便携式肘关节康复机器人控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种便携式肘关节康复机器人控制方法，便携式肘关节康复机器人控制方法，手机端通过语音或按键的控制方式选择不同的训练模式；手机端通过蓝牙发送数据到单片机，单片机根据数据选择不同的训练模式；导联连接异常检测信号、肌电采集模块采集肌电信号、疲劳判断模块检测信号和旋转角度传感器采集运动角度数据送到单片机，单片机根据采集捕获的特征值发送不同信号给驱动电路，驱动芯片再驱动电机，完成相应动作。按此方法设计的装置小巧，易于穿戴和随身携带，有一定的助残作用。
【专利说明】便携式肘关节康复机器人控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种医疗设备控制方法，特别涉及一种便携式肘关节康复机器人控制方法。
【背景技术】
[0002]语音信号是一种频率分布在20HZ?4KHZ的音频信号。可用一条连续的曲线来表示。语音的三个要素重要参数:频率，幅度和相位，决定了语音信号的特征。时至今日，语音信号已能识别的非常准确，是一种理想的控制方法。
[0003]蓝牙，是一种支持设备短距离通信的无线电技术。能在移动终端之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。蓝牙传输能准确保证手机端和单片机端的通信准确率，给本控制方法提供了一种可靠的通信方式。
[0004]肌电信号是肌肉运动时产生的生理电信号。表面肌电信号是指在皮肤表面采集到的肌电信号，是人体浅层肌肉和神经运动的综合结果。其主要特点有:一是信号幅度小。通常在几十微伏。二是信号频率位于低频范围(10Hz-500Hz)。虽然肌电信号的幅度很小，但是它包含的丰富的信息，这些信息包括人手发出的动作模式、动作速度大小等。通过时域信息和快速傅里叶变换之后观察的频域信息，可以方便的识别出患者的部分意图，和是一种可靠的控制方法。
[0005]市面上绝大多数的康复上肢训练装置为台式或固定式，动力来源为气泵。这就导致了装置体型大而笨重，离不开气站工作，不方便穿戴和便携。
【发明内容】
[0006]本发明是针对现在康复机器人训练模式单一，康复效果不佳的问题，提出了一种便携式肘关节康复机器人控制方法，满足各阶段患者需求。患者可以根据自己的意愿来通过改变控制方式实现不同功能需求，给使用者带来了极大的方便。
[0007]本发明的技术方案为:一种便携式肘关节康复机器人控制方法，手机端通过语音或按键的控制方式选择不同的训练模式；
手机端通过蓝牙发送数据到单片机，单片机根据数据选择不同的训练模式；
导联连接异常检测信号、肌电采集模块采集肌电信号、疲劳判断模块检测信号和旋转角度传感器采集角度信息送到单片机，单片机根据采集捕获的特征值发送不同信号给驱动电路，驱动芯片再驱动电机，完成相应动作。
[0008]所述训练模式包括被动训练模式、对侧训练、主动训练模式；
被动训练模式:在手机端完成抬臂或者是放臂的控制；
对侧训练:在手机端选择对侧训练，通过健康侧手臂的运动，映射指令驱动偏瘫侧手臂的运动；
主动训练:在手机端选择从动训练，在偏瘫侧手臂贴上肌电电极，捕捉微弱肌电信号以驱动康复机器人完成抬臂或者放臂动作。
[0009]所述被动训练模式，则单片机仅受手机端控制:手机通过按键或语音给单片机上升、下降指令，停止指令。
[0010]所述肌电采集模块通过肌电电极采集肌电信号，肌电信号通过高输入阻抗仪表放大器进行阻抗匹配和差分放大，后经过二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶高通滤波器完成滤波，然后经过50HZ点阻滤波器抑制工频干扰，最后再经过增益调节放大器输送给单片机。
[0011]所述疲劳判断模块检测肌电信号频谱的中位频率向低频段偏移量来进行疲劳判断。
[0012]本发明的有益效果在于:本发明便携式肘关节康复机器人控制方法，按此方法设计的装置小巧，易于穿戴和随身携带，有一定的助残作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明控制方法中控制、驱动、采集信号的示意图；
图2为本发明控制方法中肌电信号采样的原理图；
图3为本发明便携式肘关节康复机器人示意图。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示控制、驱动、采集信号的原理图，在手机端安装相应的应用软件，在手机端，可以通过语音和按键的控制方式选择不同的训练模式。训练方式包括被动训练模式104和对侧训练/主动训练模式105。被动训练模式:在手机端完成抬臂或者是放臂的控制。对侧训练:在手机端选择对侧训练，通过健康侧手臂的运动，采集健康侧手臂的运动信号，映射指令驱动偏瘫侧手臂的运动。主动训练:在手机端选择从动训练，在偏瘫侧手臂贴上肌电电极，捕捉微弱肌电信号以驱动康复机器人完成抬臂或者放臂动作。
[0015]所述语音控制方式通过调用第三方语音库，手机端101捕捉语音信号后上传云端进行分析匹配，返回字符串信号后，通过蓝牙102发送数据到单片机103，单片机103根据不同的语音信号选择不同的训练模式。
[0016]如果单片机收到的指令是对侧训练/主动训练模式105，则单片机开始采集肌电信号。良好的肌电采集模块107的引入是肌电控制假手的首要前提，如图2所示为肌电信号采样的原理图。首先通过肌电电极201采集肌电信号，高输入阻抗仪表放大器202的作用是阻抗匹配和差分放大。共模抑制电路203具有高共模抑制比，对来自高输入阻抗缓冲放大器202输出的差分信号进行放大得到单端输出信号，后经过二阶巴特沃斯低通滤波器204和二阶高通滤波器205完成滤波。50HZ陷波器选择点阻滤波器206，点阻滤波器有中心频率可调且不影响衰减深度的特性，方便微调。最后再经过增益调节放大器207，控制放大倍数在一个合适的范围内，最终输送给单片机103。单片机103在获得肌电信号后，对其进行相应处理。首先判断接入的肌电信号是否正常。通过对异常值的比较，确定导联是否连接正常，如果连接异常，则返回给手机端异常值，手机端通过语音告诉使用者导联连接异常106。若导联连接正常，则开始正常的采样分析:通过时域一频域的分析，获取相应动作的特征值。同时进行疲劳检测108。疲劳判断是通过肌电信号频谱的中位频率向低频段偏移实现的。如果检测到疲劳，则返回给手机端异常值，手机端通过语音告诉使用者已进入疲劳状态。如果使用者连接导联正常切未进入疲劳状态，则进入正常的使用状态。在训练时，角度传感器109实时采集旋转角度，以确保系统运行在一个安全的范围内。单片机103根据实施捕获的特征值发送不同信号给驱动电路110，驱动芯片再驱动电机，完成相应动作。
[0017]所述的肌电识别方法是通过时域一频域分析的方法，通过时域特征和频域特征的共同分析，给出标准曲臂和放臂的特征量，只有使用者的肌电信号满足该特征量时，才驱动康复机器人完成相应动作。
[0018]系统通过旋转角度传感器109实时采样，保证肘关节机械结构的旋转角度在安全范围内。两路ADC通道捕获肌电信号，通过FFT变换获得频域信息，继而获得积分值，峰峰值，中位频率等信息，对不同的动作进行模拟和比较，最终确定使用者的意图，并通过驱动电机表达出来。整个系统通过远程蓝牙终端控制。
[0019]手机端101通过蓝牙102和单片机103进行连接。在手机端101上，可以选择两种控制方法，分别为语音控制和按键控制。语音控制通过采集语音流，手机端捕捉语音信号后上传云端进行分析匹配，返回字符串信号后，手机端进行识别并发送给单片机。按键控制即通过不同的按键发送被动训练、主动训练、对侧训练的指令给单片机。
[0020]如果单片机收到的指令是被动训练104，则单片机103仅受手机端控制:手机103通过按键给单片机上升、下降，停止指令，也可通过语音进行入语音模式。语音模式和按键模式可以通过手机端101切换。
[0021]如图3所示便携式肘关节康复机器人示意图，301为电极导联线，302为单片机、肌电处理模块、303为蓝牙模块、304为电极导联接口、305为电机架、306为电极片、307为电机、308为旋转角度传感器模块。
【权利要求】
1.一种便携式肘关节康复机器人控制方法，其特征在于，手机端通过语音或按键的控制方式选择不同的训练模式； 手机端通过蓝牙发送数据到单片机，单片机根据数据选择不同的训练模式； 导联连接异常检测信号、肌电采集模块采集肌电信号、疲劳判断模块检测信号和旋转角度传感器采集角度信息送到单片机，单片机根据采集捕获的特征值发送不同信号给驱动电路，驱动芯片再驱动电机，完成相应动作。
2.根据权利要求1所述便携式肘关节康复机器人控制方法，其特征在于，所述训练模式包括被动训练模式、对侧训练、主动训练模式； 被动训练模式:在手机端发指令完成抬臂或者是放臂的控制； 对侧训练:在手机端选择对侧训练，通过健康侧手臂的运动，映射指令驱动偏瘫侧手臂的运动； 主动训练:在手机端选择从动训练，在偏瘫侧手臂贴上肌电电极，捕捉微弱肌电信号以驱动康复机器人完成抬臂或者放臂动作。
3.根据权利要求2所述便携式肘关节康复机器人控制方法，其特征在于，所述被动训练模式，则单片机仅受手机端控制:手机通过按键或语音给单片机上升、下降指令，停止指令。
4.根据权利要求1所述便携式肘关节康复机器人控制方法，其特征在于，所述肌电采集模块通过肌电电极采集肌电信号，肌电信号通过高输入阻抗仪表放大器进行阻抗匹配和差分放大，后经过二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶高通滤波器完成滤波，然后经过50HZ点阻滤波器抑制工频干扰，最后再经过增益调节放大器输送给单片机。
5.根据权利要求4所述便携式肘关节康复机器人控制方法，其特征在于，所述疲劳判断模块检测肌电信号频谱的中位频率向低频段偏移量来进行疲劳判断。
【文档编号】A63B23/12GK104224495SQ201410523559
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】曹武警, 喻洪流, 马达, 赵伟亮, 邹旭辉, 胡鑫, 孟巧玲 申请人:上海理工大学