·388· 中华物理医学与康复杂志2019年5月第41卷第5期Chin J Phys Med Rehabil,May2019,Val.41,No.5 ·康复工程· 基于上肢康复机器人的人机交互软件系统设计与实现 孟巧玲12,3汪晓铭2,3郑金钰12,3周深12,3孙梦真12,3喻洪流12,3 1上海理工大学康复工程与技术研究所，上海200093；2上海康复器械工程技术研究中心，上 海200093：3民政部神经功能信息与康复工程重点实验室，上海200093 通信作者：喻洪流，Email:yhl98@hotmail.com 【摘要】为解决现有上肢康复机器人其人机交互系统重治疗、轻评估的弊端，本课题以中央驱动上肢康 复机器人为研究对象，设计一种基于Qt、数据库(MYSQL)和虚拟现实技术，并集成用户信息管理、康复评定、 康复训练、生成康复报告等功能模块为一体的医机-人三者交互系统。通过功能测试验证了结合训练与评估 系统的上肢康复机器人系统，发现其不仅能提高康复治疗师工作效率，同时也为患者提供了一种高效、富有趣 味性的康复训练模式。 【关键词】人机交互；康复评定；康复训练 基金项目：上海市科技支撑项目(16441905102)上海市科技支撑项目(16441905202) Fund program:Science and Technology Innovation Action Plan of Shanghai (16441905102);Science and Technology Innovation Action Plan of Shanghai(16441905202) D0:10.3760/cma-j.issn.0254-1424.2019.05.020 偏瘫是脑卒中患者最常见后遗症，表现为一侧肢体功能障 的人机交互操作界面，并设计一套适用于上肢康复机器人的上 碍。引起偏瘫的主要原因是脑卒中导致大脑与末端肢体失联， 肢康复评定方法，为康复计划制订提供依据，并结合虚拟现实 肢体无法获得运动信号。相关研究表明，能有效治疗脑卒中后 游戏对患者进行康复训练，同时实时监测并保存患者康复数 偏瘫的训练方法是强调患者主动参与和有控制性的运动训练， 据，通过图表直观展示当前康复状态及阶段性康复成果。 从而帮助大脑进行神经组织重塑。传统康复干预由康复治疗 师实施康复治疗，协助患者进行肢体运动。由于康复过程需要 总体设计 进行大量重复性运动，患者主观参与意识较低，治疗师无法及 依据人机交互的图形用户界面设计原则，本研究设计了共 时获得直观数据反馈，对训练强度、训练总量等无法度量，难以 计10个交互主界面，包括登录页面、患者管理页面、选择页面、 将患者康复运动与心理重建有机结合，也无法量化评定康复训 评估页面、康复计划制订页面、管理中心、设备管理等功能界 练效果。 面，系统模块结构如图1所示。 随着机器人技术和人机交互技术发展，上肢康复机器人结 合集康复评定和虚拟训练等功能的软件系统将得到广泛应用。 肌力等级评估 1助力/主动训练 康复训练通常与虚拟现实游戏相结合，可通过生动有趣的视觉 ROM评定 0W功能 体验，获得失败或成功的反馈，大脑对反馈信息做出判断，并调 认知场景 康复评定 整运动模式，形成优化的神经网络及运动程序，支配相关肌肉 认知评定 AL场景 以特定顺序、速度和力量运动，可改善大脑适应能力、前馈能力 登承→患者选择 康复训练 →制定计划 和协调能力)，通过不断强化、重复的任务导向性训练，能更好 地促进患者功能恢复四。国内、外已有研究证实这一训练方式 康复报告 评估结果 被动训练 能有效改善脑卒中患者偏瘫上肢运动功能[34]。 训练结果 国内、外现有上肢康复机器人的交互方式主要包括按键控 图1上肢康复评估及训练系统的模块结构图 制、操纵杆控制、鼠标、键盘控制、触摸屏控制、表面肌电信号以 及组合方式控制等)，反馈形式包括听觉、视觉、触觉等。此类 系统功能设计与实现 交互方式往往是为触发或控制患者康复训练而设计的，注重患 者在康复训练过程中的即时响应、直观反馈及参与程度，但患 一、数据存储设计 者功能改善情况无从知晓。究其原因包括：现有的上肢康复训 本系统采用MySQL数据库)，根据上肢设备自身功能和 练人机交互系统往往重治疗、轻评估，缺少康复评估功能：或是 训练过程中参数及其他业务需求分析，数据库中有以下6张 评估指标单一，缺少综合评价分析，具有康复评估功能的商业 表，包括：_sr(用户信息表)，对应系统功能的不同权限，有医 化产品很少，且大都只测量关节活动度，不具备认知评估功能。 生、患者两个角色，包含姓名、密码、性别、职级、受损位置、联系 因此本研究基于Windows平台设计了一套应用于上肢康复机 方式等字段；_rehabplan(康复训练计划表)，包含训练时间、结 器人康复评定及训练的人机交互系统，为康复治疗师提供便捷 束时间、游戏类型等字段；-assessment(评估表)，用来存放各关􀅰康复工程􀅰 基于上肢康复机器人的人机交互软件系统设计与实现 孟巧玲１ꎬ２ꎬ３ 汪晓铭１ꎬ２ꎬ３ 郑金钰１ꎬ２ꎬ３ 周深１ꎬ２ꎬ３ 孙梦真１ꎬ２ꎬ３ 喻洪流１ꎬ２ꎬ３ １上海理工大学康复工程与技术研究所ꎬ上海 ２０００９３ꎻ ２上海康复器械工程技术研究中心ꎬ上 海 ２０００９３ꎻ ３民政部神经功能信息与康复工程重点实验室ꎬ上海 ２０００９３ 通信作者:喻洪流ꎬＥｍａｉｌ:ｙｈｌ９８＠ ｈｏｔｍａｉｌ.ｃｏｍ 【摘要】 为解决现有上肢康复机器人其人机交互系统重治疗、轻评估的弊端ꎬ本课题以中央驱动上肢康 复机器人为研究对象ꎬ设计一种基于 Ｑｔ、数据库(ＭＹＳＱＬ)和虚拟现实技术ꎬ并集成用户信息管理、康复评定、 康复训练、生成康复报告等功能模块为一体的医￣机￣人三者交互系统ꎮ 通过功能测试验证了结合训练与评估 系统的上肢康复机器人系统ꎬ发现其不仅能提高康复治疗师工作效率ꎬ同时也为患者提供了一种高效、富有趣 味性的康复训练模式ꎮ 【关键词】 人机交互ꎻ 康复评定ꎻ 康复训练 基金项目:上海市科技支撑项目(１６４４１９０５１０２)上海市科技支撑项目(１６４４１９０５２０２) Ｆｕｎｄ ｐｒｏｇｒａｍ: Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ａｃｔｉｏｎ Ｐｌａｎ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ( １６４４１９０５１０２)ꎻ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ａｃｔｉｏｎ Ｐｌａｎ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ(１６４４１９０５２０２) ＤＯＩ:１０.３７６０ / ｃｍａ.ｊ.ｉｓｓｎ.０２５４￣１４２４.２０１９.０５.０２０ 偏瘫是脑卒中患者最常见后遗症ꎬ表现为一侧肢体功能障 碍ꎮ 引起偏瘫的主要原因是脑卒中导致大脑与末端肢体失联ꎬ 肢体无法获得运动信号ꎮ 相关研究表明ꎬ能有效治疗脑卒中后 偏瘫的训练方法是强调患者主动参与和有控制性的运动训练ꎬ 从而帮助大脑进行神经组织重塑ꎮ 传统康复干预由康复治疗 师实施康复治疗ꎬ协助患者进行肢体运动ꎮ 由于康复过程需要 进行大量重复性运动ꎬ患者主观参与意识较低ꎬ治疗师无法及 时获得直观数据反馈ꎬ对训练强度、训练总量等无法度量ꎬ难以 将患者康复运动与心理重建有机结合ꎬ也无法量化评定康复训 练效果ꎮ 随着机器人技术和人机交互技术发展ꎬ上肢康复机器人结 合集康复评定和虚拟训练等功能的软件系统将得到广泛应用ꎮ 康复训练通常与虚拟现实游戏相结合ꎬ可通过生动有趣的视觉 体验ꎬ获得失败或成功的反馈ꎬ大脑对反馈信息做出判断ꎬ并调 整运动模式ꎬ形成优化的神经网络及运动程序ꎬ支配相关肌肉 以特定顺序、速度和力量运动ꎬ可改善大脑适应能力、前馈能力 和协调能力[１] ꎬ通过不断强化、重复的任务导向性训练ꎬ能更好 地促进患者功能恢复[２] ꎮ 国内、外已有研究证实这一训练方式 能有效改善脑卒中患者偏瘫上肢运动功能[３￣４] ꎮ 国内、外现有上肢康复机器人的交互方式主要包括按键控 制、操纵杆控制、鼠标、键盘控制、触摸屏控制、表面肌电信号以 及组合方式控制等[５] ꎬ反馈形式包括听觉、视觉、触觉等ꎮ 此类 交互方式往往是为触发或控制患者康复训练而设计的ꎬ注重患 者在康复训练过程中的即时响应、直观反馈及参与程度ꎬ但患 者功能改善情况无从知晓ꎮ 究其原因包括:现有的上肢康复训 练人机交互系统往往重治疗、轻评估ꎬ缺少康复评估功能ꎻ或是 评估指标单一ꎬ缺少综合评价分析ꎬ具有康复评估功能的商业 化产品很少ꎬ且大都只测量关节活动度ꎬ不具备认知评估功能ꎮ 因此本研究基于 Ｗｉｎｄｏｗｓ 平台设计了一套应用于上肢康复机 器人康复评定及训练的人机交互系统ꎬ为康复治疗师提供便捷 的人机交互操作界面ꎬ并设计一套适用于上肢康复机器人的上 肢康复评定方法ꎬ为康复计划制订提供依据ꎬ并结合虚拟现实 游戏对患者进行康复训练ꎬ同时实时监测并保存患者康复数 据ꎬ通过图表直观展示当前康复状态及阶段性康复成果ꎮ 总体设计 依据人机交互的图形用户界面设计原则ꎬ本研究设计了共 计 １０ 个交互主界面ꎬ包括登录页面、患者管理页面、选择页面、 评估页面、康复计划制订页面、管理中心、设备管理等功能界 面ꎬ系统模块结构如图 １ 所示ꎮ 图 １ 上肢康复评估及训练系统的模块结构图 系统功能设计与实现 一、数据存储设计 本系统采用 ＭｙＳＱＬ 数据库[５] ꎬ根据上肢设备自身功能和 训练过程中参数及其他业务需求分析ꎬ数据库中有以下 ６ 张 表ꎬ包括:＿ｕｓｅｒ(用户信息表)ꎬ对应系统功能的不同权限ꎬ有医 生、患者两个角色ꎬ包含姓名、密码、性别、职级、受损位置、联系 方式等字段ꎻ＿ｒｅｈａｂｐｌａｎ(康复训练计划表)ꎬ包含训练时间、结 束时间、游戏类型等字段ꎻ＿ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ(评估表)ꎬ用来存放各关 􀅰３８８􀅰 中华物理医学与康复杂志 ２０１９ 年 ５ 月第 ４１ 卷第 ５ 期 Ｃｈｉｎ Ｊ Ｐｈｙｓ Ｍｅｄ Ｒｅｈａｂｉｌꎬ Ｍａｙ ２０１９ꎬ Ｖｏｌ. ４１ꎬ Ｎｏ.５