CN112999013A - 一种基于语音控制的手功能康复训练及评估装置 - Google Patents

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孟青云
李敏吉
张伟
宋韬
马锁文
石文韬
许鑫
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    • A61B5/6895—Sport equipment

Abstract

本发明实施例公开了一种基于语音控制的手功能康复训练及评估装置。本发明的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，包括：上位机、主控单元、驱动单元、传动单元、手部执行单元、语音输入单元和评估单元；所述语音输入单元与所述上位机相连接，所述语音输入单元用于接收用户发出的语音信息，所述上位机根据用户发出的语音信息识别出用于要选择的模式信息。本发明的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置可以解决手部康复机器人功能单一、体积庞大、操作不便的缺点，能够为用户提供方便的康复训练和评估模式，激起用户的训练康复兴趣。

Description

一种基于语音控制的手功能康复训练及评估装置
技术领域
本发明实施例涉及医疗器械领域，尤其涉及一种基于语音控制的手功能康复训练及评估装置。
背景技术
据统计，我国现有40岁以上的脑卒中患者已达到1036万人,且每年都有上升趋势，脑卒中是最常见的致残病之一，其中70％-85％的患者伴有偏瘫，在偏瘫患者的上肢功能康复中，又以手功能的康复最为困难。
传统的康复治疗采用的是物理治疗师对患者进行一对一或者一对多的康复治疗。随着机器人技术和康复医疗的发展，为了改进传统康复治疗手段和提高康复训练效果，康复训练机器人应运而生。国内外已得到实际应用的手部康复机器人基本上体积较大，机械结构复杂，体积大，比较笨重，穿戴多有不便。而且目前的康复机器人都是由控制开关控制，因此不便于患者操作，单独训练，并且训练方式单一导致患者失去对康复训练的积极性。
发明内容
本发明实施例提供一种基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，针对上述问题，可以解决手部康复机器人功能单一、体积庞大、操作不便的缺点，能够为用户提供方便的康复训练和评估模式，激起用户的训练康复兴趣。
本发明实施例提供一种基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，包括：上位机、主控单元、驱动单元、传动单元、手部执行单元、语音输入单元和评估单元；
所述语音输入单元与所述上位机相连接，所述语音输入单元用于接收用户发出的语音信息，所述上位机根据用户发出的语音信息识别出用于要选择的模式信息；
所述主控单元与所述上位机相连接，所述上位机用于根据所述模式信息向所述主控单元发出控制指令，所述主控单元用于控制所述驱动单元执行与所述模式信息相关联的预设的驱动动作；
所述传动单元的两端分别连接所述驱动单元和所述手部执行单元，所述驱动单元用于带动所述手部执行单元执行预设的抓握动作；
所述评估单元与所述上位机相连接，所述评估单元用于检测并评估用户通过所述手部执行单元所反馈的动作信息。
可以发现，采用该技术方案，一方面改进了用于手功能康复训练的机器人的复杂程度，另一方面，集康复训练和评估于一体，同时，可以为用户在康复训练时播放的虚拟场景影像，从而提高用户的康复训练的兴趣。
在一种可行的方案中，所述传动单元为由镍钛诺合金制成的金属丝绳。
采用该技术方案，既可以起到传动的作用，也可以利用复原能力，起到自动复原和基础阻力的作用，实现康复训练的自动回弹，并评估过程中的评价基准，起到“一个配件、多个效果”的技术收益。
在一种可行的方案中，所述驱动单元包括：多个直线推杆电机和前臂支撑架，且所述直线推杆电机设置在所述前臂支撑架上，所述前臂支撑架用于设置在用户的前臂以提供支撑力。
采用该技术方案，直线推杆电机具有结构简单、易于控制的优点，而通过设置前臂支撑架，可以方便地将整套康复训练及评估装置设置在用户的前臂上，可以减少用户的训练负担，便于提高用户的训练积极性。
在一种可行的方案中，所述手部执行单元包括：手套外部软体、手部内部软体和内部作动架；
所述手套外部软体套设在所述手部内部软体外侧，且所述内部作动架位于所述手部内部软体和所述手部外部软体之间；
所述内部作动架包括：手部掌板、拇指腕掌关节套筒和至少一组指骨环；
所述手部掌板设置在所述手套外部软体内的掌背部，所述拇指腕掌关节套筒设置在所述手套外部软体内的拇指部虎口处，所述一组指骨环套设在一根手指上，所述驱动单元通过所述传动单元与每一组所述指骨环连接，用于驱动所述内部作动架执行预设的抓握动作。
采用该技术方案，提供了一种可以改变康复训练力度和评估力度的手部执行单元，相比现有结构，体积更小、重量更轻，且控制和评估的精度更高，在不增加用户手臂负担的情况下，可以极大地提高用户康复训练的积极性。
在一种可行的方案中，所述评估单元包括多个感应器；
所述感应器设置在所述内部作动架上，所述感应器与所述上位机相连接，所述感应器用于检测所述内部作动架的动作位置数据。
采用该技术方案，相比现有技术，对康复训练动作的评估更加方便，对动作的检测也更加精准。
在一种可行的方案中，还包括：显示装置；
所述显示装置与所述上位机相连接，所述显示装置用于显示虚拟康复游戏界面以及所述评估单元的评估结果。
采用该技术方案，是为了方便用户在训练时观看相应的康复训练影像，提高用户康复训练的积极性，同时可以直观地看到自己的评估结果。
在一种可行的方案中，还包括：移动电源；
所述上位机与所述主控单元之间为无线连接，所述移动电源分别与所述主控单元、所述驱动单元、所述语音输入单元和所述评估单元相连接。
采用该技术方案，是为了方便用户移动中进行训练，而不必囿于一处。
在一种可行的方案中，所述感应器包括：血压感应器和脉搏感应器，所述血压感应器和所述脉搏感应器设置在所述指骨环上。
采用该技术方案，是为了方便对用户身体信息数据的采集，以便对用户的身体状况进行评估。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例中基于语音控制的手功能康复训练及评估装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中基于语音控制的手功能康复训练及评估装置另一视角的整体结构示意图；
图3为本发明实施例中指骨环的放大图；
图4为本发明实施例中指帽的放大图；
图5是评估单元组件在对患者手部动作进行评估时的状态图。
图中标号：
1、主控单元；2、直线推杆电机；3、前臂支撑架；4、手部掌板；5、拇指腕掌关节套筒；6、指骨环；601、第一安装孔；602、第二安装孔；7、指帽；701、第三安装孔；702、第四安装孔；8、评估单元组件；9、上位机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
申请人发现，我国存在众多的脑卒中患者，其中70％-85％的患者伴有偏瘫，在偏瘫患者的上肢功能康复中，又以手功能的康复最为困难。目前，国内外已得到实际应用的手部康复机器人基本上体积较大，机械结构复杂，体积大，比较笨重，穿戴多有不便。而且目前的康复机器人都是由控制开关控制，因此不便于患者操作，单独训练，并且训练方式单一导致患者失去对康复训练的积极性。基于此，本申请人设想设计出一种新的便携、易激起患者训练兴趣且可对用户的康复训练状况进行评估的一种全新的康复训练装置。
图1为本发明实施例中基于语音控制的手功能康复训练及评估装置的整体结构示意图，图2为本发明实施例中基于语音控制的手功能康复训练及评估装置另一视角的整体结构示意图，图3为本发明实施例中指骨环的放大图，图4为本发明实施例中指帽的放大图。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，包括：上位机9、主控单元1、驱动单元、传动单元、手部执行单元、语音输入单元和评估单元。
其中，该语音输入单元与该上位机相连接，该语音输入单元用于接收用户发出的语音信息，该上位机根据用户发出的语音信息识别出用于要选择的模式信息。一种可能的语音输入单元为便携式录音器。
因此，可以看出，这里的“相连接”，是指通过有线或者无线的方式进行连接，并非指具体的物理上的连接。
需要说明的是，语音输入单元与上位机之间的连接方式、上位机与主控单元1之间的连接方式，可以为无线连接方式，例如蓝牙连接。
主控单元1可以设置在用户的肩部，也可以设置在用户的上臂部。
该主控单元1与该上位机相连接，该上位机用于根据该模式信息向该主控单元1发出控制指令，该主控单元1用于控制该驱动单元执行与该模式信息相关联的预设的驱动动作。一种可能的上位机为个人电脑，一种可能的主控单元1为单片机。
该传动单元的两端分别连接该驱动单元和该手部执行单元，该驱动单元用于带动该手部执行单元执行预设的抓握动作。
需要说明的是，抓握动作由医生根据康复训练的需求进行设计，并存储到上位机中，在进行训练时予以调取。
该评估单元可以设置在该手部执行单元上，且与该上位机相连接，该评估单元用于检测并评估用户通过该手部执行单元所反馈的动作信息。
当然，评估单元也可以与用户隔离一段距离进行设置。例如，可以将评估单元设置在用户进行康复训练的室内，该评估单元与上位机之间通过无线网络进行数据传输，以便上位机对用户的动作进行评估。
一种可能的评估单位使用的体感传感器，该体感传感器通过红外摄像头实时对用户的手部各个关键的动作进行检测，来计算出用户的手部各个手关节的活动范围、活动力度和活动灵活度等。
图5是评估单元组件在对患者手部动作进行评估时的状态图。图5提供了一种评估单元设置在手部执行单元内的情形。
需要说明的是，通过以上内容，可以看出评估单元并不是一个独立的单元，是指对用户的康复训练动作进行评估的一系列组件的总称。具体地，可以包括设置在用户手部的各种传感器，例如，在图5中的8所示的是评估单元的其中一部分组件，如用于检测用户手指动作的传感器，如线型传感器、电容传感器等。其他组件如传输线等，未在图中示出。
当然，评估单元等需要与上位机9进行通信连接，可以是有线形式，也可以是蓝牙等无线形式。具体的，可以由上位机9运行预先按照各种评价标准制作的软件，来对通过评估单元组件获得的用户手部动作数据进行评估。
也就是说，评估单元不仅包括具体的各种硬件，如动作传感器(用来检测抓握的力量、抓握的频率、抓握的弯曲程度等)、数据传输线、蓝牙模块等，也需要包括用以获得评估结果的相应程序，以及运行该程序的计算机或者近似装置的配合。
一种可能的获取手部执行单元所反馈动作信息的方法为：将该评估单元设置在手部执行单元上，根据手部执行单元的动作姿势、力度和动作时间等，来对用户的康复训练状况进行评估。具体的评估算法，可以由医生采取百分制进行评估，即根据患者所能做出的动作与标准动作的相似程度来进行评价，相似程度越高，相应的评估得分越高。
可以发现，采用该技术方案，一方面改进了用于手功能康复训练的机器人的复杂程度，另一方面，集康复训练和评估于一体，同时，可以为用户在康复训练时播放的虚拟场景影像，从而提高用户的康复训练的兴趣。
可选地，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，该传动单元为由镍钛诺合金制成的金属丝绳。
需要说明的是，可以参考图1和图2，金属丝绳的一端穿设在手部执行单元上，用于驱动手部执行单元进行抓握动作，另一端连接驱动单元，由驱动单元提供动力。由于由镍钛诺合金制成的金属丝绳具有一定的复原能力，所以，在康复训练时，可以自动复原；在评估患者的动作时，可以起到一定的阻力作用，作为评估的基础阻力。
采用该技术方案，既可以起到传动的作用，也可以利用复原能力，起到自动复原和基础阻力的作用，实现康复训练的自动回弹，并评估过程中的评价基准，起到“一个配件、多个效果”的技术收益，降低设备的复杂程度和重量。
可选地，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，该驱动单元包括：多个直线推杆电机2和前臂支撑架3，且该直线推杆电机2设置在该前臂支撑架3上，前臂支撑架3用于设置在用户的前臂以提供支撑力。
如图1和2所示，采用该技术方案，直线推杆电机2具有结构简单、易于控制的优点，而通过设置前臂支撑架3，可以方便地将整套康复训练及评估装置设置在用户的前臂上，可以减少用户的训练负担，便于提高用户的训练积极性。
可选地，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，该手部执行单元包括：手套外部软体、手部内部软体和内部作动架。
该手套外部软体套设在该手部内部软体外侧，且该内部作动架位于该手部内部软体和该手部外部软体之间。
该内部作动架包括：手部掌板4、拇指腕掌关节套筒5和至少一组指骨环6。
如图1、图2和图3、图4所示，该手部掌板4设置在该手套外部软体内的掌背部，该拇指腕掌关节套筒5设置在该手套外部软体内的拇指部虎口处，该一组指骨环6套设在一根手指上，该驱动单元通过该传动单元与每一组该指骨环6连接，用于驱动该内部作动架执行预设的抓握动作。
需要说明的是，为了应对康复训练和评估的不同标准，一组指骨环(所谓一组，是指需要至少两个指骨环相互配合以实现一定的功能)上设置了2个指骨环6，分别对应不同的手指关节；特别地，还在指骨环6的最后一个指骨环6上增设了圆头保护帽，来作为一种新的指骨环6，即指帽7。
需要说明的是，不管是图3中的指骨环6，还是图4中的指帽7，其本质都是构成一组指骨环，作用是对手指的运动进行约束，例如作为动力源、促使手指做抓握运动，或者作为传动结构，传动给评估单元，以评估用户的康复训练状况。
与此同时，如图3和图4所示，在指骨环6上设置了第一安装孔601和第二安装孔602，在指帽7(可以看作一种特殊的指骨环)上设置了第三安装孔701和第四安装孔702。不论是第一安装孔601和第二安装孔602，还是第三安装孔701和第四安装孔702，都是为了安装由镍钛诺合金制成的金属丝绳或评估单元。
例如，一种可能的安装方式为：由镍钛诺合金制成的金属丝绳的一端设置在直线推杆电机2上，另一端依次穿过指骨环6上的第一安装孔601、指帽7的第三安装孔701，这样，直线推杆电机2带动由镍钛诺合金制成的金属丝绳的收放，进而带动指骨环6、指帽7收缩到一起，实现“抓握”的动作，当直线推杆电机2的力取消时，在由镍钛诺合金制成的金属丝绳自身弹力的作用下，指骨环6和指帽7又互相分离，从而实现手掌的“伸展”。当直线推杆电机2按照一定的频率和速度来回往复运动时，就可以实现有规律的抓握训练。
当然，当需要进行康复训练评估时，有可能由镍钛诺合金制成的金属丝绳的自身阻力不够，可以在指骨环6上的第二安装孔602、指帽7的第四安装孔702穿设阻力更大的辅助回弹的金属丝，也可以穿设由特殊材料制成的金属丝，该金属丝的电阻率根据变形量的不同而变化，这样，可以在通电的情况下，根据金属丝电阻大小的变化，来评估用户康复训练的力度、姿势等参数。
采用该技术方案，提供了一种可以改变康复训练力度和评估力度的手部执行单元，相比现有结构，体积更小、重量更轻，且控制和评估的精度更高，在不增加用户手臂负担的情况下，可以极大地提高用户康复训练的积极性。
可选地，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，该评估单元包括多个感应器。
该感应器设置在该内部作动架上，该感应器与该上位机相连接，该感应器用于检测该内部作动架的动作位置数据。
一种可能的传感器为电容传感器，众多的电容传感器的两个电极板分别对应设置在内部作动架上，根据相应的电容传感器的电压变化，来检测内部作动架的相对位置变化，从而实现对用户的康复训练动作的评估。
采用该技术方案，相比现有技术，对康复训练动作的评估更加方便，对动作的检测也更加精准。
可选地，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，还包括：显示装置。
需要说明的是，显示装置可以为显示器或者VR设备，该显示装置与该上位机相连接，该显示装置用于显示虚拟康复游戏界面以及该评估单元的评估结果。
采用该技术方案，是为了方便用户在训练时观看相应的康复训练影像，提高用户康复训练的积极性，同时可以直观地看到自己的评估结果。
可选地，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，还包括：移动电源。
该上位机与该主控单元1之间为无线连接，该移动电源分别与该主控单元1、该驱动单元、该语音输入单元和该评估单元相连接。
一种可能的移动电源为锂电池。
采用该技术方案，是为了方便用户移动中进行训练，而不必囿于一处。
可选地，本发明实施例提供的基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，该感应器包括：血压感应器和脉搏感应器，该血压感应器和该脉搏感应器设置在该指骨环6上。
采用该技术方案，是为了方便对用户身体信息数据的采集，以便对用户的身体状况进行评估。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。
而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于语音控制的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，包括：上位机、主控单元、驱动单元、传动单元、手部执行单元、语音输入单元和评估单元；
所述语音输入单元与所述上位机相连接，所述语音输入单元用于接收用户发出的语音信息，所述上位机根据用户发出的语音信息识别出用于要选择的模式信息；
所述主控单元与所述上位机相连接，所述上位机用于根据所述模式信息向所述主控单元发出控制指令，所述主控单元用于控制所述驱动单元执行与所述模式信息相关联的预设的驱动动作；
所述传动单元的两端分别连接所述驱动单元和所述手部执行单元，所述驱动单元用于带动所述手部执行单元执行预设的抓握动作；
所述评估单元与所述上位机相连接，所述评估单元用于检测并评估用户通过所述手部执行单元所反馈的动作信息。
2.根据权利要求1所述的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，所述传动单元为由镍钛诺合金制成的金属丝绳。
3.根据权利要求2所述的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，所述驱动单元包括：多个直线推杆电机和前臂支撑架，且所述直线推杆电机设置在所述前臂支撑架上，所述前臂支撑架用于设置在用户的前臂以提供支撑力。
4.根据权利要求3所述的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，所述手部执行单元包括：手套外部软体、手部内部软体和内部作动架；
所述手套外部软体套设在所述手部内部软体外侧，且所述内部作动架位于所述手部内部软体和所述手部外部软体之间；
所述内部作动架包括：手部掌板、拇指腕掌关节套筒和至少一组指骨环；
所述手部掌板设置在所述手套外部软体内的掌背部，所述拇指腕掌关节套筒设置在所述手套外部软体内的拇指部虎口处，所述一组指骨环套设在一根手指上，所述驱动单元通过所述传动单元与每一组所述指骨环连接，用于驱动所述内部作动架执行预设的抓握动作。
5.根据权利要求4所述的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，所述评估单元包括多个感应器；
所述感应器设置在所述内部作动架上，所述感应器与所述上位机相连接，所述感应器用于检测所述内部作动架的动作位置数据。
6.根据权利要求5所述的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，还包括：显示装置；
所述显示装置与所述上位机相连接，所述显示装置用于显示虚拟康复游戏界面以及所述评估单元的评估结果。
7.根据权利要求6所述的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，还包括：移动电源；
所述上位机与所述主控单元之间为无线连接，所述移动电源分别与所述主控单元、所述驱动单元、所述语音输入单元和所述评估单元相连接。
8.根据权利要求7所述的手功能康复训练及评估装置，其特征在于，所述感应器包括：血压感应器和脉搏感应器，所述血压感应器和所述脉搏感应器设置在所述指骨环上。
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Citations (16)

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