CN112656636A - 手部康复设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手部康复设备及其控制方法，手部康复设备包括：手部外骨骼机构；驱动机构与手部外骨骼机构连接；接收模块设于手部外骨骼机构上，并用于连接多个外部采集单元，多个外部采集单元用于分别采集人体的多个不同的生物电信号；控制系统与接收模块及驱动机构通信连接，接收模块能够将与之当前连接的一个外部采集单元采集得到的人体对应的一个生物电信号提供给控制系统，控制系统能够对得到的人体对应的一个生物电信号进行处理，以得到人体的手部对应的运动意图信息，且控制系统还能够根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构，从而控制驱动机构输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构运动。

Description

手部康复设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，尤其涉及一个手部康复设备及其控制方法。

背景技术

传统的手部康复机器人在辅助人体的手部进行康复治疗时，人体通常接受的是一种纯被动式训练，人体的手部在训练过程中重复被动地进行伸张和弯曲的运动，这样只能防止人体的手部肌肉进一步萎缩，但实际上并没有让人本身主动参与到康复训练过程中，致使上述手部康复机器人难以达到令人满意的效果。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够调动人体更多的主动康复意识的手部康复设备及其控制方法。

一种手部康复设备，包括：

手部外骨骼机构，用于供人体的手部的穿戴；

驱动机构，与所述手部外骨骼机构连接；

接收模块，设于所述手部外骨骼机构上，并用于连接至少一个外部采集单元，所述外部采集单元用于分别采集所述人体的至少一种生物电信号；及

控制系统，与所述接收模块及所述驱动机构通信连接，所述接收模块用于将与之当前连接的至少一个所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的至少一种生物电信号提供给所述控制系统，所述控制系统用于对得到的所述人体对应的至少一种生物电信号进行处理，以得到所述人体的手部对应的运动意图信息，且所述控制系统还用于根据得到的所述运动意图信息生成对应的控制指令并发送给所述驱动机构，从而控制所述驱动机构输出相应的力矩驱动所述手部外骨骼机构运动。

在其中一个实施例中，所述接收模块为一个，所述接收模块与多个所述外部采集单元连接，所述接收模块能够将与之连接的每一所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的一种生物电信号提供给所述控制系统。

在其中一个实施例中，所述接收模块包括多个，多个所述接收模块分别与多个所述外部采集单元一一对应，每一所述接收模块能够将与之对应连接的一个所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的一种生物电信号提供给所述控制系统。

在其中一个实施例中，所述外部采集单元和所述接收模块的数量均为三个，三个所述外部采集单元分别为第一外部采集单元、第二外部采集单元及第三外部采集单元，三个所述接收模块分别为第一接收模块、第二接收模块及第三接收模块；所述第一接收模块用于连接所述第一外部采集单元，并将所述第一外部采集单元采集得到的所述人体的肌电信号提供给所述控制系统；所述第二接收模块用于连接所述第二外部采集单元，并将所述第二外部采集单元采集得到的所述人体的脑电信号提供给所述控制系统；所述第三接收模块用于连接所述第三外部采集单元，并将所述第三外部采集单元采集得到的所述人体的手部位置信息提供给所述控制系统。

在其中一个实施例中，所述人体的肌电信号包括人体的肱二头肌信号、肱桡肌信号、尺侧腕屈肌信号、挠侧腕屈肌信号、指浅屈肌信号、挠侧腕短伸肌信号、尺侧腕伸肌信号和指伸肌信号中的至少一种，所述人体的脑电信号包括人体的左中央大脑皮层信号和右中央大脑皮层信号中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述手部外骨骼机构包括座体和多个手指组件，多个所述手指组件间隔设于所述座体上，所述驱动机构包括多个驱动组件，所述控制指令包括多个子控制指令，多个所述子控制指令分别与多个所述驱动组件以及多个所述手指组件一一对应，每一所述子控制指令用于控制对应的一个所述驱动组件输出相应的力矩驱动对应的一个所述手指组件运动。

在其中一个实施例中，所述手指组件、所述驱动组件及所述子控制指令的数量均为五个，五个所述手指组件分别为拇指组件、食指组件、中指组件、无名指组件及小指组件，五个所述子控制指令分别与五个所述驱动组件以及五个所述手指组件一一对应。

在其中一个实施例中，所述接收模块与所述外部采集单元通过有线或无线的方式通信连接。

一种基于上述所述手部康复设备的控制方法，包括以下步骤：

所述接收模块将与之当前连接的至少一个所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的至少一种生物电信号提供给所述控制系统；

所述控制系统对得到的所述人体对应的至少一种生物电信号进行处理，以得到所述人体的手部对应的运动意图信息；及

所述控制系统根据得到的所述运动意图信息生成对应的控制指令并发送给所述驱动机构，从而控制所述驱动机构输出相应的力矩驱动所述手部外骨骼机构运动。

在其中一个实施例中，所述手部外骨骼机构包括座体和多个手指组件，多个所述手指组件间隔设于所述座体上，所述驱动机构包括多个驱动组件，所述控制指令包括多个子控制指令，多个所述子控制指令分别与多个所述驱动组件以及多个所述手指组件一一对应，所述控制系统根据得到的所述运动意图信息生成对应的控制指令并发送给所述驱动机构，从而控制所述驱动机构输出相应的力矩驱动所述手部外骨骼机构运动的步骤包括：

所述控制系统根据得到的所述运动意图信息生成对应的各个子控制指令并发送给对应的所述驱动组件，从而控制所述驱动组件输出相应的力矩驱动对应的所述手指组件运动。

上述手部康复设备，通过依靠接收模块将与之当前连接的一个外部采集单元采集得到的人体对应的一个生物电信号提供给控制系统，然后控制系统通过对得到的人体对应的一个生物电信号进行处理，以得到人体的手部对应的运动意图信息，然后控制系统根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构，从而控制驱动机构输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构运动，本方案通过用于连接至少一个外部采集单元的接收模块的设置，使得手部康复设备实现一个人在环的主动控制的方式，从而将对应于人体的手部的运动意图信息的至少一种生物电信号作为人体的手部的运动的主导信号，而手部康复设备本身作为辅助设备帮助人体的手部完成相应动作，从而可使人更主动地参与到康复训练过程中，有助于提升人体的手部的康复效果。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中手部康复设备的结构框图；

图2为一实施例中基于手部康复设备的控制方法的流程框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，一实施例中的手部康复设备10包括手部外骨骼机构100、驱动机构200、接收模块300及控制系统400，手部外骨骼机构100用于供人体的手部的穿戴；驱动机构200与手部外骨骼机构100连接；接收模块300设于手部外骨骼机构100上，并用于连接至少一个外部采集单元，外部采集单元用于分别采集人体的至少一个种的生物电信号；控制系统400与接收模块300及驱动机构200通信连接，接收模块300用于将与之当前连接的至少一个外部采集单元采集得到的人体对应的一个生物电信号提供给控制系统400，控制系统400用于对得到的人体对应的一个生物电信号进行处理，以得到人体的手部对应的运动意图信息，且所述控制系统400还用于根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构200，从而控制驱动机构200输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构100运动。

上述手部康复设备10，通过依靠接收模块300将与之当前连接的一个外部采集单元采集得到的人体对应的一个生物电信号提供给控制系统400，然后控制系统400通过对得到的人体对应的一个生物电信号进行处理，以得到人体的手部对应的运动意图信息，然后控制系统400根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构200，从而控制驱动机构200输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构100运动，本方案通过用于连接至少一个外部采集单元的接收模块300的设置，使得手部康复设备10实现一个人在环的主动控制的方式，从而将对应于人体的手部的运动意图信息的至少一种生物电信号作为人体的手部的运动的主导信号，而手部康复设备10本身作为辅助设备帮助人体的手部完成相应动作，从而可使人更主动地参与到康复训练过程中，有助于提升人体的手部的康复效果。

可以理解的是，接收模块300与外部采集单元通过有线或无线的方式通信连接。在一实施例中，接收模块300与外部采集单元可通过蓝牙的方式通信连接。

在一实施例中，接收模块300为一个，该接收模块300与多个外部采集单元连接，该接收模块300能够将与之连接的每一外部采集单元采集得到的人体对应的一种生物电信号提供给控制系统400。

在一实施例中，接收模块300包括多个，多个接收模块300分别与多个外部采集单元一一对应，每一接收模块300能够将与之对应连接的一个外部采集单元采集得到的人体对应的一种生物电信号提供给控制系统400。

如图1所示，进一步地，在本实施例中，外部采集单元和接收模块300的数量均为三个，三个外部采集单元分别为第一外部采集单元、第二外部采集单元及第三外部采集单元，三个接收模块300分别为第一接收模块310、第二接收模块320及第三接收模块330；第一接收模块310用于连接第一外部采集单元，并将第一外部采集单元采集得到的人体的肌电信号提供给控制系统400；第二接收模块320用于连接第二外部采集单元，并将第二外部采集单元采集得到的人体的脑电信号提供给控制系统400；第三接收模块330用于连接第三外部采集单元，并将第三外部采集单元采集得到的人体的手部位置信息提供给控制系统400。第三外部采集单元可以是VR手套或其他外部数据采集装置。以VR手套为例，VR手套采集其佩戴者的手部位置信息，并将手部位置信息提供给控制系统400；控制系统400通过对获得的来自VR手套的手部位置信息进行处理，以得到手部康复设备10的佩戴者手部对应的运动意图信息，然后控制系统400根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构200，从而控制驱动机构200输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构100运动。也就是说，通过VR手套的佩戴者运动来控制手部康复设备10的驱动机构200驱动手部外骨骼机构100运动，VR手套的佩戴者可以是手部正常的人，也可以是康复者的正常手，即通过正常手佩戴VR手套来控制手部康复设备10的驱动机构200驱动手部外骨骼机构100运动。VR手套的手指与手部康复设备10的手指一一对应，用VR手套上相同手指的运动来对应控制手部康复设备10的相应手指运动，VR手套上所采集的手指力矩可以转换成控制信号使手部康复设备10上的对应手指获得同样的运动驱动力矩，当然也可以根据实际情况调整VR手套与手部康复设备10的力矩映射比例，此处不多赘述。

在一实施例中，人体的肌电信号包括人体的肱二头肌信号、肱桡肌信号、尺侧腕屈肌信号、挠侧腕屈肌信号、指浅屈肌信号、挠侧腕短伸肌信号、尺侧腕伸肌信号和指伸肌信号中的至少一种，人体的脑电信号包括人体的左中央大脑皮层信号和右中央大脑皮层信号中的至少一种。

如图1所示，在一实施例中，手部外骨骼机构100包括座体110和多个手指组件120，多个手指组件120间隔设于座体110上，驱动机构200包括多个驱动组件220，控制指令包括多个子控制指令，多个子控制指令分别与多个驱动组件220以及多个手指组件120一一对应，每一子控制指令用于控制对应的一个驱动组件220输出相应的力矩驱动对应的一个手指组件120运动。具体的，接收模块300设于座体110上。

在本实施例中，手指组件120、驱动组件220及子控制指令的数量均为五个，五个手指组件120分别为拇指组件121、食指组件122、中指组件123、无名指组件124及小指组件125，该拇指组件121、食指组件122、中指组件123、无名指组件124及小指组件125模拟人体的五指安装于座体110上，五个子控制指令分别与五个驱动组件220以及五个手指组件120一一对应。可以理解的是，在其他实施例中，手指组件120的数量和种类不做限制，具体以人体的实际需要为准。

可以理解的是，手指组件120的长度可调整，以适应不同手指长度的人体穿戴的实际需求，驱动组件220可以是液压驱动机构、步进电机驱动机构等具有驱动作用的元器件。

在一实施例中，手指组件120包括支撑件和运动件，支撑件设于座体110上，运动件设于支撑件上，驱动组件220与运动件连接，驱动组件220用于驱动运动件相对支撑件运动。进一步地，支撑件上设有轨道槽，具体的，支撑件的两侧均设有轨道槽，运动件上设有滑动轴，滑动轴插设于轨道槽内，当运动件相对支撑件运动时，滑动轴能够跟随运动件在轨道槽内滑动，以实现运动件相对支撑件运动的导向。

需要指出的是，轨道槽的数量和形状不做具体限制，以达到运动件的最佳运动轨迹和手部外骨骼机构100与人体手指的最佳贴合状态为准，在一实施例中，支撑件的两侧分别设有两个轨道槽，轨道槽为弧形。

进一步地，在一实施例中，驱动机构200还包括弹性组件，弹性组件设于驱动组件220和手指组件120之间，弹性组件用于减小驱动组件220输出的动力对手指组件120的冲击作用，避免驱动组件220输出至手指组件120的动力的强度过大而造成人体的手部的损伤，有利于改善手部外骨骼机构100的穿戴体验。在本实施例中，弹性组件设于驱动组件220和运动件之间，弹性组件用于减小驱动组件220输出的动力对运动件的冲击作用。

如图2所示，在一实施例中，本发明还提供了一种基于手部康复设备10的控制方法，包括以下步骤：

S100，接收模块300将与之当前连接的至少一个外部采集单元采集得到的人体对应的至少一种生物电信号提供给控制系统400。

S200，控制系统400对得到的人体对应的至少一种生物电信号进行处理，以得到人体的手部对应的运动意图信息。

S300，控制系统400根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构200，从而控制驱动机构200输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构100运动。

上述基于手部康复设备10的控制方法，通过依靠接收模块300将与之当前连接的一个外部采集单元采集得到的人体对应的一个生物电信号提供给控制系统400，然后控制系统400通过对得到的人体对应的一个生物电信号进行处理，以得到人体的手部对应的运动意图信息，然后控制系统400根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构200，从而控制驱动机构200输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构100运动，本方案通过用于连接至少一个外部采集单元的接收模块300的设置，使得手部康复设备10实现一个人在环的主动控制的方式，从而将对应于人体的手部的运动意图信息的至少一种生物电信号作为人体的手部的运动的主导信号，而手部康复设备10本身作为辅助设备帮助人体的手部完成相应动作，从而可使人更主动地参与到康复训练过程中，有助于提升人体的手部的康复效果。

在一实施例中，控制系统400根据得到的运动意图信息生成对应的控制指令并发送给驱动机构200，从而控制驱动机构200输出相应的力矩驱动手部外骨骼机构100运动的步骤S300包括：步骤S320，控制系统400根据得到的运动意图信息生成对应的各个子控制指令并发送给对应的驱动组件220，从而控制驱动组件220输出相应的力矩驱动对应的手指组件120运动。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几个实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种手部康复设备，其特征在于，包括：

手部外骨骼机构，用于供人体的手部的穿戴；

驱动机构，与所述手部外骨骼机构连接；

接收模块，设于所述手部外骨骼机构上，并用于连接至少一个外部采集单元，所述外部采集单元用于分别采集所述人体的至少一种生物电信号；及

控制系统，与所述接收模块及所述驱动机构通信连接，所述接收模块用于将与之当前连接的至少一个所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的至少一种生物电信号提供给所述控制系统，所述控制系统用于对得到的所述人体对应的至少一种生物电信号进行处理，以得到所述人体的手部对应的运动意图信息，且所述控制系统还用于根据得到的所述运动意图信息生成对应的控制指令并发送给所述驱动机构，从而控制所述驱动机构输出相应的力矩驱动所述手部外骨骼机构运动。

2.根据权利要求1所述的手部康复设备，其特征在于，所述接收模块为一个，所述接收模块与多个所述外部采集单元连接，所述接收模块能够将与之连接的每一所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的一种生物电信号提供给所述控制系统。

3.根据权利要求1所述的手部康复设备，其特征在于，所述接收模块包括多个，多个所述接收模块分别与多个所述外部采集单元一一对应，每一所述接收模块能够将与之对应连接的一个所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的一种生物电信号提供给所述控制系统。

4.根据权利要求3所述的手部康复设备，其特征在于，所述外部采集单元和所述接收模块的数量均为三个，三个所述外部采集单元分别为第一外部采集单元、第二外部采集单元及第三外部采集单元，三个所述接收模块分别为第一接收模块、第二接收模块及第三接收模块；所述第一接收模块用于连接所述第一外部采集单元，并将所述第一外部采集单元采集得到的所述人体的肌电信号提供给所述控制系统；所述第二接收模块用于连接所述第二外部采集单元，并将所述第二外部采集单元采集得到的所述人体的脑电信号提供给所述控制系统；所述第三接收模块用于连接所述第三外部采集单元，并将所述第三外部采集单元采集得到的所述人体的手部位置信息提供给所述控制系统。

5.根据权利要求4所述的手部康复设备，其特征在于，所述人体的肌电信号包括人体的肱二头肌信号、肱桡肌信号、尺侧腕屈肌信号、挠侧腕屈肌信号、指浅屈肌信号、挠侧腕短伸肌信号、尺侧腕伸肌信号和指伸肌信号中的至少一种，所述人体的脑电信号包括人体的左中央大脑皮层信号和右中央大脑皮层信号中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的手部康复设备，其特征在于，所述手部外骨骼机构包括座体和多个手指组件，多个所述手指组件间隔设于所述座体上，所述驱动机构包括多个驱动组件，所述控制指令包括多个子控制指令，多个所述子控制指令分别与多个所述驱动组件以及多个所述手指组件一一对应，每一所述子控制指令用于控制对应的一个所述驱动组件输出相应的力矩驱动对应的一个所述手指组件运动。

7.根据权利要求6所述的手部康复设备，其特征在于，所述手指组件、所述驱动组件及所述子控制指令的数量均为五个，五个所述手指组件分别为拇指组件、食指组件、中指组件、无名指组件及小指组件，五个所述子控制指令分别与五个所述驱动组件以及五个所述手指组件一一对应。

8.根据权利要求1所述的手部康复设备，其特征在于，所述接收模块与所述外部采集单元通过有线或无线的方式通信连接。

9.一种基于如权利要求1至8中任意一项所述手部康复设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述接收模块将与之当前连接的至少一个所述外部采集单元采集得到的所述人体对应的至少一种生物电信号提供给所述控制系统；

所述控制系统对得到的所述人体对应的至少一种生物电信号进行处理，以得到所述人体的手部对应的运动意图信息；及

所述控制系统根据得到的所述运动意图信息生成对应的控制指令并发送给所述驱动机构，从而控制所述驱动机构输出相应的力矩驱动所述手部外骨骼机构运动。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述手部外骨骼机构包括座体和多个手指组件，多个所述手指组件间隔设于所述座体上，所述驱动机构包括多个驱动组件，所述控制指令包括多个子控制指令，多个所述子控制指令分别与多个所述驱动组件以及多个所述手指组件一一对应，所述控制系统根据得到的所述运动意图信息生成对应的控制指令并发送给所述驱动机构，从而控制所述驱动机构输出相应的力矩驱动所述手部外骨骼机构运动的步骤包括：

所述控制系统根据得到的所述运动意图信息生成对应的各个子控制指令并发送给对应的所述驱动组件，从而控制所述驱动组件输出相应的力矩驱动对应的所述手指组件运动。

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