CN113397918B - 一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制*** - Google Patents
一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，涉及外骨骼康复机器人领域，包括控制器模块、训练模式按键、肌电采集模块、姿态采集模块、电机模块和上位机；控制器模块包括微处理器、无线通讯装置和CAN通讯装置，电机模块包括电机驱动器和电机；肌电采集模块和姿态采集模块通过无线通讯装置与控制器模块连接，电机驱动器通过CAN通讯装置与控制器模块连接，接收并解析其指令后，控制电机的运动；训练模式包括被动训练模式、镜像训练模式和助动训练模式；助动训练模式可在患者自主训练时提供辅助力矩，优化康复训练。本发明的模块化结构能够提高***的维护性，同时优化了训练模式，满足患者多元化的康复需求，提高康复效率。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人领域，尤其涉及一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制***。
背景技术
由《中国脑卒中防治报告》统计，我国40岁以上人群脑卒中患者人数多达1242万，而55％至75％的脑卒中患者会出现偏瘫，从而造成严重的行动障碍，甚至是丧失行动能力。现有的康复医学理论和实践证明，正确、科学、合理的康复训练可以有效缓解病情发展，并对恢复患者的肢体功能起到十分重要的作用。
传统治疗方式主要依靠医护人员对患者进行一对一的辅助训练，这种训练方式对人员的技术要求较高，且耗时耗力。随着机器人技术的不断发展，人们将机器人技术与医学理论相结合，研发出了各种康复机器人以替代人的徒手操作。康复机器人不仅减轻了医护人员的负担，而且能够长期稳定的辅助患者进行康复训练。
目前大多数康复机器人体积较大，且价格昂贵，不利于社区和居家康复，而大型综合康复医院的康复治疗，给患者及其家属带来沉重的经济负担。穿戴式外骨骼优点鲜明，结构轻便，适应性高，满足了康复治疗从医院走向社区和家庭的巨大需求。现有的便携性上肢康复机器人的控制***大部分为一个整体，控制***较为复杂，维护不便；同时其提供的训练模式不足，不能很好满足患者上肢多元的康复训练需求和适应患者康复训练中患者的主动运动意图，且人机交互性较差，使得患者无法借助外骨骼康复机器人达到较为理想的训练效果。因此，本领域的技术人员致力于开发一款穿戴式、结构轻便、多康复训练模式的肘关节外骨骼康复控制***。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是优化外骨骼机器人的控制***，提高使用便捷性和维护性；同时，优化外骨骼机器人的训练模式，能够给患者提供有助于患病侧上肢康复的多元选择，增强康复效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，使用了模块化的理念加上无线连接的方法，提高***的维护性；同时，该控制***可根据不同的训练模式选用不同的模块，为该训练模式提供精准的数据，从而达到更加理想的训练效果。
本发明通过以下技术方案实现：一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，包括控制器模块、训练模式按键、肌电采集模块、姿态采集模块、电机模块和上位机；其中，
所述控制器模块包括微处理器、无线通讯装置和CAN通讯装置，所述电机模块包括电机驱动器和电机；
所述肌电采集模块和所述姿态采集模块通过所述无线通讯装置与所述控制器模块连接，所述微处理器通过所述无线通讯装置接收所述肌电采集模块和所述姿态采集模块无线发送的数据，进行分析计算并生成指令，发送给所述电机模块；
所述电机驱动器通过所述CAN通讯装置与所述控制器模块连接，接收所述控制器模块的指令，进行解析并控制所述电机的运动，同时所述电机驱动器将所述电机的实时状态发送给所述控制器模块；
所述训练模式按键布置于所述控制器模块上，包括：
被动训练模式按键，用于启动被动训练模式：所述控制器模块接收所述被动训练模式按键信号，根据预设的程序向所述电机驱动器发送控制指令，控制所述电机驱动外骨骼带动患者患病侧上肢做平稳屈伸运动；所述被动训练模式提供高、中、低三种不同的角速度进行选择；
镜像训练模式按键，用于启动镜像训练模式，所述控制器模块接收所述镜像训练模式按键信号，根据所述姿态采集模块采集患者健康侧上肢的角度信号，解析健康侧上肢的肘关节角度，控制所述电机模块根据所述肘关节角度，驱动外骨骼带动患者患病侧上肢做跟随健康侧上肢的同步屈伸运动；
助动训练模式按键，用于启动助动训练模式，所述控制器模块接收所述助动训练模式按键信号，根据患者患病侧上肢提供的主动力矩，计算患病侧上肢所需的辅助力矩，控制所述电机模块驱动外骨骼提供所述辅助力矩，使患病侧上肢有足够的力矩做屈伸运动。
进一步地，所述控制器模块在所述助动训练模式下，通过所述肌电采集模块和所述姿态采集模块传输的患者患病侧上肢屈伸运动时的表面肌电信号和角度信号，结合预设的神经网络得到所述主动力矩。
进一步地，所述神经网络通过解析和训练患者患病侧上肢做目标屈伸运动时的表面肌电信号和角度信号而得到；所述神经网络预先输入所述控制器模块。
进一步地，所述神经网络有5个输入信号和1个输出信号，所述输入信号分别为肱二头肌肌电信号、肱三头肌肌电信号、肱桡肌肌电信号、肘关节角度信号和肘关节角加速度信号，所述肱二头肌肌电信号、所述肱三头肌肌电信号和所述肱桡肌肌电信号为经过预处理的信号；所述输出信号为所述主动力矩。
进一步地，所述辅助力矩的值为所述主动力矩乘以辅助率。
进一步地，所述辅助率为预先输入所述控制器模块的数据，可根据实际情况调整数值大小。
进一步地，所述肌电采集模块包括干电极板、信号处理板、第一微处理器和第一无线通讯装置，所述干电极板采集的表面肌电信号，经所述信号处理板和所述第一微处理器预处理后，通过所述第一无线通讯装置发送到所述控制器模块。
进一步地，所述姿态采集模块包括姿态传感器、第二微处理器和第二无线通讯装置，所述姿态传感器采集的角度信号，经所述第二微处理器分析处理，通过所述第二无线通讯装置发送到所述控制器模块。
进一步地，所述上位机为PC主机，用于接收、显示和保存所述控制器模块发送的所述表面肌电信号和所述角度信号，也可用于调试所述电机模块。
进一步地，所述控制器模块、所述肌电采集模块、所述姿态采集模块和所述电机模块使用锂电池供电。
本发明的有益效果是：提供了一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，优化了控制***的结构，简化了控制***的连接；同时，提供了多元化的训练模式，使用方便，有助于患者患病侧上肢肌力的恢复，尤其是助动训练模式，引入适用于患者个人的神经网络，在患者主动训练患病侧上肢的同时，为患病侧提供有益于康复的辅助力矩，优化了患者的康复运动，提高康复效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明控制***示意图；
图2是本发明控制***的工作流程图；
图3是本发明控制***中助动训练模式工作流程图；
图4是本发明控制***中使用遗传算法优化神经网络训练的流程图；
图5是本发明控制***的外骨骼模型图。
其中，1-控制器模块，2-肌电采集模块，3-姿态采集模块，4-电机模块，5-上位机，11-无线通讯装置，12-CAN通讯装置，41-电机驱动器，42-电机。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明提供了一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，包括控制器模块1、肌电采集模块2、姿态采集模块3、电机模块4、上位机5和训练模式按键。
控制器模块1包括微处理器、无线通讯装置11和CAN通讯装置12；通过无线通讯装置11接收肌电采集模块2和姿态采集模块3无线发送的数据，进行分析计算，将生成的指令通过CAN通讯装置12发送给电机模块4。
电机模块4包括电机驱动器41和电机42；电机驱动器41通过CAN通讯装置12与控制器模块1连接，接收控制器模块1的指令，进行解析并控制电机42的运动，同时电机驱动器4将电机42的实时状态发送给控制器模块1。
肌电采集模块2包括干电极板、信号处理板、第一微处理器和第一无线通讯装置，干电极板传导人体皮肤表面的肌电信号，以差分的方式输入到信号处理板；信号处理板集成了放大、滤波和50Hz陷波功能，可对表面肌电信号进行预处理；第一微处理器将预处理的表面肌电信号(模拟电压信号)转换为数字信号，通过第一无线通讯装置发送到控制器模块1。
姿态采集模块3包括姿态传感器、第二微处理器和第二无线通讯装置，姿态传感器采集的角度信号，经第二微处理器分析处理，通过第二无线通讯装置发送到控制器模块1。
上位机5为PC主机，用于接收、显示和保存控制器模块1发送的表面肌电信号和角度信号，也可用于调试电机模块4。
控制器模块1、肌电采集模块2、姿态采集模块3和电机模块4使用锂电池供电。
训练模式按键布置于控制器模块1上，包括：被动训练模式按键，用于启动被动训练模式；镜像训练模式按键，用于启动镜像训练模式；助动训练模式按键，用于启动助动训练模式。
如图2所示，本发明提供的穿戴式肘关节外骨骼康复控制***的工作流程为：
步骤1:***上电进行初始化，初始化包括：
(1)肌电采集模块2和姿态采集模块3与控制器模块1建立无线连接；
(2)电机42自动寻找到绝对零点的位置。
步骤2:患者根据康复需求，触碰控制器模块1上的训练模式按键，控制器进行训练模式的判断，按下述三种训练模式进行工作：
(1)被动训练模式：患者患病侧上肢穿戴外骨骼后，控制器模块1根据预设的程序向电机驱动器41发送控制指令，进而控制电机42驱动外骨骼带动患病侧上肢做平稳屈伸运动；被动训练模式可选择高、中、低三种不同的角速度；外骨骼肘关节最大屈伸角度范围小于人体上肢最大屈伸角度；
(2)镜像训练模式：患者患病侧上肢穿戴外骨骼后，将两个姿态采集模块3分别固定在健康侧上肢上臂和下臂，姿态采集模块3采集健康测上肢的角度信号，并无线传输给控制器模块1；控制器模块1通过分析计算，得出健康侧肘关节角度，生成控制指令发送给电机驱动器41；电机驱动器41根据指令，控制电机42驱动患病侧外骨骼做跟随健康侧肘关节角度的运动；训练过程中，外骨骼运动具有最大运动角速度和角度限制，避免健康侧上肢运动过快或角度过大对患病侧上肢造成损伤；
(3)助动训练模式：如图3所示，训练前，先将三个肌电采集模块2分别固定在患者患病侧上肢的肱二头肌、肱三头肌和肱桡肌处，再将两个姿态采集模块3分别固定在患病侧上肢的上臂和下臂，然后由医护人员或家属辅助患者患病侧上肢做屈伸运动，运动的同时由肌电采集模块2采集肱二头肌、肱三头肌和肱桡肌处的肌电信号，姿态采集模块3采集上臂和下臂的角度信号；将采集到的数据用于离线的神经网络训练，得到一个训练好的神经网络。
患者进行助动训练时，将三个肌电采集模块2和两个姿态采集模块3分别固定在患者患病侧上肢上述相同位置，然后患病侧上肢穿戴好外骨骼；当患者自主进行患病侧上肢屈伸运动时，与屈伸运动相关的肱二头肌、肱三头肌和肱桡肌就会收缩或放松，进而产生了表面肌电信号的变化，肌电采集模块2实时采集表面肌电信号，并将数据无线传输到控制器模块1；姿态采集模块3实时采集患病侧上肢的角度信号，并将数据无线传输到控制器模块1；控制器模块1接收到表面肌电信号和角度信号后，对其进行预处理，其中包括特征提取和归一化等，计算出肘关节角度和角速度；然后将3个预处理后的表面肌电信号和肘关节角度、角速度，共计5个信号输入到训练好的神经网络中，该神经网络的输出信号为患者屈伸运动时肌肉产生的主动力矩；得到主动力矩后，根据设置的辅助率，按照主动力矩乘以辅助率的方法，可以计算辅助力矩；进而控制器模块1发送控制指令给电机驱动器41，控制电机42驱动外骨骼按照辅助力矩带动患病侧上肢进行屈伸运动；辅助率的大小可以根据患病侧的状态进行调整，以提供合适的辅助力矩，使得患者的主动力矩加上外骨骼的辅助力矩能够使患病侧上肢进行合理的屈伸运动。
上述神经网络训练流程如图4所示，按照遗传算法进行优化。因为神经网络随机初始化权重和阈值，并采用梯度下降的方式调整权重和阈值，这使得神经网络有可能因随机初始化而出现局部最优解，因此采用遗传算法对神经网络的初始值和阈值进行优化。首先初始化权重和阈值，然后将其输入到遗传算法中进行优化，进而获得最优权重和阈值，再接着进行神经网络的训练。
步骤3:训练完成，结束工作，卸下外骨骼和相应的采集模块。
训练过程中，可以进行复位操作，然后重新选择训练模式。
如图5所示，本发明提供的穿戴式肘关节外骨骼康复控制***的外骨骼三维图，外骨骼整体重量较轻，穿戴方便。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，其特征在于，包括控制器模块(1)、训练模式按键、肌电采集模块(2)、姿态采集模块(3)、电机模块(4)和上位机(5)；其中，
所述控制器模块(1)包括微处理器、无线通讯装置(11)和CAN通讯装置(12)，所述电机模块(4)包括电机驱动器(41)和电机(42)；
所述肌电采集模块(2)和所述姿态采集模块(3)通过所述无线通讯装置(11)与所述控制器模块(1)连接，所述微处理器通过所述无线通讯装置(11)接收所述肌电采集模块(2)和所述姿态采集模块(3)无线发送的数据，进行分析计算并生成指令，发送给所述电机模块(4)；
所述电机驱动器(41)通过所述CAN通讯装置(12)与所述控制器模块(1)连接，接收所述控制器模块(1)的指令，进行解析并控制所述电机(42)的运动，同时所述电机驱动器(41)将所述电机(42)的实时状态发送给所述控制器模块(1)；
所述训练模式按键布置于所述控制器模块(1)上，包括：
被动训练模式按键，用于启动被动训练模式：所述控制器模块(1)接收所述被动训练模式按键信号，根据预设的程序向所述电机驱动器(41)发送控制指令，控制所述电机(42)驱动外骨骼带动患者患病侧上肢做平稳屈伸运动；所述被动训练模式提供高、中、低三种不同的角速度进行选择；
镜像训练模式按键，用于启动镜像训练模式，所述控制器模块(1)接收所述镜像训练模式按键信号，根据所述姿态采集模块(3)采集患者健康侧上肢的角度信号，解析健康侧上肢的肘关节角度，控制所述电机模块(4)根据所述肘关节角度，驱动外骨骼带动患者患病侧上肢做跟随健康侧上肢的同步屈伸运动；
助动训练模式按键，用于启动助动训练模式，所述控制器模块(1)接收所述助动训练模式按键信号，根据患者患病侧上肢提供的主动力矩，计算患病侧上肢所需的辅助力矩，控制所述电机模块(4)驱动外骨骼提供所述辅助力矩，使患病侧上肢有足够的力矩做屈伸运动；
所述控制器模块(1)在所述助动训练模式下，通过所述肌电采集模块(2)和所述姿态采集模块(3)传输的患者患病侧上肢屈伸运动时的表面肌电信号和角度信号，结合预设的神经网络得到所述主动力矩；
所述神经网络通过解析和训练患者患病侧上肢做目标屈伸运动时的表面肌电信号和角度信号而得到；所述神经网络预先输入所述控制器模块(1)；
所述神经网络有5个输入信号和1个输出信号，所述输入信号分别为肱二头肌肌电信号、肱三头肌肌电信号、肱桡肌肌电信号、肘关节角度信号和肘关节角加速度信号，所述肱二头肌肌电信号、所述肱三头肌肌电信号和所述肱桡肌肌电信号为经过预处理的信号；所述输出信号为所述主动力矩；
所述辅助力矩的值为所述主动力矩乘以辅助率；
所述辅助率为预先输入所述控制器模块(1)的数据，根据实际情况调整数值大小。
2.如权利要求1所述的穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，所述肌电采集模块(2)包括干电极板、信号处理板、第一微处理器和第一无线通讯装置，所述干电极板采集的表面肌电信号，经所述信号处理板和所述第一微处理器预处理后，通过所述第一无线通讯装置发送到所述控制器模块(1)。
3.如权利要求1所述的穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，所述姿态采集模块(3)包括姿态传感器、第二微处理器和第二无线通讯装置，所述姿态传感器采集的角度信号，经所述第二微处理器分析处理，通过所述第二无线通讯装置发送到所述控制器模块(1)。
4.如权利要求1所述的穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，所述上位机(5)为PC主机，用于接收、显示和保存所述控制器模块(1)发送的所述表面肌电信号和所述角度信号，还用于调试所述电机模块(4)。
5.如权利要求1所述的穿戴式肘关节外骨骼康复控制***，所述控制器模块(1)、所述肌电采集模块(2)、所述姿态采集模块(3)和所述电机模块(4)使用锂电池供电。
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