CN111228084B - 一种上肢康复训练装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种上肢康复训练装置，包括存储单元和控制单元，其中，所述存储单元用于存储预训练数据，所述预训练数据为正常上肢在自然状态下运动时的相关数据；所述控制单元用于以所述预训练数据作为训练参数控制所述上肢康复训练装置选择性的进行手指康复训练和/或上臂康复训练；其中，所述手指康复训练包括指关节的康复训练，所述上臂康复训练包括肩关节、肘关节、腕关节中的至少一者的康复训练。本发明的优点在于，通过一正常上肢在自然状态下运动时的相关数据作为训练参数，有效调控上肢训练时的协调性，并最大限度地确保患者经过训练后恢复原有运动习惯。

Description

一种上肢康复训练装置
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种上肢康复训练装置。
背景技术
目前的上肢康复装置分为手指康复训练装置和上臂康复训练装置，以用于分别对手指和上臂进行康复训练，其中手指康复训练主要是针对指关节，而上臂康复训练主要是针对肩关节、肘关节及腕关节。
实际生活中，人类的手指和上臂往往需要共同运动而完成相应动作，因此在当前操作者的手指和上臂分别康复之后，当前操作者还需要一定的时间去恢复两者的配合，这就导致手指与上臂单独训练相比于两者同时进行融合训练的效率要低。然而若直接将现有技术中的手指康复训练装置和上臂康复训练装置结合来进行融合训练，因为关节数量的增加，导致运动复杂度增加，使得训练时的整体协调性控制成为一个难点，而且由于每个当前操作者的肢体长度存在差距，当不同当前操作者采用同一套装置进行训练时，若使用固定参数将无法获得精准定位的能力，进而影响康复效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种上肢康复训练装置，旨在同时实现手指和上臂的康复训练，提高训练效率。
为实现上述目的，本发明提供的一种上肢康复训练装置，包括存储单元和控制单元，其中：
所述存储单元用于存储预训练数据，所述预训练数据为正常上肢在自然状态下运动时的相关数据；
所述控制单元用于以所述预训练数据作为训练参数控制所述上肢康复训练装置选择性的进行手指康复训练和/或上臂康复训练；其中，所述手指康复训练包括指关节的康复训练，所述上臂康复训练包括肩关节、肘关节、腕关节中的至少一者的康复训练。
可选地，所述上肢康复训练装置还包括动作组件和传感器阵列，所述动作组件与所述控制单元通讯连接并用于驱动各个关节运动，所述传感器阵列与所述控制单元通讯连接，并包括力传感器，所述力传感器用于检测所述动作组件受到的力；
所述上肢康复训练装置具有主动模式和被动模式，所述控制单元用于在所述被动模式下采集所述预训练数据；
所述控制单元在采集所述预训练数据的过程中被配置用于：记录操作者的正常上肢在执行指定动作过程中所述动作组件的位置变化及其所受到的力的变化；判断操作者的正常上肢的运动次数是否达到预定训练次数；从操作者执行所述指定动作的时间序列中进行运动模式识别，并存储所述运动模式的数据，以作为所述预训练数据。
可选地，所述控制单元在采集所述预训练数据的过程中被配置用于：以当前操作者的穿戴尺寸为标准，从数据库中提取与当前操作者最接近的作为第一数据的运动模式数据，所述数据库中预存有不同的操作者的正常上肢在自然状态下的运动模式数据；从所述第一数据中提取各个关节的尺寸差曼哈顿距离范数最小的作为第二数据的运动数据模块；求算当前操作者的各个关节到达预定位置时的第一关节空间解；计算所述第二数据的第二关节空间解；计算所述第一关节空间解与所述第二关节空间解的距离范数，以所述第一关节空间解和所述第二关节空间解的距离范数为半径，并以所述第二数据中每一个轨迹规划中的点为圆心作多维空间球体，在多个所述多维空间球体中进行规划路径的采样计算，以求得若干个预期解；判断所述预期解是否在关节极限内，并取在所述关节极限内的预期解为所述预训练数据。
可选地，所述预期解的数量为至少三个。
可选地，所述上肢康复训练装置还包括动作组件和传感器阵列，所述动作组件与所述控制单元通讯连接，并用于驱动各关节运动，所述传感器阵列与所述控制单元通讯连接，并包括位置传感器，所述位置传感器用于检测各关节的角度信息；
所述上肢康复训练装置具有主动模式和被动模式；
所述控制单元在所述主动模式中被配置用于：以所述预训练数据为训练参数发送动作指令；记录操作者各个关节的当前角度信息；根据所述当前角度信息控制所述动作组件执行所述动作指令。
可选地，所述控制单元根据所述当前角度信息控制所述动作组件执行所述动作指令的过程中被配置用于：生成各个关节的当前角度至指令角度的平滑位置曲线；根据所述平滑位置曲线生成序列传送规则点，并将所述规则点信息发送至所述动作组件，以控制所述动作组件执行所述动作指令。
可选地，所述动作组件包括绳驱组件和气动组件；所述绳驱组件包括第一绳驱模组，所述第一绳驱模组用于驱动操作者的指关节作伸展运动，所述气动组件用于驱动操作者的指关节作内屈运动；所述传感器组件还包括力传感器，所述力传感器用于检测所述第一绳驱模组受到的拉力；
所述上肢康复训练装置的被动模式包括指关节的被动训练模式，在指关节的被动训练模式中，所述第一绳驱模组处于预紧状态；
所述控制单元在所述指关节的被动训练模式中被配置用于：记录操作者在进行动作时所述第一绳驱模组所受到的拉力值；根据所述拉力值判断操作者的动作意图，并根据所述动作意图和所述预训练数据控制所述动作组件执行相应动作。
可选地，所述控制单元在判断操作者的动作意图并控制所述动作组件执行相应动作的过程中被配置用于：若所述拉力值为零，所述控制单元判定操作者的动作意图是伸展运动，并根据所述预训练数据控制所述第一绳驱模组收紧，以驱动指关节作伸展运动；若所述拉力值大于零，且所述拉力值大于预先设置的阈值，所述控制单元判定操作者的动作意图是内屈运动，并控制所述第一绳驱模组放松，同时根据所述预训练数据控制所述气动组件驱动指关节作内屈运动。
可选地，所述控制单元用于通过导纳控制法控制所述第一绳驱模组收紧或放松。
可选地，所述动作组件包括绳驱组件和直驱组件，所述绳驱组件包括第二绳驱模组和第三绳驱模组，所述第二绳驱模组用于驱动操作者的腕关节运动，所述第三绳驱模组用于驱动所述操作者的肘关节运动，所述直驱组件用于驱动操作者的肩关节运动；所述传感器阵列还包括力传感器，所述力传感器用于检测所述第二绳驱模组和所述第三绳驱模组受到的力；
所述上肢康复训练装置的被动模式包括上臂的被动训练模式，在上臂的被动训练模式中，所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件均设置为力矩控制模式；
所述控制单元在上臂的被动训练模式中被配置用于：采集操作者在进行动作时所述第二绳驱模组和所述第三绳驱模组所受到的拉力值，并根据所述拉力值判断操作者的动作意图；根据所述动作意图和所述预训练数据控制所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件执行相应动作。
可选地，所述控制单元用于通过导纳控制法控制所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件执行相应动作
与现有技术相比，本发明的上肢康复训练装置具有如下优点：
第一、前述的上肢康复训练装置包括存储单元和控制单元，其中所述存储单元用于存储预训练数据，所述预训练数据为上肢在自然状态下运动时的相关数据；所述控制单元用于以所述预训练数据为训练参数进行手指康复训练和/或上臂康复训练，所述手指康复训练包括指关节的康复训练，所述上臂康复训练包括肩关节、肘关节及腕关节中的至少一者的康复训练。该装置可对手指和上臂同时进行康复训练，且在对手指和上臂进行康复训练之前首先采集人体上肢在自然状态下的运动模式数据，并以该运动模式数据进行训练，可有效控制多个关节同时进行训练的协调性。
第二、所述预训练数据可通过当前操作者在被动模式下采集，也可通过筛选所述控制单元的数据库内预存的其他操作者的正常上肢在自然状态下的运动模式数据，使得不同的操作者可使用不同的预训练数据作为训练参数，有利于提高训练有效性，进而提高康复效果。
第三、所述的上肢康复训练装置主要对控制单元进行改造，就可以将现有的手指康复训练装置和上臂康复训练装置结合使用，以实现对手指和上臂的同时训练，因而无需增加硬件装置的成本投入。
附图说明
图1是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练装置的整体框架图；
图2是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练装置的局部示意图；
图3是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练装置的局部示意图，图中示出了第一绳驱模组和气囊；
图4a是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练装置中气动组件在未充气时的示意图；
图4b是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练装置中气动组件在充气时的示意图；
图5是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练方法中预训练数据采集的流程图；
图6是本发明根据另一实施例所提供的上肢康复训练方法中预训练数据采集的流程图；
图7是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练方法中手指康复训练采用主动模式时的流程图；
图8是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练方法中手指康复训练采用被动模式时的流程图；
图9是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练方法中上臂康复训练采用主动模式时的流程图；
图10是本发明根据一实施例所提供的上肢康复训练方法中上臂康复训练采用被动模式时的流程图。
附图标记：
100-控制单元；
210-位置传感器，220-力传感器；
310-手指穿戴部，320-上臂穿戴部；
410-气动组件；
411-气囊；
420-直驱组件；
431-第一绳驱模组，432-第二绳驱模组，433-第三绳驱模组。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，例如两个、三个、四个或更多个对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“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或两个元件的相互作用关系。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。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
本发明的核心思想在于提供一种上肢康复训练装置，所述上肢康复训练装置可以对操作者进行手指康复训练和上臂康复训练。其中，所述手指康复训练包括指关节的康复训练，所述上臂康复训练包括肩关节、肘关节及腕关节中的至少一者的康复训练。
所述上肢康复训练装置包括存储单元和控制单元。其中，所述存储单元用于存储预训练数据，所述预训练数据为正常上肢在自然状态下运动的相关数据。所述控制单元可用于以所述预训练数据为训练参数同时对手指和上臂进行康复训练。
利用所述上肢康复训练装置同时进行手指和上臂的康复训练包括以下步骤：利用控制单元采集所述预训练数据并将其存储至所述存储单元；所述控制单元以所述预训练数据为训练参数同时对手指和上臂进行康复训练。通过预先采集人体的正常上肢在自然状态下运动的相关数据，并将该数据作为训练参数对操作者的手指和上臂同时进行康复训练，一方面使得在训练过程中，指关节、肩关节、肘关节及腕关节的协调性便于控制，另一方面，所述训练参数是非人工规划的参数，或以自然状态下上肢的运动模式数据为基础的参数，可以最大限度地避免出现动作不自然或不符合当前操作者以往运动习惯的问题，由此降低当前操作者在长期训练后因肌肉记忆形成的新的上肢运动习惯而影响当前操作者的日常生活的现象的可能性。
所述上肢康复训练装置的整体框架如图1所示，所述上肢康复训练装置包括穿戴部、传感器阵列、控制单元100以及动作组件。其中，所述穿戴部用于供操作者穿戴。所述动作组件与所述穿戴部连接，所述动作组件还与所述控制单元100通讯连接，且所述动作组件用于驱动操作者的指关节、肩关节、肘关节及腕关节中的至少一者运动。所述传感器阵列与所述控制单元通讯连接，并包括位置传感器210和力传感器220，所述位置传感器210安装于所述穿戴部上，并与各个关节一一对应地设置，以用于检测操作者的各个关节的角度信息，所述力传感器220设置于所述动作组件上，并用于检测所述动作组件受到的力。所述控制单元100被配置为首先采集并存储预训练数据，然后以所述预训练数据为训练参数，并基于所述训练参数同时进行手指和上臂的康复训练。
更为具体地，请继续参阅图1，并结合图2及图3，所述穿戴部包括手指穿戴部310和上臂穿戴部320，所述手指穿戴部310一般被设计为手套的形式，并具有相对的第一表面和第二表面，其中所述第一表面在手背侧，所述第二表面在手心侧。所述动作组件包括绳驱组件、气动组件410及直驱组件420，所述绳驱组件包括第一绳驱模组431、第二绳驱模组432和第三绳驱模组433。其中所述第一绳驱模组431设置在所述第一表面上，并用于驱动操作者的指关节作伸展运动，且所述第一绳驱模组431的数量依据待康复的指关节的数量设置，例如五个。所述第二绳驱模组432和所述第三绳驱模组433均设置于所述上臂穿戴部320上，且所述第二绳驱模组432用于驱动操作者的腕关节运动，所述第三绳驱模组433用于驱动操作者的肘关节运动。每一个绳驱模组均包括拉绳和驱动机构，所述驱动机构例如为电机用于向所述拉绳提供驱动力，以使所述拉绳带动相应的关节运动。同时，所述第一绳驱模组431、所述第二绳驱模组432及所述第三绳驱模组433上均设置有所述力传感器，以便于检测各个绳驱模组的拉绳所受到的拉力值。所述气动组件包括气囊411和充气模块(图中未示出)，所述气囊411设置在所述第二表面上，所述充气模块与所述控制单元通讯连接，并用于给所述气囊411充气。如图4a所示，当所述气囊411未充气时，所述气囊411为平直结构，当所述气囊411充气时，如图4b所示，所述气囊411蜷缩弯曲，进而带动操作者的手指作内屈运动。所述直驱组件一般为电机，所述电机直接与所述上臂穿戴部连接，并用于驱动所述操作者的肩关节运动。
下面将结合附图5至附图10介绍采用所述上肢康复训练装置进行上肢康复训练的方法。
在对上肢的各个关节进行训练之前，首先采集所述预训练数据。所述预训练数据的采集方式可根据当前操作者的实际情况进行选择。
当当前操作者具有一定的自主运动能力，例如，当前操作者的一个上肢受到损伤需要进行康复训练，而另一个上肢仍可进行正常的动作时，根据人体的对称性，可采用正常上肢在自然状态下的运动模式数据作为所述预训练数据，即以当前操作者的正常上肢的运动模式数据作为训练参数。
所述上肢康复训练具有主动模式和被动模式，所述主动模式是指操作者完全在所述控制单元的操控下进行动作，而被动模式在是在当前操作者仍具有一定的运动能力的情况下，根据自身想要进行的动作运动以产生动作意图，然后所述控制单元检测所述动作意图，并根据所述动作意图发出指令，以助力或对抗操作者的动作意图，从而帮助操作者进行训练的模式。为便于表述，下文中在述及被动模式时，均以上肢康复训练装置助力操作者的动作意图为例进行说明。
利用当前操作者的正常上肢采集所述预训练数据时，需要在所述被动模式下进行。图5示出了一个典型实施例中利用操作者的正常上肢采集所述预训练数据的过程。如图5所示，所述预训练数据的采集包括如下步骤：
步骤S11，当前操作者的正常上肢穿戴所述上肢康复训练装置。在当前操作者穿戴所述上肢康复训练装置之前，或穿戴完成之后，将所述上肢康复训练装置的训练模式调整为被动模式。
步骤S12，当前操作者根据自身习惯对目标物进行例如抓握、搬运等指定操作。
步骤S13，所述控制单元记录操作过程中所述动作组件的位置变化及所受到的力的变化。所述动作组件的位置变化是指所述动作组件与所述穿戴部的连接点处的位置变化，可通过记录所述位置传感器所检测到的各个关节的角度信息的变化来实现对所述动作组件的位置变化的记录。对于本领域技术人员而言，这是可以习知的内容，因而此处不做详细介绍。
步骤S14，所述控制单元判断操作者的操作次数是否达到所需采集预训练数据的预定操作次数，若否，则重复所述步骤S12和所述步骤S13；若是，则执行步骤S15；
步骤S15，所述控制单元从操作者每一次执行所述指定操作的时间序列中进行运动模式识别，并存储所述运动模式的数据以作为所述预训练数据。
对于两个上肢都受到损伤并需要进行康复训练的当前操作者而言，无法利用自身的正常上肢来采集预训练数据，此时需要从其他操作者的正常上肢在自然状态下进行运动的运动模式数据中获取与当前操作者的运动习惯最为接近的运动模式数据，以作为所述预训练数据。所以，所述控制单元还包括数据库和数据处理模块，所述数据库中预先存储有不同的操作者的正常上肢在穿戴所述上肢康复训练装置并在被动状态下进行指定动作时的运动模式数据。图6示出了根据预存的运动模式数据采集适合当前操作者的预训练数据的流程图。
如图6所示，所述预训练数据的采集方法包括如下步骤：
步骤S21，调整所述上肢康复训练装置的穿戴尺寸，以使所述上肢康复训练装置适合当前操作者；
步骤S22，以穿戴尺寸为标准，所述数据处理模块从所述数据库中提取与当前操作者最接近的运动模式数据，并记为第一数据；
步骤S23，所述数据处理模块从所述第一数据中提取各个关节的尺寸差曼哈顿距离范数最小的运动模式数据，并记为第二数据；
步骤S24，所述数据处理模块采用逆向运动学算法求算当前操作者的各个关节到达所述穿戴部上的标定位置时的关节空间解，并记为第一关节空间解；同时所述数据处理模块计算第二数据的关节空间解，并记为第二关节空间解。
步骤S25，所述数据处理模块计算所述第一关节空间解与所述第二关节空间解的距离范数；
步骤S26，所述数据处理模块以所述步骤S25所得到的距离范数为半径，以所述第二数据中每一个轨迹规划(Configuration Space，C-Space)中的点为圆心作多个多维空间球体；
步骤S27，所述数据处理模块在多个所述多维空间球体的空间范围内使用快速搜索随机树算法(Rapidly exploring random tree，RRT)进行规划路径的采样计算，并求得若干个预期解；
步骤S28，所述数据处理模块判断每一个所述预期解是否在关节极限内，若是，则取在所述关节极限内的所述预期解为所述预训练数据；若否，则判定无解，此次采集过程结束，且未采集到合适的预训练数据。
所述步骤S27中，所述预期解的数量可以根据实际需要选择，例如一个、两个、三个、四个、五个等。结合数据处理模块的处理能力、数据反馈时间、数据有效性等多种因素的影响，通常情况下所述预期解的数量可以为三个。
在获取所述预训练数据之后，所述上肢康复训练装置将以所述预训练数据作为训练参数，对当前操作者的手指和上臂进行康复训练。实际上，所述的上肢康复训练装置不仅可以同时对手指和上臂进行康复训练，也可单独对手指或上臂进行康复训练。在对手指或上臂单独进行康复训练时，类似于现有技术中的手指康复训练装置或上臂康复训练装置，两者都有主动模式和被动模式两种选择，但若要对手指和上臂同时进行训练，则手指和上臂需同时进行主动训练或同时进行被动训练。而同时训练相当于将手指的主动训练和上臂的主动训练相结合，并利用所述预训练数据调控两者的协调性，或者将手指的被动训练和上臂的被动训练相结合，并利用所述预训练数据调控两者的协调性。
图7示出了在一个示范性的实施例中对手指进行训练时的主动模式的流程，包括如下步骤：
步骤S31，操作者穿戴所述上肢康复训练装置；
步骤S32，所述控制单元根据所述预训练数据发送动作指令；
步骤S33，所述位置传感器检测操作者的指关节的当前角度信息，并将所述当前角度信息发送至所述控制单元；
步骤S34，所述控制单元根据所述当前角度信息控制所述动作组件执行所述动作指令。
在所述控制单元发送动作指令之前检查所述上肢康复训练装置是否已经初始化，若是，则所述控制单元可直接发送所述动作指令，若否，则应先将装置初始化，然后所述控制单元再发送所述动作指令。
通常情况下，指关节有两个运动趋势，其一是驱使手指作伸展运动，其二是驱使手指作内屈(例如握拳或抓握物品)运动。
当所述控制单元发送的动作指令是伸展运动时，所述步骤S34的具体操作为：所述控制单元生成当前角度至指令角度的平滑位置曲线，然后再根据所述平滑位置曲线生成序列传送规则点，并将所述规则点发送至第一绳驱模组，以使所述第一绳驱模组的拉绳收紧，同时所述气动模组不动作，从而可驱使手指伸展。
当所述控制单元发送的动作指令是内屈运动时，所述步骤S34的具体操作为：所述控制单元生成当前角度至指令角度的平滑位置曲线，然后再根据所述平滑位置曲线生成序列传送规则点，并将所述规则点发送至第一绳驱模组和所述气动组件，以使所述气动组件的充气模块给所述气囊充气，从而所述气囊膨胀而蜷缩，同时所述第一绳驱模组的拉绳放松，以实现手指的内屈运动。另外，此处所述的“指令角度”是指任一关节在完成所述动作指令时该关节的角度信息。
图8示出了在一个示范性的实施例中对手指进行训练时的被动模式的流程，包括如下步骤：
步骤S41，操作者穿戴所述上肢康复训练装置。
步骤S42，将所述第一绳驱模组的所述拉绳调整至预紧状态。
步骤S43，操作者动作，同时所述力传感器检测所述第一绳驱模组的所述拉绳受到的拉力值，并将所述拉力值发送至所述控制单元。
步骤S44，所述控制单元根据所述拉力值判断操作者的动作意图，并结合所述动作意图和所述预训练数据控制所述动作组件执行相应动作。
其中，在操作者动作之前，先检测所述上肢康复训练装置是否已初始化，若已初始化，则操作者可直接动作，若否，则应当先将所述上肢康复训练装置的***初始化。
以及，所述步骤S44的过程具体为：若所述拉力值为零，所述控制单元判定操作者的动作意图是伸展运动，然后所述控制单元控制根据所述预训练数据控制所述第一绳驱模组的所述拉绳收紧，以驱动指关节作伸展运动。若所述拉力值大于零，所述控制单元判定操作者的动作意图有可能为内屈运动。所述控制单元内还预设有阈值，所述阈值用于进一步判断操作者的动作意图是否为内屈运动。具体地，若所述拉力值大于所述阈值，则所述控制单元判定操作者的动作意图是内屈运动，之后所述控制单元控制所述第一绳驱模组的所述拉绳放松，同时所述控制单元根据所述预训练数据控制所述气动组件的充气单元给所述气囊充气，以使所述气囊膨胀而蜷缩，进而驱动指关节作内屈运动。若所述拉力值大于零但小于所述阈值，则所述控制单元判定操作者没有动作意图。
本实施例中，所述控制单元优选通过导纳控制法控制所述第一绳驱组件的拉绳收紧或放松。
图9示出了一个示范性的实施例中对上臂进行训练时的主动模式的流程，其与手指训练的主动模式相类似，具体包括如下步骤：
步骤S51，操作者穿戴所述上肢康复训练装置；
步骤S52，所述控制单元根据所述预训练数据发送动作指令。所述控制单元发送所述动作指令之前，所述上肢康复训练装置应已初始化。
步骤S53，所述位置传感器检测操作者的肩关节、肘关节及腕关节的当前角度信息，并将所述当前角度信息发送至所述控制单元；
步骤S54，所述控制单元根据所述当前角度信息控制所述动作组件执行所述动作指令。
所述步骤S54包括：所述控制单元生成肩关节、肘关节及腕关节的当前角度至指令角度的平滑位置曲线，然后再根据所述平滑位置曲线生成序列传送规则点，并发送至所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件，以控制所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件共同动作以完成所述动作指令。
图10示出了一个示范性实施例中对上臂进行训练时的被动模式的流程，包括如下步骤：
步骤S61，操作者穿戴所述上肢康复训练装置；
步骤S62，确认所述上肢康复训练装置已经初始化后，将所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件均设置为力矩控制模式；
步骤S63，操作者动作，同时所述力传感器检测所述第二绳驱模组及所述第三绳驱模组的拉力值，并将所述拉力值发送至所述控制单元；
步骤S64，所述控制单元根据所述拉力值判断操作者的动作意图，并根据所述动作意图控制所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件驱动各关节运动，以执行相应动作指令。
所述步骤S64中，所述控制单元判断动作意图的方法类似于前述手指训练之被动模式中的步骤S44，本领域技术人员可仿照所述步骤S44进行设置，或者也可采用现有技术中的动作意图的判断方法进行设置，此处不再详细描述。
本实施例中，所述控制单元优选通过导纳控制法控制所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件驱动各个关节运动，以执行相应的动作指令。
本发明实施例提供的上肢康复训练方法和装置，在进行指关节、肩关节、肘关节和腕关节之前，还预先采集上肢在自然状态下运动的相关数据作为训练参数，以使指关节、肩关节、肘关节及腕关节在同时进行训练时能够保持协调，实现手指与上臂的同时训练，提高训练效率。而且，本实施例所提供的上肢训练装置相较于现有技术中的手指训练装置和上臂训练装置而言，可仅对控制单元进行改造，就使得两者能够联用而实现手指和上臂的同时训练，无需对其他硬件设备做大的改动，因而不会增加上肢康复训练装置的硬件成本的投入。
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种上肢康复训练装置，其特征在于，包括存储单元和控制单元，其中：
所述存储单元用于存储预训练数据，所述预训练数据为正常上肢在自然状态下运动时的相关数据；
所述控制单元用于采集所述预训练数据，并以所述预训练数据作为训练参数控制所述上肢康复训练装置选择性的进行手指康复训练和/或上臂康复训练；其中，所述手指康复训练包括指关节的康复训练，所述上臂康复训练包括肩关节、肘关节、腕关节中的至少一者的康复训练；
所述控制单元在采集所述预训练数据的过程中被配置用于：以当前操作者的穿戴尺寸为标准，从数据库中提取与当前操作者最接近的作为第一数据的运动模式数据，所述数据库中预存有不同的操作者的正常上肢在自然状态下的运动模式数据；从所述第一数据中提取各个关节的尺寸差曼哈顿距离范数最小的作为第二数据的运动数据模块；求算当前操作者的各个关节到达预定位置时的第一关节空间解；计算所述第二数据的第二关节空间解；计算所述第一关节空间解与所述第二关节空间解的距离范数，以所述第一关节空间解和所述第二关节空间解的距离范数为半径，并以所述第二数据中每一个轨迹规划中的点为圆心作多维空间球体，在多个所述多维空间球体中进行规划路径的采样计算，以求得若干个预期解；判断所述预期解是否在关节极限内，并取在所述关节极限内的预期解为所述预训练数据。
2.根据权利要求1所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述上肢康复训练装置还包括动作组件和传感器阵列，所述动作组件与所述控制单元通讯连接并用于驱动各个关节运动，所述传感器阵列与所述控制单元通讯连接，并包括力传感器，所述力传感器用于检测所述动作组件受到的力；
所述上肢康复训练装置具有主动模式和被动模式，所述控制单元用于在所述被动模式下采集所述预训练数据；
所述控制单元在采集所述预训练数据的过程中被配置用于：记录操作者的正常上肢在执行指定动作过程中所述动作组件的位置变化及其所受到的力的变化；判断操作者的正常上肢的运动次数是否达到预定训练次数；从操作者执行所述指定动作的时间序列中进行运动模式识别，并存储所述运动模式的数据，以作为所述预训练数据。
3.根据权利要求1所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述预期解的数量为至少三个。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述上肢康复训练装置还包括动作组件和传感器阵列，所述动作组件与所述控制单元通讯连接，并用于驱动各关节运动，所述传感器阵列与所述控制单元通讯连接，并包括位置传感器，所述位置传感器用于检测各关节的角度信息；
所述上肢康复训练装置具有主动模式和被动模式；
所述控制单元在所述主动模式中被配置用于：以所述预训练数据为训练参数发送动作指令；记录操作者各个关节的当前角度信息；根据所述当前角度信息控制所述动作组件执行所述动作指令。
5.根据权利要求4所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述控制单元根据所述当前角度信息控制所述动作组件执行所述动作指令的过程中被配置用于：生成各个关节的当前角度至指令角度的平滑位置曲线；根据所述平滑位置曲线生成序列传送规则点，并将所述规则点信息发送至所述动作组件，以控制所述动作组件执行所述动作指令。
6.根据权利要求4所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述动作组件包括绳驱组件和气动组件；所述绳驱组件包括第一绳驱模组，所述第一绳驱模组用于驱动操作者的指关节作伸展运动，所述气动组件用于驱动操作者的指关节作内屈运动；所述传感器阵列还包括力传感器，所述力传感器用于检测所述第一绳驱模组受到的拉力；
所述上肢康复训练装置的被动模式包括指关节的被动训练模式，在指关节的被动训练模式中，所述第一绳驱模组处于预紧状态；
所述控制单元在所述指关节的被动训练模式中被配置用于：记录操作者在进行动作时所述第一绳驱模组所受到的拉力值；根据所述拉力值判断操作者的动作意图，并根据所述动作意图和所述预训练数据控制所述动作组件执行相应动作。
7.根据权利要求6所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述控制单元在判断操作者的动作意图并控制所述动作组件执行相应动作的过程中被配置用于：若所述拉力值为零，所述控制单元判定操作者的动作意图是伸展运动，并根据所述预训练数据控制所述第一绳驱模组收紧，以驱动指关节作伸展运动；若所述拉力值大于零，且所述拉力值大于预先设置的阈值，所述控制单元判定操作者的动作意图是内屈运动，并控制所述第一绳驱模组放松，同时根据所述预训练数据控制所述气动组件驱动指关节作内屈运动。
8.根据权利要求7所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述控制单元用于通过导纳控制法控制所述第一绳驱模组收紧或放松。
9.根据权利要求4所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述动作组件包括绳驱组件和直驱组件，所述绳驱组件包括第二绳驱模组和第三绳驱模组，所述第二绳驱模组用于驱动操作者的腕关节运动，所述第三绳驱模组用于驱动所述操作者的肘关节运动，所述直驱组件用于驱动操作者的肩关节运动；所述传感器阵列还包括力传感器，所述力传感器用于检测所述第二绳驱模组和所述第三绳驱模组受到的力；
所述上肢康复训练装置的被动模式包括上臂的被动训练模式，在上臂的被动训练模式中，所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件均设置为力矩控制模式；
所述控制单元在上臂的被动训练模式中被配置用于：采集操作者在进行动作时所述第二绳驱模组和所述第三绳驱模组所受到的拉力值，并根据所述拉力值判断操作者的动作意图；根据所述动作意图和所述预训练数据控制所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件执行相应动作。
10.根据权利要求9所述的上肢康复训练装置，其特征在于，所述控制单元用于通过导纳控制法控制所述第二绳驱模组、所述第三绳驱模组及所述直驱组件执行相应动作。
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