【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及上肢康复训练，属于康复训练领域。
技术介绍
1、在进行上肢运动康复时，康复师通常通过徒手或借助医疗器械的方式对患者进行康复训练。随着患者数量的增加和康复师数量的有限，人工成本不断上升，康复机器人成为一种有效的解决途径。但是当前能同时兼顾全上肢康复训练器械较少，同时，医疗机器人可对全过程进行辅助的作用至关重要，因此，一体化的康复装置以及多样化的康复策略具有一定的市场。
2、近年来，上肢康复机器人系统的训练策略不再单一，主要体现为主被动训练的结合以及全周期康复过程的统筹。然而，训练策略调整的时机仍较为模糊。评估患者情况是康复训练中的关键环节，旨在根据患者情况进行实时策略调整，以确保患者在训练过程中的安全性和训练效果。因此，监控康复过程不仅是康复机器人系统的重要特征，也是调整训练策略的重要依据。现有评估方法通过物理位置、力量测量或视觉模拟量表作为辅助指标，但在康复过程中不具备实时性和直观性，训练效果不好，且安全性差。
技术实现思路
1、针对现有上肢康复机器人训练效果不好，且安全性差的问题，本专利技术提供一种上肢全周期康复训练装置及方法。
2、本专利技术所述上肢全周期康复训练装置，包括康复机械臂1、肌电采集单元2、摄像头3、对侧康复手套5、上位机6和平台7；康复机械臂1、肌电采集单元2、摄像头3和对侧康复手套5设置在平台7上；
3、康复机械臂1包括机械臂1-1、力传感器1-2和康复训练手柄1-3，机械臂1-1末端通过力传感器1-2连接康复训
4、肌电采集单元2，用于采集肌电信号进行运动意图识别；
5、摄像头3，用于采集患者健侧手部动作，镜像指导患侧手指训练；
6、对侧康复手套5包括机械手套5-1和控制装置5-2；机械手套5-1由控制装置5-2通过线索牵引带动手指进行康复训练；
7、上位机6，用于接收力传感器1-2、肌电采集单元2和摄像头3采集的信息，还用于给机械臂1-1和控制装置5-2发送训练指令。
8、优选地，还包括显示器4，用于训练过程中通过数字孪生平台反映患者状态。
9、本专利技术所述上肢全周期康复训练方法，上肢全周期康复训练包括软瘫期、痉挛期和恢复期三个周期的手臂训练和手指训练；
10、软瘫期训练策略：由上位机6给机械臂1-1发送手臂训练指令进行手臂被动训练，由上位机6给控制装置5-2发送手指训练指令以实现手指被动训练；
11、痉挛期训练策略：手臂训练时，利用采集的肌电信号进行手臂运动意图识别，并根据该手臂运动意图驱动机械臂1-1进行助力康复训练，当力传感器1-2采集的机械臂1-1和手臂之间的作用力超限时机械臂1-1制动保护；手指训练时，利用视觉和肌电信号加权耦合的方式对患者健侧进行手指运动意图识别，控制装置5-2根据该手指运动意图驱动机械手套5-1牵引患侧手指进行康复训练。
12、优选地，软瘫期的手臂训练过程为：上位机6按预设康复计划给机械臂1-1发送手臂训练指令，机械臂1-1按照预定轨迹带动患者的手臂进行被动训练；训练路径规划包括直线路径规划和圆弧路径规划，通过笛卡尔路径规划和逆运动学求解机械臂各关节角度的变化来实现，笛卡尔路径规划包括圆弧插补和直线插补。
13、软瘫期的手指训练过程为：上位机6按预设康复计划给控制装置5-2发送手指训练指令，控制装置5-2控制驱动装置、调节舵机，实现对机械手套5-1的牵引，帮助手部完成助力实现被动康复训练。
14、优选地，痉挛期的手臂训练过程为：
15、a1、采集患者手臂肌电信号，进行滤波预处理后进行特征提取，将提取的特征转换为numpy向量，并输入手臂运动意图分类网络，得到手臂运动意图；
16、a2、上位机6根据手臂运动意图给机械臂1-1下达康复指令，机械臂1-1助力康复训练手柄1-3上的患者手臂进行相应康复动作；
17、a3、监测力传感器反馈数据，当超过预设的作用力阈值时，机械臂1-1制动保护，结束训练。
18、优选地，手臂运动意图分类网络的训练数据集的构建过程为：
19、a11、将电极片贴在健康人的手臂运动参与肌群上；
20、手臂运动参与肌群包括肱二头肌、肱三头肌、三角肌后束和胸大肌；
21、a12、根据预先设计的手臂动作方案移动手臂，并记录每个特定动作的肌电信号；手臂动作方案包括手臂前后移动、左右移动和斜角度移动；
22、a13、对采集到的肌电信号进行多频带滤波处理，具体过程为：
23、首先是对工频干扰噪声进行处理，采用了50hz陷波滤波器去除工频干扰，然后采用10～90hz带通滤波器去除低频运动伪影和高频噪声，保留有用的肌电信号成分；
24、a14、提取肌电信号中的活跃部分，具体过程为：
25、首先，限定采样滑动窗口大小为1000个采样点，滑动步长为10个采样点；限定活跃阈值：对于每个通道，计算其绝对值信号的平均值作为该通道的活跃阈值，活跃阈值按下式计算：
26、tj＝k·mean(|xj|)
27、其中，tj是第j个通道的活跃阈值，k是比例系数，经过调整取为1.3，xj是第j个信号的通道；
28、利用采样滑动窗口遍历所有肌电信号，在每个滑动窗口内，计算窗口内信号的绝对值均值；如果窗口内任何一个通道的均值超过其阈值，则该窗口被认为是活跃窗口，并保存该窗口的信号；如果窗口内任何一个通道的均值都低于其活跃阈值，则抛弃该窗口的信号；
29、a15、对滤波并保留活跃部分的肌电信号进行特征提取；
30、特征提取的过程为：计算肌电信号的八个特征，八个特征包括标准差、均方根、最小值、最大值、过零点、平均幅度变化、均方根值以及波形长度；
31、a16、将a15提取的特征转换为numpy向量构建手臂运动意图分类网络的训练数据集。
32、优选地，痉挛期的手指训练过程为：
33、b1、采集患者健侧手指肌电信号，进行滤波预处理后进行特征提取，将提取的特征转换为numpy向量；
34、b2、利用摄像头3采集患者健侧手部动作，上位机6采用大津算法对摄像头捕捉的图像帧进行二值化预处理，将图像转换为张量；
35、b3、将b1的numpy向量和b2的张量加权耦合后输入手指运动意图分类网络，得到手指运动意图；
36、b4、上位机6根据手指运动意图给控制装置5-2下达康复指令，控制装置5-2根据该手指运动意图驱动机械手套5-1牵引患侧手指进行康复训练。
37、优选地，手指运动意图分类网络的训练数据集包括肌电部分和视觉部分；
38、肌电部分的训练数据集构建过程为：
39、b11、将电极片贴在健康人的手指运本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.上肢全周期康复训练装置，其特征在于，包括康复机械臂(1)、肌电采集单元(2)、摄像头(3)、对侧康复手套(5)、上位机(6)和平台(7)；康复机械臂(1)、肌电采集单元(2)、摄像头(3)和对侧康复手套(5)设置在平台(7)上；
2.根据权利要求1所述上肢全周期康复训练装置，其特征在于，还包括显示器(4)，用于训练过程中通过数字孪生平台反映患者状态。
3.上肢全周期康复训练方法，基于权利要求1或2任一权项所述装置实现，其特征在于，上肢全周期康复训练包括软瘫期、痉挛期和恢复期三个周期的手臂训练和手指训练；
4.根据权利要求3所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，软瘫期的手臂训练过程为：上位机(6)按预设康复计划给机械臂(1-1)发送手臂训练指令，机械臂(1-1)按照预定轨迹带动患者的手臂进行被动训练；训练路径规划包括直线路径规划和圆弧路径规划，通过笛卡尔路径规划和逆运动学求解机械臂各关节角度的变化来实现，笛卡尔路径规划包括圆弧插补和直线插补。
5.根据权利要求3所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，痉挛期的手臂训练过程为：p>
6.根据权利要求5所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，手臂运动意图分类网络的训练数据集的构建过程为：
7.根据权利要求5所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，痉挛期的手指训练过程为：
8.根据权利要求7所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，手指运动意图分类网络的训练数据集包括肌电部分和视觉部分；
9.根据权利要求3所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，恢复期的手臂训练过程为：
10.根据权利要求3所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，恢复期的手指训练过程为：
...【技术特征摘要】
1.上肢全周期康复训练装置，其特征在于，包括康复机械臂(1)、肌电采集单元(2)、摄像头(3)、对侧康复手套(5)、上位机(6)和平台(7)；康复机械臂(1)、肌电采集单元(2)、摄像头(3)和对侧康复手套(5)设置在平台(7)上；
2.根据权利要求1所述上肢全周期康复训练装置，其特征在于，还包括显示器(4)，用于训练过程中通过数字孪生平台反映患者状态。
3.上肢全周期康复训练方法，基于权利要求1或2任一权项所述装置实现，其特征在于，上肢全周期康复训练包括软瘫期、痉挛期和恢复期三个周期的手臂训练和手指训练；
4.根据权利要求3所述上肢全周期康复训练方法，其特征在于，软瘫期的手臂训练过程为：上位机(6)按预设康复计划给机械臂(1-1)发送手臂训练指令，机械臂(1-1)按照预定轨迹带动患者的手臂进行被动训练；训练路径规划包...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾博雅，陈鹏，曾凡洪，曾紫焓，王雅姬，钟小聪，王启松，刘丹，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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