一种脑电波控制的手功能康复训练系统和训练方法与流程

本发明涉及康复辅助设备领域，尤其涉及一种脑电波控制的手功能康复训练系统和训练方法。

背景技术：

在人体运动器官中，手是最重要的器官之一，人类依靠人手进行抓取、操作形状各异的物体和工具。人手由多块骨骼组成，骨骼通过韧带等彼此连接，并通过连接在不同骨骼上的骨骼肌收缩和舒张，驱动骨骼之间相对运动，以完成各种动作。而骨骼肌则由人脑通过神经系统控制和指挥收缩与舒张。

对于脑卒中(俗称中风，stroke)病人来讲，因为大脑皮层受到溢血的压迫，使得身体某些部分的运动神经中枢受损，导致不能发送运动神经信号给各骨骼肌，相应的运动器官就会因为长期不运动而丧失运动功能。虽然开始时外周运动器官本身没有病变，但长期没有运动操作，也会引起骨骼肌机能丧失。在当前社会生活中，在通常情况下，中风患者的致残率较高，80～90％的患者会伴随上肢或下肢的运动功能障碍，丧失日常生活活动能力，影响患者的生活质量。

尤其是在手部功能康复的初级阶段，患者并不能由大脑控制，对手部进行主动康复运动。故通常是借助于手功能康复训练设备，由康复训练设备强迫手部各相关关节进行活动，以保持手部肌肉功能，防止肌肉萎缩。但是，目前的手部康复训练设备，还不能由患者通过主动意识进行康复训练，或者通过患者大脑控制，主动完成希望完成的动作，包括通过运动不同的手指，进行抓取等动作，例如完成一个简单的三指捏动作。所述三指捏动作，是指拇指向食指和中指方向运动，以完成一个捏取物件的动作。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种脑电波控制的手功能康复训练系统和训练方法，不仅能够实现患者主动康复训练，提高患者手功能康复效果，还具有结构紧凑，重量轻，便于患者佩戴的优点。

技术实现要素：

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开发一种手功能康复训练系统及训练方法，使得患者能够进行主动康复训练，提高患者手功能康复效果，还具有结构紧凑，重量轻，便于患者佩戴。

为实现上述目的，本发明首先提供了一种脑电波控制的手功能康复训练系统，包括脑电波采集装置、脑电解码模块、外骨骼机械手、控制盒，所述脑电波采集装置套设在使用者头部，所述脑电解码模块固定安装于所述脑电波采集装置上，所述外骨骼机械手穿戴于所述使用者的患肢上，所述控制盒固定安装于所述外骨骼机械手上；所述脑电波采集装置采集所述使用者的原始脑电波，所述脑电解码模块根据采集到的所述原始脑电波生成运动指令，并将所述运动指令传送到所述控制盒，所述控制盒依据所述运动指令控制所述外骨骼机械手动作带动所述使用者的相应部位运动。

进一步地，所述脑电波采集装置包括头箍、脑电极支架、脑电极、脑电极导线，所述头箍用于将所述脑电波采集装置固定在所述使用者头部，所述脑电极第一端固定安装于所述脑电极支架，所述脑电极支架与所述头箍固定连接，所述脑电极第二端为脑电波采集端，所述脑电极导线电连接所述脑电极与所述脑电解码模块。

进一步地，所述脑电解码模块包括信号采集芯片、脑电波处理芯片、存储芯片、传输芯片及解码模块电源，所述信号采集芯片接收所述脑电极采集的所述原始脑电波并放大后存储在所述存储芯片内，所述脑电波处理芯片从所述存储芯片中读取数据并进行脑电信号解码得到所述运动控制指令，所述传输芯片将所述运动控制指令传输给所述控制盒，所述解码模块电源为所述脑电解码模块提供电源。

进一步地，所述控制盒包括控制盒外壳体、驱动电路、信号灯、电机，所述控制盒外壳体固定安装在所述外骨骼机械手上部，所述电机设置在所述控制盒外壳体内，所述信号灯固定设置在所述控制盒外壳体外表面，所述驱动电路分别与所述信号灯和所述电机电气连接，所述驱动电路控制所述电机转动，所述信号灯受所述驱动电路控制以显示所述外骨骼机械手的状态。

进一步地，所述驱动电路包括控制芯片、传输芯片，所述控制芯片与所述传输芯片电气连接，所述传输芯片接收所述运动指令并将所述运动指令传送给所述控制芯片，所述控制芯片根据所述运动指令控制所述电机运转。

进一步地，所述外骨骼机械手包括掌套、支撑架、驱动轮、驱动杆、手指套、食指驱动杆、食指连杆、支撑轴、拇指连杆、拇指驱动杆、滑块、拇指支撑块，所述手指套包括食指套、拇指套，所述掌套套设在所述使用者手掌上，所述食指套套设在所述使用者食指和/或中指上，所述食指套与所述食指驱动杆固定连接，所述拇指套套设在所述使用者拇指上，所述拇指套与所述拇指驱动杆固定连接，所述支撑架固定安装在所述控制盒外壳体一侧，所述支撑架上设置有电机安装孔，所述电机固定安装在所述电机安装孔内，所述驱动轮为回转体，所述驱动轮一端与所述电机输出轴固定连接，所述驱动轮、所述驱动杆、所述食指驱动杆和所述支撑架构成四连杆机构，所述食指驱动杆、所述支撑架、所述食指连杆、所述滑块和所述支撑轴组成的四杆滑块机构，所述滑块、所述拇指连杆、所述拇指驱动杆、所述拇指支撑块和所述支撑轴组成四杆滑块机构。

进一步地，所述支撑架上还设置有支撑轴安装孔、驱动杆连接孔，所述电机安装孔设置在所述支撑轴安装孔和所述驱动杆连接孔的上方，所述电机安装孔的中心轴线与所述支撑轴安装孔的中心轴线垂直且异面，所述电机安装孔的中心轴线与所述驱动杆连接孔的中心轴线平行；所述驱动杆为杆状构件，所述驱动杆第一端与所述驱动轮构成第一转动副，所述第一转动副的中心轴线与所述驱动轮的旋转中心轴线不重合，所述驱动杆第二端与所述食指驱动杆构成第二转动副，所述食指驱动杆与所述支撑架通过所述驱动杆连接孔构成第三转动副，所述支撑轴一端固定安装在所述支撑轴安装孔内，所述拇指支撑块固定设置在所述支撑轴另一端，所述滑块套设在所述支撑轴上，所述滑块与所述支撑轴构成滑动副，所述食指连杆为杆状构件，所述食指连杆第一端与所述支撑架构成第四转动副，所述食指连杆第二端与所述滑块构成第五转动副，所述拇指连杆为杆状构件，所述拇指连杆第一端与所述滑块构成第六转动副，所述拇指连杆第二端与所述拇指驱动杆构成第七转动副，所述拇指驱动杆一端与所述拇指支撑块构成第八转动副。

进一步地，所述信号灯设置有三种工作状态，所述三种工作状态包括所述使用者保持静止并等待执行任务状态，提示所述使用者开始执行患侧手三指捏任务状态，提示所述使用者休息状态。

优选地，所述脑电解码模块通过无线方式或有线方式发送所述运动指令至所述控制盒。

本发明还公开了一种使用所述脑电波控制的手功能康复训练系统进行的训练方法，包括：

a.使用者佩戴所述脑电波采集装置并调整佩戴位置，使各个脑电极接触头皮；

b.使用者佩戴所述外骨骼机械手，手指穿戴进相应的所述手指套中；

c.开启所述脑电解码模块的电源和所述控制盒的电源，所述脑电解码模块与所述控制盒建立电连接；

d.所述信号灯发出不同的颜色，提示使用者大脑发出不同的运动指令；

e.使用者大脑发出不同的运动指令，所述控制盒控制所述手指套根据所述运动指令作出相应的动作。

本发明公开了一种脑电波控制的手功能康复训练系统和训练方法，包括套戴于使用者头部的所述脑电波采集装置和穿戴于使用者手上的所述外骨骼机械手，所述外骨骼机械手包括至少两个套于使用者不同手指上的所述手指套，所述脑电波采集装置通过多个贴合于使用者头部皮肤的脑电极采集使用者大脑发出的脑电波，由所述脑电解码模块解码后，获取使用者的主动运动意图，并发送所述运动指令至固定于所述外骨骼机械手上的所述控制盒，所述控制盒控制所述手指套迫使穿戴于所述手指套中的手指根据所述运动指令作出相应的动作。本发明的脑电波控制的手功能康复训练系统和训练方法，可以根据使用者大脑发出的脑电波，迫使使用者的手指作出相应的动作，从而对使用者的手功能进行训练，实现使用者的主动康复训练，提高使用者手功能的康复效果；本发明也可以作为运动辅助设备，辅助例如中风患者的患侧手，根据患者的主动意图，完成日常抓取任务。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的脑电波控制的手功能康复训练系统的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的脑电波采集装置的结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例采用的国际通用10-20系统脑电极的分布位置示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的外骨骼机械手的爆炸示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的训练方法流程图。

其中，100-外骨骼机械手、110-掌套、111-食指套、112-食指驱动杆、113-食指销轴、114-支撑轴、115-拇指套、116-拇指驱动杆、117-滑块、118-拇指支撑块、119-拇指连杆、120-控制盒、125-驱动电路、126-信号灯、129-食指连杆、130-电机、131-支撑架、132-电机安装孔、133-驱动轮、134-支撑轴安装孔、140-驱动杆、200-脑电波采集装置、210-脑电极、215-头箍、216-脑电极支架、218-脑电极导线、220-脑电解码模块、221-信号采集芯片、222-脑电波处理芯片、223-传输芯片、224-解码模块电源、225-存储芯片、1121-连杆销轴、1161-拇指销轴、1191-连接销轴、1192-拇指驱动销轴、1401-驱动轮销轴、1402-驱动销轴。

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。

本发明的一个较佳实施例的脑电波控制的手功能康复训练系统的结构示意图；

如图1所示，本实施例公开了一种脑电波控制的手功能康复训练系统，包括通过电信号连接的两个主要部分，穿戴于使用者手上的外骨骼机械手100和套戴于使用者头部的脑电波采集装置200。

脑电波采集装置200包括多个贴合于使用者头部皮肤的脑电极210，脑电极210采集使用者大脑的脑电波，产生脑电波电信号，发送至脑电解码模块220，脑电解码模块220解码脑电波电信号后，提取并发送运动指令至固定于外骨骼机械手100上的控制盒120，控制盒120控制外骨骼机械手100根据运动指令作出相应的动作，从而迫使穿戴于外骨骼机械手100中的手指相应地动作。

具体地，如图2所示，脑电波采集装置200包括戴套于使用者头部的头箍215，头箍215上设置多个脑电极支架216，脑电极支架216呈爪形，分散覆盖使用者的头顶部。脑电极210根据需要分散设置于爪形的端部，以检测和采集大脑活动发出的脑电波。

在一个较佳的实施例中，脑电极210在人脑上的布局方式，可以采用国际通用10-20系统，如图3所示，各个脑电极210的位置分布在c1、c3、c5、fc3、cp3、c2、c4、c6、fc4、cp4，并且，设置参考电极和接地电极，分别位于左侧乳突和前额，这些区域主要覆盖了使用者的运动和感觉皮层。因此，脑电极210可以收集使用者大脑的实时活动发出的脑电波，并产生脑电波电信号，经过各个脑电极导线218，传送至脑电解码模块220。

如图2所示，脑电解码模块220固定连接于脑电波采集装置200，包括信号采集芯片221、脑电波处理芯片222、传输芯片223、存储芯片225及给各芯片供电的解码模块电源224；信号采集芯片221从各个脑电极210接收脑电波电信号，电连接并发送脑电波电信号至存储芯片225加以存储，脑电波处理芯片222读取存储在存储芯片225的脑电波电信号的信息并加以解码。脑电波处理芯片222对脑电波电信号解码后，提取并发送对应的运动指令至传输芯片223，再由传输芯片223传送至控制盒120。

运动指令由传输芯片223传送至控制盒120的具体实现方式，可以为有线方式或无线方式，其中，有线方式可以有效地防止外界干扰，但受限于导线连接，可能对外骨骼机械手100的运动产生一定的阻碍。故优选为通过无线方式传送运动指令，例如通过蓝牙方式传送运动指令至控制盒120。

外骨骼机械手100包括至少两个套于使用者不同手指上的手指套，例如为了完成一个三指捏动作，如图1所示，手指套包括套于使用者的食指与中指上的食指套111和套于使用者的拇指上的拇指套116，，食指套111固定设置于食指驱动杆112上，拇指套116固定设置于拇指驱动杆115的远端。食指驱动杆112和拇指驱动杆115在控制盒120的驱动下，相对运动而开合。

外骨骼机械手100还包括套于使用者手掌上的掌套110，控制盒120固定于掌套110对应于手背的外表面上。控制盒120还控制至少一个信号灯126，信号灯126的颜色与外骨骼机械手100的不同运动状态一一对应。从而一方面可以提示使用者，外骨骼机械手100当前的运动状态，另一方面，也提醒使用者集中大脑注意力于要进行的动作上，发出相应的运动指令，从而起到训练学习的作用，进一步将使用者的大脑意图与外骨骼机械手100的动作对应起来。

本实施例信号灯126优选为可以发出红色、黄色、绿色的led灯，控制盒120控制三个信号灯126，其中，黄色led灯提示使用者保持静止并等待执行任务，使用者的大脑则尽量不考虑下一步要进行的动作；绿色led灯提示使用者开始执行想要进行的动作，例如一个三指捏任务，使用者大脑此时尽量思考要进行的动作，并发出包含了运动指令的脑电波，控制外骨骼机械手100相应地动作；红色led灯则提示使用者休息。并且，在相邻两次运动意图任务之间保持一定的时间间隔。使用者每次执行运动意图任务时发出的脑电波数据也被同步记录在存储芯片225中。当信号灯126熄灭，即代表使用者完成了一次任务。

通常，在正式开始康复训练之前，使用者需要进行脑机接口校验训练，即某个颜色的信号灯126亮起，提醒使用者思考要进行的相应的动作，以发出相应的脑电波，并通过采集和解码后，发送至外骨骼机械手100，控制各个指套的运动，以实现使用者的运动意图。同时，采集到的相应动作的脑电波，也被存储于存储芯片225中。通过脑机接口校验训练，增强了使用者的脑电波与外骨骼机械手的动作的对应关系，保证了整个康复训练系统的动作准确性。而使用者在获得足够休息后，即可开始进行主动的由脑电波控制的手功能康复训练。

外骨骼机械手100的具体结构，在一个较佳的实施例中，如图4所示，包括戴套于使用者手上的掌套110，控制盒120包括控制盒外壳体、驱动电路125、信号灯126、电机130，本实施例电机130优选为步进电机，控制盒外壳体固定安装在掌套110的背面，电机130设置在控制盒外壳体内，信号灯126固定设置在控制盒外壳体外表面，驱动电路125分别与信号灯126和电机130电气连接，驱动电路125控制电机130转动，信号灯126受驱动电路125控制以显示外骨骼机械手100的状态。支撑架131固定安装在控制盒外壳体左侧，支撑架131上设有用于固定电机130的电机安装孔132，电机130的输出轴上固定连接驱动轮133，驱动轮133上的非圆心位置，通过一根驱动轮销轴1401可转动地连接驱动杆140。

驱动电路125包括控制芯片、传输芯片，控制芯片与传输芯片电气连接，传输芯片接收运动指令并将运动指令传送给控制芯片，控制芯片根据运动指令控制电机130运转。

掌套110的前端通过食指销轴113可转动地连接食指驱动杆112，驱动杆140通过驱动销轴1402可转动地连接食指驱动杆112，故当驱动轮133转动时，驱动杆140将推拉食指驱动杆112沿食指销轴113上下摆动，也带动食指套111上下摆动。

拇指驱动杆116带动拇指套115的摆动运动，也是由食指驱动杆112的上下摆动所驱动的。具体地，在掌套110面对食指连杆129的一侧，还设置一平行的支撑轴114，支撑轴114的一端插入于支撑架的后侧面上的支撑轴安装孔134中，支撑轴114上套设有可沿支撑轴114前后滑动的滑块117，拇指支撑块118套设固定于支撑轴114的另一端，食指驱动杆112上，通过连杆销轴1121可转动地连接食指连杆129的一端，食指连杆129的另一端通过连接销轴1191可转动地连接滑块117的下部，拇指连杆119的一端通过连接销轴1191可转动地连接滑块117的下部，拇指连杆119的另一端通过拇指驱动销轴1192可转动地连接拇指驱动杆116的上端部，拇指套115固定于拇指驱动杆116的另一端；拇指驱动杆116的中部通过拇指销轴1161可转动地连接于拇指支撑块118上。

当食指连杆129带动食指套111向下摆动时，推动推动滑块117沿支撑轴114往拇指支撑块118方向滑动，支撑轴114滑动带动拇指连杆119摆动，进而带动拇指驱动杆116沿拇指销轴1161顺时针摆动，固定在拇指驱动杆116另一端的拇指套115相应摆动，即向着食指套111摆动，从而完成捏取动作。

当控制盒120输出张开命令至控制芯片，输出电流驱动电机130转动，带动驱动轮133转动，拉动驱动杆140，向上拉开食指驱动杆112连同食指套111向上摆动，推动推动滑块117沿支撑轴114远离拇指支撑块118方向滑动，支撑轴114滑动带动拇指连杆119摆动，进而带动拇指驱动杆116沿拇指销轴1161逆时针摆动，固定在拇指驱动杆116另一端的拇指套115相应摆动，即远离食指套111摆动，从而完成打开动作。

本实施例还公开了一种使用所述脑电波控制的手功能康复训练系统进行的训练方法，包括：

a.使用者佩戴脑电波采集装置200并调整佩戴位置，使各个脑电极210接触头皮；而为了增加脑电极210与头皮之间的电传导，在一个更佳的实施例中，在脑电极210与头皮之间，还可以涂抹导电膏，以增加导电性；

b.使用者佩戴外骨骼机械手100，手指穿戴进相应的手指套中；

c.开启脑电解码模块220的电源和控制盒120的电源，脑电解码模块220与控制盒120建立电连接；

d.信号灯126发出不同的颜色，提示使用者大脑发出不同的运动指令；

e.休息设定的时间后，使用者大脑发出不同的运动指令，控制盒120控制手指套根据运动指令作出相应的动作。

本发明公开了的脑电波控制的手功能康复训练系统和训练方法，包括套戴于使用者大脑上的脑电波采集装置200和穿戴于使用者手上的外骨骼机械手100，外骨骼机械手100包括至少两个套于使用者不同手指上的手指套，脑电波采集装置200通过多个贴合于使用者头部皮肤的脑电极210采集使用者大脑发出的脑电波，由脑电解码模块220解码后，获取使用者的主动运动意图，并发送运动指令至固定于外骨骼机械手100上的控制盒120，控制盒120控制手指套迫使穿戴于手指套中的手指根据运动指令作出相应的动作。本发明的脑电波控制的手功能康复训练系统和训练方法，可以根据使用者大脑发出的脑电波，迫使使用者的手指作出相应的动作，从而对使用者的手功能进行训练，实现使用者的主动康复训练，提高使用者手功能的康复效果；本发明也可以作为运动辅助设备，辅助例如中风患者的患侧手，根据患者的主动意图，完成日常抓取任务。

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。