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.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810288974.2 (22)申请日 2018.04.03 (71)申请人 山东大学 地址 250002 山东省济南市市中区二环东 路12550号 (72)发明人 林明星 马高远 刘方全 吴筱坚 孙强三 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 37221 代理人 李圣梅 (51)Int.Cl. A63B 23/12(2006.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明公开了一种基于柔性阵列式压力传 感。

2、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。

3、信号。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 108392794 A 2018.08.14 CN 108392794 A 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。

4、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。

5、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练系统， 其 特征是， 所述柔性阵列式压力传。

6、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。 6.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。 7.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。

7、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， 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 108392794 A 2 完成运动模式识别。 8.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， 所述运动控制模块将信息处理模块的运。

8、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。 9.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。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 108392794 A 3 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 技术领域 000。

9、1 本发明涉及医疗器械技术领域， 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。 背景技术 0002 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。

10、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。 0003 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。

11、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。 0004 中国发明专利申请号： 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。 0005 中国发明专利申请号： 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。

12、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。 0006 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。 发明内容 0007 为了解决现有技术的不足， 本发明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。 0008 一种基于柔性阵列式压力。

13、传感器的上肢主动康复训练系统， 包括： 说 明 书 1/5 页 4 CN 108392794 A 4 0009 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； 0010 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； 0011 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； 0012 所述运动控制模块将信息处理模块的运动模。

14、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； 0013 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； 0014 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。 0015 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。 0016 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。

15、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。 0017 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。 0018 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： 0019 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。 0020 进一步的， 所述信息处理。

16、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。 0021 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： 0022 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； 0023 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。 0024 。

17、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： 0025 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 说 明 书 2/5 页 5 CN 108392794 A 5 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。 0026 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。 0027 与现有技术相比， 本发明的有益效果是： 0028 (1)本发明专利通过利用柔性。

18、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。 0029 (2)本发明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 0030 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，。

19、 并不构成对本申请的不当限定。 0031 图1为本发明的上肢康复机器人机械本体结构示意图； 0032 图2为本发明的柔性阵列式压力传感器示意图； 0033 图3为本发明工作原理图。 0034 图中， 1、 大臂弧形固定板， 2、 小臂弧形固定板。 具体实施方式 0035 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技术领域的普通技术人员通常 理解的相同含义。 0036 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。

20、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。 0037 正如背景技术所介绍的， 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。 0038 本发明针对因无法有效识别患者与康复机器人之间的相互作用力， 从而导致患者 无法进行科学、 有效、 合理的上肢主动康复训练问题， 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。 0039 本申请的一种典型的实施方式中， 如图3所。

21、示， 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， 该一种基于柔性阵列式压力传感器的上肢主动康复训练系 统中包括包括柔性阵列式压力传感器、 数据采集模块、 PC机、 运动控制卡、 电机驱动模块、 上 肢康复机器人机械本体； 在本实例中PC机还包括信号处理模块和运动控制模块， 电机驱动 模块包括伺服驱动器和伺服电机。 说 明 书 3/5 页 6 CN 108392794 A 6 0040 在本实例中所用的柔性阵列式压力传感器如图2所示， 该柔性阵列式压力传感器 是一种感测精度高， 能任意弯曲的超薄型电阻式压力传感器。 0041 具体的， 柔性阵列式压力传感器在进行安装时， 将该传。

22、感器弯曲成如图1中大臂弧 形固定板1和小臂弧形固定板2处所示的筒型形状， 安装在大臂弧形固定板和小臂弧形固定 板2的内侧。 并对传感器上的检测点进行标定， 即柔性阵列式压力传感器上的每个检测点与 具体在大臂和小臂弧形固定板上的具体位置一一对应。 在患者进行主动康复训练时， 通过 对柔性阵列式传感器上每个检测点进行采集， 通过对采集到的每个检测点的压力大小， 及 每个点安装时所在的具体位置， 即可检测患者的大臂和小臂处的人机之间的相互作用力及 其空间分布情况。 0042 数据采集模块实时采集柔性阵列式压力传感器检测到的患者大臂和小臂处与康 复机器人之间的相互作用力及其分布信息， 并进行滤波等预处。

23、理操作， 剔除杂波， 获取有用 的信号， 并通过USB通信将采集到的信息传送至PC机中， 利用USB通信的高传输速率， 来保证 系统的实时性。 0043 PC机中的息处理模块通过对柔性阵列式传感器获取的人机之间相互作用力信息 进行分解、 特征提取、 分类等处理， 完成信号的运动模式识别； 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。 0044 运动控制卡将接收到的PC机发送的运动控制命令发送给电机驱动模块， 该运动控 制卡可同时向各电机驱动模块发送运动控制命令， 控制各。

24、电机进行联合运动， 满足人体上 肢主动康复训练的轨迹要求。 0045 在实际应用中， 针对手臂的运动模式识别， 进行举例说明： 0046 将患者大臂的运动分为上摆、 下摆、 内收、 外展、 无效动作等五类动作。 0047 人体的大臂做每组动作时， 用于采集的柔性阵列式传感器上每个检测点采集到的 数据大小与大臂所做的动作相关联， 通过神经网络算法， 建立运动模式识别模型， 得到大臂 做每组动作与柔性阵列式传感器上的每个检测点所采集数据的对应关系。 0048 当患者进行主动康复训练时， 患者手臂与康复机器人之间会产生相互作用力， 大 臂弧形固定板内侧的柔性阵列式传感器上各检测点将会检测得到一组数据。

25、， 根据之前建立 的运动模式识别模型， 该组数据对应运动模式识别模型中的上摆、 下摆、 内收、 外展、 无效动 作中的一类， 从而完成模式识别分类。 0049 同样的道理， 小臂可分成屈曲、 伸展、 无效三类动作， 具体模式识别方法与上述大 臂类似。 0050 在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 相结合时， 假如康复机器人检测出患者的大臂想做外展动作， 小臂想做伸展动作。 此时， 康 复机器人将会人体主动康复训练策略输出作上述动作所需要的力带动患者大臂和小臂进 行外展和伸展运动和需要训练时间。 0051 人体主动康复训练策略是以医学康复理论为基础的， 当通过柔。

26、性阵列式传感器和 神经网络算法得出患者手臂的运动意图及人机之间的相互作用力时， 医学康复领域有一套 最佳的康复训练方案， 即医师以多长的时间多大的力带动患者手臂朝那个方向进行训练能 获得最佳的康复效果。 此处的人体主动康复训练策略就是起到这个作用。 说 明 书 4/5 页 7 CN 108392794 A 7 0052 当通过柔性阵列式传感器和神经网络算法得出患者手臂的运动意图及人机之间 的相互作用力时， 人体主动康复训练策略将会根据上述检测结果及通过神经网络算法建立 的运动模式识别模型给出具体的能达到最佳康复效果的康复训练方案。 0053 本发明所使用的柔性阵列式传感器是一种能任意弯曲的超薄。

27、型电阻式压力传感 器， 该传感器具有安装方便， 能同时采集多点之间的人机相互作用力， 从而获取更多的人体 运动特征。 该传感器在康复机器人领域能应用能有效解决以上两种力传感器在康复机器人 领域存在的不足。 0054 上述方案中上肢康复机器人通过柔性阵列式压力传感器获取患者与康复机器人 之间的相互作用力大小及空间分布情况， 获取更多的人体运动特征信息， 可有效解决人体 运动意图识别问题， 结合上肢主动康复训练策略， 解决现有技术无法对患者进行有效的上 肢主动康复训练问题。 0055 以上所述仅为本申请的优选实施例而已， 并不用于限制本申请， 对于本领域的技 术人员来说， 本申请可以有各种更改和变化。 凡在本申请的精神和原则之内， 所作的任何修 改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本申请的保护范围之内。 说 明 书 5/5 页 8 CN 108392794 A 8 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 9 CN 108392794 A 9 图3 说 明 书 附 图 2/2 页 10 CN 108392794 A 10 。