基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统及工作方法

摘要

一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统，其特征在于它包括工作站、电机控制单元、外骨骼手指康复机器人、脑电电极、脑肌电分析单元、传感器单元和人机交互界面；其工作方法包括：视觉刺激、信号采集与传输、康复机器人运动、信息反馈、训练方法优化；其优越性在于：智能、便携、安装简单、训练方法高效、利用手掌指关节的动作来控制患者的康复运动。

说明书

（一）技术领域：

本发明属于医疗器械领域，尤其是一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机 器人系统及工作方法，特别适用于脑中风引起的偏瘫病人早期的手指康复训 练。

（二）背景技术：

脑卒中（也称脑中风）是严重威胁中老年人身体健康的疾病，随着我国 逐渐进入老龄化社会，发病率有逐年上升的趋势,每年有超过200万人死于中 风。这种疾病引发了患者肢体运动功能的丧失及相关并发症。尤其是上肢运 动功能的丧失，极大地影响了患者日常生活的能力。手是人体结构最重要的 组成部分之一，它对人类的功能及外观都显得及其重要。特别是手的运动能 力是人类的日常生活和工作得以顺利进行的基本保障。科学表明，瘫痪上肢 大多数是从肩部先恢复，其次为上臂和前臂，最后是手指的恢复。同时，由 于人手部分集中了大量的关节、神经、血管、肌肉比较多，关节疾病、中风 等心血管疾病造成的偏瘫也会导致手指关节肌腱纤维化和肌肉、韧带的痉挛 萎缩。因此，大多数康复训练过程主要以手的活动程度作为上肢功能恢复的 标志。

目前的运动康复治疗是在医院中通过康复治疗师进行的，康复治疗师向患 者手指施力，让患者手指恢复力量和运动范围。然而，目前的运动康复治疗 存在很多问题。首先，康复过程是治疗师与病人一对一的，对人力物力的消 耗比较大，且治疗费用昂贵对患者造成巨大的经济负担。其次，康复过程持 续时间较长，过程枯燥，患者缺乏主动行和积极性，这使得恢复运动很难有 效的刺激患者神经的恢复。最后，目前的的康复训练依赖于康复治疗师的经 验和主观判断，不能精确控制训练参数并且缺乏康复过程的客观记录，难以 对康复效果进行科学准确评定，不利于患者的恢复。

外骨骼康复机器人机构设计符合人体工学，相当于为患者的肢体增加一 层外置的骨骼，以此来辅助患者进行运动，同时根据配套的传感器控制外骨 骼机器人进行运动，并且对患者的康复情况进行客观评价，提高患者的康复 效果。然而，现有的外骨骼手指康复机器人采用的结构比较庞大，有的需要 外置一个驱动模块来空置机器人运动。除此之外，手指机器人的传动方式比 较复杂，不利于装卸，以及不能实现家庭康复。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统 及工作方法，构建出一个运动刺激-大脑-神经-计算机信息处理与控制-驱动单 元-偏瘫部位(例如手指)运动-反馈界面-神经-大脑这样一种闭环控制系统；可 以解决偏瘫患者的手指运动功能的康复问题，是一种基于脑电控制的利用生 物反馈（脑电信号）控制穿戴在患者手指关节的帮助患者恢复运动功能的外 骨骼手指康复机器人系统。

本发明的技术方案：一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统， 其特征在于它包括工作站、电机控制单元、外骨骼手指康复机器人、脑电电 极、脑肌电分析单元、传感器单元和人机交互界面；其中，所述工作站接收 脑肌电分析单元和传感器单元的输出信号，其输出端连接电机控制器的输入 端；所述外骨骼手指康复机器人的输入端连接电机控制单元的输出端，其输 出端将信号传递给患者；所述传感器单元的输入端接收患者的病原信号，其 输出端与工作站的输入端连接；所述脑电电极的输入端测取患者的脑电波信 号，其输出端连接脑肌电分析单元的输入端；所述人机交互界面输出感官信 号给患者。

所述传感器单元由弯曲传感器和力传感器构成，安装在外骨骼手指康复 机器人上。

所述工作站是能够模拟现实环境及状态的虚拟系统。

所述外骨骼手指康复机器人是由电机、驱动轴、手掌部分、转动轴I、手 指MCP（Metacarpophalangeal joint——掌指关节）关节、转动轴II、转动轴 III、螺纹轴、手指PIP（Proximal interphalangeal joint——近端指间关节）关 节、转动轴IV、手指DIP（Distal interphalangeal joint——远端指间关节）关 节、传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV、传动轮V、平行槽轴、连 接杆；其中，所述电机安装在手掌部分；所述驱动轴通过顶丝与电机轴连接； 所述平行槽轴与驱动轴连接；所述传动轮V通过转动轴I连接在手掌部分； 所述传动轮IV和传动轮III通过转动轴II和转动轴III与手指MCP关节连接； 所述传动轮I通过转动轴IV连接在手指PIP关节上；所述螺纹轴与传动轮III 通过钢丝绳形成微型钢丝绳传动结构；所述传动轮II通过螺纹连接固定在转 动轴III上；所述手指PIP关节和手指DIP关节之间依螺纹通过连接杆连接； 所述手指DIP关节通过螺纹顶丝固定在转动轴IV上。

所述传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV和传动轮V上均有宽度 为1.5-2mm的用来与钢丝绳进行配合的平行槽。

所述传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV和传动轮V之间通过钢 丝绳连接，形成微型钢丝绳传动结构。

所述手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节关节上有MCP关节 连接开槽、手指PIP关节连接开槽和手指DIP关节连接开槽；所述开槽与尼 龙搭扣带配合安装，将患者手指和外骨骼手指康复机器人进行连接。

所述外骨骼手指康复机器人的手指PIP关节部分有可调节滑槽，所述滑 槽与螺钉配合安装，根据患者的手指尺寸通过螺钉进行调节。

所述外骨骼手指康复机器人采用铝合金和不锈钢材料。

所述外骨骼手指康复机器人与患者接触的地方呈弧形，且弧度满足人体 工学的设计要求。

一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统的工作方法，其特征在 于它包括以下步骤：

①患者接受人机界面的视觉刺激：

人机交互界面发送视觉刺激信号给患者，使患者的大脑产生脑电信号；

②脑电信号的采集和传输：

通过穿戴在患者大脑的脑电电极采集患者的脑电信号，并将其传递给脑 肌电分析单元，由脑肌电分析单元对脑电电极产生的信号进行分析，并将分 析结果输出给工作站；

③外骨骼手指康复机器人的运动：

工作站接受到信号，工作站通过电机控制单元驱动安装在外骨骼手指康 复机器人上的电机运动，控制外骨骼手指康复机器人，提供一个驱动力矩辅 助患者执行康复训练，促使其完成弯曲和伸展运动；

④患者康复信息的反馈：

传感器单元的弯曲传感器和力传感器实时监测外骨骼手指康复机器人的 运动情况，不断采集人体的骨骼信息，进行康复训练并保证训练过程中的安 全性，同时将康复训练过程中的信息传递给工作站；

⑤康复训练方法的优化：

患者可以根据工作站的虚拟系统看到自己的运动情况，获取自己的运动 信息，促使改变自己的脑电信号，并优化自己的康复训练方法。

所述步骤③中外骨骼手指康复机器人运动有以下几个步骤构成：

⑴外骨骼手指康复机器人主要采用电机驱动，电机带动平行槽轴，通过 钢丝绳使传动轮V转动实现机器人手指MCP关节的弯曲；

⑵传动轮V通过钢丝绳带动传动轮IV和传动轮III转动，传动轮III和 螺纹轴配合实现机器人手指PIP关节弯曲；

⑶转动轴III带动传动轮II转动并通过钢丝绳将运动传递给传动轮I，使 得转动轴IV产生运动实现机器人手指DIP关节的弯曲；

⑷上述步骤⑴、⑵和⑶的关节弯曲信号将作为驱动力矩传递给患者，辅 助患者执行康复训练，促使其完成弯曲和伸展运动。

本发明的优越性在于：1、采用脑电信号作为控制方法，将脑电信号控制 与外骨骼康复机器人训练系统结合，用人体生物电信号作为控制信号，可以 高效的刺激患者大脑的可塑性恢复，并且该系统具有智能，可携带性，适于 家庭康复等特点；2、采用电机驱动方式，改变了过往的外骨骼手指结构的驱 动装置和运动装置相分离的缺点，大大减小了康复系统的尺寸，同时，机器 人传动结构采用微型钢丝绳传动结构，解决了传动结构安装复杂的问题；3、 外骨骼机器人主要采用铝合金和不锈钢材料，符合人体工学的设计，在机器 人的关节处设计有调剂装置以满足不同患者的穿戴需求；4、采用一些传感器 技术，实时客观的反馈系统的运动信息，为患者制定高效科学的康复训练方 法；5、将外骨骼机器人技术与康复医学相结合，科学证明高效的运动刺激有 助于偏瘫患者的神经再塑，因此该机器人主要使用电机驱动的方式提供人手 掌指关节（MCP关节），近端指间关节（PIP关节）远端指间关节（DIP关节） 的三个自由度的屈伸运动，刺激患者神经，帮助其恢复运动功能。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统的整 体结构框图。

图2为本发明所涉一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统中外 骨骼手指康复机器人的右侧结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统中外 骨骼手指康复机器人的左侧结构示意图。

其中，1为电机，2为驱动轴，3为手掌部分，4为转动轴I，5为手指 MCP关节，6为转动轴II，7为转动轴III，8为螺纹轴，9为手指PIP关节， 10为转动轴IV，11为手指DIP关节，12为传动轮I，13为传动轮II，14为 传动轮III，15为传动轮IV，16为传动轮V，17为平行槽轴，18为手指MCP 关节连接开槽，19为手指PIP关节连接开槽，20为手指PIP关节可调节滑槽， 21为连接杆，22为手指DIP关节连接开槽。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统（见图1），其 特征在于它包括工作站、电机控制单元、外骨骼手指康复机器人、脑电电极、 脑肌电分析单元、传感器单元和人机交互界面；其中，所述工作站接收脑肌 电分析单元和传感器单元的输出信号，其输出端连接电机控制器的输入端； 所述外骨骼手指康复机器人的输入端连接电机控制单元的输出端，其输出端 将信号传递给患者；所述传感器单元的输入端接收患者的病原信号，其输出 端与工作站的输入端连接；所述脑电电极的输入端测取患者的脑电波信号， 其输出端连接脑肌电分析单元的输入端；所述人机交互界面输出感官信号给 患者。

所述传感器单元由（见图1）弯曲传感器和力传感器构成，安装在外骨 骼手指康复机器人上。

所述工作站（见图1）是能够模拟现实环境及状态的虚拟系统。

所述外骨骼手指康复机器人（见图2、图3）是由电机1、驱动轴2、手 掌部分3、转动轴I4、手指MCP（Metacarpophalangeal joint——掌指关节） 关节5、转动轴II6、转动轴III7、螺纹轴8、手指PIP（Proximal interphalangeal  joint——近端指间关节）关节9、转动轴IV10、手指DIP（Distal interphalangeal  joint——远端指间关节）关节11、传动轮I12、传动轮II13、传动轮III14、 传动轮IV15、传动轮V16、平行槽轴17、连接杆21；其中，所述电机1安 装在手掌部分3；所述驱动轴2通过顶丝与电机轴连接；所述平行槽轴17与 驱动轴2连接；所述传动轮V16通过转动轴I4连接在手掌部分3；所述传动 轮IV15和传动轮III14通过转动轴II6和转动轴III7与手指MCP关节5连接； 所述传动轮I12通过转动轴IV10连接在手指PIP关节9上；所述螺纹轴8与 传动轮III14通过钢丝绳形成微型钢丝绳传动结构；所述传动轮II13通过螺纹 连接固定在转动轴III7上；所述手指PIP关节和手指DIP关节之间依螺纹通 过连接杆21连接；所述手指DIP关节11通过螺纹顶丝固定在转动轴IV10 上。

所述传动轮I12、传动轮II13、传动轮III14、传动轮IV15和传动轮V16 上均有宽度为1.5mm的用来与钢丝绳进行配合的平行槽（见图3）。

所述传动轮I12、传动轮II13、传动轮III14、传动轮IV15和传动轮V16 之间通过钢丝绳连接，形成微型钢丝绳传动结构（见图3）。

所述手指MCP关节5、手指PIP关节9和手指DIP关节11关节上有MCP 关节连接开槽18、手指PIP关节连接开槽19和手指DIP关节连接开槽22； 所述开槽与尼龙搭扣带配合安装，将患者手指和外骨骼手指康复机器人进行 连接（见图3）。

所述外骨骼手指康复机器人的手指PIP关节9部分有可调节滑槽20，所 述滑槽与螺钉配合安装，根据患者的手指尺寸通过螺钉进行调节（见图3）。

所述外骨骼手指康复机器人采用铝合金和不锈钢材料。

所述外骨骼手指康复机器人与患者接触的地方呈弧形，且弧度满足人体 工学的设计要求。

一种基于脑电控制的外骨骼手指康复机器人系统的工作方法，其特征在 于它包括以下步骤：

①患者接受人机界面的视觉刺激：

人机交互界面发送视觉刺激信号给患者，使患者的大脑产生脑电信号；

②脑电信号的采集和传输：

通过穿戴在患者大脑的脑电电极采集患者的脑电信号，并将其传递给脑 肌电分析单元，由脑肌电分析单元对脑电电极产生的信号进行分析，并将分 析结果输出给工作站；

③外骨骼手指康复机器人的运动：

工作站接受到信号，工作站通过电机控制单元驱动安装在外骨骼手指康 复机器人上的电机运动，控制外骨骼手指康复机器人，提供一个驱动力矩辅 助患者执行康复训练，促使其完成弯曲和伸展运动；

④患者康复信息的反馈：

传感器单元的弯曲传感器和力传感器实时监测外骨骼手指康复机器人的 运动情况，不断采集人体的骨骼信息，进行康复训练并保证训练过程中的安 全性，同时将康复训练过程中的信息传递给工作站；

⑤康复训练方法的优化：

患者可以根据工作站的虚拟系统看到自己的运动情况，获取自己的运动 信息，促使改变自己的脑电信号，并优化自己的康复训练方法。

所述步骤③中外骨骼手指康复机器人运动有以下几个步骤构成：

⑴外骨骼手指康复机器人主要采用电机驱动，电机带动平行槽轴，通过 钢丝绳使传动轮V转动实现机器人手指MCP关节的弯曲；

⑵传动轮V通过钢丝绳带动传动轮IV和传动轮III转动，传动轮III和 螺纹轴配合实现机器人手指PIP关节弯曲；

⑶转动轴III带动传动轮II转动并通过钢丝绳将运动传递给传动轮I，使 得转动轴IV产生运动实现机器人手指DIP关节的弯曲；

⑷上述步骤⑴、⑵和⑶的关节弯曲信号将作为驱动力矩传递给患者，辅 助患者执行康复训练，促使其完成弯曲和伸展运动。