于，存储模块包括用户数据存储单元、系统语音交互提示单元和用户指令模板存储单元；用户数据存储单元通过控制单元将用户识别码和用户信息以及患者相关的训练数据写入到内存中；用户指令模板存储单元通过控制单元写入不同患者音频信号训练得到的患者语音指令模板数据库。
10.如权利要求6所述外骨骼康复训练机械臂的语音交互系统，其特征在于，传感器模块对康复训练过程中康复动作的速度和角度进行实时检测并返回到直接电性连接的控制单元；控制单元依据程序代码按照预设方式处理数据，并将处理结果转换成对应运动控制的底层控制信号发送至电机驱动模块，对机械臂康复动作进行调整控制，实现对康复训练过程的实时监控。
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