專利名稱：帶多方向模塊的機器人訓練系統(tǒng)的制作方法
帶多方向模塊的機器人訓練系統(tǒng)
背景技術：
中風是成年人永久殘廢的主導因素，其臨床癥狀包括例如虛弱、痙攣、攣縮、靈敏度喪失、局部麻痹側的疼痛。大約70%-80%的患有中風的人的上肢都有損傷，并且需要持 續(xù)進行長期的醫(yī)療護理，以減少身體的損傷。中風后的康復的傳統(tǒng)的觀點是僅僅在中風后 的第一年的運動能力有重大的改善，很大程度上與損傷的大腦的自發(fā)性恢復相關。然而，近 期的研究表明強制性誘導的運動治療和受影響的肢體的與任務相關的重復運動也有助于 很大程度地減少運動損害，并提高慢性中風者的受影響的手臂的功能應用。如果中風后的受傷大腦沒有直接的修復，神經系統(tǒng)的復原就會變得很困難，這是 因為中風后的復原計劃通常很耗時，且治療師與病人的一對一的手動互動比較費力。近期 的技術有可能使用機器人裝置作為臨床醫(yī)學家的助手，給中風后的人進行重復的運動，以 提供安全且加強的復原作用。通常報道的由研發(fā)的復原機器人提供的運動類型為(1)持 續(xù)的被動運動，(2)主動輔助的運動，以及(3)主動抵抗的運動。在用持續(xù)的被動運動治療 期間，患者處于放松的條件下，患者局部麻痹一側的肢體的運動是通過機器人系統(tǒng)引導的。 發(fā)現這類干涉對慢性中風患者的暫時的減輕張力亢進是有效的，且在早期階段對維持中風 患者的關節(jié)的柔韌性和穩(wěn)定性也是有效的。在主動協(xié)助的機器人治療(或干涉性的機器人 治療)中，當病人不能獨立完成所需要的運動時，復原機器人將提供外部的援助力。帶主動 抵抗的運動的機器人治療包括抵抗編程的阻力自愿地完成運動。盡管機器人協(xié)助的慢性中風的康復的整體臨床結果的有用的文件以及能夠在多 個平面訓練多個肢體的容易修正的系統(tǒng)還沒有研發(fā)出來。大多數系統(tǒng)需要多個模塊，這些 模塊必須被切換以運行不同的訓練模式。本發(fā)明的目的在于提供一種用于多種肢體訓練的機器人訓練系統(tǒng)和模塊，并解決 現有技術中的缺點和問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出一種具有旋轉單元和使用多方向模塊的機器人訓練系統(tǒng)，這些旋轉單 元和模塊使得系統(tǒng)能在不同的平面內》3或幻訓練不同的肢體和肢體的不同的關節(jié)。機器人系統(tǒng)的轉動單元能在90度的方向范圍內操控，即從完全的水平面到完全 的垂直面。模塊安裝在旋轉單元上，且能在不同的角度容納肢體，以允許在不同的平面內訓 練肢體和訓練肢體的不同關節(jié)。本發(fā)明的旋轉單元和模塊的使用有助于使用一個模塊訓練多個關節(jié)，不需要“切 換”或“改變”模塊?！扒袚Q”模塊的要求需要額外的時間和精力。從以下的描述、附隨的權利要求書以及附圖中將能更好地理解本發(fā)明的裝置和方 法的這些及其它的特征、方面和優(yōu)點。


圖1所示為本發(fā)明的機器人系統(tǒng)的實施例；
圖2和圖3所示為用于機器人系統(tǒng)的旋轉馬達塔元件的視圖，這個元件能夠從水 平面旋轉到垂直面，也能從垂直面旋轉到水平面；圖4所示為旋轉馬達塔的內部元件的示意圖；圖5所示為連接到控制塔的多方向模塊，該模塊用于上肢訓練；圖6所示為下肢訓練的多方向模塊；圖7所示為系統(tǒng)的各個組件中的信息傳遞；圖8所示為當肢體被訓練時，手腕的運動平面；圖9所示為當模塊垂直放置時，手臂的運動平面；圖10所示為當模塊水平放置時，手臂的運動平面；圖11所示為模塊的下端(腿)的連接；以及圖12-16，參考實施例，示出了利用本發(fā)明的機器人系統(tǒng)進行訓練的使用者的訓練 結果曲線圖。
具體實施例方式以下的某些例示性的實施例的描述僅僅是例示性的，并不能限制本發(fā)明及其應用 或用途。在整份說明書中，術語“訓練”是指使用者使用或應用到使用者的方法，以進行教 學或再學習的技能，包括體力技能和腦部功能。術語“肢體”是指健全的臂或腿。術語“關 節(jié)”是指兩塊或多塊骨頭之間接合的地方，這些術語“電操控的”應該是指通常使用微處理 器、電阻器、電容器、電感器和傳感器以經過電子致動器把來自機械輸入和輸出的信息轉化 到機械系統(tǒng)的系統(tǒng)。雖然圖1-16是單個地進行表示的，但是當在評價本發(fā)明時，應該進行整體的考濾本發(fā)明涉及在不同平面訓練不同的關節(jié)的機器人系統(tǒng)。機器人系統(tǒng)中采用了多方 向模塊，以便進行特殊的訓練，從而可使用一個模塊訓練，而不必切換一個模塊到另一個模 塊。以下的附圖示出了機器人系統(tǒng)和在其中使用的模塊，還提供了使用機器人系統(tǒng)訓練的 身體運動的類型的信息。圖1為根據本發(fā)明的機器人系統(tǒng)100的實施例，其用來訓練關節(jié)和與關節(jié)相關的 肌肉。系統(tǒng)100 —般包括控制塔101、旋轉馬達塔103、患者定位單元107、多方向模塊111 以及反饋監(jiān)視器105?？刂扑?01的目的是給多方向模塊111提供平臺。而且，控制塔101可作為用于 操控系統(tǒng)100的電子和機械元件的外殼。設置在控制塔101內的電子元件的例子包括電路 實驗板、電阻器、電容器、線連接器、集成電路等等。功率轉換設備，如AC-DC轉換器也可安 裝在內。進一步，控制塔101可容納計算元件，如永久或暫時存儲器、微處理器、用戶界面裝 置連接、無線通信設備(如天線、WIFI、藍牙 )等等。其它本領域內公知的元件如電扇、備 用電源設備和散熱器也包括在內。在其它的實施例中，計算元件可設置在單獨的單元110 中，如計算機、筆記本電腦或PDA?？刂扑?01可在系統(tǒng)100的使用者與訓練者之間用作溝通工具。系統(tǒng)100的合適 的使用者較佳的是需要神經肌肉復原的人類患者，在中風、在意外或戰(zhàn)爭中負傷或者長期 殘廢(如癱瘓，例如大腦性麻痹或具有運動功能障礙或弱點的長者)后需要這種復原。代表患者使用系統(tǒng)的訓練者可包括人或非人實體。非人實體包括計算機程序、能夠訓練并與使用者交互的處理算法。人類實體包括，例如醫(yī)生、護士、健康護理專業(yè)人士以及物理治療師。 訓練者可包括一個或多個人類或非人類實體，例如人類實體可編程非人類實體以執(zhí)行應用 到使用者的特定的訓練程序。訓練者可經諸如直接固定在控制塔101上的控制板與控制塔 101通信，或者通過間接的方式，如使用視線外的電腦通過無線通信與控制塔101通信。間 接的方式可包括PDA、計算機，筆記本電腦，等等。至于尺寸、設計和大小，圖1的控制塔101是適合于系統(tǒng)100的實施例，然而，其它 的控制塔也用于本發(fā)明中，只要他們可以給模塊111提供足夠的支撐。較佳地，控制塔的大 小設計成能夠與使用者互動，但使用者可處于不同的位置，包括坐下、站立、躺下或蹲著。此 夕卜，可調整控制單元的大小，如高度，以配合使用者在訓練中采用不同的位置。較佳地，控制 單元101也包含車載運輸裝置如輪子，以使它能移動到多個不同的位置。為此，控制塔101 可由多種不同的材料制成，包括塑料或重量輕的金屬。優(yōu)選的是使用更輕的材料，以便更容 易地移動。旋轉馬達塔103用作模塊111與控制塔101之間的連接(conduit)。旋轉馬達塔 101還用于訓練使用者的不同的關節(jié)和肢體。如以下所述，旋轉馬達塔103是在與使用者交 互時能夠多平面運動的多組件單元。如圖1的實施例所示，旋轉馬達塔103在控制塔101上的兩個位置之間中心定位， 然而對于其它的實施例，旋轉馬達塔103可以其它的方式定位，只要不悖離系統(tǒng)100的概念 即可，這種概念是能夠使旋轉馬達塔103從垂直方向旋轉到水平方向，反之亦然。其它方式 的定位包括使用一個位置代替兩個位置。旋轉馬達塔103可與控制塔101電連接，例如通過電線連接。在一個實施例中，旋 轉馬達塔103與控制塔101隔開設置，即不在物理位置上連接在一起。在另外的實施例中， 旋轉馬達塔103與控制塔101物理上連接在一起。多方向模塊111連接到旋轉馬達塔103上。模塊111適合于通過允許使用者的肢 體放在模塊上進行治療，從而與使用者進行交互。當旋轉馬達塔103是垂直的或水平的，或 者在垂直與水平之間的任意位置時，模塊111都是可以操控的。如以下所述，模塊111能夠訓練多個不同的關節(jié)，而無需多個模塊。系統(tǒng)100設有使用者定位單元107。例如，使用者定位單元107可以是椅子、桌子、 垂直支撐架等等。在一個實施例中，使用者定位單元107是椅子。使用者定位單元107的 作用是當訓練肢體時，支撐使用者的身體。使用者定位單元107應該單獨固定使用者，以便 在訓練期間得到精確的測量。使用限制方式如帶子或鏈子能保證安全的固定。使用者定位 單元107的高度和位置是可調整的，例如，通過諸如椅子的單元放置到平的桌子上來進行 調整，或者相對于地面調整椅子的高度以容納椅子的使用者?？墒謩诱{節(jié)椅子的高度和位 置，也可以通過自動方式，如對輸入計算機系統(tǒng)的與特定使用者相關的信息作出響應，自動 調節(jié)椅子，其中這個計算機系統(tǒng)與椅子相連。使用者定位單元107可放置在軌道(track) 109中。軌道109使得使用者定位單 元107水平移動，以容納特殊的使用者。軌道109使得使用者定位單元107與控制單元101 保持標準的距離。軌道109可連接在控制塔101的底盤上或“單獨固定”。反饋監(jiān)視器105包含在系統(tǒng)100內。反饋監(jiān)視器105用來在訓練會議中可視性通知使用者，并提供使用者訓練結果的信息。例如，監(jiān)視器105可以是計算機監(jiān)視器。監(jiān)視器 105也具有存在在上面的揚聲器，以給使用者提供可以利用的指令或反饋。監(jiān)視器105可物 理連接到控制單元101上，從單元101接收電子通信。然而，監(jiān)視器105可以與單元101隔 開，即不是物理連接的。在這樣的實施例中，可通過無線裝置來通信。在一個實施例中，使 用者通過觸摸監(jiān)視器與監(jiān)視器105互動，即監(jiān)視器是可操控的觸摸屏。以下將公開本發(fā)明的機器人系統(tǒng)的各個組件。圖2是用于本發(fā)明的機器人系統(tǒng)的旋轉馬達塔的實施例。如前所述，旋轉馬達塔203與控制塔200電連接。在圖2的實施例中，旋轉馬達塔203與控制塔200物理相連。旋 轉馬達塔203能夠使213在垂直位置(90度)與水平位置(0度)之間旋轉，反之亦然。可 手動或電子操控旋轉馬達塔203的運動。在手動操控塔203時，訓練者可把塔203移動到 特定的角度，如90度、45度或0度。在電動操控塔203時，塔203可與控制器連接，如計算 機，借此可向計算機輸入特定的角度，且塔203將會旋轉到特定的角度。旋轉的馬達塔203 包括殼體211、托盤209、軸207和運動模塊205。殼體211可以是塑料或金屬。殼體應該是絕緣的，且保護旋轉馬達塔203的內部 結構。托盤209用來支撐多方向模塊(圖中未示)的訓練。如以下所述的那樣，訓練是 通過允許使用者旋轉他的肢體關節(jié)如肘關節(jié)進行的，以響應訓練程序。物理方式的托盤209 能夠限制使用者的肢體關節(jié)的旋轉角度。托盤209的直徑應該合適于容納多關節(jié)模塊。如圖2的實施例所示，軸207定位在托盤209的中心。然而，在其他的實施例中， 軸可以偏離中心。軸207的作用是可釋放地把多定向的模塊與單元203連接。如下所述， 軸207給多定向的模塊提供直接的力矩，使得它能夠在訓練期間旋轉。軸207最好是正方 形或矩形，以驅動多定向模塊。一個或多個模塊205設在托盤209上，以有效地結束托盤209的運動，并因此結束 特殊范圍內運動的多定向模塊。在一個實施例中，兩個模塊設置在圍繞托盤209的外周之 外的0度到90度之間。圖3是完全水平位置(0度)上的旋轉馬達塔301的實施例。旋轉馬達塔301與 控制單元300連接，并包括殼體305、軸307、托盤302以及模塊303。圖4是用在機器人系統(tǒng)中的旋轉馬達塔400的實施例的內部示意圖。旋轉馬達塔 400的組件容納在底盤421上。如上所述，旋轉馬達塔400包括軸401。軸401優(yōu)選的是正方形或矩形，其尺寸設 計成與多方向模塊(圖中未示)與陰部分(female counterpart)配合。當連接到單元400 時，模塊403用來限制多方向模塊的運動范圍。托盤405用于支撐多方向模塊，并保持摸塊 403。枕墊塊407用來支撐所有的非必要的力，除了運動軸上的旋轉力之外。連接器411用 來把旋轉軸409安裝到力矩傳感器上。把手413安裝在控制塔(未示)上，在旋轉馬達塔 411的任意一側，當改變方向時，把手413通常合并齒輪型的鎖緊機構以鎖緊塔400。還包 括力矩傳感器415，力矩傳感器415還可以包括應變儀、滑環(huán)、無線遙測器、旋轉轉變器、調 整電子元件以及轉換器。旋鈕417用來鎖緊運動旋轉，其用于在力矩傳感器415的固定角 度的力矩測量。馬達419用來給塔400產生力矩。本發(fā)明的機器人系統(tǒng)設計成接收多方向模塊。首先，模塊用來訓練使用者的關節(jié)，例如腕關節(jié)、肘關節(jié)、膝關節(jié)、髖關節(jié)和左右側的踝關節(jié)。模塊可在完全水平的方向與完全 垂直的方向之間進行訓練。模塊能夠提供多種肌肉訓練，包括但不限于肘彎曲、肘伸長、踝 向背彎曲，以及踝向腳底彎曲、R下肌和小圓肌訓練、肩胛下肌訓練、腕部彎曲、腕部伸展、 膝部彎曲和膝部伸展?？烧{節(jié)模塊的尺寸，以便容納不同的使用者。圖5和6是能夠隨本文所述的系統(tǒng)使用的多方向模塊的實施例。
圖5是上肢訓練多方向模塊500的實施例。圖5示出了模塊500外部的元件，以 及它的內部元件。外部元件可包括肘休息板501、前臂套袖(cuff) 503、手保持器505、旋轉 限制器507、和鎖緊機構509?？墒謩诱{整模塊500。在其它的實施例中，可電動操控模塊， 以通過電信號進行調整。在這樣的實施例中，電信號可通過控制器(如計算機)發(fā)送到模 塊。模塊500的內部元件包括但不限于上板511，其方便圍繞使用者的肘關節(jié)進行訓 練；側桿513，其允許在使用者的肘關節(jié)與腕關節(jié)之間有足夠的協(xié)力的行為；主桿512 ；遠端 板515，方便圍繞使用者腕關節(jié)進行訓練。圖6為下肢訓練多方向模塊600的實施例。該模塊600能訓練使用者的膝關節(jié)和 踝關節(jié)。模塊可包括足休息支架601、小腿套袖603、膝托板605、旋轉限制器607以及鎖緊 機構609。如圖5的上肢模塊500，可手動或電動操控下肢模塊600。具體地，可通過旋轉限 制器607限制運動范圍。鎖緊機構609可在膝關節(jié)與踝關節(jié)之間切換。當使用時，本發(fā)明的系統(tǒng)把信息傳遞入和傳遞出控制單元、監(jiān)視生物電信號、如肌 電信號(EMG)、肌動信號(MMG)、腦電圖信號(EEG)、神經電信號(ENG)，等等，以分析、利用和 儲存使用者訓練進展的信息，并給使用者提供反饋。進一步監(jiān)控生物電信號，生物電信號也 用于調整使用者肢體的訓練，以增大或減小應用在多方向模塊的力矩。圖7是本發(fā)明的機器人訓練系統(tǒng)701內的信息傳遞的示意圖。信號，包括但不限 于生物電信號、數字信號和電信號被輸送通過系統(tǒng)701的各個組件后，進行分析并調整使 用者700的肢體的訓練。在圖7中，舉例用的待訓練的肢體是使用者702的上肢。在圖7中，上肢702位于固定到與控制塔704相連的多方向模塊703上。顯示器 705(例如計算機監(jiān)視器)位于使用者700的前面。在使用中，控制塔704可在訓練期間通 過在顯示器705上顯示的指令來指導使用者。反饋信號也能經使用者700發(fā)送到訓練程序， 再由控制器717進行操控。為了記錄在訓練期間使用者700的表現，把電極709與特定位置的使用者700相 連。在一個實施例中，在適當位置連接電極709，以產生在測試期間受影響的EMG信號，例如 肱二頭肌、肱三頭肌(側部頭)、前三角肌和后三角肌的肌肉群。電極709可連接到皮膚表 面。雖然本文中并沒有給出電極連接的所有位置，但是本領域的技術人員應該明白哪個區(qū) 域與電極連接，以及什么時候測量EMG。電極709用來測量和傳輸來自使用者700的EMG信號711。信號711可以經有限 傳輸，或者是無線傳輸，這視電極是否帶有無線組件而定。電極709的EMG信號711由電路處理器713收集。處理器713可轉換信號711，如 從模擬轉到數字；放大信號711 ；過濾信號711 ；比較信號711，如使真實測量的信號與所要 求的參考信號進行比較；或者是信號711變清楚，例如去除噪音。處理器713可具有多種能 力，如放大信號711和過濾信號711.
通過處理器713生成結果信號715，并傳送到控制器717.在優(yōu)選的實施例中，結果 信號715是數字信號。通過控制器717，結果信號715可用來調整訓練計劃。具體地說，控 制器717可調整由模塊703輸送的力矩輔助，所述的輸送是通過把信號721發(fā)送到控制塔 704實現的。力矩輔助可以根據訓練者中的使用者的結果增大或減小。與在訓練完成之后 才調整計劃相比，通過控制器717而對結果信號715的使用使得能夠進行實時的訓練調整。結果信號715也優(yōu)選的是穿過控制器719并儲存在存儲裝置727中。如上所述，控制器717用來接收結果信號715?？刂破?17也用來把初始訓練計劃 傳送到控制單元704，其可以在顯示器705上看見并與使用者相聯系?？刂破?17可包括微 處理器、算法、圖形卡片、使用者界面裝置、例如鍵盤、鼠標、無線技術元件(如天線)，等等。 在一個實施例中，控制器717設在控制塔704中。在另外的實施例中，控制器717在遠離控 制塔704的位置，借此可以通過諸如衛(wèi)星通信、WIFI或因特網線進行通信。控制塔704也能把信號723/725傳遞到儲存裝置727，以作進一步分析。信號，如 待發(fā)送的測量的力矩信號723和測量的關節(jié)角度信號725可以與在訓練期間收集的那些對 控制單元704特定的參數相關，例如旋轉馬達塔704的角度(未示)、移動范圍的限制、模塊 703的運動速度、力矩傳感器的約定時間(datex)，等等。存儲裝置727可以是永久的，如ROM，或者暫時的，如RAM。類似控制器717，儲存裝 置727可以位于靠近或遠離控制單元704的位置上，它們之間通過無線裝置或因特網技術
通{曰。如本文所述，通過旋轉馬達塔和多方向模塊，系統(tǒng)能夠用一個模塊在不同平面內 訓練使用者的肢體的不同的關節(jié)。通過向使用者提供所要爭取的設定目標，并給使用者提 供協(xié)助以完成設定目標，來實現系統(tǒng)訓練。在爭取實現設定目標的過程中，需要使用者移動 他們的肢體。例如，設定的目標可是一個使用者必須要努力的真實的或想象的物體。在一 個實施例中，設定的目標是計算機屏幕上的可視物體，該物體基于算法移動。物體移動時， 需要使用者跟蹤它。跟蹤可通過移動在模塊定位的平面(χ、γ或Z)內的與模塊連接的肢體 實現。在跟蹤期間，主動協(xié)助的力矩在使用者的肢體延伸期間通過馬達系統(tǒng)產生。支撐 性的力矩由從使用者傳遞到系統(tǒng)的控制器的肌電的信號控制。在延伸運動期間的主動協(xié)助的力矩定義為Ta = G- Timve · Mt (1)其中，G是用于調整協(xié)助力矩大小的恒定增益；Timve是肘關節(jié)為90度時延伸力矩 的最大值;Mt在方程式1中定義為
,, EMGmus — EMGmrestM1 = MUS 廣 (2)
EMG謹-EMGmrest其中，EMGmus是在進行全波修正和移動平均過程后，肌肉肌電活動；EMGnffest是在休 息狀態(tài)下，平均的EMGmus ；EMGumve是在延伸力矩的最大值IMVE期間的EMGmus的最大值。在 延伸中使用支撐性力矩的原因僅僅包括相同的使用者的延伸通常比彎曲更有難度，且他們 的屈肌通常比伸肌更具彈性。也已發(fā)現，當使用這類主動協(xié)助的機器人裝置時，中風后的患 者的肘部跟蹤和達到的性能可立即得到改善。在最大的自動收縮(伸和縮)期間，抵抗力矩也能用于訓練，其力矩的百分比為
Tr = a · Tmvc其中，Tr是抵抗力矩；a是百分比；Tmvc包括兩部分，最大的TIMVF(僅用于收縮階 段)，Timve(僅用于伸展階段)。訓練期間，機器人提供的凈力矩為Tn = Ta-Tr其中，Ta是支持力矩，Tr是抵抗力矩。在訓練期間應用與IMVF和IMVE成比例的抵抗力矩的目的是(1)改善局部麻痹的肢體的肌肉力的產生⑵在訓練中，把有效肌肉力 保持在與肌肉力的可能增加相關的水平上。盡管?。缓?；趨向于取消，這兩個力矩在訓練期 間直接與使用者自身的努力相關。因此，機器人提供的凈力矩與患者的運動能力相互關聯。圖8所示為當面對多方向模塊801時，使用者的腕部803的移動平面。在這個定位 中，運動805集中在腕部803，沿著y平面移動805。移動805將通過位于旋轉馬達塔(未 示)上的模塊進行范圍限制。圖9所示為當多方向模塊903在側邊時，使用者前臂911的移動平面。在這個方 向，移動901集中在肘部，其沿著X平面移動。圖10所示為當面對多方向模塊1001時，使用者肘部1007的移動平面。在這個方 向上的移動1005能使肘部沿Y平面旋轉。圖11所示為使用多方向模塊1103以訓練下肢1101 (如膝)的實施例。在這個方 向的運動1105是在X平面內。實施例找到7個中風后偏癱的患者。所有的患者都處于慢性階段(中風手術后至少一 年，6個男性，1個女性，年齡為51. 1+9. 7年)。所有的患者接受本發(fā)明的機器人協(xié)助的肘 部訓練計劃，計劃分20個階段，每周至少進行3個階段但最多進行5個階段，在7個連續(xù)周 內完成。每個訓練階段在1.5小時內完成。在訓練之前和之后，我們采用2個臨床功能量 (scale)以評價患者的局部麻痹的上肢(肘和肩)的主動運動功能，包括Fugl-Meyer評估 (FMA ；對于肘和肩；最大分值42)和運動功能狀態(tài)量(MSS ；肩/肘；最大分值40)。通過修 正的Ashworth功能量(MAS)評分來評價在訓練之前和之后每個患者的局部麻痹的肘的痙 攣狀態(tài)。該研究的臨床評估由治療師作雙盲試驗。在每個訓練階段，每個患者都舒服地坐著，且受影響的上肢水平放置在肌動驅動 運動系統(tǒng)上，肘關節(jié)放在原位。受影響一側的前臂放在活動機(manipulandum)上，其能用 馬達旋轉；且通過讀出活動機的位置由馬達來測量肘的角度信號。帶子用來固定肩關節(jié)，以 便在軸延伸和收縮期間保持關節(jié)的位置不動。中心距離為2cm的肌電電極對連接到肱二頭 肌(BIC)、肱三頭肌(TRI)、前三角肌(AD)和后三角肌(PD)肌腹的皮膚表面。肌電電極對 的位置一旦設定就不再移動。采樣頻率為1000Hz的肌電信號和角度信號要預先放大、帶通 濾波(10-500HZ)并通過模擬-數字卡記錄。在患者進行任何主動運動之前，在每個階段的休息狀態(tài)的的相關的肌肉的肌電信 號首先被記錄，其作為階段的單塊肌肉的肌電基線。重復3次，分別測量處于90度的肘部的 等長的最大自愿彎曲(IMVF，持續(xù)5秒)和伸張(IMVE，持續(xù)5秒)，在每個伸縮之間有5分 鐘的休息時間，避免肌肉疲勞。在訓練期間，每個患者需要在0-90度(0度表示完全伸開) 的肘部范圍內完成自愿的肘彎曲和伸張，跟蹤在屏幕上的收縮和伸展的角度為10度/秒的 目標指針的移動。
選擇10度每秒作為合理的速度給中風后的患者遵從，以便防止患者太難或太容 易地實現每一步。在開始訓練以讓患者自己熟悉整個訓練課程之前，每個患者被允許練習 追蹤10分鐘。在每個訓練階段有18個追蹤試驗，每個試驗具有5個軸彎曲和伸展的周期。 在所有的試驗中，在與增益G相關的伸張中設定主動輔助的力矩，在方程式1中的G等于 0 %、50 %、100 %，選擇性地應用于階段的追蹤試驗。抵抗力矩應用于每個試驗。記錄相關肌肉的肌電活動和訓練期間的角度信號，并在訓練的連貫(even)階段 儲存在計算機中以進行處理。肘角度信號是用切斷頻率為20Hz的低帶濾波。在IMVF和 IMEF期間的力矩信號也用切斷頻率為IOHz的低帶過濾。濾波過程采用前序的、零相位向前 和反向的巴特沃斯(Butterworth)數字濾波器。圖12表明在訓練期間從患者處記錄的代 表性的信號。訓練期間的肌肉對之間的共激活通過共激活指數(Cl)來研究，即<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，Au(t)是肌肉i和j的肌電線性包膜的重疊的活動，T是信號的長度。肌肉 對的共收縮指數的值從0(在信號試驗中根本沒有重疊)到1(2塊肌肉完全重疊，且在試驗 過程中，它們的肌電水平保持為1)。在追蹤試驗中的肌肉對的肌電包膜的代表性的片段如 圖13所示。在追蹤試驗中肌肉的肌電激活水平也通過平均試驗的肌電包膜計算得到。在 所有的連貫階段的每個試驗計算不同肌肉對的共收縮指數、每塊肌肉的肌電激活水平、以 及目標與實際肘部角度之間的均方根誤差(RMSE)。每個患者在階段內的所有試驗的共收縮 指數和RMSE的平均值用作統(tǒng)計分析的試驗讀取值。圖14所示為在追蹤訓練期間的肘角度的全部RMSE的變型。全部的RMSE在整個 階段顯出明顯的下降的變化趨勢。平均RMSE值的下降趨勢也在所有的的單獨患者中觀察 至IJ，這是通過比較第2與第20階段的平均RMSE值觀察到的，且下降值為從15. 6% (患者 6)到59% (患者3)。對于患者1、2、3、4和7，最大的RMSE在第二階段觀察到，而對于患者 5和6，最大的RMSE出現在第六階段。圖15所示為在訓練期間的每塊肌肉的肌電激活水平。4塊肌肉的全部的肌電激活 水平在整個訓練期間的各個階段有顯著的變化。通過比較最大值(在第四階段觀察的是肱 二頭肌的最大值，在第八階段為肱三頭肌和前三角肌的最大值)與最后階段的值，發(fā)現肱 二頭肌、肱三頭肌和前三角肌的全部的肌電激活水平具有顯著的下降趨勢。還發(fā)現每個患 者的肱二頭肌、肱三頭肌和前三角肌的平均的肌電激活水平降低，即從3. 3% (患者2，肱三 頭肌)到84. 7 (患者27，肱二頭肌)，最大值會在第十階段或之前出現。圖16表明在訓練期間的肌肉共收縮圖形，用每個肌肉對的共收縮指數表示。所有 的肌肉對的整體的共收縮指數的變化是顯著的，所有肌肉對的共收縮指數在第八階段達到 它們的最大值。肌肉對(肱二頭肌和前三角肌、前三角肌和后三角肌、肱三頭肌和前三角 肌)的全部的共收縮指數中，肱三頭肌和前三角肌在第八階段出現最大平均值之前的第六 階段達到局部最小值。對于所有的肌肉對，從第八階段到第十階段，共收縮指數值都呈顯著 的下降的趨勢。第八階段之后(從第十階段到第二十階段)，肱二頭肌和肱三頭肌、肱二頭 肌和前三角肌、前三角肌和后三角肌、以及肱三頭肌和前三角肌的整體共收縮指數值有顯 著的下降趨勢，直到訓練結束。通過比較最大的共收縮指數值和最后階段的共收縮指數值，發(fā)現每個患者的肌肉對的共收縮指數的下降從7. 6% (患者1的肱二頭肌和后三角肌)變 化到82. 5% (患者7的肱二頭肌和肱三頭肌)。在這個研究中，肘部上進行的機器人輔助的跟蹤任務經過20個階段的訓練之后， 觀察到通過MAS、FMA和MSS評價的顯著運動改善。肘關節(jié)的主要收縮筋和對抗肌肉對、肱二 頭肌和后三角肌的肌電激活水平在訓練過程的第一半的時候會顯著減小，這與追蹤技術和 痙攣狀態(tài)的減少有關。前三角肌的肌電水平也在訓練期間減小，表明相對于局部麻痹的肢 體的肩部，肘部運動有更好的獨立性。得到的結果提供了對復原過程的進一步的理解，尤其 是在互動的機器人輔助的訓練中的肌肉協(xié)調性，這將利于機器人輔助的訓練程序的設計。結合附圖對本發(fā)明的實施例進行描述之后，應該理解，本發(fā)明不限于精確的實施 例，且本領域的技術人員還會做出很多的改變和修改，而不脫離由附加的權利要求定義的 的范圍和精神，。在解釋權利要求時，應該理解a)術語“包括”不排除除了指定權利要求列出的那些元件之外的其它元件或動 作；b)元件前表示數量的單詞不排除復數個該元件的存在；c)權利要求中的任何的附圖標記不限制它們的范圍；d)任何公開的裝置和部分可組合到一起或進一步分成幾部分，除非另有指定；以 及e)除非另有指定，不要求動作或步驟具有特定的順序。
1權利要求
一種使用一個訓練模塊進行多個關節(jié)訓練的機器人系統(tǒng)(100)，包括-控制塔(101、704)，其具有至少一個鎖緊機構(509、609)；-旋轉馬達塔(103、203、301、400)，所述馬達塔具有產生力矩的馬達；-多方向模塊(111、500、609、801、903、1001、1103)，其位于所述的旋轉馬達塔上，以與使用者的肢體接觸；以及-控制器(717)；其特征在于所述的鎖緊機構設在鎖緊用的手柄上，所述的旋轉馬達塔位于完全水平與完全垂直之間的位置，所述的多方向模塊選自包括下肢模塊和上肢模塊的組件。
2.根據權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制塔具有兩個鎖緊機構， 其都位于兩個獨立的手柄上。
3.根據權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括 -監(jiān)視器(105)；-使用者定位單元(107)； -存儲裝置(727)；以及 -旋鈕(417)，用于鎖定馬達旋轉。
4.根據權利要求3所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制器設在所述的控制塔 上，所述的存儲裝置設在所述的控制塔內，所述的監(jiān)視器與所述的控制塔物理連接，所述旋 轉馬達塔與所述控制塔連接。
5.根據權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的旋轉馬達塔具有 -軸(207)，用于與所述多方向模塊連接；-至少一個枕墊模塊(205、407)；-托盤(209、405)，其具有與其連接的可調位置的模塊；-力矩傳感器(415)；-馬達(419)-底盤；以及-殼體(211)。
6.根據權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括電操控用的電子元件。
7.根據權利要求3所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的監(jiān)視器是觸摸屏監(jiān)視器 (705)。
8.根據權利要求3所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述使用者定位單元是椅子。
9.根據權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制器具有關節(jié)訓練算法。
10.根據權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括處理信號用的電路處理器。
11.根據權利要求1所述的機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的多方向模塊包括端板和上 板，其與主桿與副桿相連。
12.一種使用權利要求1所述的機器人系統(tǒng)訓練肢體的多個關節(jié)的方法，其特征在于， 包括以下步驟_將使用者定位于定位單元中；-把肢體插入多方向模塊中；-安全拴住所述使用者；-貼上生物電信號電極在所述使用者；-旋轉所述肢體的第一關節(jié)，同時測量生物電信號；-把馬達的力矩輸送到所述的旋轉關節(jié)，以響應測量的生物電信號；-旋轉所述肢體的第二關節(jié)，同時測量生物電信號；以及-把馬達的力矩輸送到所述的旋轉關節(jié)，以響應測量的生物電信號。
13.根據權利要求12所述的訓練多個關節(jié)的方法，其特征在于，進一步包括以下步驟 -從所述多方向模塊移出所述肢體；-通過旋轉馬達塔沿著水平面到垂直面的外圍圓周的方式旋轉所述多方向模塊；-再次把所述的肢體插入所述多方向模塊中；-旋轉所述肢體的一個關節(jié)，同時測量生物電信號；-把馬達的力矩輸送到所述的旋轉關節(jié)；_旋轉所述肢體的第二關節(jié)，同時測量生物電信號；以及-從馬達輸送力矩。
14.根據權利要求1的訓練多個關節(jié)的方法，其特征在于，所述的第一關節(jié)選自下組 肘關節(jié)、腕關節(jié)和肩關節(jié)。
15.根據權利要求14所述的訓練多個關節(jié)的方法，其特征在于，所述的第二關節(jié)與第 一關節(jié)不相同，并選自下組肘關節(jié)、腕關節(jié)和肩關節(jié)。
16.根據權利要求1的訓練多個關節(jié)的方法，其特征在于，所述的第一關節(jié)選自下組 髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)J根據權利要求16所述的訓練多個關節(jié)的方法，其特征在于，所述的第二關節(jié)與第一關 節(jié)不相同，并選自下組髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)。
17.根據權利要求12中所述的訓練多個關節(jié)的方法，其進一步包括以下步驟 -在同時測量第一關節(jié)旋轉之后，處理所述的生物電信號的步驟；以及-在同時測量第二關節(jié)旋轉之后，處理所述的生物電信號的步驟。
18.根據權利要求13中所述的多個關節(jié)的訓練方法，其特征在于，馬達的力矩可選自 主動協(xié)助的力矩、抵抗力矩和主動協(xié)助的/抵抗力矩。
19.根據權利要求13中所述的多個關節(jié)的訓練方法，其特征在于，所述的生物電信號 選自下組肌電信號、肌動信號、腦電圖信號和神經電信號。
全文摘要
一種用于進行多個關節(jié)訓練的機器人系統(tǒng)(100)，包括具有至少一個鎖緊機構(509、609)的控制塔(101)、具有馬達的旋轉馬達塔(103)、位于所述旋轉馬達塔上以與使用者的肢體接觸的多方向模塊(111)、以及控制器(717)。其中所述鎖緊機構位于鎖緊用的手柄上。所述旋轉馬達塔位于完全水平位置與完全垂直位置之間的位置。所述多方向模塊選自包括下肢模塊(600)和上肢模塊(500)的組件。還公開了一種使用上述機器人系統(tǒng)訓練肢體的多個關節(jié)的方法，通過本發(fā)明，使用者可以使用該設備在垂直和水平平面之間切換訓練，而不改變設備和任何模塊。所述系統(tǒng)也可調節(jié)以滿足不同使用者的身體尺寸。
文檔編號A61H1/00GK101820845SQ200880016967
公開日2010年9月1日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權日2007年5月22日
發(fā)明者吳樹滔, 宋嶸, 崔彥邦, 彭民杰, 李德志, 林昭凱, 梁煥方, 湯啟宇, 譚惠民, 郭景麟 申請人:香港理工大學