專利名稱：利用肌電信號提供機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)及訓(xùn)練方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輔助醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種利用患者患側(cè)肌電信號提供給患者機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)及訓(xùn)練方法。
背景技術(shù)：
中風(fēng)是一種常見的疾病。傳統(tǒng)的中風(fēng)康復(fù)儀器已經(jīng)在美國專利US 5,466,213的“交互式機器人治療師(Interactive robotic therapist)”和中國專利申請CN 1480118A的“偏癱患者上肢復(fù)合運動的康復(fù)訓(xùn)練機器人”中作了介紹，這些康復(fù)設(shè)備能夠?qū)颊叩募缰怅P(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。然而，這些康復(fù)機器人系統(tǒng)在患者由于自身運動困難所不能達(dá)到的運動空間只能進(jìn)行被動的訓(xùn)練。
由于患者的患側(cè)肌肉通常仍然存在可以測量到的殘余肌電信號(EMG信號)，因此，一些康復(fù)設(shè)備利用患者的殘余EMG信號來調(diào)動患者主動參與到康復(fù)訓(xùn)練中，例如參見中國專利CN 2103990U的“肌電訓(xùn)練康復(fù)儀”。但是這些設(shè)備僅僅是根據(jù)檢測出的肌電信號給患者提供一個視覺或者聲音的反饋，并沒有實際的機械幫助提供給患者。所以，盡管有助于提高患者的主動參與性，但是由于患者自身運動困難，導(dǎo)致運動質(zhì)量受到很大的限制，所以仍不能很好地幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的總的目的是提供一種新的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備和方法，幫助患者主動參與機械訓(xùn)練來改善運動功能。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種能夠利用生物反饋(肌電信號)提供給患部關(guān)節(jié)機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)。該康復(fù)機器人系統(tǒng)包括包括依次串聯(lián)連接的肌電電極、數(shù)據(jù)采集卡以及控制部分，其特征在于還包括驅(qū)動器，連接至數(shù)據(jù)采集卡；附加力矩提供部分，連接至驅(qū)動器；其中，肌電電極感測患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉的肌電信號，并將所感測到的肌電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到控制部分，由控制部分使用所輸入的肌電信號、以及根據(jù)需要設(shè)置的恒定力矩計算出將要提供給患部關(guān)節(jié)的附加力矩，并控制附加力矩提供部分提供給患部關(guān)節(jié)相應(yīng)的附加力矩使用上述康復(fù)機器人系統(tǒng)，當(dāng)患者有意識作用于患部肌肉時，患部肌肉即產(chǎn)生一些殘余的肌電信號，這些殘余的肌電信號經(jīng)肌電電極等輸入到控制部分，控制部分就會根據(jù)該肌電信號控制附加力矩提供部分提供一個適當(dāng)?shù)母郊恿?。并且，在?xùn)練過程中，控制部分還可以根據(jù)需要同時提供一個輔助的恒定力矩，恒定力矩可以是與患者想要運動方向一致的輔助力矩，也可以是與患者想要運動方向相反的阻力力矩。
優(yōu)選的，該康復(fù)機器人系統(tǒng)還包括濾波放大電路，即EMG放大器，用于對來自肌電電極的肌電信號進(jìn)行全波整流放大，并用移動窗，例如100毫秒的移動窗進(jìn)行濾波后輸入給數(shù)據(jù)采集卡。同時，數(shù)據(jù)采集卡以1000Hz的采樣頻率實時采集肌電信號和附加力矩信號，并以100Hz的采樣頻率實時采集角度信號。
優(yōu)選的，控制部分采用下面的公式(1)得到的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號NEMGjNEMGj=wj-wrwmvc-wr---(1)]]>其中，wj是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在當(dāng)前運動中產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，而wr是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在休息時的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，wmvc是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在最大自主收縮期間產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的最大幅度。
控制部分采用下面的公式(2)來計算附加力矩提供部分將要提供的附加力矩TmTm＝K1×NEMGj-K2×NEMGi+T0(2)其中，NEMGj是主動肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號，NEMGi是拮抗肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號，K1是主動肌的權(quán)重系數(shù)，K2是拮抗肌的權(quán)重系數(shù)，T0是根據(jù)需要額外提供的恒定力矩，可以為零值、負(fù)值或正值；正值表示力矩方向和患者本來想要運動的方向相同，負(fù)值表示力矩方向和患者本來想要運動的方向相反。
優(yōu)選的，本發(fā)明的康復(fù)機器人系統(tǒng)還包括角度傳感器，設(shè)于附加力矩提供部分上，連接至數(shù)據(jù)采集卡，用于感測患部關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度，并將所感測到的關(guān)節(jié)角度經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到控制部分；顯示部分，連接于控制部分；其中，控制部分將所輸入的關(guān)節(jié)角度以及目標(biāo)角度顯示在顯示部分上，以將當(dāng)前關(guān)節(jié)角度與目標(biāo)角度反饋給患者。使用這種配置，可以在提供給患者機械幫助的同時，提供給患者視覺反饋，從而在提升患者運動空間、加強患者康復(fù)信心的同時，進(jìn)一步通過視覺反饋的方式刺激患者的大腦意識。
優(yōu)選的，附加力矩提供部分上設(shè)置有用于提供附加力矩的機械臂，以及連接至機械臂用于轉(zhuǎn)動機械臂的馬達(dá)，驅(qū)動器為馬達(dá)驅(qū)動器。由于機械臂是和患者所要訓(xùn)練的上肢或者下肢連接在一起，當(dāng)患者沒有能力自己完成運動時，輔助力矩可以幫助患側(cè)虛弱的肌肉完成想要的運動。另外，機械臂也可以提供阻力力矩，當(dāng)患者有能力自主的完成運動時，添加適當(dāng)?shù)淖枇α卦谟?xùn)練中，有助于增強患者的肌肉力量。
優(yōu)選的，附加力矩提供部分上設(shè)置有電連接至數(shù)據(jù)采集卡的力矩傳感器，用于感測機械臂與馬達(dá)的相互作用力矩，所述力矩傳感器的一端通過第一聯(lián)軸器連接至機械臂，另一端通過第二聯(lián)軸器連接至馬達(dá)，第一聯(lián)軸器、第二聯(lián)軸器、力矩傳感器、馬達(dá)、機械臂共用一軸線，第一聯(lián)軸器與機械臂為活動連接。其中，第一聯(lián)軸器與機械臂活動連接。例如，通過螺母進(jìn)行連接，通過更換所定做的不同形狀的機械臂，該康復(fù)機器人系統(tǒng)可適用于肘、腕、膝、踝、肩等不同關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。
優(yōu)選的，設(shè)置3種保護(hù)患者訓(xùn)練的措施，包括附加力矩提供部分上設(shè)置有用于限制機械臂運動的機械制動器；控制部分將馬達(dá)所產(chǎn)生的力矩限制到預(yù)設(shè)范圍，如果馬達(dá)所產(chǎn)生的力矩超出此范圍則停止其運行；以及控制部分上設(shè)有緊急制動按鈕，用于使伺服馬達(dá)的電源斷電。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用肌電信號提供給患者機械幫助的方法，其特征在于包括以下步驟由肌電電極感測患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉的肌電信號，并將所感測到的肌電信號經(jīng)放大濾波電路和數(shù)據(jù)采集卡輸入到控制部分，由控制部分使用所輸入的肌電信號、以及根據(jù)需要設(shè)置的恒定力矩計算出將要提供給患部關(guān)節(jié)的附加力矩，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動器控制附加力矩提供部分提供相應(yīng)的附加力矩給患部關(guān)節(jié)。
優(yōu)選的，針對不同關(guān)節(jié)，肌電信號可以從對應(yīng)的主動肌和拮抗肌中采集。
本發(fā)明所提出的利用肌電信號提供給患者機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)及訓(xùn)練方法以來自患側(cè)肌肉的殘余EMG信號為基礎(chǔ)來控制作用于患部的輔助力矩，同時佐以目標(biāo)角度與當(dāng)前角度的視覺反饋，能夠通過機械幫助來提高患部關(guān)節(jié)的運動空間、利用肌電信號進(jìn)行控制的方法也能夠加強患者的信心、調(diào)動患者訓(xùn)練的積極性，有助于幫助患者加快患部關(guān)節(jié)的康復(fù)。


圖1為本發(fā)明的利用肌電信號提供給患者機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明為肘關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的立體示意圖；圖3為本發(fā)明為肘關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明為肘關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的俯視圖；圖5為本發(fā)明為腕關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的俯視圖；圖6為本發(fā)明為膝關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的側(cè)視圖；圖7為本發(fā)明為踝關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的側(cè)視圖；圖8為本發(fā)明為肩關(guān)節(jié)前屈和后伸訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的側(cè)視圖；圖9為本發(fā)明為肩關(guān)節(jié)外展和內(nèi)收訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分的正視圖；圖10為本發(fā)明的利用肌電信號提供給患者機械幫助的方法的流程圖。
具體實施例方式
本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，EMG信號是一維時間序列信號，它發(fā)源于作為中樞神經(jīng)一部分的脊髓中的運動神經(jīng)元，是電極所接觸到的許多運動單元發(fā)出的動作電位的總和。肌電信號反應(yīng)了肌肉的運動狀況，肌電信號和對應(yīng)肌肉所產(chǎn)生的力滿足近似的線性關(guān)系。
發(fā)明人就利用肌電信號和對應(yīng)肌肉所產(chǎn)生的力滿足近似的線性關(guān)系，開發(fā)出一種利用肌電信號提供給患者機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)及方法來克服現(xiàn)有技術(shù)的弊端。該系統(tǒng)和方法以來自患側(cè)肌肉的殘余EMG信號為基礎(chǔ)來控制作用于患部(例如患者的上肢，或者下肢，包括肘部、腕部、踝部、膝部，肩部等)的附加力矩，協(xié)同患部關(guān)節(jié)一起完成康復(fù)訓(xùn)練，以幫助患者既能夠自主的進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，又能夠提高患部關(guān)節(jié)的運動空間，加強患者的康復(fù)信心，從而提升患者的康復(fù)效果。
當(dāng)患者有意識作用于肌肉時，機械臂能產(chǎn)生相應(yīng)的附加力矩。由于機械臂是和患者所要訓(xùn)練的上肢或者下肢連接在一起，因此機械臂所提供的附加力矩和患部肌肉的生物機械力矩一起來完成患者想要完成的運動。當(dāng)患者沒有能力自己完成運動時，機械臂根據(jù)患者患側(cè)肌電信號所提供的附加力矩可以提供幫助患側(cè)虛弱的肌肉完成想要的運動的輔助力矩。另外，當(dāng)患者有能力自主的完成運動時，機械臂也可以提供恒定的阻力力矩來幫助訓(xùn)練，以增強患者的肌肉力量。
換句話說，該系統(tǒng)和方法可以將附加力矩(輔助力矩或阻力力矩)機械地作用于患部，幫助患者在這些患部進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
本發(fā)明的控制策略如下在采樣前，將EMG信號放大1000倍，然后在10-400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行帶通濾波，然后，以1000Hz的頻率對EMG信號進(jìn)行采樣。然后，采用100ms的移動窗對采樣后的EMG信號進(jìn)行全波整流和濾波。一般認(rèn)為在EMG信號與肌肉產(chǎn)生的生物機械力矩之間存在50ms的電機械延遲，而移動窗能夠?qū)崟r地使處理后的EMG信號延遲50ms，從而使馬達(dá)產(chǎn)生的力矩與肌肉產(chǎn)生的力矩同步。
之后，采用下面的公式(1)得到標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號NEMGjNEMGj=wj-wrwmvc-wr---(1)]]>其中，wj是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在當(dāng)前運動中產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，而wr是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在休息時的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，wmvc是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在最大自主收縮(maximumvoluntary contraction)期間產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的最大幅度。
之后，采用下面的公式(2)得到機械臂所需要提供的附加力矩TmTm＝K1×NEMGj-K2×NEMGi+T0(2)其中NEMGj是主動肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號，NEMGi是拮抗肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號。K1是主動肌的權(quán)重系數(shù)；K2是拮抗肌的權(quán)重系數(shù)；T0是根據(jù)需要額外提供的恒定力矩，可以為零值、負(fù)值或正值；正值表示力矩方向和患者本來想要運動的方向相同，負(fù)值表示力矩方向和患者本來想要運動的方向相反。通過調(diào)節(jié)K1，K2和恒定力矩T0的大小可以使機械臂給患者提供不同的幫助。
此外，該系統(tǒng)已經(jīng)基于PC平臺使用軟件開發(fā)，并且進(jìn)一步提供視覺反饋給患者，以引導(dǎo)患者完成各種訓(xùn)練任務(wù)。
下面，參照圖1-圖9描述本發(fā)明的根據(jù)肌電信號提供給患者機械幫助和視覺反饋的康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)組成。
圖1為本發(fā)明的康復(fù)機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
如圖1所示，本發(fā)明的康復(fù)機器人系統(tǒng)主要包括基于PC的平臺(控制部分)1，進(jìn)行任務(wù)控制、運動控制以及數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)采集卡2，進(jìn)行模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)采集肌電信號、力矩信號，然后通過模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入到計算機，同時采集角度脈沖信號輸入到計算機1，另外，還將算法所計算出的控制信號進(jìn)行模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸入給馬達(dá)驅(qū)動器3；驅(qū)動馬達(dá)的馬達(dá)驅(qū)動器3；附加力矩提供部分4，其包含馬達(dá)、力矩傳感器、角度傳感器(也稱位置傳感器)和一些附屬設(shè)備(附加力矩提供部分4的具體實例請參見圖2-圖9)；人機界面5，與計算機相連，用于顯示任務(wù)和當(dāng)前關(guān)節(jié)角度給患者以提供視覺反饋，例如顯示器；肌電電極6，貼于對應(yīng)肌肉；濾波放大電路7，用于將來自肌電電極6的肌電信號進(jìn)行放大和濾波；以及患者8。
由圖1所示，本發(fā)明構(gòu)建出一個大腦-神經(jīng)-肌肉-計算機信息處理與控制-附加力矩提供部分-偏癱部位(例如上肢或者下肢)運動-反饋界面-神經(jīng)-大腦這樣一種閉環(huán)控制系統(tǒng)。患者可以控制機械臂和患者自身的肌肉一起完成運動，機械臂可幫助偏癱部位改善運動質(zhì)量而仍然處于大腦的控制之下，從而促使患者主動參與到康復(fù)訓(xùn)練中來，加強了患者的信心，以克服現(xiàn)有的康復(fù)訓(xùn)練中患者主動參與訓(xùn)練的積極性難以提高的問題。
具體而言，當(dāng)患者想要控制自己對應(yīng)肌肉的時候，肌肉產(chǎn)生對應(yīng)的肌電信號，粘附于肌肉表面的肌電電極6將該肌電信號通過肌電信號放大濾波電路7和數(shù)據(jù)采集卡2輸入到計算機1，同時，機械臂與馬達(dá)之間的相互作用力矩以及患者訓(xùn)練關(guān)節(jié)的角度也分別經(jīng)力矩傳感器、位置傳感器、數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機1。然后，計算機1根據(jù)公式(1)和公式(2)來計算產(chǎn)生對應(yīng)力矩的大小，并控制馬達(dá)產(chǎn)生對應(yīng)的力矩。并且，計算機1還通過放置在患者前面的人機界面(例如顯示器)5提供不同的目標(biāo)軌跡給患者訓(xùn)練。顯示器實時顯示患者目前的實際角度和目標(biāo)角度。
這樣，患者可以控制肢體協(xié)同機械臂一起運動，然后根據(jù)實際關(guān)節(jié)角度和目標(biāo)角度來自我調(diào)節(jié)肌肉信號，從而減小與目標(biāo)的差距，來完成規(guī)定的動作。同時，計算機存儲肌電信號、力矩信號和角度信號，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計。
另外，優(yōu)選的，使用兩個計算機屏幕，一個放置在患者前方，以引導(dǎo)患者訓(xùn)練，另一個放置在操作員(例如健康護(hù)理專業(yè)人員)前方，以控制該系統(tǒng)，例如使用該系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和監(jiān)視康復(fù)訓(xùn)練。
圖2為本發(fā)明為肘關(guān)節(jié)訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的立體示意圖。
附加力矩提供部分4主要包括機械臂10，安裝在面板17上，用于放置前臂，并且安裝有用于方便患者手抓握的把手9和用于固定前臂的托11和綁帶24(參見圖4)；馬達(dá)15，其自帶角度傳感器，安裝在底板16上，用于轉(zhuǎn)動機械臂10，通過第一聯(lián)軸器21(參見圖3)、力矩傳感器22(參見圖3)、第二聯(lián)軸器23(參見圖3)連接至機械臂10；墊板20，安裝在面板17上；支架13，安裝在墊板20上，用于支持上臂，能在墊板20上來回移動來調(diào)節(jié)運動范圍；機械制動器12，固定在面板17上用于限制機械臂10運動；連接塊14，用于連接力矩傳感器22和面板17；大支撐柱18(4個)，用于將面板支撐在底板上；以及小支撐柱19(6個)，用于將馬達(dá)15固定在底板16上；其中，第一聯(lián)軸器21、第二聯(lián)軸器23、力矩傳感器22、馬達(dá)15、機械臂10共用一軸線。這樣，托11和機械臂10可以引導(dǎo)前臂繞軸線旋轉(zhuǎn)，力矩傳感器可以實時檢測機械臂與馬達(dá)之間的力矩，而角度傳感器可以實時檢測馬達(dá)轉(zhuǎn)動的位置，即患部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度。其中，力矩傳感器所感測到的機械臂與馬達(dá)的相互作用力矩可以結(jié)合肌電信號用于各種分析。
優(yōu)選的，馬達(dá)15為直接驅(qū)動(DDR)的無刷AC伺服馬達(dá)。DDR無刷AC伺服馬達(dá)由伺服驅(qū)動器驅(qū)動，其可以以非常低的速度(低于2rev/s)平滑轉(zhuǎn)動，并且具有較平坦的速度/力矩曲線以及較高的輸出力矩(Nm)，這適用于人體關(guān)節(jié)的生物機械運動。
優(yōu)選的，馬達(dá)15自帶的角度傳感器為固定在馬達(dá)軸上的光學(xué)增量軸編碼器，其測量關(guān)節(jié)角度的實際編碼分辨率能達(dá)到655,360線/分辨率，這提供給關(guān)節(jié)角度0.00055度的最大精確度。
考慮到安全因素，采取三個措施在訓(xùn)練中保護(hù)患者。第一、設(shè)置兩個機械制動器12，來限制馬達(dá)15的旋轉(zhuǎn)范圍。第二、控制部分通過軟件程序?qū)ⅠR達(dá)所產(chǎn)生的力矩限制到預(yù)設(shè)范圍，如果馬達(dá)產(chǎn)生的力矩超出此范圍則停止其運行。馬達(dá)能產(chǎn)生的力矩在-5Nm到5Nm的范圍內(nèi)。第三、基于PC的平臺上設(shè)有緊急制動按鈕，用于允許控制訓(xùn)練的人使用緊急制動，來掐斷伺服馬達(dá)的電源。
圖3為本發(fā)明為肘關(guān)節(jié)訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的側(cè)視圖。
在圖3中示出圖2中未示出的第一聯(lián)軸器21、力矩傳感器22、第二聯(lián)軸器23。其中，力矩傳感器22的一端通過第一聯(lián)軸器21連接至機械臂，另一端通過第二聯(lián)軸器23連接至馬達(dá)15。
圖4為本發(fā)明為肘關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的俯視圖。
在圖4中示出圖2、圖3中未示出的綁帶24和測試者8。其中，綁帶24安裝在支架13上，從而患者上臂可以借助綁帶24固定到支架13上。另外，患者前臂通過截面為半圓形的托11(參見圖3)以及將前臂固定到托上的綁帶24與機械臂10結(jié)合。
下面參照圖5、圖6以及圖7來說明為腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4，為了避免累贅，上面已經(jīng)說明過的組成部分將不再重復(fù)說明，除非其很有必要。
圖5為本發(fā)明為腕關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的俯視圖。
附加力矩提供部分4包括機械臂25，為訓(xùn)練腕關(guān)節(jié)所設(shè)計，與第一聯(lián)軸器21通過螺母相連；擋板26，安裝在機械臂25上，用于固定手腕；擋板27，安裝在面板17上，用于固定前臂；把手28，安裝于機械臂25上，方便患者抓握；綁帶29，安裝于擋板27上，用于和擋板27一起固定前臂；以及第一聯(lián)軸器21、第二聯(lián)軸器23、力矩傳感器22、馬達(dá)15、機械臂25轉(zhuǎn)動所共用的軸線40。
圖6為本發(fā)明為膝關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的側(cè)視圖。
附加力矩提供部分4包括機械臂30，為訓(xùn)練膝關(guān)節(jié)所設(shè)計，與第一聯(lián)軸器21通過螺母相連；綁帶31，安裝于支架32上，用于和支架32一起固定大腿；支架32，安裝在面板17上，用于固定患者的大腿；擋板33，安裝在機械臂30上，用于固定小腿；綁帶34，安裝在擋板33上，用于固定小腿；以及第一聯(lián)軸器21、第二聯(lián)軸器23、力矩傳感器22、馬達(dá)15、機械臂30轉(zhuǎn)動所共用的軸線40。
圖7為本發(fā)明為踝關(guān)節(jié)伸展和屈曲訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的側(cè)視圖。
附加力矩提供部分4包括機械臂35，為訓(xùn)練踝關(guān)節(jié)所設(shè)計，與第一聯(lián)軸器21通過螺母相連；支架36，安裝在機械臂35上，用于固定患者的腳；綁帶37，安裝于支架36上，用于和支架一起固定腳；擋板38，安裝在面板17上用于固定小腿；綁帶39，安裝在擋板38上，用于固定小腿；以及第一聯(lián)軸器21、第二聯(lián)軸器23、力矩傳感器22、馬達(dá)15、機械臂35轉(zhuǎn)動所共用的軸線40。
圖8為本發(fā)明為肩關(guān)節(jié)前屈和后伸訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的側(cè)視圖。
附加力矩提供部分4包括機械臂43，為訓(xùn)練肩關(guān)節(jié)所設(shè)計，與第一聯(lián)軸器21通過螺母相連；支架41，安裝在機械臂43上，用于固定患者的上臂和前臂；綁帶42，安裝于支架41上，用于和支架一起固定患者的上臂和前臂；把手44，安裝于機械臂43上，方便患者抓握；以及第一聯(lián)軸器21、第二聯(lián)軸器23、力矩傳感器22、馬達(dá)15、機械臂43轉(zhuǎn)動所共用的軸線40。
圖9為本發(fā)明為肩關(guān)節(jié)外展和內(nèi)收訓(xùn)練設(shè)計的附加力矩提供部分4的正視圖。
附加力矩提供部分4包括機械臂47，為訓(xùn)練肩關(guān)節(jié)所設(shè)計，與第一聯(lián)軸器21通過螺母相連；支架45，安裝在機械臂47上，用于固定患者的的上臂和前臂；綁帶46，安裝于支架45上，用于和支架一起固定患者的的上臂和前臂；把手48，安裝于機械臂47上，方便患者抓握；以及第一聯(lián)軸器21、第二聯(lián)軸器23、力矩傳感器22、馬達(dá)15、機械臂47轉(zhuǎn)動所共用的軸線40。
參照圖2-圖9，第一聯(lián)軸器與其所帶動的機械臂是通過螺母進(jìn)行連接，并且是可以拆卸的，通過更換所定做的不同形狀的機械臂，該康復(fù)機器人系統(tǒng)可適用于肘(圖2-圖4)、腕(圖5)、膝(圖6)、踝(圖7)以及肩(圖8-圖9)等不同關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)用于肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的康復(fù)時，可以將機械臂、面板和底板均水平放置，使機械臂在水平面上轉(zhuǎn)動。當(dāng)用于膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練時，可以將機械臂、面板和底板均豎直放置，使得機械臂在豎直面上轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明的利用肌電信號提供給患者機械幫助的方法請參照圖10以及前面的描述，這里不再贅述。
根據(jù)香港醫(yī)院管理局2003年死亡率和發(fā)病率統(tǒng)計數(shù)據(jù)，香港大約有25000人中風(fēng)而在醫(yī)院治療。我們的醫(yī)療小組是世界上已經(jīng)調(diào)查肌電控制的機器人對患者在中風(fēng)后的訓(xùn)練效果的第一個小組。對肘部的肌肉強度的測量結(jié)果表明在四周的康復(fù)訓(xùn)練之后，所有患者的患側(cè)臂部的肌肉強度都得到增加。在四周的康復(fù)訓(xùn)練之后，這些患者的患側(cè)肘部不需要機器人的幫助就能夠具有較大的運動范圍。此外，訓(xùn)練之后在臨床記錄上有很大的進(jìn)步，例如修訂Ashworth痙攣評定標(biāo)準(zhǔn)(modified Ashworth scale)的減少和Fugl-Meyer運動功能評分(Fugl-Meyer score)的增加。
本發(fā)明的康復(fù)機器人系統(tǒng)和康復(fù)訓(xùn)練方法通過來自患部肌肉的EMG信號得到患者的意愿，然后提供相應(yīng)的機械幫助和視覺反饋，能夠幫助中風(fēng)后的患者積極主動的參與到康復(fù)訓(xùn)練中來，并且重新學(xué)習(xí)肌肉控制。與僅提供給患者被動訓(xùn)練的現(xiàn)有技術(shù)相比，我們的系統(tǒng)能主動訓(xùn)練患者，提供給患者組合有輔助力矩、阻力力矩的附加力矩和視覺反饋。
權(quán)利要求
1.一種利用肌電信號提供機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)連接的肌電電極、數(shù)據(jù)采集卡以及控制部分，其特征在于還包括驅(qū)動器，連接至數(shù)據(jù)采集卡；附加力矩提供部分，連接至驅(qū)動器；其中，肌電電極感測患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉的肌電信號，并將所感測到的肌電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到控制部分，由控制部分使用所輸入的肌電信號、以及根據(jù)需要設(shè)置的恒定力矩計算出將要提供給患部關(guān)節(jié)的附加力矩，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動器控制附加力矩提供部分提供相應(yīng)的附加力矩給患部關(guān)節(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括濾波放大電路，其對來自肌電電極的肌電信號進(jìn)行全波整流放大，并用移動窗進(jìn)行濾波后輸入給數(shù)據(jù)采集卡。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制部分采用下面的公式(1)得到的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號NEMGjNEMGj=wj-wrwmvc-wr---(1)]]>其中，wj是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在當(dāng)前運動中產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，而wr是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在休息時的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，wmvc是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在最大自主收縮期間產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的最大幅度；控制部分采用下面的公式(2)來計算附加力矩提供部分將要提供的附加力矩TmTm＝K1×NEMGj-K2×NEMGi+T0(2)其中，NEMGj是主動肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號，NEMGi是拮抗肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號，K1是主動肌的權(quán)重系數(shù)，K2是拮抗肌的權(quán)重系數(shù)，T0是根據(jù)需要額外提供的恒定力矩。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括角度傳感器，設(shè)于附加力矩提供部分上，連接至數(shù)據(jù)采集卡，用于感測患部關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度，并將所感測到的關(guān)節(jié)角度經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到控制部分；顯示部分，連接于控制部分；其中，控制部分將所輸入的關(guān)節(jié)角度顯示在顯示部分上，以將關(guān)節(jié)角度信息反饋給患者。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，顯示部分還顯示目標(biāo)角度，以將當(dāng)前關(guān)節(jié)角度與目標(biāo)角度反饋給患者。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，附加力矩提供部分上設(shè)置有用于提供附加力矩的機械臂，以及連接至機械臂用于轉(zhuǎn)動機械臂的馬達(dá)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，附加力矩提供部分上設(shè)置有電連接至數(shù)據(jù)采集卡的力矩傳感器，用于感測機械臂與馬達(dá)的相互作用力矩，所述力矩傳感器的一端通過第一聯(lián)軸器連接至機械臂，另一端通過第二聯(lián)軸器連接至馬達(dá)，并且第一聯(lián)軸器與機械臂為活動連接，第一聯(lián)軸器、第二聯(lián)軸器、力矩傳感器、馬達(dá)、機械臂共用一軸線。
8.一種利用患側(cè)肌電信號提供給患者機械幫助，幫助患者的肘、腕、膝、踝以及肩關(guān)節(jié)進(jìn)行一個自由度的主動康復(fù)訓(xùn)練的方法，其特征在于包括以下步驟由肌電電極感測患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉的肌電信號；由數(shù)據(jù)采集卡將所感測到的肌電信號輸入到控制部分中；由控制部分使用所輸入的肌電信號、以及根據(jù)需要設(shè)置的恒定力矩計算出將要提供給患部關(guān)節(jié)的附加力矩；由控制部分經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動器控制附加力矩提供部分提供相應(yīng)的附加力矩給患部關(guān)節(jié)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，由濾波放大電路對來自肌電電極的肌電信號進(jìn)行全波整流、放大，并用移動窗進(jìn)行濾波后輸入到數(shù)據(jù)采集卡中。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，控制部分采用下面的公式(1)得到的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號NEMGjNEMGj=wj-wrwmvc-wr---(1)]]>其中，wj是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在當(dāng)前運動中產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，而wr是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在休息時的肌電信號經(jīng)整流濾波后的幅度，wmvc是患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉在最大自主收縮期間產(chǎn)生的肌電信號經(jīng)整流濾波后的最大幅度；控制部分通過下面的公式(2)來計算附加力矩提供部分將要提供的附加力矩TmTm＝K1×NEMGj-K2×NEMGi+T0(2)其中，NEMGj是主動肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號，NEMGi是拮抗肌的標(biāo)準(zhǔn)化的肌電信號，K1是主動肌的權(quán)重系數(shù)，K2是拮抗肌的權(quán)重系數(shù)，T0是根據(jù)需要額外提供的恒定力矩。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于還包括以下步驟由角度傳感器感測患部關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度，并將所感測到的關(guān)節(jié)角度經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到控制部分；由控制部分將所輸入的關(guān)節(jié)角度顯示在顯示部分上，以將關(guān)節(jié)角度信息反饋給患者。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，顯示部分還顯示目標(biāo)角度，以將當(dāng)前關(guān)節(jié)角度與目標(biāo)角度反饋給患者。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，針對肘、腕、膝、踝以及肩關(guān)節(jié)，從對應(yīng)的主動肌和拮抗肌中采集肌電信號。
全文摘要
本發(fā)明提出一種利用肌電信號提供給患者機械幫助的康復(fù)機器人系統(tǒng)及訓(xùn)練方法。該康復(fù)機器人系統(tǒng)及方法通過肌電電極感測患部關(guān)節(jié)相對應(yīng)的肌肉的肌電信號，并將所感測到的肌電信號輸入到控制部分，由控制部分使用所輸入的肌電信號、以及根據(jù)需要設(shè)置的恒定力矩計算出將要提供給患部關(guān)節(jié)的附加力矩，并控制附加力矩提供部分提供給患部關(guān)節(jié)相應(yīng)的附加力矩。本發(fā)明可以應(yīng)用在肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，能夠基于肌電信號提供給患者機械幫助、視覺反饋，幫助患者在改善的運動空間里進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練，極大地加快患部關(guān)節(jié)的恢復(fù)。
文檔編號B25J3/00GK101061984SQ20061007997
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者湯啟宇, 宋嶸 申請人:香港理工大學(xué)