一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，包括：柔性阵列式压力传感器，用以实时获取在康复运动过程中手臂与康复机器人之间的相互作用力及其空间分布信息；数据采集模块，并通过通信接口将采集到的信息传送至上位机中；上位机完成信号的运动模式识别并将信息处理模块的运动模式识别结果与人体主动康复训练策略相结合，实现利用康复机器人的主动康复训练。本发明专利技术通过将柔性阵列式压力传感器与主动康复训练策略相结合的方法对患者的主动康复训练轨迹进行规划，以人体运动意图为导向，设计出更加科学、合理、安全、具有更好康复效果的康复运动轨迹。并通过运动控制模块，将力信号转化成能控制电机运动的运动信号。

An active rehabilitation training system for upper limbs based on flexible array pressure sensor

The invention discloses an upper limb active rehabilitation training system based on flexible array pressure sensor, which comprises a flexible array pressure sensor for acquiring real-time interaction force and spatial distribution information between the arm and rehabilitation robot during rehabilitation movement, a data acquisition module and a communication interface. The collected information is transmitted to the upper computer, which completes the motion pattern recognition of the signal and combines the motion pattern recognition result of the information processing module with the active rehabilitation training strategy to realize the active rehabilitation training of the rehabilitation robot. By combining the flexible array pressure sensor with the active rehabilitation training strategy, the active rehabilitation training trajectory of the patient is planned, and the more scientific, reasonable, safe and better rehabilitation trajectory is designed with the human motion intention as the guidance. And through the motion control module, the force signal is transformed into a motion signal which can control the motor movement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统
本专利技术涉及医疗器械
，特别是涉及一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统。
技术介绍
随着我国进入老龄化社会，由于脑卒中等神经系统疾病引起的偏瘫、四肢功能障碍患者正在不断增加，严重影响患者的工作、生活和学习，并给患者的家庭和社会带来极大的负担。随着科学技术的进步，针对该类患者的治疗已经从传统的医师辅助治疗向具有多功能的康复机器人辅助治疗进行转变。目前大多数的康复机器人因无法有效识别患者的运动意图，只能带动患者进行被动康复训练，无法带动患者进行有效的主动康复训练。但研究表明，主动康复训练因为患者运动意图的加入，对于修复受损的中枢神经，恢复人体上肢运动功能具有显著的康复效果。因此主动康复训练被认为患者康复训练必不可少的阶段。人体运动意图的识别是主动康复训练最为重要的一环。目前针对人体运动意图的识别研究大都通过脑电信号、肌电信号和人机之间的相互作用力来获取。因脑电信号、肌电信号受个体差异的影响较大，因每个人的实际情况不同，所产生的脑电信号和肌电信号强度不一致，并且脑电信号和肌电信号极易受到外界环境的干扰，需在特定的实验环境下进行测量，无法满足实际康复训练的环境要求，因此基于人机之间的相互作用力来判断人体的运动意图被认为是目前应用于人体上肢主动康复训练的可行途径。目前已有研究人员针对该方面展开研究，经过对现有的技术文献检索发现。中国专利技术专利申请号：CN201611062729.7，名称：五自由度上肢康复机器人的虚拟现实交互系统及方法。在该专利中提出了一种利用FSR压力传感器来获取人机之间的相互作用力，但FSR压力传感器是一种单点式压力传感器，通过该类传感器只能获取单个点的人机相互作用力，无法获取更多的人体运动特征信息，不能有效的表示人体的运动意图。中国专利技术专利申请号：CN201611193371.1，名称：基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法。在该专利中提出了一种利用六维力传感器来获取人机之间的相互作用力，该六维力传感器安装于上肢康复机器人的末端，即人体的手部位置。该种方法仅适用于上肢健全、并且已经基本恢复上肢运动功能的患者。在主动康复训练的早期，患者手部无法运动的情况下，无法使用。综上所述，现有技术中人体上肢康复训练存在诸多的问题，亟需一种更为有效的上肢主动康复训练系统。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，利用柔性阵列式压力传感器获取人机之间的压力大小及空间分布信息，结合主动康复训练策略，完成对患者上肢的主动康复训练。一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，包括：柔性阵列式压力传感器，用以实时获取在康复运动过程中手臂与康复机器人之间的相互作用力及其空间分布信息；数据采集模块，用以实时采集柔性阵列式压力传感器检测到的手臂与康复机器人之间的相互作用力大小及其空间分布信息，并通过通信接口将采集到的信息传送至上位机中；所述上位机中包括信息处理模块和运动控制模块，所述信息处理模块通过对柔性阵列式压力传感器获取的人机之间相互作用力信息处理，完成信号的运动模式识别；所述运动控制模块将信息处理模块的运动模式识别结果与人体主动康复训练策略相结合，将力信号转化为能正确反映人体运动意图且符合上肢康复训练要求的运动信号，下发给运动控制卡；所述运动控制卡，其接受上位机发送的运动控制命令，并将其发送给电机驱动模块；电机驱动模块，其接受运动控制卡发送的控制命令，控制电机的输出力矩，进而实现动态调节康复机器人各轴的输出力矩，实现利用康复机器人的主动康复训练。进一步的，所述柔性阵列式压力传感器为一种能任意弯曲的超薄型压力传感器。进一步的，所述柔性阵列式压力传感器分别安装在大臂弧形固定板和小臂弧形固定板的内侧，具体的，在安装时，所述柔性阵列式压力传感器弯曲成与大臂弧形固定板及小臂弧形固定板的形状相一致。进一步的，所述柔性阵列式压力传感器在安装后进行检测点标定，即将柔性阵列式压力传感器上的每个检测点与大臂弧形固定板和小臂弧形固定板上的具体位置一一对应。进一步的，所述柔性阵列式压力传感器用以实时获取在康复运动过程中手臂与康复机器人之间的相互作用力及其空间分布信息，具体为：采集柔性阵列式传感器上每个检测点的压力数据，通过对采集到的每个检测点的压力数据及每个检测点安装时所在的具体位置，即可测得人机之间的相互作用力及及其空间分布信息。进一步的，所述信息处理模块对柔性阵列式压力传感器采集的信息进行处理包括信息的进行分解、特征提取及分类。进一步的，所述信息处理模块通过对柔性阵列式压力传感器获取的人机之间相互作用力信息处理，完成信号的运动模式识别，具体为：针对人体的大臂或小臂的动作进行训练神经网络算法，建立运动模式识别模型，即得到人体的大臂或小臂的动作与柔性阵列式压力传感器上的每个检测点所采集数据之间的关系；主动康复训练时，人体的大臂或小臂上柔性阵列式压力传感器上各检测点将会检测到一组数据，通过运动模式识别模型识别出主动康复训练时人体的大臂或小臂的动作类型，完成运动模式识别。进一步的，所述运动控制模块将信息处理模块的运动模式识别结果与人体主动康复训练策略相结合，具体为：通过柔性阵列式传感器和神经网络算法识别出手臂的运动模式时即得出手臂的运动意图及人机之间的相互作用力，运动控制模块根据人体主动康复训练策略中的运动的时间、带动手臂运动的力及带动手臂运动的方向生成相应的控制命令下发给运动控制卡。进一步的，所述数据采集模块通过USB通信或无线通信的方式将采集到的信息传送至上位机中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术专利通过利用柔性阵列式压力传感器来获取人机之间的相互作用力，相比较传统的单点式压力传感器和多维力传感器，该传感器具有安装方便、适应范围广、获取人体运动特征信息多、识别人体运动意图准确率高的优点。(2)本专利技术专利通过将柔性阵列式压力传感器与主动康复训练策略相结合的方法对患者的主动康复训练轨迹进行规划，以人体运动意图为导向，设计出更加科学、合理、安全、具有更好康复效果的康复运动轨迹。并通过运动控制模块，将力信号转化成能控制电机运动的运动信号。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术的上肢康复机器人机械本体结构示意图；图2为本专利技术的柔性阵列式压力传感器示意图；图3为本专利技术工作原理图。图中，1、大臂弧形固定板，2、小臂弧形固定板。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，其特征是，包括：柔性阵列式压力传感器，用以实时获取在康复运动过程中手臂与康复机器人之间的相互作用力及其空间分布信息；数据采集模块，用以实时采集柔性阵列式压力传感器检测到的手臂与康复机器人之间的相互作用力大小及其空间分布信息，并通过通信接口将采集到的信息传送至上位机中；所述上位机中包括信息处理模块和运动控制模块，所述信息处理模块通过对柔性阵列式压力传感器获取的人机之间相互作用力信息处理，完成信号的运动模式识别；所述运动控制模块将信息处理模块的运动模式识别结果与人体主动康复训练策略相结合，将力信号转化为能正确反映人体运动意图且符合上肢康复训练要求的运动信号，下发给运动控制卡；所述运动控制卡，其接受上位机发送的运动控制命令，并将其发送给电机驱动模块；电机驱动模块，其接受运动控制卡发送的控制命令，控制电机的输出力矩，进而实现动态调节康复机器人各轴的输出力矩，实现利用康复机器人的主动康复训练。

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，其特征是，包括：柔性阵列式压力传感器，用以实时获取在康复运动过程中手臂与康复机器人之间的相互作用力及其空间分布信息；数据采集模块，用以实时采集柔性阵列式压力传感器检测到的手臂与康复机器人之间的相互作用力大小及其空间分布信息，并通过通信接口将采集到的信息传送至上位机中；所述上位机中包括信息处理模块和运动控制模块，所述信息处理模块通过对柔性阵列式压力传感器获取的人机之间相互作用力信息处理，完成信号的运动模式识别；所述运动控制模块将信息处理模块的运动模式识别结果与人体主动康复训练策略相结合，将力信号转化为能正确反映人体运动意图且符合上肢康复训练要求的运动信号，下发给运动控制卡；所述运动控制卡，其接受上位机发送的运动控制命令，并将其发送给电机驱动模块；电机驱动模块，其接受运动控制卡发送的控制命令，控制电机的输出力矩，进而实现动态调节康复机器人各轴的输出力矩，实现利用康复机器人的主动康复训练。2.如权利要求1所述的一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，其特征是，所述柔性阵列式压力传感器为一种能任意弯曲的超薄型压力传感器。3.如权利要求1所述的一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，其特征是，所述柔性阵列式压力传感器分别安装在大臂弧形固定板和小臂弧形固定板的内侧，具体的，在安装时，所述柔性阵列式压力传感器弯曲成与大臂弧形固定板及小臂弧形固定板的形状相一致。4.如权利要求1所述的一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系统，其特征是，所述柔性阵列式压力传感器在安装后进行检测点标定，即将柔性阵列式压力传感器上的每个检测点与大臂弧形固定板和小臂弧形固定板上的具体位置一一对应。5.如权利要求4所述的一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训...

【专利技术属性】
技术研发人员：林明星，马高远，刘方全，吴筱坚，孙强三，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37