CN113288719A - 一种手功能康复软体机器人 - Google Patents

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刘永波
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Abstract

本发明提供了一种手功能康复软体机器人，涉及智能医疗器械技术领域。该手功能康复软体机器人包括控制模块、信号采集模块、执行器模块和患侧手训练手套；控制模块分别与信号采集模块、执行器模块电连接，信号采集模块用于采集患者身体上的信号，控制模块用于向执行器模块发送驱动指令；执行器模块与患侧手训练手套连接，执行器模块用于根据驱动指令控制患侧手训练手套对手掌进行康复训练。本发明的手功能康复软体机器人，利用信号采集模块采集患者身体上的信息，控制模块根据该身体信息来控制手掌的康复训练，增加了患者的自主参与，改善了患者的康复效果。

Description

一种手功能康复软体机器人
技术领域
本发明涉及智能医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种手功能康复软体机器人。
背景技术
现有的手功能康复软体机器人在对患者的手掌进行康复训练时，仅根据机器人预先设定的程序来控制手指的弯曲和伸展，或者采用镜像康复疗法，用患者的健侧手掌做对比进行康复训练。患者的自主参与性较低，其康复效果有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手功能康复软体机器人，有助于解决上述技术问题。
本发明是这样实现的：
一种手功能康复软体机器人，其包括控制模块、信号采集模块、执行器模块和患侧手训练手套；所述控制模块分别与所述信号采集模块、所述执行器模块电连接，所述信号采集模块用于采集患者身体上的信号，所述控制模块用于向所述执行器模块发送驱动指令；所述执行器模块与所述患侧手训练手套连接，所述执行器模块用于根据所述驱动指令控制所述患侧手训练手套对手掌进行康复训练。
上述手功能康复软体机器人在使用时，能够通过信号采集模块捕捉患者的身体数据如患者健侧手的肌肉电信号、头部脑电信号以及足部压力信号，控制模块再根据上述信号来控制执行器模块带动患侧手训练手套进行康复训练。避免了传统上的软体机器人仅根据预设的控制程序来训练，加入了患者的自主参与，改善了康复训练效果。
进一步地，所述信号采集模块包括肌电信号采集模块，所述肌电信号采集模块包括第一电极片，所述第一电极片用于采集患者的健侧手的肌肉电信号。其技术效果在于：患者的健侧手的肌肉电信号能够为患侧手提供动作规范和标准的姿势位置或者角度，指导患侧手正确恢复。
进一步地，所述信号采集模块包括脑电信号采集模块，所述脑电信号采集模块包括脑电帽和设置在所述脑电帽上的第二电极片，所述第二电极片用于采集患者的脑电信号。其技术效果在于：脑电帽上设置第二电极片，第二电极片采集患者的脑电信号辅助患侧手进行康复训练。
进一步地，所述信号采集模块包括足底信号采集模块，所述足底信号采集模块包括压力传感器，所述压力传感器用于采集患者的足底承受的压力信号。其技术效果在于：压力传感器可以设置在患者的鞋垫上，利用足底承受的压力信号可帮助患者通过足底触觉压力刺激，触发控制模块采用合适的控制程序，进行手功能康复训练。
进一步地，还包括镜像数据手套；所述镜像数据手套与所述控制模块电连接；所述镜像数据手套上设置有位置传感器，所述位置传感器用于采集患者的健侧手的手指的位置信息。其技术效果在于：位置传感器能够采集健侧手的手指的角度数据信息，通过控制模块来驱动患侧手跟随健侧手做相应的康复动作。
进一步地，还包括电刺激模块；所述电刺激模块与所述控制模块电连接；所述电刺激模块上设置有第三电极片，所述第三电极片用于向患者的患侧手输出电流。其技术效果在于：第三电极片能够根据控制模块的程序输出电流刺激患侧手进行屈伸运动。
进一步地，所述执行器模块包括相互连接的驱动电机和线索传动机构；所述驱动电机与所述控制模块电连接，所述线索传动机构与所述患侧手训练手套连接。其技术效果在于：执行器模块能够将控制模块的驱动指令通过线索传动机构准确带动患侧手的手指进行屈伸运动。
进一步地，所述控制模块包括相互电连接的微控制器和警报单元，所述微控制器分别与所述信号采集模块、所述执行器模块电连接。其技术效果在于：微控制器收集前述的脑电信号、肌肉电信号和压力信号，通过执行器模块进行驱动控制，而警报单元可通过声音、光线等方式对患者进行提醒和报警。
进一步地，还包括人机交互模块；所述人机交互模块包括相互电连接的微处理器，所述微处理器与所述微控制器电连接。其技术效果在于：人机交互模块提供了患者与软体机器人的交互通道，方便了医护人员或者患者实时地自行控制，并且能够更直观地查看康复训练效果。
进一步地，所述控制模块或者所述人机交互模块上还设置有语音交互单元；所述语音交互单元用于捕捉语音信息并将所述语音信息输送至所述微控制器。其技术效果在于：语音交互单元能够帮助患者仅通过声音控制即可进行手掌的康复训练。
本发明的有益效果是：
本发明的手功能康复软体机器人，利用信号采集模块采集患者身体上的信息，控制模块根据该身体信息来控制手掌的康复训练，增加了患者的自主参与，改善了患者的康复效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明提供的手功能康复软体机器人的结构示意图；
图2为本发明提供的手功能康复软体机器人的模块组成框架图。
图标：100-控制模块；210-肌电信号采集模块；220-脑电信号采集模块；230-足底信号采集模块；300-执行器模块；400-患侧手训练手套；500-镜像数据手套；600-电刺激模块；700-人机交互模块。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和标注的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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的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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1为本发明提供的手功能康复软体机器人的结构示意图；图2为本发明提供的手功能康复软体机器人的模块组成框架图。请参照图1、图2，本实施例提供一种手功能康复软体机器人，其包括控制模块100、信号采集模块、执行器模块300和患侧手训练手套400。其中，控制模块100分别与信号采集模块、执行器模块300电连接，信号采集模块用于采集患者身体上的信号，控制模块100用于向执行器模块300发送驱动指令；执行器模块300与患侧手训练手套400连接，执行器模块300用于根据驱动指令控制患侧手训练手套400对手掌进行康复训练。
本实施例的手功能康复软体机器人的工作原理如下：
手功能康复软体机器人在使用时，能够通过信号采集模块捕捉患者的身体数据如患者健侧手的肌肉电信号、头部脑电信号以及足部压力信号，控制模块100再根据上述信号来控制执行器模块300带动患侧手训练手套400进行康复训练。避免了传统上的软体机器人仅根据预设的控制程序来训练，加入了患者的自主参与，改善了康复训练效果。
需要说明的是，信号采集模块可选择通过有线方式与控制模块100实现信号输送，也可以通过无线方式实现信号输送。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，信号采集模块包括肌电信号采集模块210，肌电信号采集模块210包括第一电极片，第一电极片用于采集患者的健侧手的肌肉电信号。其中，肌电信号采集模块210还可以增加放大、滤波和转换功能，不仅可以采集健侧手的肌肉电信号，还将该电信号放大、滤波、转换以后传送给控制模块100，控制模块100再驱动执行器模块300的伺服电机正转或反转。具体地，肌电信号采集模块210优选由3片第一电极片及信号检测单元组成，第一电极片和信号检测单元之间，通过可拆卸的电极线连接。第一电极片分别贴在健侧手的尺侧腕伸肌、桡侧腕伸肌的前端和后端。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，信号采集模块包括脑电信号采集模块220，脑电信号采集模块220包括脑电帽和设置在脑电帽上的第二电极片，第二电极片用于采集患者的脑电信号。其中，脑电信号采集模块220通过患者闭眼或者注视频闪采集脑电信号，控制模块100识别后，再驱动执行器模块300，实现患侧手指的屈伸位置运动控制。其中，脑电信号采集模块220采用32通道的无线EEG采集系统，第二电极片在脑电帽上的位置按国际标准导联10-20系统放置。而视频刺激模块，通过在上位机上设置6个150*150(像素)的闪频块，患者通过屏幕相应的闪烁区域来实现控制意图。六个功能块的频率对应的患侧手关节为：8Hz(小指)、15Hz(无名指)、12Hz(中指)、10Hz(食指)、9Hz(大拇指)、13Hz(腕关节)。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，信号采集模块包括足底信号采集模块230，足底信号采集模块230包括压力传感器，压力传感器用于采集患者的足底承受的压力信号。具体地，足底信号采集模块230由4路传感器模块(包含压力传感器)、无线传送模块以及MCU微控制器组成。4路传感器模块安装在轻质新型材质制成的鞋垫内部，用于精确测量检测患者施加在脚底的触觉刺激力度，4路足底压力信号经过MCU微控制器处理后，通过无线传送模块发给控制模块100，患者根据不同的康复状态，设置每次康复训练过程中的足底触觉压力刺激的触发参数大小。其中，带有足底信号采集模块230的鞋垫，尺寸规格与常用的鞋垫一致，患者直接将其套在鞋子里，进行足底触觉压力刺激，触发控制模块100的控制程序，进行手功能康复训练。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，还包括镜像数据手套500；镜像数据手套500与控制模块100电连接；镜像数据手套500上设置有位置传感器，位置传感器用于采集患者的健侧手的手指的位置信息。具体地，位置传感器设置在手指的指背部位。镜像数据手套500有左手、右手两种结构；大、中、小三种规格。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，还包括电刺激模块600；电刺激模块600与控制模块100电连接；电刺激模块600上设置有第三电极片，第三电极片用于向患者的患侧手输出电流。其中，第三电极片粘贴在患侧的手臂桡侧腕伸肌的前端和后端。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，执行器模块300包括相互连接的驱动电机和线索传动机构；驱动电机与控制模块100电连接，线索传动机构与患侧手训练手套400连接。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，控制模块100包括相互电连接的微控制器和警报单元，微控制器分别与信号采集模块、执行器模块300电连接。其中，警报单元可以通过声音、光线等方式对患者进行提醒和报警。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，还包括人机交互模块700；人机交互模块700包括相互电连接的微处理器，还可以包括显示屏，微处理器与微控制器电连接。该显示屏可以是触控屏，能够供使用者手动操作。
在上述实施例的基础上，进一步，可选地，如图1、图2所示，控制模块100或者人机交互模块700上还设置有语音交互单元；语音交互单元用于捕捉语音信息并将语音信息输送至微控制器。
上述手功能康复软体机器人可在多种模式下进行手掌的康复训练：
1、被动模式下，人机交互模块700提供从握拳、对食指、对中指、对无名指、对小指、伸拇指、伸中指、伸无名指、伸小指、柱状抓握、腕部屈伸的整体手套操训练流程，也可进行单独进行某一项训练动作，也可进行不同训练动作之间自由组合。进行训练时，患者将患侧手训练手套400穿戴于患侧手，通过语音或触摸屏，选择训练动作，控制模块100接收到人机交互模块700的指令后，执行器模块300开始牵引线索实现来回往复运动，带动患者手指实现屈伸动作。当选择腕部屈伸动作时，控制模块100控制电刺激模块600输出刺激电流，控制腕部动作。
随动模式下，人机交互模块700提供镜像数据手套500、肌电、足底压力模式三种随动模式供患者选择。基于镜像数据手套500及足底压力模块进行随动训练时，需要将镜像数据手套500或足底信号采集模块230的无线数据开关打开，并通过人机交互模块700实现与控制模块100的正确配对。配好对后，患者穿戴上镜像数据手套500的健侧手，在屈伸过程中，镜像数据手套500将各路角度传感器的角度信息，处理后发送给控制模块100，实现对患侧手的康复训练。
基于足底压力的随动模式，患者需要将足底信号采集模块230置于地上或鞋内，足底信号采集模块230采集足底压力值大小，处理后发送给控制模块100，控制模块100根据人机交互模块700设定的压力触发值大小，控制执行器模块300是否运行牵引手套完成康复训练。
基于肌电信号的随动模式，患者只需将第一电极片分别贴在健侧手的尺侧腕伸肌、桡侧腕伸肌的前端和后端，当控制模块100检测到肌电信号采集模块210发送过来的触发信号后，执行器模块300进入运行模式，牵引线索来回运动，实现康复训练。
游戏模式在随动模式的基础上，增加了虚拟动画的游戏场景，增加了康复的趣味性。游戏模式中，将游戏角色的运动操控信号和控制模块100对执行器模块300的控制信号连接起来，实现在控制执行器模块300运动的同时，操控游戏角色移动，完成游戏角色人物，实现浸入式训练。
助力模式下，患侧手主动参与训练，患侧手能完成轻微屈伸动作，但手指力量不足于拉动执行性驱动模块的线索，此时，控制模块100通过内部的阻抗运算，实现传动系统的零力控制，为患侧手提供与患手运动方向相同的精准力量辅助，完成训练。
抗阻力模式下，控制模块100通过内部算法，控制直流伺服电机，输出精准的阻尼力，阻力方向和患手运动方向相反，适合手功能障碍康复后期的患者。
脑电模式下，患者带上脑电脑，连接好第二电极片，患者闭眼或者注视频闪采集脑电信号，在控制模块100分类识别后，控制执行器驱动执行器模块300，实现患侧手指的屈伸位置运动控制。
脑电信号采集模块220将脑电信号，通过放大滤波后，传递给控制模块100，控制模块100通过执行器模块300控制各手指和腕部的训练动作。脑电控制程序启动后，判断是否接收到Alpha波信号，如果接收到Alpha波信号，证明患者在执行闭眼的动作，控制模块100会让执行器模块300暂停，等待接收SSVEP分类结果；当控制模块100接收到SSVEP分类结果后，执行器模块300中的直流伺服电机执行相对应的动作，一直循环至下位机接收到下一次的Alpha波信号，执行器模块300停止工作。
评估模式下，患者在手功能康复前后，分别穿戴镜像数据手套500。通过镜像数据手套500上的位置传感器(优选柔性传感器)地数据与患手指节运动角度的测量对比，直观地评判康复效果。同时也可在康复医师的协助下，通过记录评估量表的方式，对康复效果进行评价。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手功能康复软体机器人，其特征在于，包括控制模块(100)、信号采集模块、执行器模块(300)和患侧手训练手套(400)；
所述控制模块(100)分别与所述信号采集模块、所述执行器模块(300)电连接，所述信号采集模块用于采集患者身体上的信号，所述控制模块(100)用于向所述执行器模块(300)发送驱动指令；
所述执行器模块(300)与所述患侧手训练手套(400)连接，所述执行器模块(300)用于根据所述驱动指令控制所述患侧手训练手套(400)对手掌进行康复训练。
2.根据权利要求1所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，所述信号采集模块包括肌电信号采集模块(210)，所述肌电信号采集模块(210)包括第一电极片，所述第一电极片用于采集患者的健侧手的肌肉电信号。
3.根据权利要求1所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，所述信号采集模块包括脑电信号采集模块(220)，所述脑电信号采集模块(220)包括脑电帽和设置在所述脑电帽上的第二电极片，所述第二电极片用于采集患者的脑电信号。
4.根据权利要求1所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，所述信号采集模块包括足底信号采集模块(230)，所述足底信号采集模块(230)包括压力传感器，所述压力传感器用于采集患者的足底承受的压力信号。
5.根据权利要求1所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，还包括镜像数据手套(500)；所述镜像数据手套(500)与所述控制模块(100)电连接；所述镜像数据手套(500)上设置有位置传感器，所述位置传感器用于采集患者的健侧手的手指的位置信息。
6.根据权利要求1所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，还包括电刺激模块(600)；所述电刺激模块(600)与所述控制模块(100)电连接；所述电刺激模块(600)上设置有第三电极片，所述第三电极片用于向患者的患侧手输出电流。
7.根据权利要求1所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，所述执行器模块(300)包括相互连接的驱动电机和线索传动机构；所述驱动电机与所述控制模块(100)电连接，所述线索传动机构与所述患侧手训练手套(400)连接。
8.根据权利要求1所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，所述控制模块(100)包括相互电连接的微控制器和警报单元，所述微控制器分别与所述信号采集模块、所述执行器模块(300)电连接。
9.根据权利要求8所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，还包括人机交互模块(700)；所述人机交互模块(700)包括相互电连接的微处理器，所述微处理器与所述微控制器电连接。
10.根据权利要求9所述的手功能康复软体机器人，其特征在于，所述控制模块(100)或者所述人机交互模块(700)上还设置有语音交互单元；所述语音交互单元用于捕捉语音信息并将所述语音信息输送至所述微控制器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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