专利名称：康复训练机器人控制系统及控制方法
康复训练机器人控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及康复医疗领域，特别是涉及一种用于患者踝关节康复训练的康复训练机器人控制系统及控制方法。
背景技术：
康复训练机器人作为医疗机器人的一个重要分支，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，康复训练机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。踝关节康复训练机器人是用于患者踝关节康复训练的一种康复训练机器人。传统的踝关节康复训练机器人对患者踝关节的康复训练主要采用被动训练控制，即踝关节康复训练机器人根据固定的康复训练模式带动患者的踝关节做康复运动。由于患者的康复情况和训练需求不同，被动训练控制采用固定的模式进行康复训练，训练模式比较单一，不利于患者踝关节的迅速康复。随着康复医疗技术的发展，虽然出现了根据患者主动意识进行训练的康复训练机器人，但是所采集的主动意识信号参数比较单一，不能准确反映患者的主动意识，容易产生误动作，给患者康复训练带来负面影响。
发明内容基于此，有必要提供一种能够准确反映患者的主动意识、根据患者的不同需求进行踝关节康复训练的康复训练机器人控制系统。一种康复训练机器人控制系统，包括表面肌电信号采集模块，用于采集患者小腿部控制踝关节运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号从模拟量转换成数字量；足底压力信号采集模块，用于采集患者的足底压力信号并将所述足底压力信号从模拟量转换成数字量；计算机模块，与所述表面肌电信号采集模块和所述足底压力信号采集模块相连，用于接收并处理数字量表面肌电信号和数字量足底压力信号，发出控制指令；驱动模块，与所述计算机模块相连，用于根据所述计算机模块发出的控制指令驱动康复训练机器人动作。在优选的实施例中，所述计算机模块包括人机交互单元，所述人机交互单元用于设定初始化模式、被动控制模式、主动控制模式或阻抗控制模式；所述初始化模式用于对所述驱动模块进行初始化；所述被动控制模式用于根据系统设定的固定的训练模式向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练；所述主动控制模式用于根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力 信号向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练；所述阻抗控制模式用于根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动康复训练机器人在患者的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。在优选的实施例中，所述计算机模块还包括信号处理单元、与所述信号处理单元相连的特征值提取单元、与所述特征值提取单元连接的模式识别单元和与所述模式识别单元连接的控制单元，所述信号处理单元用于对数字量足底压力信号和数字量表面肌电信号进行放大、整形和滤波；所述特征值提取单元用于对经所述信号处理单元处理后的数字量足底压力信号和数字量表面肌电信号进行特征值提取；所述模式识别单元用于对所述特征值提取单元提取的特征值进行描述、辨认、分类和解释；所述控制单元用于根据所述模式识别单元的处理结果发出相应的控制指令。在优选的实施例中，所述驱动模块包括运动控制卡、驱动器单元、电机单元和传感器单元，所述驱动器单元根据所述运动控制卡的控制信号驱动所述电机单元运转，所述电机单元的运转位置通过所述传感器单元回馈给所述运动控制卡，形成速度闭环控制。在优选的实施例中，所述驱动器单元包括四个驱动器，所述电机单元包括三个直流伺服电机和一个直流力矩电机，所述传感器单元包括四个位置传感器，每个电机通过一 个驱动器和一个位置传感器与所述运动控制卡形成一路速度闭环控制。在优选的实施例中，所述表面肌电信号采集模块包括表面肌电极单元和表面肌电仪，所述表面肌电极单元安置在患者控制踝关节运动的肌肉的表面，用于采集表面肌电信号；所述表面肌电仪与所述表面肌电极单元相连，用于将所述表面肌电极单元采集的表面肌电信号从模拟量转换成数字量。在优选的实施例中，所述表面肌电极单元包括四个表面肌电极，所述四个表面肌电仪分别安置在患者小腿的腓肠肌外肌、腓肠肌内肌、胫骨前肌和比目鱼肌。在优选的实施例中，所述足底压力信号采集模块包括阵列式传感器、压力采集板和压力采集盒，所述阵列式传感器设置于所述压力采集板上，用于采集患者的足底压力信号；所述压力采集盒与所述阵列式传感器相连，用于将所述阵列式传感器采集的足底压力信号从模拟量转换成数字量。此外，还提供了一种康复训练机器人控制系统的控制方法。一种康复训练机器人控制系统的控制方法，用于控制康复训练机器人，包括以下步骤采集患者小腿部控制踝关节运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号从模拟量转换成数字量；采集患者的足底压力信号并将所述足底压力信号从模拟量转换成数字量；接收并处理数字量表面肌电信号和数字量足底压力信号，发出控制指令；根据所述控制指令驱动康复训练机器人动作。在优选的实施例中，还包括设定初始化模式，对系统进行初始化；设定被动控制模式、主动控制模式及阻抗控制模式三种模式中的一种；其中在所述被动控制模式下，系统根据系统设定的固定的训练模式发出控制指令，驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练；在主动控制模式下，系统根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号发出控制指令，驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练；
在阻抗控制模式下，系统根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号发出控制指令，驱动康复训练机器人在患者的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。上述康复训练机器人控制系统及控制方法统中，表面肌电信号采集模块和足底压力信号采集模块采集反映患者主动意识的表面肌电信号和足底压力信号。计算机模块综合处理所采集的表面肌电信号和足底压力信号，能够准确反映患者的主动意识。驱动模块根据计算机模块发出的能够准确反映患者主动意识的指令，驱动康复训练机器人工作，满足患者不同的意识需求。
图I为较佳实施例的康复训练机器人控制系统的模块图；图2为图I中计算机模块的详细模块图； 图3为图I中驱动模块的详细模块图；图4为图I中表面肌电信号采集模块的详细模块图；图5为图I中足底压力信号采集模块的详细模块图；图6为较佳实施例的康复训练机器人控制系统的控制方法的流程图。
具体实施方式为了解决传统的踝关节康复训练机器人只具有固定的训练模式，以及所采集的主动意识信号参数单一的问题，提出了一种能够准确反映患者的主动意识、根据患者的不同需求进行踝关节康复训练的康复训练机器人控制系统。如图I所示，较佳实施例的康复训练机器人控制系统，包括表面肌电信号采集模块110、足底压力信号采集模块120、计算机模块130和驱动模块140。表面肌电信号采集模块110用于采集患者160的小腿部控制踝关节运动的肌肉的表面肌电信号并将该表面肌电信号从模拟量转换成数字量。足底压力信号采集模块120用于采集患者160的足底压力信号并将该足底压力信号从模拟量转换成数字量。计算机模块130与表面肌电信号采集模块110和足底压力信号采集模120块相连，用于接收并处理数字量表面肌电信号和数字量足底压力信号，发出控制指令。驱动模块140与计算机模块130相连，用于根据计算机模块130发出的控制指令驱动康复训练机器人150动作。上述康复训练机器人控制系统及控制方法统中，通过表面肌电信号采集模块110和足底压力信号采集模块120采集反映患者主动意识的表面肌电信号和足底压力信号。计算机模块130综合处理所采集的表面肌电信号和足底压力信号，能够准确反映患者160的主动意识。驱动模块140根据计算机模块130下发的能够准确反映患者160主动意识信息的指令，驱动康复训练机器人150工作，满足患者不同的意识需求。如图2所示，在本实施例中，计算机模块130包括人机交互单元131，人机交互单元131用于设定初始化模式、被动控制模式、主动控制模式或阻抗控制模式。初始化模式用于对驱动模块140进行初始化。被动控制模式用于根据系统设定的固定的训练模式向驱动模块140发出控制指令，由驱动模块140驱动康复训练机器人150对患者160的踝关节进行训练。主动控制模式用于根据检测到的表征患者160的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号向驱动模块140发出控制指令，由驱动模块140驱动康复训练机器人150对患者160的踝关节进行训练。阻抗控制模式用于根据检测到的表征患者160的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号向驱动模块140发出控制指令，由驱动模块140驱动康复训练机器人150在患者160的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。本实施例中的康复训练机器人控制系统，在保留传统的康复训练机器人的被动控制模式的基础上，增加了根据患者160主动意识信息进行控制的主动控制模式和阻抗控制模式，为患者160提供不同的训练，有利于患者160踝关节的迅速康复。在本实施例中，计算机模块130还包括信号处理单元132、与信号处理单元132相连的特征值提取单元133、与特征值提取单元133连接的模式识别单元134和与模式识别单元134连接的控制单元135。信号处理单元132用于对数字量足底压力信号和数字量表面肌电信号进行放大、整形和滤波。特征值提取单元133用于对经信号处理单元132处理后的数字量足底压力信号和数字量表面肌电信号进行特征值提取。提取的特征值包括数字量表面肌电信号的特征值和数字量足底压力信号的特征值。数字量表面肌电信号的特征值包括数字量表面肌电信号的时域(如绝对均值，平方根值、方差、时序模型、Willison幅值等)和频域(短时傅里叶、小波变换系数、平均功率中位频率信号熵等)。数字量足底压力信号的特征值包括数字量足底压力信号的第一趾骨压力幅值，第五趾骨压力幅值，第二、三、四趾骨压力幅值以及足跟压力幅值，足部指数等。模式识别单元134用于对特征值提取单元133提取的特征值进行描述、辨认、分类和解释。控制单元135用于根据模式识别单元134的处理结果发出相应的控制指令，控制驱动模块140动作。如图3所示，在本实施例中，驱动模块140包括运动控制卡142、驱动器单元144、电机单元146和传感器单元148。驱动器单元144根据运动控制卡142的控制信号驱动电机单元146运转。电机单元146的运转位置通过传感器单元148回馈给运动控制卡142，形成速度闭环控制。在本实施例中，驱动器单元144包括四个驱动器。电机单元146包括三个直流伺服电机和一个直流力矩电机。传感器单元148包括四个位置传感器，每个电机通过一个驱动器和一个位置传感器与运动控制卡142形成一路速度闭环控制。电机单元146控制康复训练机器人150带动患者160的患肢做内翻外翻，背屈跖屈，内收外展三种形式的康复训练运动。如图4所示，在本实施例中，表面肌电信号采集模块110包括表面肌电极单元112和表面肌电仪114。表面肌电极单元112安置在患者160控制踝关节运动的肌肉的表面，用于采集表面肌电信号。表面肌电仪114与表面肌电极单元112相连，用于将表面肌电极单元112采集的表面肌电信号从模拟量转换成数字量。在本实施例中，表面肌电极单元112包括四个表面肌电极，四个表面肌电仪分别用于安置在患者小腿的腓肠肌外肌、腓肠肌内肌、胫骨前肌和比目鱼肌。综合以上四块肌肉的肌电信号，能够准确反映患者160踝关节的运动趋势。如图5所示，在本实施例中，足底压力信号采集模块120包括阵列式传感器124、压力采集板122和压力采集盒126。阵列式传感器124设置于压力采集板122上，用于采集患者的足底压力信号，通过压力采集板122输出患者160足底压力分布。压力采集盒126与阵列式传感器124相连，用于将阵列式传感器124采集的足底压力信号从模拟量转换成数、子里。如图6所示，较佳实施例的康复训练机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤步骤610，采集患者小腿部控制踝关节运动的肌肉的表面肌电信号并将表面肌电信号从模拟量转换成数字量。步骤620，采集患者的足底压力信号并将足底压力信号从模拟量转换成数字量。步骤630，接收并处理数字量表面肌电信号和数字量足底压力信号，发出控制指令。步骤640，根据控制指令驱动康复训练机器人动作。 在本实施例中，还包括
设定初始化模式，对系统进行初始化。设定被动控制模式、主动控制模式及阻抗控制模式三种模式中的一种。其中在被动控制模式下，系统根据系统设定的固定的训练模式发出控制指令，驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练。在主动控制模式下，系统根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号发出控制指令，驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练。在阻抗控制模式下，系统根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号发出控制指令，驱动康复训练机器人在患者的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。上述康复训练机器人控制系统及控制方法，在康复训练的初期阶段，采用被动控制模式，即康复训练机器人150根据固定的康复训练模式带动患者160的踝关节做康复运动。结合人体踝关节正常运动时的曲线，利用计算机将这些曲线信号传送给运动控制卡142，再由运动控制卡142协调电机单元146和传感器单元144进行位置和速度控制，控制康复训练机器人150带动患者160的患肢做内翻外翻、背屈跖屈、内收外展三种形式的康复训练运动。当康复训练进行到一定的阶段，就开始采用主动控制模式进行康复训练。根据表面肌电信号采集模块110采集到的患者160的患肢侧相关肌肉的表面肌电信号以及由足底压力信号采集模块120采集到的患者足底压力信号，经过处理分析(放大、整形、滤波、特征值提取、模式识别)，结合传感器单元144测量来的信号，传送给运动控制卡142，由运动控制卡142根据这些能够反映患者160主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号协调电机单元146和传感器单元144进行位置和速度控制，控制康复训练机器人150根据患者的主动意识做出相应的运动，帮助踝关节进行康复训练。在康复训练的后期，为了强化康复效果，康复训练机器人150可以采用阻抗控制模式。此时康复训练机器人150通过各种传感器感知患者的运动意图，控制算法经过运算后，通过运动控制卡142，给电机在相反的方向上施加一个恒定的、大小可调节阻力，达到强化训练的效果。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种康复训练机器人控制系统，其特征在于，包括 表面肌电信号采集模块，用于采集患者小腿部控制踝关节运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号从模拟量转换成数字量； 足底压力信号采集模块，用于采集患者的足底压力信号并将所述足底压力信号从模拟量转换成数字量； 计算机模块，与所述表面肌电信号采集模块和所述足底压力信号采集模块相连，用于接收并处理数字量表面肌电信号和数字量足底压力信号，发出控制指令； 驱动模块，与所述计算机模块相连，用于根据所述计算机模块发出的控制指令驱动康复训练机器人动作。
2.根据权利要求I所述的康复训练机器人控制系统，其特征在于，所述计算机模块包括人机交互单元，所述人机交互单元用于设定初始化模式、被动控制模式、主动控制模式或阻抗控制模式；所述初始化模式用于对所述驱动模块进行初始化；所述被动控制模式用于根据系统设定的固定的训练模式向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练；所述主动控制模式用于根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练；所述阻抗控制模式用于根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号向所述驱动模块发出控制指令，由所述驱动模块驱动康复训练机器人在患者的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。
3.根据权利要求2所述的康复训练机器人控制系统，其特征在于，所述计算机模块还包括信号处理单元、与所述信号处理单元相连的特征值提取单元、与所述特征值提取单元连接的模式识别单元和与所述模式识别单元连接的控制单元，所述信号处理单元用于对数字量足底压力信号和数字量表面肌电信号进行放大、整形和滤波；所述特征值提取单元用于对经所述信号处理单元处理后的数字量足底压力信号和数字量表面肌电信号进行特征值提取；所述模式识别单元用于对所述特征值提取单元提取的特征值进行描述、辨认、分类和解释；所述控制单元用于根据所述模式识别单元的处理结果发出相应的控制指令。
4.根据权利要求I所述的康复训练机器人控制系统，其特征在于，所述驱动模块包括运动控制卡、驱动器单元、电机单元和传感器单元，所述驱动器单元根据所述运动控制卡的控制信号驱动所述电机单元运转，所述电机单元的运转位置通过所述传感器单元回馈给所述运动控制卡，形成速度闭环控制。
5.根据权利要求4所述的康复训练机器人控制系统，其特征在于，所述驱动器单元包括四个驱动器，所述电机单元包括三个直流伺服电机和一个直流力矩电机，所述传感器单元包括四个位置传感器，每个电机通过一个驱动器和一个位置传感器与所述运动控制卡形成一路速度闭环控制。
6.根据权利要求I所述的康复训练机器人控制系统，其特征在于，所述表面肌电信号采集模块包括表面肌电极单元和表面肌电仪，所述表面肌电极单元安置在患者控制踝关节运动的肌肉的表面，用于采集表面肌电信号；所述表面肌电仪与所述表面肌电极单元相连，用于将所述表面肌电极单元采集的表面肌电信号从模拟量转换成数字量。
7.根据权利要求6所述的康复训练机器人控制系统，其特征在于，所述表面肌电极单元包括四个表面肌电极，所述四个表面肌电仪分别用于安置在患者小腿的腓肠肌外肌、腓肠肌内肌、胫骨前肌和比目鱼肌。
8.根据权利要求I所述的康复训练机器人控制系统，其特征在于，所述足底压力信号采集模块包括阵列式传感器、压力采集板和压力采集盒，所述阵列式传感器设置于所述压力采集板上，用于采集患者的足底压力信号；所述压力采集盒与所述阵列式传感器相连，用于将所述阵列式传感器采集的足底压力信号从模拟量转换成数字量。
9.一种康复训练机器人控制系统的控制方法，用于控制康复训练机器人，其特征在于，包括以下步骤 采集患者小腿部控制踝关节运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号从模拟量转换成数字量； 采集患者的足底压力信号并将所述足底压力信号从模拟量转换成数字量； 接收并处理数字量表面肌电信号和数字量足底压力信号，发出控制指令； 根据所述控制指令驱动康复训练机器人动作。
10.根据权利要求9所述的康复训练机器人控制系统的控制方法，其特征在于，还包括 设定初始化模式，对系统进行初始化； 设定被动控制模式、主动控制模式及阻抗控制模式三种模式中的一种；其中 在所述被动控制模式下，系统根据系统设定的固定的训练模式发出控制指令，驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练； 在主动控制模式下，系统根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号发出控制指令，驱动康复训练机器人对患者的踝关节进行训练； 在阻抗控制模式下，系统根据检测到的表征患者的主动意识信息的表面肌电信号和足底压力信号发出控制指令，驱动康复训练机器人在患者的踝关节的运动方向上施加相反的恒定阻力。
全文摘要
一种康复训练机器人控制系统，包括表面肌电信号采集模块、足底压力信号采集模块、计算机模块和驱动模块。计算机模块与表面肌电信号采集模块和足底压力信号采集模块相连，驱动模块与计算机模块相连。上述康复训练机器人控制系统，通过表面肌电信号采集模块和足底压力信号采集模块采集反映患者主动意识的表面肌电信号和足底压力信号。计算机模块综合处理所采集的表面肌电信号和足底压力信号，能够准确反映患者的主动意识。驱动模块根据计算机模块下发的能够准确反映患者主动意识的指令，驱动康复训练机器人工作，满足患者不同的意识需求。此外，还提供了一种康复训练机器人控制系统的控制方法。
文档编号A61H1/02GK102641196SQ20111045658
公开日2012年8月22日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者梅占勇, 王永奉, 王磊, 赵国如 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院