一種并指術(shù)后可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套裝置及康復(fù)訓(xùn)練方法與流程

本發(fā)明涉及一種并指術(shù)后可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套裝置及康復(fù)訓(xùn)練方法，用于并指術(shù)后康復(fù)的可穿戴機(jī)器人手套及康復(fù)訓(xùn)練方法，屬于康復(fù)工程和機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

并指是兩個(gè)以上手指部分或全部組織成分先天性病理相連，是僅次于多指畸形的常見(jiàn)手部先天性畸形。據(jù)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization簡(jiǎn)稱(chēng)WHO）資料統(tǒng)計(jì)并指的發(fā)病率為0.33‰至0.5‰，半數(shù)患兒為雙側(cè)性并指，男女比例為3：1。目前并指術(shù)后康復(fù)治療還停留在醫(yī)生和家長(zhǎng)密切配合下，指導(dǎo)孩子進(jìn)行功能鍛煉，有時(shí)還要配合中草藥熏洗、按摩等方法進(jìn)行康復(fù)鍛煉，使手指各關(guān)節(jié)活動(dòng)正常?？祻?fù)訓(xùn)練往往需要長(zhǎng)期反復(fù)執(zhí)行，而傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式對(duì)康復(fù)醫(yī)師具有依賴(lài)性，加上患者眾多，康復(fù)治療師數(shù)量有限。這樣就會(huì)導(dǎo)致一方面康復(fù)醫(yī)師的工作量增加，另一方面，訓(xùn)練時(shí)間不能保障，而且長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性訓(xùn)練極易使康復(fù)治療師疲勞，有可能造成訓(xùn)練誤差、對(duì)患者訓(xùn)練強(qiáng)度不足等不利影響。因此傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式存在康復(fù)效率低，不利于開(kāi)展臨床康復(fù)等缺點(diǎn)。

醫(yī)學(xué)研究表明，手部在大腦相應(yīng)皮層投射區(qū)，可隨著手功能的改變發(fā)生漂移和轉(zhuǎn)換，即手部的大腦皮層投射區(qū)具有可塑性。同時(shí)，隨著大腦皮層投射區(qū)的可塑性變化．可引起手部功能的改變。對(duì)于先天性并指患者，術(shù)前作腦磁波描記圖顯示，并指在大腦皮層的代表區(qū)是融臺(tái)的，沒(méi)有分開(kāi)，進(jìn)行并指分離術(shù)后同法檢測(cè)，顯示相應(yīng)的皮層代表區(qū)已經(jīng)分離。大腦皮層區(qū)的可塑性變化。在很大程度上是訓(xùn)練的結(jié)果。即獲得的功能強(qiáng)弱與訓(xùn)練呈正相關(guān)。并指術(shù)后的恢復(fù)訓(xùn)練應(yīng)在積極的環(huán)境下進(jìn)行，被動(dòng)或不積極的訓(xùn)練，對(duì)于促進(jìn)皮層功能區(qū)的功能變化價(jià)值不大。并指患者手功能的恢復(fù)可以通過(guò)訓(xùn)練手指抓握和精細(xì)動(dòng)作的活動(dòng)來(lái)進(jìn)行。訓(xùn)練的越好，功能恢復(fù)的越好，皮層代表區(qū)得到的反饋越多，則有用的功能重組發(fā)生越快。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服并指患者現(xiàn)有術(shù)后訓(xùn)練方式康復(fù)效率低，不利于開(kāi)展臨床康復(fù)等不足，本發(fā)明提供一種并指術(shù)后可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套裝置及康復(fù)訓(xùn)練方法。該手套裝置利用表面肌電信號(hào)作為控制信號(hào)，兩個(gè)指套分別佩戴于并指術(shù)后兩個(gè)手指上。手套上配有無(wú)線接收裝置，使患者使用更加方便。指套里有關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，可以測(cè)得患者訓(xùn)練動(dòng)作手指關(guān)節(jié)的位置和用力的大小。另外，患者可以根據(jù)自己手指關(guān)節(jié)的大小自行調(diào)節(jié)指套的大小，滿(mǎn)足了差異化的需要。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種并指術(shù)后可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套裝置，包括用于供電的電源模塊以及肌電信號(hào)采集模塊、主控芯片模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、可穿戴手套模塊、顯示模塊，其中：

肌電信號(hào)采集模塊，用于采集患者手臂肌肉的表面肌電信號(hào)；

可穿戴手套模塊包括兩個(gè)分別佩戴在患者兩并指上的指套，每個(gè)指套上還分別設(shè)有關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器分別用于采集訓(xùn)練動(dòng)作手部關(guān)節(jié)的位置和力的大?。?/p>

運(yùn)動(dòng)控制模塊，與可穿戴手套模塊連接，用于根據(jù)主控芯片模塊的控制指令控制兩個(gè)指套進(jìn)行動(dòng)作、接收關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器采集到的數(shù)據(jù)；

主控芯片模塊，與肌電信號(hào)采集模塊連接，接收肌電信號(hào)采集模塊采集到的肌電信號(hào)；與運(yùn)動(dòng)控制模塊連接，用于根據(jù)接收到的肌電信號(hào)向運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)出控制指令；與顯示模塊連接，用于將運(yùn)動(dòng)控制模塊傳輸?shù)年P(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至顯示模塊進(jìn)行顯示。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，肌電信號(hào)采集模塊包括依次連接的高密度矩陣式電極貼片、前置放大電路、濾波電路、工頻陷波電路、可變?cè)鲆娣糯箅娐?、A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與主控芯片模塊連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，數(shù)據(jù)采集卡為AC6621 PCII數(shù)據(jù)采集卡。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，運(yùn)動(dòng)控制模塊包括控制器以及分別與其連接的無(wú)線收發(fā)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及兩個(gè)分別與兩個(gè)指套連接的電機(jī)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，電源模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路，電池、電流傳感器和主控芯片模塊依次連接，蜂鳴器電路與主控芯片連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，PVDF壓電薄膜傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)包括依次連接的壓電薄膜傳感器、放大電路、LC濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。

另一方面，本發(fā)明還提供一種基于上述并指術(shù)后可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套裝置的并指術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練方法，該方法包括以下步驟：

步驟1，患者將肌電信號(hào)采集模塊佩戴在手臂上，兩個(gè)指套分別佩戴在兩并指上；

步驟2，患者通過(guò)主觀意愿控制指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，肌電信號(hào)采集模塊采集此時(shí)手臂上肌肉的表面肌電信號(hào)，并傳輸至主控芯片模塊；

步驟3，主控芯片模塊根據(jù)接收到的表面肌電信號(hào)向運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)出控制指令；

步驟4，運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)接收到的控制指令，控制兩個(gè)指套進(jìn)行動(dòng)作；

步驟5，兩個(gè)指套上的關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器采集此時(shí)的訓(xùn)練動(dòng)作手部關(guān)節(jié)的位置和力的大小，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制模塊傳輸至主控芯片模塊；

步驟6，主控芯片模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至顯示模塊進(jìn)行顯示；

步驟7，患者根據(jù)顯示模塊顯示的數(shù)據(jù)以及術(shù)后醫(yī)囑的訓(xùn)練計(jì)劃，調(diào)整訓(xùn)練動(dòng)作，繼續(xù)完成訓(xùn)練。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

（1）改變并指患者康復(fù)訓(xùn)練方式，不再依賴(lài)傳統(tǒng)的康復(fù)治療師，使之在家就能進(jìn)行自主的康復(fù)訓(xùn)練；

（2）此發(fā)明可以很大程度上提高并指患者術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練的效率，使他們?cè)缛栈貧w健康生活。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2是FPGA主控芯片模塊功能框圖。

圖3是肌電信號(hào)采集模塊功能框圖。

圖4是運(yùn)動(dòng)控制模塊功能框圖。

圖5是關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器系統(tǒng)框圖。

圖中：1-主控芯片模塊，2-肌電信號(hào)采集模塊，3-顯示模塊，4-電流傳感器，5-電池，6-運(yùn)動(dòng)控制模塊，7-可穿戴手套模塊，8-PVDF壓電薄膜傳感器，9-關(guān)節(jié)位置傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

為了克服并指患者現(xiàn)有術(shù)后訓(xùn)練方式康復(fù)效率低，不利于開(kāi)展臨床康復(fù)等不足，本發(fā)明提出了一種基于表面肌電信號(hào)作為控制信號(hào)的可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套及康復(fù)訓(xùn)練方法。

本發(fā)明提出一種并指術(shù)后可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套裝置，該手套裝置利用表面肌電信號(hào)作為控制信號(hào)，兩個(gè)指套分別佩戴于并指術(shù)后兩個(gè)手指上。手套上配有無(wú)線接收裝置，使患者使用更加方便。指套里有關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，可以測(cè)得患者訓(xùn)練動(dòng)作手指關(guān)節(jié)的位置和用力的大小。另外，患者可以根據(jù)自己手指關(guān)節(jié)的大小自行調(diào)節(jié)指套的大小，滿(mǎn)足了差異化的需要。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明一種并指術(shù)后可穿戴康復(fù)機(jī)器人手套裝置，如圖1所示，包括肌電信號(hào)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、FPGA主控芯片模塊、可穿戴手套模塊、電源模塊、顯示模塊等組成。所述肌電信號(hào)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、電源模塊與FPGA主控芯片相連，所述運(yùn)動(dòng)控制模塊與可穿戴手套模塊相連。這種模塊化設(shè)計(jì)使對(duì)模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試、修改變得簡(jiǎn)單方便，同時(shí)也使控制系統(tǒng)變得更加獨(dú)立和靈活。

如圖2所示，肌電信號(hào)采集模塊包括依次連接的高密度矩陣式電極貼片、前置放大電路、濾波電路、工頻陷波電路、可變?cè)鲆娣糯箅娐?、A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡與主控芯片模塊連接。首先采用意大利高密度矩陣式電極貼片作為表面肌電信號(hào)傳感器，分別測(cè)得并指患者對(duì)應(yīng)手臂的內(nèi)側(cè)和外測(cè)的表面肌電信號(hào)，然后由LM358運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大，由RC電路組成的濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。由于表面肌電信號(hào)主要能量集中在50~160Hz，所以必須有50Hz雙T工頻陷波電路進(jìn)行工頻陷波處理。由于前置放大電路放大倍數(shù)不能過(guò)高，否則會(huì)使噪聲串?dāng)_影響加大，所以加上可變?cè)鲆娣糯箅娐罚@樣可以根據(jù)患者的實(shí)際情況，由可變?cè)鲆娣糯箅娐愤M(jìn)行放大，以滿(mǎn)足個(gè)體差異性的放大倍數(shù)。最后由AC6621 PCI數(shù)據(jù)采集卡將A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口輸入到FPGA主控芯片模塊處理。

FPGA主控芯片模塊主要作用是與肌電信號(hào)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、顯示模塊進(jìn)行通信，還處理多種傳感器信號(hào)和肌電信號(hào)傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)，這些功能的軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)C++語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，硬件采用的是Altera公司EP3C25F256C8N芯片作為控制核心。如圖3所示，F(xiàn)PGA的通信主要借助于2M的EEPROM進(jìn)行，由雙NIOS核構(gòu)成雙核處理器，其中一個(gè)核用于通信，另一個(gè)核用于肌電信號(hào)處理。RS—485通信接口外接無(wú)線發(fā)射電路與運(yùn)動(dòng)控制模塊中DSP為核心的運(yùn)動(dòng)控制電路的無(wú)線接收電路進(jìn)行通信，其中核內(nèi)元件AutoSCI通過(guò)MAX1483收發(fā)接口芯片實(shí)現(xiàn)。收發(fā)芯片MAX1483可以實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳送，但必修要通過(guò)3.3V的低壓才能實(shí)現(xiàn)。LVDS和CAN之間的數(shù)據(jù)傳送使用的是變更收發(fā)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的轉(zhuǎn)換，其電路設(shè)計(jì)部分采用的是復(fù)用電路的形式。LVDS的數(shù)據(jù)傳送使用的是美國(guó)德州儀器的收發(fā)接口芯片SN65HVD3082實(shí)現(xiàn)的，它的數(shù)據(jù)傳送速度很快，一般可達(dá)26Mbps，并與PCI控制卡保持通信，這樣的構(gòu)成優(yōu)點(diǎn)是確保了傳感器信息和控制信息之間傳遞不會(huì)延誤。

如圖4所示，運(yùn)動(dòng)控制模塊包括控制器以及分別與其連接的無(wú)線收發(fā)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及兩個(gè)分別與兩個(gè)指套連接的電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制模塊采用的美國(guó)德州儀器的DSP TMS320F28020作為控制器，采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方案，這樣能夠增加系統(tǒng)的通用性和互換性。它的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LB11820M，其內(nèi)部集成雙H橋，可直接控制直流無(wú)刷電機(jī)，它的作用主要是控制兩并指指套的驅(qū)動(dòng)，處理電機(jī)電流傳感器、關(guān)節(jié)位置傳感器、PVDF壓電薄膜傳感器采集的信息，并把處理后的信息通過(guò)RS-485接口外接的無(wú)線收發(fā)模塊傳遞給主控芯片模塊。

可穿戴手套模塊包括兩個(gè)指套，患者可以根據(jù)自己手指關(guān)節(jié)的大小進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，指套里有關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，可以測(cè)得訓(xùn)練動(dòng)作手關(guān)節(jié)的位置和力的大小，使訓(xùn)練動(dòng)作更加規(guī)范。如圖5所示，PVDF壓電薄膜傳感器包括壓電薄膜傳感器、放大電路、LC濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。PVDF壓電薄膜傳感器作為一種動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，非常適合應(yīng)用于人體皮膚表面或植入人體內(nèi)部的生命信號(hào)監(jiān)測(cè)，它是一種自發(fā)電式傳感器，放大電路主要采用的是LM368芯片對(duì)信息進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)LC濾波電路進(jìn)行濾波，最后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路把采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，關(guān)節(jié)位置傳感器系統(tǒng)也采用類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，這里不再贅述。

電源模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路，電池、電流傳感器和主控芯片模塊依次連接，蜂鳴器電路與主控芯片連接。電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池輸出電流大小，蜂鳴器電路用于電池電量過(guò)高報(bào)警。

此外，本發(fā)明還提供了一種冥想法和佩戴上述手套裝置進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合的方法。冥想法是患者主動(dòng)意愿控制的康復(fù)訓(xùn)練，首先需要患者先閉上眼睛，高度集中注意力，想象兩個(gè)手指已經(jīng)完全分開(kāi)，并分別完成抓握-放松的動(dòng)作，頻率為10秒一次，進(jìn)行連續(xù)10次的真實(shí)抓握-放松動(dòng)作后，休息15秒；然后進(jìn)行兩并指抓握的運(yùn)動(dòng)想象，同時(shí)嚴(yán)格控制兩并指不進(jìn)行任何實(shí)際肌肉收縮；運(yùn)動(dòng)想象20秒后，再依次循環(huán)執(zhí)行上面所述一系動(dòng)作。冥想法在不需要外來(lái)刺激的情況下，激活大腦自身細(xì)胞的可塑潛力，將中樞神經(jīng)系統(tǒng)的激活與主動(dòng)意愿結(jié)合起來(lái)，這樣能夠加快分離兩并指代表的大腦皮層重合區(qū)。

佩戴指套進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練包括以下步驟：采集并指患者控制指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的手臂上肌肉的表面肌電信號(hào)，并將所述表面肌電信號(hào)從模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；接收和處理數(shù)字表面肌電信號(hào)，發(fā)出控制指令；根據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)指套完成康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作；然后依據(jù)指套的關(guān)節(jié)位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器測(cè)得訓(xùn)練動(dòng)作手指關(guān)節(jié)的位置和力的大?。蝗魶](méi)有達(dá)到要求的精細(xì)訓(xùn)練動(dòng)作，患者會(huì)主動(dòng)有意識(shí)的進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而進(jìn)一步加快了大腦皮層的重組。因此本發(fā)明利用患者自身的表面肌電信號(hào)作為控制信號(hào)，是基于患者積極主動(dòng)訓(xùn)練基礎(chǔ)上進(jìn)行的，能夠很大程度上提高康復(fù)訓(xùn)練的效率。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。