专利名称：基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于脑卒中造成的上肢功能障碍康复训练系统，尤其是一种 应用于脑瘫、外伤、高位截瘫、周围神经损伤等引起的上肢功能障碍的康复训练系统。
背景技术：
国务院2006年抽样调查表明，我国仅脑卒中幸存患者就有600多万，其中偏 瘫、行走能力丧失是最主要的后遗症。脑卒中后大约有85%患者伴有上肢功能缺损， 他们中的55-75%患者在发病后3 - 6个月仍伴有上肢功能障碍，研究脑卒中后上肢功 能的恢复问题已成为临床康复领域中最富有挑战性的课题。目前上述上肢功能障碍主 要采用强制性运动疗法(Cl)、运动想象(MI)疗法、神经训导疗法、生物反馈疗法、 EMG-stim疗法、CPM疗法等，但上述疗法都存在不同程度的局限性。由于许多患者存 在初期表面肌电丧失、上肢功能严重障碍等问题，因此肌电生物反馈疗法、EMG-stim疗 法等难以应用，另外CPM疗法需要操作设备，严重功能障碍患者需要专门人员协助，因 此如果能把语音控制技术应用于系统控制与辅助触发，将对改进上述康复训练问题具有 实际意义。另一方面，研发一种能综合利用主要治疗新方法并适应多种上肢功能障碍的 新型康复治疗系统，也将对提高我国脑卒中患者上肢功能障碍康复水平、促进我国上肢 康复训练设备的创新与产业发展具有重要意义。
发明内容
本发明是要提供一种基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统，该系统用语 音信号控制上肢连续被动训练(CPM)，使患者能够通过说出控制命令即可自主控制上 肢功能综合康复训练系统完成上肢的CPM训练。为实现上述目的，本发明的技术方案是一种基于语音信号控制的上肢功能康 复训练系统，包括主控模块、CPM运动模块、语音模块以及控制面板，其特点是
用户通过控制面板选择语音操作模式后，发出语音命令，通过麦克风传递至语音模 块，语音模块经过接收、分析后匹配至相关的控制命令请求，传送给主控模块，主控模 块将请求转化为相应的控制命令传送至CPM运动模块，从而带动患者上肢进行运动。1、主控模块由PC机、输入设备、通讯设备、控制程序四大部分组成，用户通 过PC机和控制程序选择训练模式、时间、强度、系统操作方式、记录病历后，输入设备 接收输入装置、语音模块、CPM运动模块传送的反馈信息，并进行处理后向人机交互显 示器、语音模块、CPM运动模块发出控制命令。2、CPM运动模块由控制模块，腕、肘、肩关节转动电机，减速机构，佩带装置 组成，控制模块用于接收系统主控模块的控制命令，并输出控制信号给腕、肘、肩关节 转动电机，腕、肘、肩关节转动电机启动后将动力经过减速机构传递至佩带装置，由佩 带装置带动患者肢体运动，进行康复训练。本发明的有益效果是本发明利用语音识别技术，使患者能够通过说出控制命令即可自主控制上肢功能综 合康复训练系统完成上肢的CPM训练，而不需要康复医生时刻陪同。与以往的上肢功 能康复训练系统相比，本发明的语音控制上肢CPM增强了患者在康复训练过程中的参 与度，尤其在偏瘫初始，患者处于软瘫期，语音识别技术可以很好的帮助患者独自进行 CPM训练。这样由患者自主控制康复训练的过程，能够使患者更主动地参与到康复训练 中，有助于神经感官与肢体运动联系的重新建立，有助于康复效果的提升，同时该创新 之举还为系统提供语音交互功能，使患者能更好的理解康复训练的目的，建立康复训练 与实际生的联系，帮助患者更快的回归生活、回归工作。
图1是基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统结构框图； 图2是基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统实例控制流程图； 图3是语音信号处理模块结构框图4是CPM运动模块结构框图。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。本发明主要功能是语音信号控制上肢连续被动训练(CPM)。语音识别技术与上肢功能康复训练结合是本发明的一大创新之处。语音识别技 术为系统提供语音控制功能，与以往的按键式操作并存。语音信号控制上肢连续被动训 练是指利用麦克风采集患者说出的语音指令，包括肘关节伸展、肘关节屈曲、肩关节伸 展、肩关节屈曲、肩关节内收、肩关节外展六个控制命令，再通过语音控制模块对其分 析、识别，从而执行相应的训练动作，实现上肢三个自由度的CPM训练。本发明中的语音信号控制上肢连续被动训练(CPM)通过以下四种方式实现 (1)能够识别使用者通过声音发出的训练控制命令，实现腕关节两个自由度、肘关
节一个自由度、肩关节三个自由度的运动。(2)能都通过语音控制调节CPM运动模块电机运转速度，从而调整康复训练 强度。(3)患者能够自行设定各种系统命令对应的语音控制命令，话语含糊不清的患 者也能方便使用。(4)能够响应相关的系统操作语音命令，对设备进行控制，如开始训练、停止 训练、选择训练项目等。(5)能够进行语音交互功能，如向患者提问，回答患者问题等交互功能。如图1所示，本发明的基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统，包括主控 模块6、CPM运动模块5、语音模块2以及控制面板4。各个功能模块由主控模块6调节 配合，各自完成相应功能。(1)主控模块6
主控模块6主要负责调配各个系统模块协同工作，由PC机、输入设备、通讯设备、 控制软件四大部分组成。主控模块6的运作由控制软件决定，用户可以通过控制软件选择训练模式、时间、强度、系统操作方式、记录病历等。主控模块6是本系统的核心控 制端，接收输入装置、语音模块2、CPM运动模块5传送的反馈信息，并进行处理后向相 应的被控模块(包括人机交互显示器1、语音模块2、CPM运动模块5)发出控制命令。 在发明的一个实例中，如附图1所示，用户通过控制面板4选择系统操作方式，可选手动 操作与语音操作两种模式。在选择语音操作的模式下，用户说出的语音命令，通过麦克 风3传递至语音模块2，语音模块2经过接收、分析后匹配至相关的控制命令请求，传送 给主控模块6，主控模块6将请求转化为相应的控制命令传送至CPM运动模块5，从而带 动患者上肢进行运动。控制流程设计见附图2，语言控制命令输入单步动作或计划动作 给无线麦克风，如单步动作，无线麦克风输出“肩外展”，“肘伸”，一一 “肩伸展” 等语音控制命令给语音模块，如计划动作，无线耳麦输出“计划一”——“计划N” 语音控制命令给语音模块，语音模块将传入处理结果送至PC机主控系统，PC机主控系 统将计算电机补偿力输出电机控制参数，转矩、位置、速度等传给关节运动驱动系统来 驱动人体肩关节、肘关节、腕关节电机，带动人体肩关节、肘关节、腕关节运动，同时 人体肩关节、肘关节、腕关节电机将反馈转矩、位置、速度信息给关节运动驱动系统对 人体肩关节、肘关节、腕关节电机进行实时修正；另外，关节运动驱动系统将机械臂参 数、关节转矩、终端位置、速度经VRP虚拟现实软件输出实时变化的三维环境、声音、 力回馈信号给人体感官系统。(2)语音模块2
语音模块2负责处理使用者发出的语音控制命令。能够实时采集患者发出的语音控 制命令，并转化为系统中对应的控制命令进行输出进而控制CPM运动模块5运动。应 用实例中，如图3所示，语音模块2由IO通讯模块7、语音处理电路9、语音信号处理芯 片8、麦克风3 (语音信号采集模块)组成。IO通讯模块7负责语音模块2与主控模块 6之间控制命令的传递与信息的沟通，语音信号处理芯片8负责分析语音信号，匹配语音 模块等运算工作；语音处理电路9负责调节语音处理芯片8与存储器等硬件资源的互相通 讯；麦克风3 (语音信号采集模块)负责采集语音信号及发出语音命令。如图2所示，在实例中，患者则可以根据自身的感受，在合适的时间通过麦克 风(语音信号采集模块)发出语音控制命令，如说出“开始肘屈”命令。该命令通过语 音模块处理后转换成肘关节屈曲的控制信号通过通讯部件传递给主控模块，有主控模块 控制CPM运动模块中的肘关节电机模块开始工作，完成屈肘动作。同理可完成肩关节收 展、腕关节旋转等动作；患者可说出“停止肘屈”命令，使CPM运动模块停止工作，从 而控制CPM持续时间；在CPM过程中，患者可以说出“加强”或“减弱”等控制命令 来控制CPM运动模块各关节电机的运转速度，从而调节康复训练强度。(3) CPM 运动模块 5
CPM运动模块5负责固定患者上肢、带动患者上肢进行康复运动。结构组成如图 4所示，其主要由控制模块14，腕、肘、肩关节转动电机10，11，12，减速机构13，佩 带装置14组成。其中，控制模块14负责接收系统主控模块6的控制命令，并输出控制 信号给腕、肘、肩关节转动电机10，11，12，腕、肘、肩关节转动电机10，11，12，启 动后将动力经过减速机构13传递至佩带装置15，由佩带装置15带动患者肢体运动，进行 康复训练。
权利要求
1.一种基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统，包括主控模块(6)、CPM运 动模块(5)、语音模块(2)以及控制面板(4)，其特征在于用户通过控制面板(4)选择语音操作模式后，发出语音命令，通过麦克风(3)传递至语音模块(2)， 语音模块(2)经过接收、分析后匹配至相关的控制命令请求，传送给主控模块(6)， 主控模块(6)将请求转化为相应的控制命令传送至CPM运动模块(5)，从而带动患者 上肢进行运动。
2.根据权利要求1所述的基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统，其特征在于 所述主控模块(6)由PC机、输入设备、通讯设备、控制程序四大部分组成，用户通过 PC机和控制程序选择训练模式、时间、强度、系统操作方式、记录病历后，输入设备接 收输入装置、语音模块(2)、CPM运动模块(5)传送的反馈信息，并进行处理后向人 机交互显示器(1)、语音模块(2)、CPM运动模块(5)发出控制命令。
3.根据权利要求1所述的基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统，其特征在 于所述CPM运动模块(5)由控制模块(14)，腕、肘、肩关节转动电机(10，11， 12)，减速机构(13)，佩带装置(15)组成，控制模块(14)用于接收系统主控模块(6)的控制命令，并输出控制信号给腕、肘、肩关节转动电机(10，11，12)，腕、 肘、肩关节转动电机(10，11，12)启动后将动力经过减速机构(13)传递至佩带装置(15)，由佩带装置(15)带动患者肢体运动，进行康复训练。
全文摘要
本发明涉及一种基于语音信号控制的上肢功能康复训练系统，包括主控模块、CPM运动模块、语音模块以及控制面板。用户通过控制面板选择语音操作模式后，发出语音命令，通过麦克风传递至语音模块，语音模块经过接收、分析后匹配至相关的控制命令请求，传送给主控模块，主控模块将请求转化为相应的控制命令传送至CPM运动模块，从而带动患者上肢进行运动。该系统用语音信号控制上肢连续被动训练(CPM)，使患者能够通过说出控制命令即可自主控制上肢功能综合康复训练系统完成上肢的CPM训练。
文档编号A61H1/00GK102008385SQ20101059597
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者喻洪流, 徐兆红, 简卓, 顾余辉 申请人:上海理工大学