专利名称：一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能控制的下肢康复训练装置，特别涉及一种基于眼波信号控制的下肢康复训练装置，属于康复医疗器械领域。
背景技术：
根据2006年第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报显示，目前，全国各类残疾人的总数为8296万人，占全国总人口的比例为6.34% ;其中肢体残疾2412万人，占残疾人总数的29.07% ;全国有残疾人的家庭户共7050万户，占全国家庭户总户数的17.80% ;其中有2个以上残疾人的家庭户876万户，占残疾人家庭户的12.43% ;有残疾人的家庭户的总人口占全国总人口的19.98%。而在这些残疾人中，多数人是可以通过康复治疗、配备康复器具和康复训练，改善甚至部分或完全恢复其丧失的功能的。
下肢的主要功能是支撑体重和行走，而站立行走是人类生存的基本需要，也是人们生活自理的必要条件，往往也是患者在康复治疗过程中最基本需求。下肢偏瘫患者由于肢体肌群间协调功能减弱或消失，肌张力异常而出现偏瘫步态或丧失行走功能，严重影响了患者的生活自理能力，增加了社会和家庭的负担。由于大脑的可塑性，医学上通常是通过进行重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动，从而使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式。基于这种方法，在过去20年里，减重活动平板步行训练的治疗方法已被引入到用于残障人士的康复治疗中，并取得了显著的临床效果。然而，传统的减重活动平板步行训练的治疗方法需要很多的物理治疗师来辅助病人侧身和重心转移，从而使得治疗师必须花费很多的体力而导致其疲劳或过重身体压力，这也使得对残障者的治疗次数以及重复次数受到严重的限制。因此，需要研发自动的康复装置代替物理治疗师的手动辅助。
目前多数研究机构开发的自动下肢康复器械，如步态训练器，主要以被动运动模式为主，缺乏目标导向训练设计，往往将患者本人的主观意愿排除在外，使得康复训练缺少自主性，不能达到最佳的训练效果；并且目前研发的多数下肢康复器械只能引导患者进行类似踩踏自行车的圆周运动方式，这种圆周运动方式有别于人正常行走时的上、下垂直运动方式，不能很好的对残障者进行合理的康复训练。发明内容
本发明的目的是克服现有的下肢康复器械存在的缺陷和不足，提供一种利用眼电信号作为患者主观意愿信号，帮助下肢残障者进行腿部上、下垂直训练的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置。
为了达到上述目的，本发明的构思是:由眼电信号人机接口、直立床、康复踏步机械和控制驱动构成一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置。眼电信号人机接口包括放置在眼睛周围的Ag或Ag-Cl电极、眼电信号放大电路和ARM单片机，通过Ag或Ag-Cl电极检测到微弱的眼电信号，眼电信号放大电路对该信号进行放大处理，然后传送至带有A/D数模转换功能的ARM单片机，在单片机内对眼电信号进行去伪值，归一化处理后，将得到的有效特征值以特征值数据归类，单片机则做相应数据分析及后续运算，最终输出识别的动作模式信号至控制驱动，由控制驱动引导康复踏步机械完成对应动作。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案:
一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，包括直立床和依次相连的眼电信号人机接口、控制驱动装置和康复踏步机械。所述的眼电信号人机接口包括依次相连的Ag或Ag-Cl电极，眼电信号放大电路、光电隔离电路和ARM单片机；所述的控制驱动装置包括驱动电路、位置传感器、力传感器、安全保护限位开关。所述的康复踏步机械包括两套独立的直流电机、螺旋副、磁流变阻尼器和脚踏板，分别用于控制左脚和右脚的踏步运动。所述的直立床包括床板支架、固定在床板支架上的限流控制器、床板和液压伸缩杆，所述的液压伸缩杆一端可转动的固定在限流控制器上，另一端可转动的固定在床板上，在限流控制器的作用下，可实现床板0-90°位置定位。
进一步，所述的Ag或Ag-Cl电极放置在眼睛周围用于采集眼波信号，眼电信号经眼电信号放大电路放大后，传送至ARM单片机，在单片机内做进行去伪值，归一化处理后，将得到的有效特征值以特征值数据归类，单片机则做相应数据分析及后续运算，输出识别的动作模式信号。所述的光电隔离电路设置在眼电信号放大电路之后，用于保障使用者的人身安全。
进一步，所述的ARM单片机通过驱动电路分别与磁流变阻尼器和直流电机相连，磁流变阻尼器或直流电机通过ARM单片机输出的识别动作模式信号控制脚踏板垂直运动幅度。
进一步，所述的脚踏板通过数据线分别与位置传感器和力传感器相连，位置传感器和力传感器通过传感器信号处理电路与ARM单片机相连，所述的ARM单片机通过蓝牙、RF射频或RS232接口与PC机或者手机设备相连。患者康复训练时的主观控制状态和训练程度可以通过位置传感器和力传感器传送到PC机上，供相关医生做分析。
进一步，所述的ARM单片机通过数据线与控制操作面板相连，通过控制操作面板可以人工干预康复训练工作参数。
进一步，所述的床板两边设置有左、右手把，在左、右手把上固定有绑带，通过绑带将患者固定在床板上，所述的左手把上设置有床板角度控制操作面板，患者可以根据需要随时变动直立床角度。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
本发明将眼电信号与下肢康复训练装置相结合，患者在使用上述设备后，可以通过眼电信号自主控制下肢康复训练装置，使患者可以达到随时随地训练的效果，患者仅需自己就能完成全部的下肢康复训练；本发明采用的眼电信号采集装置不仅对患者侵入程度低，而且信号动态明显，受干扰小，能更准确的传达患者的主观意愿到相应的下肢康复器械上；本发明所述的康复踏步机械采用垂直上下运动的左右踏板，运动轨迹更加接近人体日常生活状态，对病人来说更加简单实用。
图1是本发明的整体结构框架图2是本发明直立床的结构示意图3是本发明康复踏步机械结构示意图4是本发明康复踏步机械俯视结构图中:1，Ag或Ag-Cl电极；2，眼电信号放大电路；3，光电隔离电路；4，ARM单片机；5，控制操作面板；6，左驱动电路；7，右驱动电路；8，左磁流变阻尼器；9，左直流电机；10，右直流电机；11，右磁流变阻尼器；12，左脚踏板；13，右脚踏板；14，左力传感器；15，左位置传感器；16，左安全保护限位开关；17，左传感器信号处理电路；18，右力传感器；19，右位置传感器；20，右安全保护限位开关；21，右传感器信号处理电路；22，床板；23，手把；24，床板角度指示器；25，液压伸缩杆；26，限流控制器；27，床板支架；28，床板角度控制操作面板；29，踏板支撑架；30，右位置传感器；31，螺旋副；32，电动机；33，右力传感器。
具体实施方法
下面结合实施例及附图对本发明所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置进行详细说明。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，包括直立床、眼电信号人机接口、控制驱动装置和康复踏步机械。所述的眼电信号人机接口包括依次相连的Ag或Ag-Cl电极I，眼电信号放大电路2、光电隔离电路3和ARM单片机4 ;所述的ARM单片机4通过左驱动电路6与左磁流变阻尼器8和左直流电机9相连，所述的ARM单片机4通过右驱动电路7与右磁流变阻尼器11和右直流电机10相连；所述的左磁流变阻尼器8和左直流电机9直接控制左脚踏板12的踏板运动，右磁流变阻尼器11和右直流电机10直接控制右脚踏板13的踏板运动；所述的左脚踏板12和右脚踏板13通过数据线分别与左位置传感器15、左力传感器14和右位置传感器19、右力传感器18相连，左位置传感器15、左力传感器14通过左传感器信号处理电路17与ARM单片机4相连，右位置传感器19、右力传感器18通过右传感器信号处理电路21与ARM单片机4相连；所述的左脚踏板12通过数据线连接有左安全保护限位开关16，所述的右脚踏板13通过数据线连接有右安全保护限位开关20，左、右安全保护限位开关实现对康复踏步机械的限流保护和过热保护。
所述的ARM单片机4通过蓝牙、RF射频或RS232接口与PC机或者手持设备相连。康复训练的工作参数可以在PC机或者手机设备上设定，然后传送到本康复装置内的控制中心ARM单片机4上。ARM单片机4随后根据此参数安排康复训练。康复训练时的主观控制状态、运动状态、训练程度等参数也可以发送到PC机上，供相关医生做分析。所述的ARM单片机4通过数据线与控制操作面板5相连，通过控制操作面板5可以随时人工干预康复训练工作程序。
所述的直立床包括床板支架27、固定在床板支架27上的限流控制器26、床板22和液压伸缩杆25，所述的液压伸缩杆25—端可转动的固定在限流控制器26上，另一端可转动的固定在床板22背后，床板22两边设置有左、右手把23，在左、右手把23上固定有绑带(图中未表示)，通过绑带将患者固定在床板22上，所述的手把23上设置有床板角度控制操作面板28，床板角度控制操作面板28通过数据线与限流控制器26相连，患者可以通过调节床板角度控制操作面板28实现床板0-90°位置定位。
本发明的眼电信号控制参数为:眼球向上运动，踏板助力增加一档；眼球向下运动，踏板助力减小一档，当助力减小到零后，会自动增加阻尼力；眼球向左运动，踏板上下运动频率增加一档；眼球向右运动，踏板上下运动频率减少一档；眼球转动一下，踏板启动，眼球再转动一下，踏板停止；眼睛快速眨眼(每秒2次以上)，踏板运动幅度增大(踏板单次运动高度增大)；眼睛慢速眨眼(每秒I次以下)，踏板运动幅度减少(踏板单次运动高度降低)。
具体实施时，通过他人协助绑带将患者固定在床板22上，避免患者在做康复训练时意外摔倒，然后通过调节床板角度控制操作面板28使床板22固定在垂直位置；患者佩戴好接收眼电信号的Ag或Ag-Cl电极I，眼电信号通过上述装置的眼电信号放大电路2、光电隔离电路3，将眼电信号放大后传送入带有A/D数模转换功能的ARM单片机4，在ARM单片机4内对眼电信号进行去伪值，归一化处理后，将得到的有效特征值以特征值数据归类，单片机4则做相应数据分析及后续运算，最终输出识别的动作模式信号，动作模式信号通过驱动电路调节磁流变阻尼器和直流电机，磁流变阻尼器和直流电机实现对脚踏板的踏步运动，本发明采用垂直上下运动的左右踏板，运动轨迹更加接近人体日常生活状态，对病人来说更加简单实用。
为了验证本发明所述装备的可行性和稳定性，我们对5名受试者进行操作实验，受试者均为成年下肢残障者(平均年龄56.8岁)，实验包括4个阶段，每个阶段连续进行50次踏步运动，受试者均未经过先期训练过程，选择任务的顺序在实验中随机给出。残障者从发出眼电信号任务命令开始计时，到踏步运动真正实施，踏步运动结束，则计时停止，依次进行50次。如果眼球转动后，踏步运动未被实施，则记为一个动作错误；如果眼球向上运动后，踏板助力未增加，则记为一个助力错误；如果眼球向下运动后，踏板助力未减小，则记为一个阻力错误；如果眼球向左运动后，踏板上下运动频率未增加一档，则记为一个增频错误；如果眼球向右运动后，踏板上下运动频率未减少一档，则记为一个减频错误；如果眼睛快速眨眼(每秒2次以上)，踏板运动幅度未增加，则记为一个增幅错误；如果眼睛慢速眨眼(每秒I次以下)，踏板运动幅度未降低，则记为一个减幅错误。实验时间记录严格在相同实验条件下由同一个实验者负责进行。
表I至表5显示了 5名残障者在4个阶段连续50次踏步运动中的错误选择次数。
表I残障者I受试实验数据
权利要求
1.一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于，包括有:直立床和依次相连的眼电信号人机接口、控制驱动装置和康复踏步机械。
2.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的眼电信号人机接口包括依次相连的Ag或Ag-Cl电极，眼电信号放大电路、光电隔离电路和ARM单片机。
3.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的控制驱动装置包括驱动电路、位置传感器、力传感器、安全保护限位开关。
4.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的康复踏步机械包括两套独立的直流电机、螺旋副、磁流变阻尼器和脚踏板。
5.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的直立床包括床板支架、固定在床板支架上的限流控制器、床板和液压伸缩杆，所述的液压伸缩杆一端可转动的固定在限流控制器上，另一端可转动的固定在床板上。
6.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的ARM单片机通过驱动电路分别与磁流变阻尼器和直流电机相连。
7.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的脚踏板通过数据线分别与位置传感器和力传感器相连，位置传感器和力传感器通过传感器信号处理电路与ARM单片机相连。
8.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的ARM单片机通过蓝牙、RF射频或RS232接口与PC机或者手机设备相连。
9.如权利要求1所述的一种基于眼电信号控制的下肢康复训练装置，其特征在于所述的ARM单片机通过数据线与控制操作面板相连。
全文摘要
本发明涉及一种基于眼波信号控制的下肢康复训练装置，包括直立床、眼电信号人机接口、控制驱动装置和康复踏步机械。所述的眼电信号人机接口包括依次相连的Ag或Ag-Cl电极、眼电信号放大电路、光电隔离电路和ARM单片机；所述的康复踏步机械采用脚踏板的形式实现左脚和右脚的踏步运动。人机接口和康复踏步机械之间的连接通过控制驱动装置实现。本发明将眼电信号与下肢康复训练装置相结合，患者可以通过眼电信号自主控制下肢康复训练装置，使患者可以达到随时随地训练的效果；同时，本发明所述的康复踏步机械采用上下垂直运动的左右踏板，运动轨迹更加接近人体日常生活状态，把单调容易疲劳的康复训练变成轻松有趣的训练方式。
文档编号A63B23/04GK103182159SQ20121031502
公开日2013年7月3日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者胡琦逸 申请人:胡琦逸