上肢手外骨骼康复机器人的制作方法

本实用新型涉及数据处理技术领域，特别涉及一种上肢手外骨骼康复机器人。

背景技术：

中枢神经损伤是一种常见的疾病，如脑中风等常见疾病严重影响人们的健康与安全，随着我国逐渐进入老龄化社会，发病率有逐年上升的趋势,每年有超过200万人死于中风。这种疾病引发了患者肢体运动功能的丧失及相关并发症。尤其是上肢运动功能的丧失，极大地影响了患者日常生活的能力。手是人体结构最重要的组成部分之一，它对人类的功能及外观都显得及其重要。特别是手的运动能力是人类的日常生活和工作得以顺利进行的基本保障。

科学表明，瘫痪上肢大多数是从肩部先恢复，其次为上臂和前臂，最后是手指的恢复。同时，由于人手部分集中了大量的关节、神经、血管、肌肉比较多，关节疾病、中风等心血管疾病造成的偏瘫也会导致手指关节肌腱纤维化和肌肉、韧带的痉挛萎缩。因此，大多数康复训练过程主要以手的活动程度作为上肢功能恢复的标志。

目前大部分康复都是一些传统的康复手段，主要是针灸、电刺激、按摩等被动的康复手段对患者进行长期的康复。传统的被动式康复不能让患者真正的参与到治疗的过程当中，不能影响其中枢神经系统的恢复，所以不能从根本上对患者的病情进行治疗。

技术实现要素：

为解决上述的全部或部分的技术问题，本实用新型提供了一种上肢手外骨骼康复机器人，所述上肢手外骨骼康复机器人包括：脑机接口单元、外骨骼单元、服务计算单元和运动想象范式单元；

所述运动想象范式单元，用于采集目标患者的患侧手各手指姿态，通过虚拟现实在虚拟环境中展示与所述手指姿态对应的手部，并在所述虚拟环境中进行运动想象提示；

所述脑机接口单元，用于获取目标患者的当前脑电数据，并将提取的当前脑电数据发送至所述服务计算单元；

所述服务计算单元，用于通过预设识别模型对所述当前脑电数据进行识别，并根据识别结果生成对应的训练控制命令；

所述外骨骼单元，用于根据所述训练控制命令带动所述目标患者的患侧手，以使所述患侧手完成对应的动作。

优选地，所述脑机接口单元包括：依次连接的导联电极、集成前端放大器、第一控制器和通信电路；

所述导联电极，用于获取目标患者的脑电信号；

所述集成前端放大器，用于对所述脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤，获得当前脑电数据，并将获得的当前脑电数据发送至所述第一控制器；

所述第一控制器，用于将接收的当前脑电数据通过所述通信电路发送至所述服务计算单元。

优选地，所述脑机接口单元还包括：信号预处理模块，所述信号预处理模块设于所述导联电极和集成前端放大器之间；

所述信号预处理模块，用于对所述脑电信号进行低通滤波处理。

优选地，所述运动想象范式单元基于unity3d引擎及socket协议实现虚拟现实。

优选地，所述服务计算单元，还用于获取样本脑电数据以及对应的样本识别结果对初始识别模型进行训练，以获得所述预设识别模型。

优选地，所述服务计算单元，还用于根据所述当前脑电数据进行康复效果评估。

优选地，所述外骨骼单元包括：功能箱、电路板、第二控制器、线驱动装置、驱动线导管和手部外骨骼，所述驱动线导管的第一端设于所述功能箱侧壁，所述手部外骨骼设于所述驱动线导管的第二端，所述电路板及线驱动装置均设于所述功能箱内；

所述手部外骨骼具有n根模拟手指，所述线驱动装置包括n个驱动单元，所述驱动单元与所述模拟手指一一对应，各驱动单元的驱动线穿过所述驱动线导管与对应的模拟手指相连，所述手部外骨骼采用柔性材料制成，所述n为大于等于2的整数；

各驱动单元分别与所述电路板相连，所述电路板与所述第二控制器相连。

优选地，各驱动单元均包括：舵机、舵机底座、上转盘、下转盘、舵机支架以及上盖；

所述舵机与所述舵机支架连接，所述舵机与所述舵机底座连接，所述下转盘与所述舵机的舵机转盘连接，所述舵机转盘与所述舵机啮合并固定，所述上转盘与下转盘卡紧安装，所述驱动线利用卡件与所述上转盘以及下转盘固连，所述舵机与所述电路板相连。

优选地，所述功能箱的侧壁上设有驱动线导管支架，所述驱动线导管的第一端通过所述驱动线导管支架设于所述功能箱侧壁上。

优选地，所述上盖通过拉簧与所述驱动线导管支架连接。

本实用新型通过让患者观看虚拟现实影像，让其完成虚拟现实任务，帮助患者集中注意力，在脑电信号的采集识别方面识别率达到96.7％。在产品对于中枢神经系统疾病的恢复程度(以脑卒中为例)对数十患者对照实验一周后，采用本系统进行的康复训练要比未采用本系统进行康复训练的患者恢复程度明显加快。

附图说明

图1是本实用新型一种实施方式的上肢手外骨骼康复机器人的结构框图；

图2是本实用新型一种实施方式的上肢手外骨骼康复机器人中外骨骼单元的正面结构示意图；

图3是图2所示的上肢手外骨骼康复机器人中外骨骼单元的背面结构示意图；

图4是图2所示的上肢手外骨骼康复机器人中外骨骼单元内驱动单元的爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1是本实用新型一种实施方式的上肢手外骨骼康复机器人的结构框图；参照图1，所述上肢手外骨骼康复机器人包括：脑机接口单元100、外骨骼单元200、服务计算单元300和运动想象范式单元400；

所述运动想象范式单元400，用于采集目标患者的患侧手各手指姿态，通过虚拟现实(virtualreality，vr)在虚拟环境中展示与所述手指姿态对应的手部，并在所述虚拟环境中进行运动想象提示；

为便于简化虚拟现实的实现过程，在具体实现中，所述运动想象范式单元400基于unity3d引擎及socket协议实现虚拟现实。

所述脑机接口单元100，用于获取目标患者的当前脑电数据，并将提取的当前脑电数据发送至所述服务计算单元300；

为便于获取目标患者的当前脑电数据，在具体实现中，所述脑机接口单元100可包括：依次连接的导联电极101、集成前端放大器102、第一控制器103和通信电路104；

所述导联电极101，用于获取目标患者的脑电信号；

所述集成前端放大器102，用于对所述脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤，获得当前脑电数据，并将获得的当前脑电数据发送至所述第一控制器103；

当然，所述集成前端放大器102可采用ads1299芯片实现，ads1299芯片内置8通道采集电路，每个通道搭载增益可调的高达24倍低噪声模拟信号放大器(pga)、24位高分辨率adc转化芯片达0.1μv/bit；内置参考基准电压、片内振荡器、偏差放大器以及测试信号、可多信号切换输入；搭载串行外设接口(serialperipheralinterface，spi)，实现全双工双向传输；内置驱动放大电路以及共模抑制电路，共模抑制比(commonmoderejectionratio，cmrr)大于110db；支持双极性或者单极性输入，功耗低至5mw；内置雏菊链电路，可以利用多芯片级联实现多通道同步采集，适合脑电、肌电、心电等微弱生理电信号的采集放大与数字转换输出。

所述第一控制器103，用于将接收的当前脑电数据通过所述通信电路104发送至所述服务计算单元300。

为便于对脑电数据进行预处理，本实施例中，所述脑机接口单元100还包括：信号预处理模块105，所述信号预处理模块105设于所述导联电极101和集成前端放大器102之间；

所述信号预处理模块105，用于对所述脑电信号进行低通滤波处理。

所述服务计算单元300，用于通过预设识别模型对所述当前脑电数据进行识别，并根据识别结果生成对应的训练控制命令；

为便于获取所述预设识别模型，本实施例中，所述服务计算单元300，还用于获取样本脑电数据以及对应的样本识别结果对初始识别模型进行训练，以获得所述预设识别模型。

为便于对目标患者进行评估，本实施例中，所述服务计算单元300，还用于根据所述当前脑电数据进行康复效果评估。

所述外骨骼单元200，用于根据所述训练控制命令带动所述目标患者的患侧手，以使所述患侧手完成对应的动作。

本实施例的工作原理为：偏瘫患者在运动想象范式单元的显示界面中运动想象实验任务的引导下，进行运动想象康复训练；同时脑机接口单元采集患者大脑手功能区脑电信号并传输至服务计算单元，进而通过自主设计的识别算法识别脑电，判别患者想象内容，评估患者运动想象能力及相关激活区域大小，并将识别结果用于对患者进行电刺激反馈、触觉反馈及相应肌肉群训练。患者通过周期往复的想象训练和手功能刺激训练，提高自主活动能力，改善手部肌肉群及重建中枢运动功能区脑神经连接，在一定程度上恢复大脑皮层手部运动功能区域，带动其他脑区康复，减少脑卒中并发症如失禁等的发生。

本实施例自主设计脑电解码深度网络，针对104人左右手运动想象识别率达到96.7％，与同行业研究者对比识别率提高约10个百分点。相比传统机器学习方法，识别率提高13％，满足了脑电识别需求。采用脑电空间分布特征与幅频特征等进行大脑三维脑激活状态重构，在对患者进行脑电解码的同时，在云端计算患者脑区三维图谱，实现实时脑区功能与结构监测。借鉴大脑镜像神经元理论，探讨通过想象模仿实现脑卒中患者手部运动意图的高效诱发。通过虚拟现实方法，给患者提供沉浸式康复环境，有利于患者配合康复治疗，提高康复效果。

本实施例通过让患者观看虚拟现实影像，让其完成虚拟现实任务，帮助患者集中注意力，在脑电信号的采集识别方面识别率达到96.7％。在产品对于中枢神经系统疾病的恢复程度(以脑卒中为例)对数十患者对照实验一周后，采用本系统进行的康复训练要比未采用本系统进行康复训练的患者恢复程度明显加快。

为便于带动患者的患侧手，参照附图2～3，在具体实现中，所述外骨骼单元200包括：功能箱15、电路板12、第二控制器13、线驱动装置、驱动线导管7和手部外骨骼8，所述驱动线导管7的第一端设于所述功能箱15侧壁，所述手部外骨骼8设于所述驱动线导管7的第二端，所述电路板12及线驱动装置均设于所述功能箱15内；

所述手部外骨骼8具有5根模拟手指，所述线驱动装置包括5个驱动单元2，所述驱动单元2与所述模拟手指一一对应，各驱动单元2的驱动线穿过所述驱动线导管7与对应的模拟手指相连，所述手部外骨骼8采用柔性材料制成；

可理解的是，所述驱动单元2的数量可以为2个以上的整数，但由于通常人的手指为5根，故而，本实施例中，所述线驱动装置包括5个驱动单元2，相应地，所述驱动单元2具有5个，并且所述驱动单元2与所述模拟手指一一对应。

在具体实现中，所述柔性材料可以为硅胶、橡胶等材料，当然，还可为其他柔性材料，本实施方式对此不加以限制。

各驱动单元2分别与所述电路板12相连，所述电路板12与所述第二控制器13相连。

为便于对各模拟手指进行驱动，参照图4，本实施例中，各驱动单元2均包括：舵机26、上转盘23、下转盘24、舵机支架25以及上盖22；

所述舵机26与所述舵机支架25连接，所述下转盘24与所述舵机26的舵机转盘连接，所述舵机转盘与所述舵机26啮合并固定，所述上转盘23与下转盘24卡紧安装，所述驱动线利用卡件与所述上转盘23以及下转盘24固连，所述舵机26与所述电路板12相连。

在具体实现中，所述舵机26通过螺钉与所述舵机支架25连接，所述下转盘24通过螺钉与所述舵机26的舵机转盘连接，所述舵机转盘与所述舵机26啮合并通过螺钉固定。

为便于安装所述驱动线导管7，继续参照图2～3，本实施例中，所述功能箱15的侧壁上设有驱动线导管支架6，所述驱动线导管7的第一端通过所述驱动线导管支架6设于所述功能箱15侧壁上。

为便于患者进行使用，本实施例中，所述驱动线导管7的第一端通过所述驱动线导管支架6设于所述功能箱15的前面板5上。

本实施例中，所述上盖22通过拉簧3与所述驱动线导管支架6连接。

为便于安装各驱动单元，本实施例中，所述功能箱15内设有定位板20，各驱动单元2中的各舵机26可拆式安装于所述定位板20，所述定位板20与所述功能箱15内的安装底座21固连。

由于电路板的供电具有一定的电压要求，本实施例中，所述基于线驱动的多自由度手部康复外骨骼还包括：电源转换器4；

所述电源转换器4与所述电路板12相连。

为便于开启供电和停止供电，本实施例中，所述基于线驱动的多自由度手部康复外骨骼还包括：电源插口14和电源开关11；

所述电源插口14设于所述功能箱15上，所述电源插口14与所述电源开关11以及所述电源转换器4分别连接。

为防止电源插口对患者的正常使用造成影响，本实施例中，所述电源开关11可设于所述功能箱15的前面板5上，所述电源插口14可设于所述功能箱15的后面板16上。

为便于对所述电源插口14的通断进行指示，本实施例中，所述基于线驱动的多自由度手部康复外骨骼还包括：电源指示灯10；

所述电源指示灯10与所述电路板12相连。

针对不同的患者，驱动线的松紧有不同的需求，调节以后可满足不同患者的个性化需求，从而提高使用舒适度，本实施例中，所述基于线驱动的多自由度手部康复外骨骼还包括：微调旋钮9；

所述微调旋钮9与所述电路板12相连，从而可通过微调旋钮9来调节驱动线的松紧度。

为便于使所述功能箱15进行散热，本实施例中，所述基于线驱动的多自由度手部康复外骨骼还包括：散热风扇1；

所述功能箱15上设有散热口19，所述散热风扇1设于所述功能箱15内且位于所述散热口19处，所述散热风扇1与所述电路板12相连。

为防止所述散热风扇发出的噪音对患者造成影响，本实施例中，所述散热口19设于所述功能箱15的后面板16上，相应地，所述散热风扇1也位于所述功能箱15的后面板16上。

为便于实现，在具体实现中，所述电源开关11、电源指示灯10、微调旋钮9、以及驱动线导管支架6分别通过螺钉与所述功能箱15的前面板5固连，电源转换器4通过导线与电路板12连接，电路板12通过导线与舵机26、第二控制器13、以及散热风扇1分别连接。

为便于进行代码更新，本实施例中，所述功能箱15的后面板16上还设有代码烧写口17，所述代码烧写口17与所述第二控制器13相连。

本实施例中，结合舵机控制精确度高的特点，可以精确地控制驱动行程，适应不同的患者需求，且舵机功率低、输出力矩大、控制简单。

结合柔性材料适应性高，柔性变形好的特点，单个模拟手指前后驱动线实现手指的伸缩，与传统刚性材料相比，克服了模拟手指间动作耦合的难点。

考虑模拟手指弯曲时前后曲率不同的问题，每个模拟手指前后驱动线是通过不同半径的转盘带动的，能更好的符合实际使用情况。

考虑不同患者的个体差异，通过微调旋钮可调节驱动线的松紧度，最大程度上适应患者。

考虑驱动线干扰问题，每条驱动线都是单独通道，线与线之间不会产生伸缩的耦合问题。

通过附图和具体实施方式的描述,从系统组成、结构、系数计算原理、上位机显示界面、使用流程等几个方面详细说明了本实用新型的技术方案。上述方式只是本实用新型优选的实施方式,对于本领域内的普通技术人员而言,在本实用新型公开的基础上,很容易想到将其进行修改或者等同替换,应用于各种医疗仪器系统,而不仅限于本实用新型具体实施方式所描述的系统结构,因此前面描述的方式只是优选的,而并不具有限制性的意义。

以上所述仅为本实用新型的几种具体实施例,以上实施例仅用于对本实用新型的技术方案和构思做说明而非限制本实用新型的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的构思基础上结合现有技术,通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案,也应该被认为落在本实用新型的权利要求保护范围之内。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。