CN112494273A - 一种脑控手腕训练的控制装置、方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脑控手腕训练的控制装置、方法及系统。压电传感装置用于检测用户手掌的肌张力，脑电采集装置用于采集用户的脑电信号，并将脑电信号发送至控制器，舵机用于带动手掌旋转；控制器用于接收脑电信号，并根据脑电信号确定舵机的旋转角度；控制器还用于根据肌张力控制舵机的工作状态。采用本发明的装置、方法及系统，采用舵机作为控制电机降低了成本，将脑电采集装置和控制器相结合实现了患者脑控；患者注意力专注度越集中，舵机转动的角度越大，患者放松时转回零点，采用压电传感器采集肌张力反馈，通过使用该装置不断训练康复，患者手腕肌张力会越来越小，从而可以旋转到更大的角度，实现主动康复的目的。

Description

一种脑控手腕训练的控制装置、方法及系统
技术领域
本发明涉及手功能康复训练技术领域，特别是涉及一种脑控手腕训练的控制装置、方法及系统。
背景技术
手作为人体重要的器官之一，在日常的生活、工作中具有无可替代的作用，然而其运动功能会由于创伤或脑卒中等因素而受损，需借助科学的康复训练来恢复。机器人技术在康复领域的应用给康复理论的发展和临床康复技术的进步注入了新的动力。目前，对手功能康复训练机器人的研究己成为医疗机器人研究领域的热点之一。目前市面上的产品大都为被动训练产品，主动训练产品价格昂贵并且手腕主动训练操作复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种脑控手腕训练的控制装置、方法及系统，能够在实现主动康复效果的同时降低成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种脑控手腕训练的控制装置，包括：
舵机、脑电采集装置、压电传感装置和控制器；
所述压电传感装置设置在所述舵机上，所述控制器分别与所述舵机、所述压电传感装置和所述脑电采集装置连接；
所述舵机用于带动手掌旋转；
所述压电传感装置用于检测用户手掌的肌张力；
所述脑电采集装置用于采集用户的脑电信号，并将所述脑电信号发送至所述控制器；
所述控制器用于接收所述脑电信号，并根据所述脑电信号确定所述舵机的旋转角度；所述控制器还用于根据所述肌张力控制所述舵机的工作状态。
可选的，所述脑控手腕训练的控制装置，还包括：
供电装置和报警装置；
所述供电装置分别与所述舵机、所述脑电采集装置、所述压电传感装置、所述控制器和所述报警装置连接；所述报警装置用于在所述供电装置的电压小于预设电压时发出报警信息。
可选的，所述脑控手腕训练的控制装置，还包括：
第一按键装置、第二按键装置和第三按键装置；
所述第一按键装置、所述第二按键装置和所述第三按键装置均与所述舵机连接；所述第一按键装置用于控制所述舵机转动，所述第二按键装置用于控制所述舵机顺时针旋转的角度，所述第三按键装置用于控制所述舵机逆时针旋转的角度。
可选的，所述脑控手腕训练的控制装置，还包括：
第一数据传输装置和第二数据传输装置；
所述第一数据传输装置与所述脑电采集装置连接，所述第一数据传输装置与所述第二数据传输装置无线连接，所述第二数据传输装置与所述控制器连接；所述第一数据传输装置用于发送所述脑电信号；所述第二数据传输装置用于接收所述脑电信号，并将所述脑电信号传输至所述控制器；
所述第一数据传输装置和所述第二数据传输装置均为蓝牙。
本发明还提供一种脑控手腕训练的控制方法，包括：
控制器获取脑电采集装置采集的当前脑电信号；
所述控制器对所述当前脑电信号进行数据压缩处理，得到压缩处理后的数据；
所述控制器根据所述压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，并根据所述旋转角度控制所述舵机带动手掌进行旋转；
所述控制器获取压电传感装置采集的手掌肌张力的力度；
所述控制器根据所述手掌肌张力的力度控制所述舵机的工作状态。
可选的，所述控制器根据所述压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，具体包括：
确定所述压缩处理后的数据所在数值区间的编号；
根据所述数值区间的编号确定与所述数值区间的编号对应的旋转角度值的编号；
根据所述旋转角度值的编号得到舵机的旋转角度。
可选的，所述控制器根据所述手掌肌张力的力度控制所述舵机的工作状态，具体包括：
判断所述手掌肌张力的力度是否大于预设力度值；若是，则控制所述舵机的手掌板停止转动或者朝向相反的转动方向转动。
本发明还提供一种脑控手腕训练的控制系统，包括：
脑电信号采集模块，用于获取脑电采集装置采集的当前脑电信号；
数据预处理模块，用于对所述当前脑电信号进行数据压缩处理，得到压缩处理后的数据；
旋转角度控制模块，用于根据所述压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，并根据所述旋转角度控制所述舵机带动手掌进行旋转；
手掌肌张力采集模块，用于获取压电传感装置采集的手掌肌张力的力度；
舵机的工作状态控制模块，用于根据所述手掌肌张力的力度控制所述舵机的工作状态。
可选的，所述旋转角度控制模块，具体包括：
数值区间的编号确定单元，用于确定所述压缩处理后的数据所在数值区间的编号；
旋转角度值的编号确定单元，用于根据所述数值区间的编号确定与所述数值区间的编号对应的旋转角度值的编号；
舵机的旋转角度确定单元，用于根据所述旋转角度值的编号得到舵机的旋转角度。
可选的，所述舵机的工作状态控制模块，具体包括：
判断单元，用于判断所述手掌肌张力的力度是否大于预设力度值；若是，则执行舵机的工作状态控制单元；
所述舵机的工作状态控制单元，用于控制所述舵机的手掌板停止转动或者朝向相反的转动方向转动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种脑控手腕训练的控制装置、方法及系统，压电传感装置用于检测用户手掌的肌张力，脑电采集装置用于采集用户的脑电信号，并将脑电信号发送至控制器，舵机用于带动手掌旋转；控制器用于接收脑电信号，并根据脑电信号确定舵机的旋转角度；控制器还用于根据肌张力控制舵机的工作状态。本发明采用舵机作为控制电机降低了成本，将脑电采集装置和控制器相结合实现了患者脑控；患者注意力专注度越集中，舵机转动的角度越大，患者放松时转回零点，采用压电传感器采集肌张力反馈，通过使用该装置不断训练康复，患者手腕肌张力会越来越小，从而可以旋转到更大的角度，实现主动康复的目的。
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为本发明实施例中脑控手腕训练的控制装置框架图；
图2为本发明实施例中控制器的控制流程图；
图3为本发明实施例中供电装置的原理图；
图4为本发明实施例中第一数据传输装置图；
图5为本发明实施例中舵机接口模块图；
图6为本发明实施例中控制器的原理图；
图7为本发明实施例中蜂鸣器报警模块图；
图8为本发明实施例中外部按键模块图；
图9为本发明实施例中脑控手腕训练的控制方法流程图；
图10为本发明实施例中脑控手腕训练的控制系统结构图。
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。
本发明的目的是提供一种脑控手腕训练的控制装置、方法及系统，能够在实现主动康复效果的同时降低成本。
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
图1为本发明实施例中脑控手腕训练的控制装置框架图，如图1所示，一种脑控手腕训练的控制装置，包括：舵机1、脑电采集装置2、压电传感装置3、控制器4、供电装置、报警装置、第一按键装置5、第二按键装置6、第三按键装置7、第一数据传输装置8和第二数据传输装置9。
压电传感装置设置在舵机上，控制器分别与舵机、压电传感装置和脑电采集装置连接；舵机用于带动手掌旋转；压电传感装置用于检测用户手掌的肌张力；脑电采集装置用于采集用户的脑电信号，并将脑电信号发送至控制器；控制器用于接收脑电信号，并根据脑电信号确定舵机的旋转角度；控制器还用于根据肌张力控制舵机的工作状态。
供电装置分别与舵机、脑电采集装置、压电传感装置、控制器和报警装置连接；报警装置用于在供电装置的电压小于预设电压时发出报警信息。
第一按键装置、第二按键装置和第三按键装置均与舵机连接；第一按键装置用于控制舵机转动，第二按键装置用于控制舵机顺时针旋转的角度，第三按键装置用于控制舵机逆时针旋转的角度。
第一数据传输装置与脑电采集装置连接，第一数据传输装置与第二数据传输装置无线连接，第二数据传输装置与控制器连接；第一数据传输装置用于发送脑电信号；第二数据传输装置用于接收脑电信号，并将脑电信号传输至控制器；第一数据传输装置和第二数据传输装置均为蓝牙。
其中，
本发明采用单片机STM32F103RCT6作为控制器，控制器的控制流程图如图2所示。
舵机的三个位置分别为：零点(PWM占空比为7.5％)，上面极限位置(PWM占空比为2.5％)，下面极限位置(PWM占空比为12.5％)。
供电装置的原理图如图3所示，脑控手腕训练的控制装置采用7.4V电池供电，通过DC1(DC1为DC电源插座器件的标号)接入可以充电，通过AMS1117-3.3芯片转换为3.3V给CPU供电，通过R8，R14，R15三个1k的电阻分压，AD采集R8两端电压计算电池电压，同样原理AD(AD为STM32自带的模数转换模块)采集R13两端电压判断是否触发急停。
第一数据传输装置图如图4所示，第一数据传输装置采用蓝牙HC-08模块，作用是采集脑电帽端脑电数据，然后接到串口1把数据发送给控制器。
舵机接口模块图如图5所示，舵机接口模块，采用180度舵机，通过控制器产生的PWM信号控制舵机转动，7.4V供电。
控制器的原理图如图6所示，首先处理蓝牙接受到的脑电信号，然后通过算法提取原始数据为专注度，范围是0到100，数值越大专注度越高。设定阈值来控制舵机转动，专注度20以下判断为放松状态，输出占空比为7.5％的pwm信号，舵机停在零点。当专注度为20以上时，舵机开始动作，舵机上偏转pwm占空比范围为7.5％～2.5％，下偏转pwm占空比范围为7.5％～12.5％，舵机开始转动前先采集专注度值，然后进行上偏转，根据专注力值决定上偏转角度，值越大角度越大，到达设定值后，继续采集专注度值，延时5s，进行下偏转，根据专注力值决定上偏转角度，值越大角度越大，到达设定值后延时5s回到初始位置，此为一次循环。
蜂鸣器报警模块图如图7所示，当电池电压小于6.3V，按下急停，或者检测肌张力过大时，触发报警。
外部按键模块图如图8所示，按键模块提供患者进行主动训练，KEY0为电机转动按键，KEY1和KEY2设定舵机上下偏转角度。
图9为本发明实施例中脑控手腕训练的控制方法流程图，如图9所示，一种脑控手腕训练的控制方法，包括：
步骤101：控制器获取脑电采集装置采集的当前脑电信号。
步骤102：控制器对当前脑电信号进行数据压缩处理，得到压缩处理后的数据。
步骤103：控制器根据压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，并根据旋转角度控制舵机带动手掌进行旋转。
步骤103，具体包括：
确定压缩处理后的数据所在数值区间的编号；
根据数值区间的编号确定与数值区间的编号对应的旋转角度值的编号；
根据旋转角度值的编号得到舵机的旋转角度。
其中，
数值区间的编号和旋转角度值的编号的生成方法，具体包括：
获取历史脑电信号；
对历史脑电信号进行线性等比缩小处理，将历史脑电信号转换为1-N个数值；其中，N为大于1的整数；
将1-N个数值进行区间划分处理，得到多个数值区间，并按照数值区间由小到大的顺序对每一个数值区间进行编号；
获取舵机的多个预设旋转角度值，并按照由小到大的顺序对每一个预设旋转角度值进行编号；数值区间的编号与旋转角度值的编号一一对应。
步骤104：控制器获取压电传感装置采集的手掌肌张力的力度。
步骤105：控制器根据手掌肌张力的力度控制舵机的工作状态。
步骤105，具体包括：
判断手掌肌张力的力度是否大于预设力度值；若是，则控制舵机的手掌板停止转动或者朝向相反的转动方向转动。
本发明提供的脑控手腕训练的控制方法的优选实施方式如下：
第一步：佩戴脑电头箍，采集脑电信号，并通过蓝牙发出。
第二步：CPU通过蓝牙HC08接受脑电信号，通过串口二读取脑电数据。
第三步：将读取的脑电数据进行预处理，通过线性等比缩小将数据转换成1～100个数值，代表专注度，再按专注度数值大小分为几个模块，1～20为一个模块，编号0；20～30为一个模块，编号1；以此类推到90～100，编号8。
第四步：CPU通过获取到的模块组号对舵机进行PWM控制，当获取到的数据组为0时，舵机手掌板在零点处(0度)，当获取到的数据组为1时，舵机带动手掌板旋转到10度，以此类推，当获取到的数据组为8时，舵机带动手掌板旋转到80度。
第五步：力反馈机制。手掌板上装有压电薄膜传感器，带动手腕转动康复时通过压电薄膜传感器检测用户手掌肌张力力度的变化，通过STM32自带的AD转换功能将数值读入CPU，读入的数值为0～3300之间，数值越大说明肌张力越大，当数值超过2500时，判断为肌张力过大，CPU发出舵机停止转动指令，手掌板停止转动，同时蜂鸣器报警。通过使用该设备不断训练康复，患者手腕肌张力会越来越小，从而可以旋转到更大的角度，实现主动康复的目的。
图10为本发明实施例中脑控手腕训练的控制系统结构图。如图10所示，一种脑控手腕训练的控制系统，包括：
脑电信号采集模块201，用于获取脑电采集装置采集的当前脑电信号。
数据预处理模块202，用于对当前脑电信号进行数据压缩处理，得到压缩处理后的数据。
旋转角度控制模块203，用于根据压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，并根据旋转角度控制舵机带动手掌进行旋转。
旋转角度控制模块203，具体包括：
数值区间的编号确定单元，用于确定压缩处理后的数据所在数值区间的编号；
旋转角度值的编号确定单元，用于根据数值区间的编号确定与数值区间的编号对应的旋转角度值的编号；
舵机的旋转角度确定单元，用于根据旋转角度值的编号得到舵机的旋转角度。
手掌肌张力采集模块204，用于获取压电传感装置采集的手掌肌张力的力度。
舵机的工作状态控制模块205，用于根据手掌肌张力的力度控制舵机的工作状态。
舵机的工作状态控制模块205，具体包括：
判断单元，用于判断手掌肌张力的力度是否大于预设力度值；若是，则执行舵机的工作状态控制单元；
舵机的工作状态控制单元，用于控制舵机的手掌板停止转动或者朝向相反的转动方向转动。
对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种脑控手腕训练的控制装置，其特征在于，包括：
舵机、脑电采集装置、压电传感装置和控制器；
所述压电传感装置设置在所述舵机上，所述控制器分别与所述舵机、所述压电传感装置和所述脑电采集装置连接；
所述舵机用于带动手掌旋转；
所述压电传感装置用于检测用户手掌的肌张力；
所述脑电采集装置用于采集用户的脑电信号，并将所述脑电信号发送至所述控制器；
所述控制器用于接收所述脑电信号，并根据所述脑电信号确定所述舵机的旋转角度；所述控制器还用于根据所述肌张力控制所述舵机的工作状态。
2.根据权利要求1所述的脑控手腕训练的控制装置，其特征在于，所述脑控手腕训练的控制装置，还包括：
供电装置和报警装置；
所述供电装置分别与所述舵机、所述脑电采集装置、所述压电传感装置、所述控制器和所述报警装置连接；所述报警装置用于在所述供电装置的电压小于预设电压时发出报警信息。
3.根据权利要求2所述的脑控手腕训练的控制装置，其特征在于，所述脑控手腕训练的控制装置，还包括：
第一按键装置、第二按键装置和第三按键装置；
所述第一按键装置、所述第二按键装置和所述第三按键装置均与所述舵机连接；所述第一按键装置用于控制所述舵机转动，所述第二按键装置用于控制所述舵机顺时针旋转的角度，所述第三按键装置用于控制所述舵机逆时针旋转的角度。
4.根据权利要求1所述的脑控手腕训练的控制装置，其特征在于，所述脑控手腕训练的控制装置，还包括：
第一数据传输装置和第二数据传输装置；
所述第一数据传输装置与所述脑电采集装置连接，所述第一数据传输装置与所述第二数据传输装置无线连接，所述第二数据传输装置与所述控制器连接；所述第一数据传输装置用于发送所述脑电信号；所述第二数据传输装置用于接收所述脑电信号，并将所述脑电信号传输至所述控制器；
所述第一数据传输装置和所述第二数据传输装置均为蓝牙。
5.一种脑控手腕训练的控制方法，其特征在于，包括：
控制器获取脑电采集装置采集的当前脑电信号；
所述控制器对所述当前脑电信号进行数据压缩处理，得到压缩处理后的数据；
所述控制器根据所述压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，并根据所述旋转角度控制所述舵机带动手掌进行旋转；
所述控制器获取压电传感装置采集的手掌肌张力的力度；
所述控制器根据所述手掌肌张力的力度控制所述舵机的工作状态。
6.根据权利要求5所述的脑控手腕训练的控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，具体包括：
确定所述压缩处理后的数据所在数值区间的编号；
根据所述数值区间的编号确定与所述数值区间的编号对应的旋转角度值的编号；
根据所述旋转角度值的编号得到舵机的旋转角度。
7.根据权利要求5所述的脑控手腕训练的控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述手掌肌张力的力度控制所述舵机的工作状态，具体包括：
判断所述手掌肌张力的力度是否大于预设力度值；若是，则控制所述舵机的手掌板停止转动或者朝向相反的转动方向转动。
8.一种脑控手腕训练的控制系统，其特征在于，包括：
脑电信号采集模块，用于获取脑电采集装置采集的当前脑电信号；
数据预处理模块，用于对所述当前脑电信号进行数据压缩处理，得到压缩处理后的数据；
旋转角度控制模块，用于根据所述压缩处理后的数据确定舵机的旋转角度，并根据所述旋转角度控制所述舵机带动手掌进行旋转；
手掌肌张力采集模块，用于获取压电传感装置采集的手掌肌张力的力度；
舵机的工作状态控制模块，用于根据所述手掌肌张力的力度控制所述舵机的工作状态。
9.根据权利要求8所述的脑控手腕训练的控制系统，其特征在于，所述旋转角度控制模块，具体包括：
数值区间的编号确定单元，用于确定所述压缩处理后的数据所在数值区间的编号；
旋转角度值的编号确定单元，用于根据所述数值区间的编号确定与所述数值区间的编号对应的旋转角度值的编号；
舵机的旋转角度确定单元，用于根据所述旋转角度值的编号得到舵机的旋转角度。
10.根据权利要求9所述的脑控手腕训练的控制系统，其特征在于，所述舵机的工作状态控制模块，具体包括：
判断单元，用于判断所述手掌肌张力的力度是否大于预设力度值；若是，则执行舵机的工作状态控制单元；
所述舵机的工作状态控制单元，用于控制所述舵机的手掌板停止转动或者朝向相反的转动方向转动。
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