本發明涉及一種并指術后可穿戴康復機器人手套裝置及康復訓練方法，用于并指術后康復的可穿戴機器人手套及康復訓練方法，屬于康復工程和機器人領域。

背景技術：

并指是兩個以上手指部分或全部組織成分先天性病理相連，是僅次于多指畸形的常見手部先天性畸形。據世界衛生組織（World Health Organization簡稱WHO）資料統計并指的發病率為0.33‰至0.5‰，半數患兒為雙側性并指，男女比例為3：1。目前并指術后康復治療還停留在醫生和家長密切配合下，指導孩子進行功能鍛煉，有時還要配合中草藥熏洗、按摩等方法進行康復鍛煉，使手指各關節活動正常。康復訓練往往需要長期反復執行，而傳統的訓練方式對康復醫師具有依賴性，加上患者眾多，康復治療師數量有限。這樣就會導致一方面康復醫師的工作量增加，另一方面，訓練時間不能保障，而且長時間重復性訓練極易使康復治療師疲勞，有可能造成訓練誤差、對患者訓練強度不足等不利影響。因此傳統的訓練方式存在康復效率低，不利于開展臨床康復等缺點。

醫學研究表明，手部在大腦相應皮層投射區，可隨著手功能的改變發生漂移和轉換，即手部的大腦皮層投射區具有可塑性。同時，隨著大腦皮層投射區的可塑性變化．可引起手部功能的改變。對于先天性并指患者，術前作腦磁波描記圖顯示，并指在大腦皮層的代表區是融臺的，沒有分開，進行并指分離術后同法檢測，顯示相應的皮層代表區已經分離。大腦皮層區的可塑性變化。在很大程度上是訓練的結果。即獲得的功能強弱與訓練呈正相關。并指術后的恢復訓練應在積極的環境下進行，被動或不積極的訓練，對于促進皮層功能區的功能變化價值不大。并指患者手功能的恢復可以通過訓練手指抓握和精細動作的活動來進行。訓練的越好，功能恢復的越好，皮層代表區得到的反饋越多，則有用的功能重組發生越快。

技術實現要素：

為了克服并指患者現有術后訓練方式康復效率低，不利于開展臨床康復等不足，本發明提供一種并指術后可穿戴康復機器人手套裝置及康復訓練方法。該手套裝置利用表面肌電信號作為控制信號，兩個指套分別佩戴于并指術后兩個手指上。手套上配有無線接收裝置，使患者使用更加方便。指套里有關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，可以測得患者訓練動作手指關節的位置和用力的大小。另外，患者可以根據自己手指關節的大小自行調節指套的大小，滿足了差異化的需要。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一方面，本發明提供一種并指術后可穿戴康復機器人手套裝置，包括用于供電的電源模塊以及肌電信號采集模塊、主控芯片模塊、運動控制模塊、可穿戴手套模塊、顯示模塊，其中：

肌電信號采集模塊，用于采集患者手臂肌肉的表面肌電信號；

可穿戴手套模塊包括兩個分別佩戴在患者兩并指上的指套，每個指套上還分別設有關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器分別用于采集訓練動作手部關節的位置和力的大小；

運動控制模塊，與可穿戴手套模塊連接，用于根據主控芯片模塊的控制指令控制兩個指套進行動作、接收關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器采集到的數據；

主控芯片模塊，與肌電信號采集模塊連接，接收肌電信號采集模塊采集到的肌電信號；與運動控制模塊連接，用于根據接收到的肌電信號向運動控制模塊發出控制指令；與顯示模塊連接，用于將運動控制模塊傳輸的關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器采集到的數據傳輸至顯示模塊進行顯示。

作為本發明的進一步優化方案，肌電信號采集模塊包括依次連接的高密度矩陣式電極貼片、前置放大電路、濾波電路、工頻陷波電路、可變增益放大電路、A/D轉換電路和數據采集卡，數據采集卡與主控芯片模塊連接。

作為本發明的進一步優化方案，數據采集卡為AC6621 PCII數據采集卡。

作為本發明的進一步優化方案，運動控制模塊包括控制器以及分別與其連接的無線收發模塊、電機驅動模塊以及兩個分別與兩個指套連接的電機。

作為本發明的進一步優化方案，電源模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路，電池、電流傳感器和主控芯片模塊依次連接，蜂鳴器電路與主控芯片連接。

作為本發明的進一步優化方案，PVDF壓電薄膜傳感器信號采集系統包括依次連接的壓電薄膜傳感器、放大電路、LC濾波電路和A/D轉換電路。

另一方面，本發明還提供一種基于上述并指術后可穿戴康復機器人手套裝置的并指術后康復訓練方法，該方法包括以下步驟：

步驟1，患者將肌電信號采集模塊佩戴在手臂上，兩個指套分別佩戴在兩并指上；

步驟2，患者通過主觀意愿控制指關節運動，肌電信號采集模塊采集此時手臂上肌肉的表面肌電信號，并傳輸至主控芯片模塊；

步驟3，主控芯片模塊根據接收到的表面肌電信號向運動控制模塊發出控制指令；

步驟4，運動控制模塊根據接收到的控制指令，控制兩個指套進行動作；

步驟5，兩個指套上的關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器采集此時的訓練動作手部關節的位置和力的大小，并將采集到的數據通過運動控制模塊傳輸至主控芯片模塊；

步驟6，主控芯片模塊將接收到的數據傳輸至顯示模塊進行顯示；

步驟7，患者根據顯示模塊顯示的數據以及術后醫囑的訓練計劃，調整訓練動作，繼續完成訓練。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

（1）改變并指患者康復訓練方式，不再依賴傳統的康復治療師，使之在家就能進行自主的康復訓練；

（2）此發明可以很大程度上提高并指患者術后康復訓練的效率，使他們早日回歸健康生活。

附圖說明

圖1是本發明的總體結構圖。

圖2是FPGA主控芯片模塊功能框圖。

圖3是肌電信號采集模塊功能框圖。

圖4是運動控制模塊功能框圖。

圖5是關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器系統框圖。

圖中：1-主控芯片模塊，2-肌電信號采集模塊，3-顯示模塊，4-電流傳感器，5-電池，6-運動控制模塊，7-可穿戴手套模塊，8-PVDF壓電薄膜傳感器，9-關節位置傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

為了克服并指患者現有術后訓練方式康復效率低，不利于開展臨床康復等不足，本發明提出了一種基于表面肌電信號作為控制信號的可穿戴康復機器人手套及康復訓練方法。

本發明提出一種并指術后可穿戴康復機器人手套裝置，該手套裝置利用表面肌電信號作為控制信號，兩個指套分別佩戴于并指術后兩個手指上。手套上配有無線接收裝置，使患者使用更加方便。指套里有關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，可以測得患者訓練動作手指關節的位置和用力的大小。另外，患者可以根據自己手指關節的大小自行調節指套的大小，滿足了差異化的需要。

下面結合附圖對本發明創造作進一步詳細說明：

本發明一種并指術后可穿戴康復機器人手套裝置，如圖1所示，包括肌電信號采集模塊、運動控制模塊、FPGA主控芯片模塊、可穿戴手套模塊、電源模塊、顯示模塊等組成。所述肌電信號采集模塊、運動控制模塊、電源模塊與FPGA主控芯片相連，所述運動控制模塊與可穿戴手套模塊相連。這種模塊化設計使對模塊進行單獨調試、修改變得簡單方便，同時也使控制系統變得更加獨立和靈活。

如圖2所示，肌電信號采集模塊包括依次連接的高密度矩陣式電極貼片、前置放大電路、濾波電路、工頻陷波電路、可變增益放大電路、A/D轉換電路和數據采集卡，數據采集卡與主控芯片模塊連接。首先采用意大利高密度矩陣式電極貼片作為表面肌電信號傳感器，分別測得并指患者對應手臂的內側和外測的表面肌電信號，然后由LM358運算放大器對信號進行前置放大，由RC電路組成的濾波電路對信號進行濾波。由于表面肌電信號主要能量集中在50~160Hz，所以必須有50Hz雙T工頻陷波電路進行工頻陷波處理。由于前置放大電路放大倍數不能過高，否則會使噪聲串擾影響加大，所以加上可變增益放大電路，這樣可以根據患者的實際情況，由可變增益放大電路進行放大，以滿足個體差異性的放大倍數。最后由AC6621 PCI數據采集卡將A/D轉換電路轉換后的數據通過SPI接口輸入到FPGA主控芯片模塊處理。

FPGA主控芯片模塊主要作用是與肌電信號采集模塊、運動控制模塊、顯示模塊進行通信，還處理多種傳感器信號和肌電信號傳遞來的數據，這些功能的軟件設計是通過C++語言進行編寫，硬件采用的是Altera公司EP3C25F256C8N芯片作為控制核心。如圖3所示，FPGA的通信主要借助于2M的EEPROM進行，由雙NIOS核構成雙核處理器，其中一個核用于通信，另一個核用于肌電信號處理。RS—485通信接口外接無線發射電路與運動控制模塊中DSP為核心的運動控制電路的無線接收電路進行通信，其中核內元件AutoSCI通過MAX1483收發接口芯片實現。收發芯片MAX1483可以實現非常高的數據傳送，但必修要通過3.3V的低壓才能實現。LVDS和CAN之間的數據傳送使用的是變更收發芯片來實現功能的轉換，其電路設計部分采用的是復用電路的形式。LVDS的數據傳送使用的是美國德州儀器的收發接口芯片SN65HVD3082實現的，它的數據傳送速度很快，一般可達26Mbps，并與PCI控制卡保持通信，這樣的構成優點是確保了傳感器信息和控制信息之間傳遞不會延誤。

如圖4所示，運動控制模塊包括控制器以及分別與其連接的無線收發模塊、電機驅動模塊以及兩個分別與兩個指套連接的電機。運動控制模塊采用的美國德州儀器的DSP TMS320F28020作為控制器，采用的是模塊化的設計方案，這樣能夠增加系統的通用性和互換性。它的電機驅動模塊采用的是直流無刷電機驅動芯片LB11820M，其內部集成雙H橋，可直接控制直流無刷電機，它的作用主要是控制兩并指指套的驅動，處理電機電流傳感器、關節位置傳感器、PVDF壓電薄膜傳感器采集的信息，并把處理后的信息通過RS-485接口外接的無線收發模塊傳遞給主控芯片模塊。

可穿戴手套模塊包括兩個指套，患者可以根據自己手指關節的大小進行自主調節，指套里有關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器，可以測得訓練動作手關節的位置和力的大小，使訓練動作更加規范。如圖5所示，PVDF壓電薄膜傳感器包括壓電薄膜傳感器、放大電路、LC濾波電路和A/D轉換電路。PVDF壓電薄膜傳感器作為一種動態應變傳感器，非常適合應用于人體皮膚表面或植入人體內部的生命信號監測，它是一種自發電式傳感器，放大電路主要采用的是LM368芯片對信息進行放大，然后經過LC濾波電路進行濾波，最后經過A/D轉換電路把采集的模擬量轉換為數字量，關節位置傳感器系統也采用類似的結構，這里不再贅述。

電源模塊包括電池、電流傳感器、蜂鳴器電路，電池、電流傳感器和主控芯片模塊依次連接，蜂鳴器電路與主控芯片連接。電流傳感器實時監測電池輸出電流大小，蜂鳴器電路用于電池電量過高報警。

此外，本發明還提供了一種冥想法和佩戴上述手套裝置進行康復訓練相結合的方法。冥想法是患者主動意愿控制的康復訓練，首先需要患者先閉上眼睛，高度集中注意力，想象兩個手指已經完全分開，并分別完成抓握-放松的動作，頻率為10秒一次，進行連續10次的真實抓握-放松動作后，休息15秒；然后進行兩并指抓握的運動想象，同時嚴格控制兩并指不進行任何實際肌肉收縮；運動想象20秒后，再依次循環執行上面所述一系動作。冥想法在不需要外來刺激的情況下，激活大腦自身細胞的可塑潛力，將中樞神經系統的激活與主動意愿結合起來，這樣能夠加快分離兩并指代表的大腦皮層重合區。

佩戴指套進行康復訓練包括以下步驟：采集并指患者控制指關節運動的手臂上肌肉的表面肌電信號，并將所述表面肌電信號從模擬量轉化為數字量；接收和處理數字表面肌電信號，發出控制指令；根據控制指令驅動指套完成康復訓練動作；然后依據指套的關節位置傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器測得訓練動作手指關節的位置和力的大小；若沒有達到要求的精細訓練動作，患者會主動有意識的進行調節，從而進一步加快了大腦皮層的重組。因此本發明利用患者自身的表面肌電信號作為控制信號，是基于患者積極主動訓練基礎上進行的，能夠很大程度上提高康復訓練的效率。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。