用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備和控制方法與流程

2023-10-18 06:29:29 3

本發明涉及醫療器械技術領域，尤其涉及一種用於輔助上肢單側偏癱患者進行自主康復訓練的設備和控制方法。

背景技術：

偏癱是指因腦外傷等病理原因所導致的，以半側肢體運動功能障礙為主要表現的一種常見的殘疾。常見的偏癱障礙有運動功能障礙、感覺障礙、言語障礙、認知障礙等。

通過對偏癱患者進行有計劃有規律的積極訓練，能夠使患者的殘存功能和能力獲得最大限度的發揮，使得他們能夠儘可能地克服偏癱障礙，提高獲得康復的機會。通過科學調研表明，通過積極正確的康復治療，有80％的病人功能明顯改善，只有10％至20％的病人留有嚴重或中度殘疾。

針對偏癱障礙的康復器械，傳統的康復器械有矯形器、電刺激治療儀、電針灸儀，新型的康復器械有複合多功能康復器械和康復機器人。其中，康復機器人使得偏癱患者可以不藉助醫生或他人的輔助，獨自進行康復訓練，另一方面可以按照患者的病情輕重製定相適應的訓練計劃，而且能夠通過計算機記錄患者的康覆信息、訓練數據等，極大地提高了患者康復的質量。

目前國內現有的大多數偏癱康復訓練器械結構簡單、功能單一、不具有智能性，不利於偏癱患者的科學康復。

中國公開專利號：CN204863888U，名稱：一種偏癱患者上肢康復訓練器。該發明設計了一種偏癱患者上肢康復訓練器，主要由底座、座椅、電動升降立柱、叉形懸梁等部分構成。該發明的有益效果是：通過帶傳動實現左右上肢同步左右擺動,從而實現一側自主運動上肢帶動另一側癱瘓上肢,無需外界動力,結構簡單,安全性高。然而，該發明雖然實現了患者能夠自主地進行訓練，但是患者帶動有運動障礙手臂僅僅是通過健康手臂提供動力實現的，只能進行前後移動和左右擺動，而且沒有患者康復訓練的數據記錄等，不具備智能性。

中國公開專利號：CN103519966A，名稱：可攜式偏癱上肢偏癱康復訓練機器人。該發明提供了一種可攜式偏癱上肢偏癱康復訓練機器人，主要由伺服驅動系統、機械連杆系統、託架馬甲、控制器及電源等部分構成。該發明的有益效果是：設置了託架馬甲，使得患者能夠不受時間、地點的限制，自由地進行康復訓練；提供了主動訓練、從動訓練和阻力訓練這三種訓練方式，並能夠通過傳感器採集患者的信息。然而，該發明要求使用時患者需要穿戴託架馬甲，這一設置加重了患者長時間訓練的負擔，增加了患者進行康復訓練時的枯燥性。

技術實現要素：

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備和控制方法，使患者能夠自主地進行康復訓練，為患者提供了科學訓練計劃和規範的訓練動作，並記錄了患者在進行康復訓練時的相關數據，且設備的設計具有智能化和人性化，能夠很好地改善患者肢體的運動功能。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：一種用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備，包括固定平臺、計算機以及顯示器，所述自主康復訓練的設備還包括控制臺和機械手臂，所述計算機、顯示器以及控制臺均固定於固定平臺上，所述計算機分別與顯示器、控制臺通過導線連接，所述機械手臂固定連接所述控制臺，其中

所述計算機用於控制用戶訓練強度調節模式，包括用戶調節模式和自適應調節模式；用於控制所述機械手臂兩者之間的跟隨運動或者對稱運動；用於存儲患者的訓練計劃、記錄患者的運動狀態以及保存相關的數據；

所述顯示器用於展示偏癱康復訓練的規範動作；

所述控制臺用於傳遞控制信息且將所述機械手臂的運動數據傳輸給所述計算機；

所述機械手臂用於患者直接訓練操作。

進一步地，所述控制臺包括主/從動機械手臂選擇按鈕和啟動/停止按鈕，所述主/從動機械手臂選擇按鈕用於選擇哪一個機械手臂作為主動機械手臂或從動機械手臂，所述啟動/停止按鈕用於控制康復訓練設備系統的啟動和停止。

進一步地，所述機械手臂包括轉動圓盤、可伸縮機械臂和帶球關節手柄，所述可伸縮機械臂一端固定連接所述轉動圓盤、另一端固定連接所述帶球關節手柄，所述轉動圓盤固定於所述控制臺上。

進一步地，所述機械手臂分為主動機械手臂和被動機械手臂。

進一步地，所述固定平臺包括4個萬向輪和4個小支架，所述萬向輪用於向各個方向移動整體康復訓練設備，所述小支架用於調節設備的上下高度。

進一步地，所述自主康復訓練的設備還包括支撐板，所述支撐板固定於所述固定平臺上，所述支撐板用於在進行自主康復訓練時支撐患者的雙臂。

進一步地，所述自主康復訓練的設備還包括手環裝置，所述手環裝置與所述計算機連接，所述手環裝置用於採集人體主動手臂肌肉表面的肌電信號。

本發明的另一目的是，提供一種用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備控制方法，包括以下步驟：

S1、按下啟動/停止按鈕，啟動設備，患者根據左右手實際病患情況選擇自身的主動手臂和從動手臂，按下主/從動機械手臂選擇主動機械手臂和從動機械手臂；

S2、患者選擇健康手臂作為主動手臂，在健康手臂的上臂和前臂均佩戴手環裝置，手環裝置採集人體主動手臂肌肉表面肌電信號，通過相關的信號分析及線性變換，提取了健康手臂的肌肉強度；

S3、患者健康手臂操作主動機械手臂，手環裝置根據操作的相關信息發給計算機；

S4、計算機經過運算處理，通過控制臺來控制從動機械手臂的運動，使得從動手臂跟隨主動手臂做運動。

進一步地，所述步驟S4中計算機經過運算處理，具體為：患者通過控制計算機選擇強度自適應調節模式或強度用戶調節模式，其中

所述強度自適應調節模式為：通過患者兩隻手臂的運動差異建立起耦合裝置，這種耦合裝置提供的力反饋與肌肉表面肌電信號相互作用，保證了從動機器手臂帶動具有運動障礙的手臂跟隨健康手臂運動；其中，反饋力與肌肉表面肌電信號相互作用的重要特徵是力反饋是使得患者自然、直覺的產生增加耦合勁度係數所需的肌電信號；

所述強度用戶調節模式為：採用了學習算法，使得主動機械手臂和從動機械手臂之間的耦合勁度係數適應具有運動障礙手臂的運動條件，當運動障礙的程度大時，耦合勁度將自適應地變小，從而使得患者較容易地跟隨健康手臂的軌跡；當運動障礙的程度小時，耦合勁度將自適應地變大，從而使具有運動障礙的手臂本身在一定程度上能夠自主運動，達到良好的康復訓練效果。

進一步地，所述步驟S4中從動手臂跟隨主動手臂做運動，患者通過控制計算機來選擇從動手臂跟隨主動手臂做相同方向且相同動作的運動，或者做對稱運動。

採用上述技術方案後，本發明至少具有如下有益效果：

1、本發明實現了上肢單側偏癱患者的自主康復訓練，使得患者能夠通過健康的手臂帶動具有運動障礙的手臂，反覆科學地訓練，可以使它恢復運動能力；因此本發明使得患者能夠在不依賴康復治療師或他人的情況下進行自主康復訓練；

2、本發明在主動機器臂帶動從動機器臂的方法上，提供了兩種控制方式：強度用戶調節模式，強度自適應調節模式；第一種模式使得患者能夠在各個階段通過自然的方式選擇訓練的強度，其調節方式的自然性提供了良好的用戶體驗；第二種模式能夠使患者在病情較重時，能夠自適應地減少訓練強度，讓患者的手臂比較輕鬆地跟隨從動臂運動；在手臂恢復一定運動功能時，自適應地增加訓練強度；因此，這兩種控制方式使得設備具有智能性，使得患者能夠進行科學地康復訓練；

3、康復訓練設備本身具有的計算機，本身可以存儲著訓練計劃信息和記錄著患者訓練相關數據，這實現了根據患者病情的嚴重程度和肢體功能狀況個性化地制定和執行相應的康復訓練項目，並記錄著患者在進行康復訓練時的相關數據；此外，顯示器的引入，不但提供了科學規範的訓練動作，而且為患者通過計算機動畫遊戲進行訓練提供了可能，這種人機互動的方式使得原本漫長枯燥的訓練過程容易被患者接受。

附圖說明

圖1為本發明用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備的整體示意圖；

圖2為本發明用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備的整體正視圖；

圖3為本發明用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備的機器手臂自由度示意圖；

圖4為本發明用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備的手環示意圖；

圖5為本發明用於上肢單側偏癱患者自主康復訓練的設備主動臂和從動臂之間由質量-彈簧-阻尼構成的導納模型示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互結合，下面結合附圖和具體實施例對本申請作進一步詳細說明。

如附圖1、圖2所示，一種用於上肢偏癱康復訓練的機器人，主要由計算機1、固定平臺2、顯示器6、控制臺4、機器手臂7和支撐板9等部分組成。支撐板作用於在進行自主康復訓練時支撐患者的雙臂，減少具有運動障礙手臂的負擔。

所述的機器人移動/固定結構，主要由輪子5、支架10的交替使用實現的，其中輪子5的高度是固定的，支架10的位置可通過螺母的調節進行上下移動。

所述的高度可調節平臺，主要是通過固定平臺2的圓柱形套筒實現的。當需要固定住控制臺或計算機及顯示器的高度時，則需擰緊圓柱形套筒的螺母；當需要移動它們的高度時，則調節圓柱形套筒的螺母，移動到合適的高度時再次擰緊。

所述的實時顯示/記錄跟蹤系統，主要由計算機1和顯示器6組成。其中計算機用於存儲患者的訓練計劃，同時能夠實時記錄患者的運動狀態，並保存相關的數據；顯示器用於展示偏癱康復訓練的規範動作，為患者做出科學的指導。同時，計算機1也決定著訓練的方式與機器手臂7運動的方式：通過計算機選擇強度用戶調節模式和強度自適應調節模式這兩種控制方式的一種；通過計算機1選擇主動臂和從動臂之間是做跟隨運動還是對稱運動。

所述的控制臺，具有啟動/停止按鈕，主/從動機械手臂選擇按鈕3。控制臺一方面用於實時跟蹤主動機械手臂的運動狀態，另一方面實時地為從動機械手臂的運動傳遞控制信號，使得從動機械手臂跟隨主動機器手臂運動，同時控制臺也接受主動機械手臂和從動機械手臂的運動數據，把數據傳輸給計算機記錄。

所述的主動機械手臂或從動機機械手臂，如附圖3所示，它們由轉動圓盤、可伸縮機械臂和帶球關節的手柄8組成，因此這兩個機械手臂具有4個自由度。當開始進行康復訓練時，選擇開關進行指定主動和從動的從屬關係。

通過控制主動機械手臂帶動從動機械手臂進行運動的算法設計是本發明的核心部分，它提供了兩種控制方式，強度用戶調節模式和強度自適應調節模式。在這兩種模式下，主動機械手臂和從動機械手臂之間的運動有兩種，跟隨運動和對稱運動，即從動機械手臂發生與主動機械手臂相同的運動或對稱的運動。用模型描述它們之間的關係如圖5所示，由質量-彈簧-阻尼構成的模型。

強度用戶調節模式的工作原理：

首先患者在進行康復訓練時，在他健康手臂的上臂和前臂需要各佩戴一個圖4的手環裝置。康復訓練時手環裝置採集了人體主動手臂肌肉表面肌電信號，通過相關的信號分析及線性變換，提取了健康手臂的肌肉強度。

相關的轉換公式為：

其中，F和K都為三維向量，分別為人體手臂末端的力和剛度在笛卡爾空間的投射。F0和K0都為三維向量，分別為保持一個固定姿勢時，人體手臂固有的力和剛度，為常數；P是從主動肌/拮抗肌對的表面肌電信號提取的肌肉活性向量，是一個n維向量，其中n表示涉及的肌肉數量；TF、TK為轉換矩陣，它們將肌肉的活性向量分別轉換為力、剛度。

接下來將使用帶有力反饋的阻抗控制器實現對從動機械手臂的控制。在圖5的模型中，主動機械手臂帶動從動機械手臂運動的過程中，從動機械手臂也給主動機械手臂提供一個反饋力Ff。當從動機械手臂跟不上主動機械手臂的運動時，反饋力Ff就會增大，從而使得主動機械手臂將要產生更大的力去帶動從動機械手臂。此時，患者健康手臂因使用了較大的力，使得手臂肌肉表面肌電信號增大，從而通過主動臂給從動機械手臂施加了更大的力，讓它跟上主動機械手臂的運動。

機器手臂的剛體模型與患者的手臂進行交互時，可用下式來描述：

其中，M(q)為機械手臂的質量矩陣，為關節轉矩矢量，與離心力，科氏力，重力和摩擦力有關，τu是關節的力矩矢量，由機械手臂的轉矩驅動器產生，即Fq，是機械手臂與患者的手臂進行交互時產生的力，v是電動機輸出變換或系統本身的躁動。

現在討論在某一個自由度上，主動機械手臂和從動機械手臂的運動情況：設主動機械手臂的轉動角為qm，從動機械手臂的轉動角為qf，當主動機械手臂與從動機械手臂之間做跟隨運動時，此時二者之間的相對轉動角為：

Δq＝qm-qf (3)

當從動機械手臂與主動機械手臂之間做對稱運動時，此時二者之間的相對轉動角為：

Δq＝|qm|-|qf| (4)

在圖5的模型中，作用在主動機械手臂上的反饋力矩為τf，它與相對轉動角Δq的關係為：

其中，Mf、Df、Kf分別為模型虛擬的慣量、阻尼和剛度，它們可以由患者健康的手臂所調整，分別是相對轉動位移Δq的一階導數、二階導數。

主動機械手臂與人體健康手臂的控制器由反饋力矩τf和重力補償項τg疊加，為：

τm＝τf+τg (6)

定義K為主從臂耦合勁度係數，即K是主動臂與從動臂之間的耦合勁度係數。在強度用戶調節模式下，它與通過肌肉表面肌電信號轉換得到患者健康手臂的肌肉剛度是等效的。D為主動機械手臂與從動機械手臂之間的耦合阻尼係數，它與K之間成正比例，而且比率是固定的。

同樣考慮到重力補償，利用PD控制器對從動臂輸入力矩τu為：

因此，強度用戶調節模式在患者進行康復訓練時對患者健康手臂的肌肉表面肌電信號進行提取分析，並把信號的變化通過變換成為主從機械手臂耦合勁度係數的變化，從而改變了主動機械手臂帶動從動機械手臂的勁度，使得患者能夠自然、直覺地按照具有運動障礙手臂的運動狀態進行調節。

強度自適應調節模式的工作原理：

這種控制方法是從人類的手臂與環境的交互的原理中得到的運動模型。該運動模型認為，人類手臂的肌肉與環境進行交互時所使用的運動命令是由前饋和反饋組成的。本發明專利並將這種計算模型應用到機器人的控制器，即從動機械手臂的控制器中，使得從動機械手臂與主動機械手臂之間的耦合勁度達到自適應的效果。

在強度自適應調節模式下，對從動機械手臂控制輸入的力矩τu為：

τu(t)＝-(k0(t)+k(t))ε(t)-τ(t)(8)

其中，-k0ε為最小的反饋，τ為學習到的前饋，-kε為機械手臂與患者的手臂交互得到的反饋。ε是跟蹤誤差，與位置誤差,e(t)和速度誤差有關：

根據以上的定義，主動機械手臂與從動機械手臂之間的耦合勁度係數為K，通過公式(8)、(9)，可以得到耦合勁度係數自適應的算法為：

Ki+1(t)＝Ki(t)+QK(εi(t)eiT(t)-yi(t)Ki(t))，i＝0,1,2… (10)

其中，

通過公式(10)的算法實現了耦合勁度係數的自適應。因此，這種強度自適應調節的模式下，借鑑了人類手臂與環境交互的運動模型，通過學習算法，使得從動機械手臂的耦合勁度係數具有運動障礙手臂的運動狀態。運動障礙的程度較大時，主動機械手臂與從動機械手臂之間的耦合勁度較大；運動障礙的程度較小時，主動機械手臂與從動機械手臂之間的耦合勁度也變得較小，從而使得機器手臂施加在偏癱手臂的力矩會根據偏癱手臂的運動狀態，自適應地輔助偏癱手臂關節跟隨健康手臂關節的軌跡。

儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解的是，在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同範圍限定。