專利名稱：一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，特別涉及一種基于眼波信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，屬于康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
根據(jù)2006年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)顯示，目前，全國各類殘疾人的總數(shù)為8296萬人，占全國總?cè)丝诘谋壤秊?.34% ;其中肢體殘疾2412萬人，占?xì)埣踩丝倲?shù)的29.07% ;全國有殘疾人的家庭戶共7050萬戶，占全國家庭戶總戶數(shù)的17.80% ;其中有2個(gè)以上殘疾人的家庭戶876萬戶，占?xì)埣踩思彝舻?2.43% ;有殘疾人的家庭戶的總?cè)丝谡既珖側(cè)丝诘?9.98%。而在這些殘疾人中，多數(shù)人是可以通過康復(fù)治療、配備康復(fù)器具和康復(fù)訓(xùn)練，改善甚至部分或完全恢復(fù)其喪失的功能的。
下肢的主要功能是支撐體重和行走，而站立行走是人類生存的基本需要，也是人們生活自理的必要條件，往往也是患者在康復(fù)治療過程中最基本需求。下肢偏癱患者由于肢體肌群間協(xié)調(diào)功能減弱或消失，肌張力異常而出現(xiàn)偏癱步態(tài)或喪失行走功能，嚴(yán)重影響了患者的生活自理能力，增加了社會(huì)和家庭的負(fù)擔(dān)。由于大腦的可塑性，醫(yī)學(xué)上通常是通過進(jìn)行重復(fù)的、特定任務(wù)的訓(xùn)練讓患者進(jìn)行足夠的重復(fù)性活動(dòng)，從而使重組中的大腦皮質(zhì)通過深刻的體驗(yàn)來學(xué)習(xí)和儲(chǔ)存正確的運(yùn)動(dòng)模式?；谶@種方法，在過去20年里，減重活動(dòng)平板步行訓(xùn)練的治療方法已被引入到用于殘障人士的康復(fù)治療中，并取得了顯著的臨床效果。然而，傳統(tǒng)的減重活動(dòng)平板步行訓(xùn)練的治療方法需要很多的物理治療師來輔助病人側(cè)身和重心轉(zhuǎn)移，從而使得治療師必須花費(fèi)很多的體力而導(dǎo)致其疲勞或過重身體壓力，這也使得對殘障者的治療次數(shù)以及重復(fù)次數(shù)受到嚴(yán)重的限制。因此，需要研發(fā)自動(dòng)的康復(fù)裝置代替物理治療師的手動(dòng)輔助。
目前多數(shù)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的自動(dòng)下肢康復(fù)器械，如步態(tài)訓(xùn)練器，主要以被動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式為主，缺乏目標(biāo)導(dǎo)向訓(xùn)練設(shè)計(jì)，往往將患者本人的主觀意愿排除在外，使得康復(fù)訓(xùn)練缺少自主性，不能達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果；并且目前研發(fā)的多數(shù)下肢康復(fù)器械只能引導(dǎo)患者進(jìn)行類似踩踏自行車的圓周運(yùn)動(dòng)方式，這種圓周運(yùn)動(dòng)方式有別于人正常行走時(shí)的上、下垂直運(yùn)動(dòng)方式，不能很好的對殘障者進(jìn)行合理的康復(fù)訓(xùn)練。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的下肢康復(fù)器械存在的缺陷和不足，提供一種利用眼電信號(hào)作為患者主觀意愿信號(hào)，幫助下肢殘障者進(jìn)行腿部上、下垂直訓(xùn)練的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:由眼電信號(hào)人機(jī)接口、直立床、康復(fù)踏步機(jī)械和控制驅(qū)動(dòng)構(gòu)成一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置。眼電信號(hào)人機(jī)接口包括放置在眼睛周圍的Ag或Ag-Cl電極、眼電信號(hào)放大電路和ARM單片機(jī)，通過Ag或Ag-Cl電極檢測到微弱的眼電信號(hào)，眼電信號(hào)放大電路對該信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后傳送至帶有A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的ARM單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)對眼電信號(hào)進(jìn)行去偽值，歸一化處理后，將得到的有效特征值以特征值數(shù)據(jù)歸類，單片機(jī)則做相應(yīng)數(shù)據(jù)分析及后續(xù)運(yùn)算，最終輸出識(shí)別的動(dòng)作模式信號(hào)至控制驅(qū)動(dòng)，由控制驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)康復(fù)踏步機(jī)械完成對應(yīng)動(dòng)作。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括直立床和依次相連的眼電信號(hào)人機(jī)接口、控制驅(qū)動(dòng)裝置和康復(fù)踏步機(jī)械。所述的眼電信號(hào)人機(jī)接口包括依次相連的Ag或Ag-Cl電極，眼電信號(hào)放大電路、光電隔離電路和ARM單片機(jī)；所述的控制驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)電路、位置傳感器、力傳感器、安全保護(hù)限位開關(guān)。所述的康復(fù)踏步機(jī)械包括兩套獨(dú)立的直流電機(jī)、螺旋副、磁流變阻尼器和腳踏板，分別用于控制左腳和右腳的踏步運(yùn)動(dòng)。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、床板和液壓伸縮桿，所述的液壓伸縮桿一端可轉(zhuǎn)動(dòng)的固定在限流控制器上，另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)的固定在床板上，在限流控制器的作用下，可實(shí)現(xiàn)床板0-90°位置定位。
進(jìn)一步，所述的Ag或Ag-Cl電極放置在眼睛周圍用于采集眼波信號(hào)，眼電信號(hào)經(jīng)眼電信號(hào)放大電路放大后，傳送至ARM單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)做進(jìn)行去偽值，歸一化處理后，將得到的有效特征值以特征值數(shù)據(jù)歸類，單片機(jī)則做相應(yīng)數(shù)據(jù)分析及后續(xù)運(yùn)算，輸出識(shí)別的動(dòng)作模式信號(hào)。所述的光電隔離電路設(shè)置在眼電信號(hào)放大電路之后，用于保障使用者的人身安全。
進(jìn)一步，所述的ARM單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路分別與磁流變阻尼器和直流電機(jī)相連，磁流變阻尼器或直流電機(jī)通過ARM單片機(jī)輸出的識(shí)別動(dòng)作模式信號(hào)控制腳踏板垂直運(yùn)動(dòng)幅度。
進(jìn)一步，所述的腳踏板通過數(shù)據(jù)線分別與位置傳感器和力傳感器相連，位置傳感器和力傳感器通過傳感器信號(hào)處理電路與ARM單片機(jī)相連，所述的ARM單片機(jī)通過藍(lán)牙、RF射頻或RS232接口與PC機(jī)或者手機(jī)設(shè)備相連?；颊呖祻?fù)訓(xùn)練時(shí)的主觀控制狀態(tài)和訓(xùn)練程度可以通過位置傳感器和力傳感器傳送到PC機(jī)上，供相關(guān)醫(yī)生做分析。
進(jìn)一步，所述的ARM單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線與控制操作面板相連，通過控制操作面板可以人工干預(yù)康復(fù)訓(xùn)練工作參數(shù)。
進(jìn)一步，所述的床板兩邊設(shè)置有左、右手把，在左、右手把上固定有綁帶，通過綁帶將患者固定在床板上，所述的左手把上設(shè)置有床板角度控制操作面板，患者可以根據(jù)需要隨時(shí)變動(dòng)直立床角度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明將眼電信號(hào)與下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置相結(jié)合，患者在使用上述設(shè)備后，可以通過眼電信號(hào)自主控制下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，使患者可以達(dá)到隨時(shí)隨地訓(xùn)練的效果，患者僅需自己就能完成全部的下肢康復(fù)訓(xùn)練；本發(fā)明采用的眼電信號(hào)采集裝置不僅對患者侵入程度低，而且信號(hào)動(dòng)態(tài)明顯，受干擾小，能更準(zhǔn)確的傳達(dá)患者的主觀意愿到相應(yīng)的下肢康復(fù)器械上；本發(fā)明所述的康復(fù)踏步機(jī)械采用垂直上下運(yùn)動(dòng)的左右踏板，運(yùn)動(dòng)軌跡更加接近人體日常生活狀態(tài)，對病人來說更加簡單實(shí)用。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框架圖2是本發(fā)明直立床的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明康復(fù)踏步機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明康復(fù)踏步機(jī)械俯視結(jié)構(gòu)圖中:1，Ag或Ag-Cl電極；2，眼電信號(hào)放大電路；3，光電隔離電路；4，ARM單片機(jī)；5，控制操作面板；6，左驅(qū)動(dòng)電路；7，右驅(qū)動(dòng)電路；8，左磁流變阻尼器；9，左直流電機(jī)；10，右直流電機(jī)；11，右磁流變阻尼器；12，左腳踏板；13，右腳踏板；14，左力傳感器；15，左位置傳感器；16，左安全保護(hù)限位開關(guān)；17，左傳感器信號(hào)處理電路；18，右力傳感器；19，右位置傳感器；20，右安全保護(hù)限位開關(guān)；21，右傳感器信號(hào)處理電路；22，床板；23，手把；24，床板角度指示器；25，液壓伸縮桿；26，限流控制器；27，床板支架；28，床板角度控制操作面板；29，踏板支撐架；30，右位置傳感器；31，螺旋副；32，電動(dòng)機(jī)；33，右力傳感器。
具體實(shí)施方法
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括直立床、眼電信號(hào)人機(jī)接口、控制驅(qū)動(dòng)裝置和康復(fù)踏步機(jī)械。所述的眼電信號(hào)人機(jī)接口包括依次相連的Ag或Ag-Cl電極I，眼電信號(hào)放大電路2、光電隔離電路3和ARM單片機(jī)4 ;所述的ARM單片機(jī)4通過左驅(qū)動(dòng)電路6與左磁流變阻尼器8和左直流電機(jī)9相連，所述的ARM單片機(jī)4通過右驅(qū)動(dòng)電路7與右磁流變阻尼器11和右直流電機(jī)10相連；所述的左磁流變阻尼器8和左直流電機(jī)9直接控制左腳踏板12的踏板運(yùn)動(dòng)，右磁流變阻尼器11和右直流電機(jī)10直接控制右腳踏板13的踏板運(yùn)動(dòng)；所述的左腳踏板12和右腳踏板13通過數(shù)據(jù)線分別與左位置傳感器15、左力傳感器14和右位置傳感器19、右力傳感器18相連，左位置傳感器15、左力傳感器14通過左傳感器信號(hào)處理電路17與ARM單片機(jī)4相連，右位置傳感器19、右力傳感器18通過右傳感器信號(hào)處理電路21與ARM單片機(jī)4相連；所述的左腳踏板12通過數(shù)據(jù)線連接有左安全保護(hù)限位開關(guān)16，所述的右腳踏板13通過數(shù)據(jù)線連接有右安全保護(hù)限位開關(guān)20，左、右安全保護(hù)限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)對康復(fù)踏步機(jī)械的限流保護(hù)和過熱保護(hù)。
所述的ARM單片機(jī)4通過藍(lán)牙、RF射頻或RS232接口與PC機(jī)或者手持設(shè)備相連。康復(fù)訓(xùn)練的工作參數(shù)可以在PC機(jī)或者手機(jī)設(shè)備上設(shè)定，然后傳送到本康復(fù)裝置內(nèi)的控制中心ARM單片機(jī)4上。ARM單片機(jī)4隨后根據(jù)此參數(shù)安排康復(fù)訓(xùn)練?？祻?fù)訓(xùn)練時(shí)的主觀控制狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、訓(xùn)練程度等參數(shù)也可以發(fā)送到PC機(jī)上，供相關(guān)醫(yī)生做分析。所述的ARM單片機(jī)4通過數(shù)據(jù)線與控制操作面板5相連，通過控制操作面板5可以隨時(shí)人工干預(yù)康復(fù)訓(xùn)練工作程序。
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和液壓伸縮桿25，所述的液壓伸縮桿25—端可轉(zhuǎn)動(dòng)的固定在限流控制器26上，另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)的固定在床板22背后，床板22兩邊設(shè)置有左、右手把23，在左、右手把23上固定有綁帶(圖中未表示)，通過綁帶將患者固定在床板22上，所述的手把23上設(shè)置有床板角度控制操作面板28，床板角度控制操作面板28通過數(shù)據(jù)線與限流控制器26相連，患者可以通過調(diào)節(jié)床板角度控制操作面板28實(shí)現(xiàn)床板0-90°位置定位。
本發(fā)明的眼電信號(hào)控制參數(shù)為:眼球向上運(yùn)動(dòng)，踏板助力增加一檔；眼球向下運(yùn)動(dòng)，踏板助力減小一檔，當(dāng)助力減小到零后，會(huì)自動(dòng)增加阻尼力；眼球向左運(yùn)動(dòng)，踏板上下運(yùn)動(dòng)頻率增加一檔；眼球向右運(yùn)動(dòng)，踏板上下運(yùn)動(dòng)頻率減少一檔；眼球轉(zhuǎn)動(dòng)一下，踏板啟動(dòng)，眼球再轉(zhuǎn)動(dòng)一下，踏板停止；眼睛快速眨眼(每秒2次以上)，踏板運(yùn)動(dòng)幅度增大(踏板單次運(yùn)動(dòng)高度增大)；眼睛慢速眨眼(每秒I次以下)，踏板運(yùn)動(dòng)幅度減少(踏板單次運(yùn)動(dòng)高度降低)。
具體實(shí)施時(shí)，通過他人協(xié)助綁帶將患者固定在床板22上，避免患者在做康復(fù)訓(xùn)練時(shí)意外摔倒，然后通過調(diào)節(jié)床板角度控制操作面板28使床板22固定在垂直位置；患者佩戴好接收眼電信號(hào)的Ag或Ag-Cl電極I，眼電信號(hào)通過上述裝置的眼電信號(hào)放大電路2、光電隔離電路3，將眼電信號(hào)放大后傳送入帶有A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的ARM單片機(jī)4，在ARM單片機(jī)4內(nèi)對眼電信號(hào)進(jìn)行去偽值，歸一化處理后，將得到的有效特征值以特征值數(shù)據(jù)歸類，單片機(jī)4則做相應(yīng)數(shù)據(jù)分析及后續(xù)運(yùn)算，最終輸出識(shí)別的動(dòng)作模式信號(hào)，動(dòng)作模式信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)磁流變阻尼器和直流電機(jī)，磁流變阻尼器和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)對腳踏板的踏步運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明采用垂直上下運(yùn)動(dòng)的左右踏板，運(yùn)動(dòng)軌跡更加接近人體日常生活狀態(tài)，對病人來說更加簡單實(shí)用。
為了驗(yàn)證本發(fā)明所述裝備的可行性和穩(wěn)定性，我們對5名受試者進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)，受試者均為成年下肢殘障者(平均年齡56.8歲)，實(shí)驗(yàn)包括4個(gè)階段，每個(gè)階段連續(xù)進(jìn)行50次踏步運(yùn)動(dòng)，受試者均未經(jīng)過先期訓(xùn)練過程，選擇任務(wù)的順序在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)給出。殘障者從發(fā)出眼電信號(hào)任務(wù)命令開始計(jì)時(shí)，到踏步運(yùn)動(dòng)真正實(shí)施，踏步運(yùn)動(dòng)結(jié)束，則計(jì)時(shí)停止，依次進(jìn)行50次。如果眼球轉(zhuǎn)動(dòng)后，踏步運(yùn)動(dòng)未被實(shí)施，則記為一個(gè)動(dòng)作錯(cuò)誤；如果眼球向上運(yùn)動(dòng)后，踏板助力未增加，則記為一個(gè)助力錯(cuò)誤；如果眼球向下運(yùn)動(dòng)后，踏板助力未減小，則記為一個(gè)阻力錯(cuò)誤；如果眼球向左運(yùn)動(dòng)后，踏板上下運(yùn)動(dòng)頻率未增加一檔，則記為一個(gè)增頻錯(cuò)誤；如果眼球向右運(yùn)動(dòng)后，踏板上下運(yùn)動(dòng)頻率未減少一檔，則記為一個(gè)減頻錯(cuò)誤；如果眼睛快速眨眼(每秒2次以上)，踏板運(yùn)動(dòng)幅度未增加，則記為一個(gè)增幅錯(cuò)誤；如果眼睛慢速眨眼(每秒I次以下)，踏板運(yùn)動(dòng)幅度未降低，則記為一個(gè)減幅錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)時(shí)間記錄嚴(yán)格在相同實(shí)驗(yàn)條件下由同一個(gè)實(shí)驗(yàn)者負(fù)責(zé)進(jìn)行。
表I至表5顯示了 5名殘障者在4個(gè)階段連續(xù)50次踏步運(yùn)動(dòng)中的錯(cuò)誤選擇次數(shù)。
表I殘障者I受試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于，包括有:直立床和依次相連的眼電信號(hào)人機(jī)接口、控制驅(qū)動(dòng)裝置和康復(fù)踏步機(jī)械。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于所述的眼電信號(hào)人機(jī)接口包括依次相連的Ag或Ag-Cl電極，眼電信號(hào)放大電路、光電隔離電路和ARM單片機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于所述的控制驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)電路、位置傳感器、力傳感器、安全保護(hù)限位開關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于所述的康復(fù)踏步機(jī)械包括兩套獨(dú)立的直流電機(jī)、螺旋副、磁流變阻尼器和腳踏板。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，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、床板和液壓伸縮桿，所述的液壓伸縮桿一端可轉(zhuǎn)動(dòng)的固定在限流控制器上，另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)的固定在床板上。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于所述的ARM單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)電路分別與磁流變阻尼器和直流電機(jī)相連。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于所述的腳踏板通過數(shù)據(jù)線分別與位置傳感器和力傳感器相連，位置傳感器和力傳感器通過傳感器信號(hào)處理電路與ARM單片機(jī)相連。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于所述的ARM單片機(jī)通過藍(lán)牙、RF射頻或RS232接口與PC機(jī)或者手機(jī)設(shè)備相連。
9.如權(quán)利要求1所述的一種基于眼電信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于所述的ARM單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線與控制操作面板相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于眼波信號(hào)控制的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括直立床、眼電信號(hào)人機(jī)接口、控制驅(qū)動(dòng)裝置和康復(fù)踏步機(jī)械。所述的眼電信號(hào)人機(jī)接口包括依次相連的Ag或Ag-Cl電極、眼電信號(hào)放大電路、光電隔離電路和ARM單片機(jī)；所述的康復(fù)踏步機(jī)械采用腳踏板的形式實(shí)現(xiàn)左腳和右腳的踏步運(yùn)動(dòng)。人機(jī)接口和康復(fù)踏步機(jī)械之間的連接通過控制驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明將眼電信號(hào)與下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置相結(jié)合，患者可以通過眼電信號(hào)自主控制下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，使患者可以達(dá)到隨時(shí)隨地訓(xùn)練的效果；同時(shí)，本發(fā)明所述的康復(fù)踏步機(jī)械采用上下垂直運(yùn)動(dòng)的左右踏板，運(yùn)動(dòng)軌跡更加接近人體日常生活狀態(tài)，把單調(diào)容易疲勞的康復(fù)訓(xùn)練變成輕松有趣的訓(xùn)練方式。
文檔編號(hào)A63B23/04GK103182159SQ20121031502
公開日2013年7月3日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者胡琦逸 申請人:胡琦逸