專利名稱：基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用于腦卒中造成的上肢功能障礙康復訓練系統(tǒng)，尤其是一種 應用于腦癱、外傷、高位截癱、周圍神經(jīng)損傷等引起的上肢功能障礙的康復訓練系統(tǒng)。
背景技術：
國務院2006年抽樣調(diào)查表明，我國僅腦卒中幸存患者就有600多萬，其中偏 癱、行走能力喪失是最主要的后遺癥。腦卒中后大約有85%患者伴有上肢功能缺損， 他們中的55-75%患者在發(fā)病后3 - 6個月仍伴有上肢功能障礙，研究腦卒中后上肢功 能的恢復問題已成為臨床康復領域中最富有挑戰(zhàn)性的課題。目前上述上肢功能障礙主 要采用強制性運動療法(Cl)、運動想象(MI)療法、神經(jīng)訓導療法、生物反饋療法、 EMG-stim療法、CPM療法等，但上述療法都存在不同程度的局限性。由于許多患者存 在初期表面肌電喪失、上肢功能嚴重障礙等問題，因此肌電生物反饋療法、EMG-stim療 法等難以應用，另外CPM療法需要操作設備，嚴重功能障礙患者需要專門人員協(xié)助，因 此如果能把語音控制技術應用于系統(tǒng)控制與輔助觸發(fā)，將對改進上述康復訓練問題具有 實際意義。另一方面，研發(fā)一種能綜合利用主要治療新方法并適應多種上肢功能障礙的 新型康復治療系統(tǒng)，也將對提高我國腦卒中患者上肢功能障礙康復水平、促進我國上肢 康復訓練設備的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)用語 音信號控制上肢連續(xù)被動訓練(CPM)，使患者能夠通過說出控制命令即可自主控制上 肢功能綜合康復訓練系統(tǒng)完成上肢的CPM訓練。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種基于語音信號控制的上肢功能康 復訓練系統(tǒng)，包括主控模塊、CPM運動模塊、語音模塊以及控制面板，其特點是
用戶通過控制面板選擇語音操作模式后，發(fā)出語音命令，通過麥克風傳遞至語音模 塊，語音模塊經(jīng)過接收、分析后匹配至相關的控制命令請求，傳送給主控模塊，主控模 塊將請求轉化為相應的控制命令傳送至CPM運動模塊，從而帶動患者上肢進行運動。1、主控模塊由PC機、輸入設備、通訊設備、控制程序四大部分組成，用戶通 過PC機和控制程序選擇訓練模式、時間、強度、系統(tǒng)操作方式、記錄病歷后，輸入設備 接收輸入裝置、語音模塊、CPM運動模塊傳送的反饋信息，并進行處理后向人機交互顯 示器、語音模塊、CPM運動模塊發(fā)出控制命令。2、CPM運動模塊由控制模塊，腕、肘、肩關節(jié)轉動電機，減速機構，佩帶裝置 組成，控制模塊用于接收系統(tǒng)主控模塊的控制命令，并輸出控制信號給腕、肘、肩關節(jié) 轉動電機，腕、肘、肩關節(jié)轉動電機啟動后將動力經(jīng)過減速機構傳遞至佩帶裝置，由佩 帶裝置帶動患者肢體運動，進行康復訓練。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明利用語音識別技術，使患者能夠通過說出控制命令即可自主控制上肢功能綜 合康復訓練系統(tǒng)完成上肢的CPM訓練，而不需要康復醫(yī)生時刻陪同。與以往的上肢功 能康復訓練系統(tǒng)相比，本發(fā)明的語音控制上肢CPM增強了患者在康復訓練過程中的參 與度，尤其在偏癱初始，患者處于軟癱期，語音識別技術可以很好的幫助患者獨自進行 CPM訓練。這樣由患者自主控制康復訓練的過程，能夠使患者更主動地參與到康復訓練 中，有助于神經(jīng)感官與肢體運動聯(lián)系的重新建立，有助于康復效果的提升，同時該創(chuàng)新 之舉還為系統(tǒng)提供語音交互功能，使患者能更好的理解康復訓練的目的，建立康復訓練 與實際生的聯(lián)系，幫助患者更快的回歸生活、回歸工作。
圖1是基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)結構框圖； 圖2是基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)實例控制流程圖； 圖3是語音信號處理模塊結構框圖4是CPM運動模塊結構框圖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明主要功能是語音信號控制上肢連續(xù)被動訓練(CPM)。語音識別技術與上肢功能康復訓練結合是本發(fā)明的一大創(chuàng)新之處。語音識別技 術為系統(tǒng)提供語音控制功能，與以往的按鍵式操作并存。語音信號控制上肢連續(xù)被動訓 練是指利用麥克風采集患者說出的語音指令，包括肘關節(jié)伸展、肘關節(jié)屈曲、肩關節(jié)伸 展、肩關節(jié)屈曲、肩關節(jié)內(nèi)收、肩關節(jié)外展六個控制命令，再通過語音控制模塊對其分 析、識別，從而執(zhí)行相應的訓練動作，實現(xiàn)上肢三個自由度的CPM訓練。本發(fā)明中的語音信號控制上肢連續(xù)被動訓練(CPM)通過以下四種方式實現(xiàn) (1)能夠識別使用者通過聲音發(fā)出的訓練控制命令，實現(xiàn)腕關節(jié)兩個自由度、肘關
節(jié)一個自由度、肩關節(jié)三個自由度的運動。(2)能都通過語音控制調(diào)節(jié)CPM運動模塊電機運轉速度，從而調(diào)整康復訓練 強度。(3)患者能夠自行設定各種系統(tǒng)命令對應的語音控制命令，話語含糊不清的患 者也能方便使用。(4)能夠響應相關的系統(tǒng)操作語音命令，對設備進行控制，如開始訓練、停止 訓練、選擇訓練項目等。(5)能夠進行語音交互功能，如向患者提問，回答患者問題等交互功能。如圖1所示，本發(fā)明的基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)，包括主控 模塊6、CPM運動模塊5、語音模塊2以及控制面板4。各個功能模塊由主控模塊6調(diào)節(jié) 配合，各自完成相應功能。(1)主控模塊6
主控模塊6主要負責調(diào)配各個系統(tǒng)模塊協(xié)同工作，由PC機、輸入設備、通訊設備、 控制軟件四大部分組成。主控模塊6的運作由控制軟件決定，用戶可以通過控制軟件選擇訓練模式、時間、強度、系統(tǒng)操作方式、記錄病歷等。主控模塊6是本系統(tǒng)的核心控 制端，接收輸入裝置、語音模塊2、CPM運動模塊5傳送的反饋信息，并進行處理后向相 應的被控模塊(包括人機交互顯示器1、語音模塊2、CPM運動模塊5)發(fā)出控制命令。 在發(fā)明的一個實例中，如附圖1所示，用戶通過控制面板4選擇系統(tǒng)操作方式，可選手動 操作與語音操作兩種模式。在選擇語音操作的模式下，用戶說出的語音命令，通過麥克 風3傳遞至語音模塊2，語音模塊2經(jīng)過接收、分析后匹配至相關的控制命令請求，傳送 給主控模塊6，主控模塊6將請求轉化為相應的控制命令傳送至CPM運動模塊5，從而帶 動患者上肢進行運動。控制流程設計見附圖2，語言控制命令輸入單步動作或計劃動作 給無線麥克風，如單步動作，無線麥克風輸出“肩外展”，“肘伸”，一一 “肩伸展” 等語音控制命令給語音模塊，如計劃動作，無線耳麥輸出“計劃一”——“計劃N” 語音控制命令給語音模塊，語音模塊將傳入處理結果送至PC機主控系統(tǒng)，PC機主控系 統(tǒng)將計算電機補償力輸出電機控制參數(shù)，轉矩、位置、速度等傳給關節(jié)運動驅動系統(tǒng)來 驅動人體肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)電機，帶動人體肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)運動，同時 人體肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)電機將反饋轉矩、位置、速度信息給關節(jié)運動驅動系統(tǒng)對 人體肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)電機進行實時修正；另外，關節(jié)運動驅動系統(tǒng)將機械臂參 數(shù)、關節(jié)轉矩、終端位置、速度經(jīng)VRP虛擬現(xiàn)實軟件輸出實時變化的三維環(huán)境、聲音、 力回饋信號給人體感官系統(tǒng)。(2)語音模塊2
語音模塊2負責處理使用者發(fā)出的語音控制命令。能夠實時采集患者發(fā)出的語音控 制命令，并轉化為系統(tǒng)中對應的控制命令進行輸出進而控制CPM運動模塊5運動。應 用實例中，如圖3所示，語音模塊2由IO通訊模塊7、語音處理電路9、語音信號處理芯 片8、麥克風3 (語音信號采集模塊)組成。IO通訊模塊7負責語音模塊2與主控模塊 6之間控制命令的傳遞與信息的溝通，語音信號處理芯片8負責分析語音信號，匹配語音 模塊等運算工作；語音處理電路9負責調(diào)節(jié)語音處理芯片8與存儲器等硬件資源的互相通 訊；麥克風3 (語音信號采集模塊)負責采集語音信號及發(fā)出語音命令。如圖2所示，在實例中，患者則可以根據(jù)自身的感受，在合適的時間通過麥克 風(語音信號采集模塊)發(fā)出語音控制命令，如說出“開始肘屈”命令。該命令通過語 音模塊處理后轉換成肘關節(jié)屈曲的控制信號通過通訊部件傳遞給主控模塊，有主控模塊 控制CPM運動模塊中的肘關節(jié)電機模塊開始工作，完成屈肘動作。同理可完成肩關節(jié)收 展、腕關節(jié)旋轉等動作；患者可說出“停止肘屈”命令，使CPM運動模塊停止工作，從 而控制CPM持續(xù)時間；在CPM過程中，患者可以說出“加強”或“減弱”等控制命令 來控制CPM運動模塊各關節(jié)電機的運轉速度，從而調(diào)節(jié)康復訓練強度。(3) CPM 運動模塊 5
CPM運動模塊5負責固定患者上肢、帶動患者上肢進行康復運動。結構組成如圖 4所示，其主要由控制模塊14，腕、肘、肩關節(jié)轉動電機10，11，12，減速機構13，佩 帶裝置14組成。其中，控制模塊14負責接收系統(tǒng)主控模塊6的控制命令，并輸出控制 信號給腕、肘、肩關節(jié)轉動電機10，11，12，腕、肘、肩關節(jié)轉動電機10，11，12，啟 動后將動力經(jīng)過減速機構13傳遞至佩帶裝置15，由佩帶裝置15帶動患者肢體運動，進行 康復訓練。
權利要求
1.一種基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)，包括主控模塊(6)、CPM運 動模塊(5)、語音模塊(2)以及控制面板(4)，其特征在于用戶通過控制面板(4)選擇語音操作模式后，發(fā)出語音命令，通過麥克風(3)傳遞至語音模塊(2)， 語音模塊(2)經(jīng)過接收、分析后匹配至相關的控制命令請求，傳送給主控模塊(6)， 主控模塊(6)將請求轉化為相應的控制命令傳送至CPM運動模塊(5)，從而帶動患者 上肢進行運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)，其特征在于 所述主控模塊(6)由PC機、輸入設備、通訊設備、控制程序四大部分組成，用戶通過 PC機和控制程序選擇訓練模式、時間、強度、系統(tǒng)操作方式、記錄病歷后，輸入設備接 收輸入裝置、語音模塊(2)、CPM運動模塊(5)傳送的反饋信息，并進行處理后向人 機交互顯示器(1)、語音模塊(2)、CPM運動模塊(5)發(fā)出控制命令。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)，其特征在 于所述CPM運動模塊(5)由控制模塊(14)，腕、肘、肩關節(jié)轉動電機(10，11， 12)，減速機構(13)，佩帶裝置(15)組成，控制模塊(14)用于接收系統(tǒng)主控模塊(6)的控制命令，并輸出控制信號給腕、肘、肩關節(jié)轉動電機(10，11，12)，腕、 肘、肩關節(jié)轉動電機(10，11，12)啟動后將動力經(jīng)過減速機構(13)傳遞至佩帶裝置(15)，由佩帶裝置(15)帶動患者肢體運動，進行康復訓練。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于語音信號控制的上肢功能康復訓練系統(tǒng)，包括主控模塊、CPM運動模塊、語音模塊以及控制面板。用戶通過控制面板選擇語音操作模式后，發(fā)出語音命令，通過麥克風傳遞至語音模塊，語音模塊經(jīng)過接收、分析后匹配至相關的控制命令請求，傳送給主控模塊，主控模塊將請求轉化為相應的控制命令傳送至CPM運動模塊，從而帶動患者上肢進行運動。該系統(tǒng)用語音信號控制上肢連續(xù)被動訓練(CPM)，使患者能夠通過說出控制命令即可自主控制上肢功能綜合康復訓練系統(tǒng)完成上肢的CPM訓練。
文檔編號A61H1/00GK102008385SQ20101059597
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2010年12月20日
發(fā)明者喻洪流, 徐兆紅, 簡卓, 顧余輝 申請人:上海理工大學