CN101433491B - 多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人及其控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度的可穿戴式手功能康复机器人，包括机械手臂和机械手指，机械手指由机械拇指和结构相同的食指、中指、无名指和小指构成，机械食指主要包括通过连杆依次相接的气动肌肉、手指末端支架、第一中间连接件、手指前端支架和第二中间连接件，气动肌肉通过刚性细绳带动第二中间连接件运动，使得患者手指作外伸或内收运动；两连接件内设有压簧，在其内侧壁还分布有滚珠，用于减少连杆与连接件间的摩擦力。本发明还提供上述机器人的控制***，集成电刺激***，辅助患者肌肉功能重建。本发明分别为各手指提供辅助运动机构，具有多自由度，运动机构尺寸可调节，能有效辅助患者完成手指多关节复合运动的重复训练和复杂的分指运动。

Description

多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人及其控制***

技术领域

本发明属于康复机器人技术，具体为一种穿戴式手功能康复训练机器人。该康复训练机器人采用气动肌肉驱动，能辅助患者患手进行主被动伸屈及其它复杂模式的运动功能训练。

背景技术

目前，由于脊椎损伤、脑外伤、脑性瘫痪、中风等中枢神经***损伤，以及手外伤、手部肌肉损伤、软组织损伤等周围神经肌肉***损伤而引起手功能障碍的患者显著增加，手运动功能障碍是其常见的主要症状，而患手的运动功能恢复密切关系到患者预后以及日后的生活方式和生活质量。临床研究表明，患者及时参与康复治疗，进行病残功能训练、功能增强、功能补偿，可有效地发挥其自身潜力，避免因制动而造成的并发症或继发残疾，从而改变无功能生命状态，降低残疾程度，预防因伤、病二级伤残。

在临床上，肢残疾患者的手功能障碍往往表现为屈曲挛缩，手的屈肌张力占优势，指间关节和掌指关节伸展困难，甚至无法实现简单的抓握功能；同时手部周围神经损伤会引发生物电传导异常，患者常因手外伤导致肌无力，如若不能有效进行康复训练将有可能引发手部肌肉萎缩、疼痛，因此，痉挛和肌肉萎缩是手功能康复中需解决的首要问题。

中国专利200710168725.1公开一种可穿戴式手功能康复机器人。该机器人***通过检测患手表面肌电信号提取患者主动运动意愿，并结合角度和力传感器测量的数据得到患肢状态。本康复机器人能辅助患手进行多关节复合运动，并且将康复过程中的多传感器数据信息融合用于康复效果评估，还通过使用计算机上的康复治疗虚拟环境来提高患者的主动性与训练兴趣。

但该康复机器人的不足有：食指、中指、无名指和小拇指共用一个指 托支架运动，自由度少，无法辅助患手完成更精细复杂的功能训练，训练模式单一，影响康复效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人，分别为各手指提供辅助其独立运动的运动机构，具有多自由度，能有效辅助患者完成手指多关节复合运动的重复功能训练和较为复杂的分指运动，运动机构尺寸可调节，使用过程中患者感觉更加舒适。

本发明还提供一种用于上述机器人的控制***，集成电刺激***，减轻患手的肌肉强痉，促进患者手部运动功能的重建和恢复。

一种多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人，包括机械手臂1和与其相接的机械手指，机械手指由机械拇指、食指、中指、无名指和小拇指构成；

机械拇指包括进气端固定于机械手臂1后端的第一气动肌肉11，位于机械手臂1前端的拇指支架7和第一拇指套2，拇指支架7通过转动销4与拇指连杆5的一端相接，拇指连杆5的另一端与第二拇指套3相连，刚性细绳12的一端与第二拇指套3相连，另一端与第一气动肌肉11的封闭端相连；

机械食指、中指、无名指和小拇指结构相同，机械食指包括进气端固定于机械手臂1后端的第二气动肌肉15和安装于机械手臂1前端的手指末端支架17，手指末端支架17上设有末端压线滑轮16、末端支撑滑轮19和末端旋转轴18；末端旋转轴18通过连杆依次连接第一中间连接件22、手指前端支架25，手指前端支架25上安装有前端支撑滑轮26和前端旋转轴24，前端旋转轴24通过连杆与第二中间连接件29相连；第二中间连接件29的底部安装有指托支架32，顶部固定有刚性细绳30，刚性细绳30穿过前端支撑滑轮26，经过末端支撑滑轮19的顶部和末端压线滑轮16的底部，与第二气动肌肉15的封闭端相接。

第一和第二中间连接件22，29的内侧壁均匀分布有滚珠，在其内部还设有压缩弹簧，压缩弹簧两端与伸入连接件内部的连杆面接触。

作为本发明的改进，所述转动销4上安放有扭力弹簧8。

作为本发明的进一步改进，所述末端旋转轴18和前端旋转轴24的外表面分别套有扭力弹簧。

一种用于上述康复机器人的控制***，包括A/D采集卡200、信号预处理电路300、力传感器400、角度传感器500、电气比例阀600、sEMG电极700、EMG放大器800、控制器900、电刺激器1000、刺激电极1100；

力传感器400包括五个力传感器，各力传感器的一端固定在机械手臂1后端，另一端分别与机械拇指、食指、中指、无名指和小拇指的气动肌肉进气端相接；

角度传感器500包括九个角度传感器，其中一个角度传感器安装在机械拇指的转动销4上，其它八个角度传感器分别安装在机械食指、中指、无名指和小拇指的末端旋转轴和前端旋转轴上；

电气比例阀600与机械拇指、食指、中指、无名指和小拇指的气动肌肉进气端相连；

表面肌电(surface electromyogram，sEMG)电极700用于测量手部肌肉生物肌电信号；

肌电(electromyogram，EMG)放大器800将手部肌肉生物肌电信号放大后传送给信号预处理电路300；

信号预处理电路300与角度传感器500、力传感器400和EMG放大器800相连，将收到的信号进行放大滤波后，通过A/D采集卡200发送给控制器900；

控制器900接收信号预处理电路300放大后的数据，采用智能控制策略通过电磁比例阀600控制各气动肌肉的收缩，控制器900还通过电刺激器1000连接刺激电极1100，控制器900产生控制信号，控制电刺激器1000产生适宜的电刺激波，引起手部受损肌肉的运动。

控制器900还连接计算机1200，通过计算机1200进行康复训练机器人训练参数的设定以及训练过程中的信息显示，同时为患者提供虚拟游戏环境。

本发明的技术效果体现在：

本发明采用气动肌肉驱动方式，以其独特机械结构的多自由度、仿生性和柔顺性使机器人与人的手指肢体更适应更匹配，适于穿戴且安全舒适。该机器人特性具体体现如下：(1)气动肌肉在力/长度特性、伸缩率范围和响应速度等方面与生物肌肉颇为相似，使得其具有很好的柔顺性；(2)为各手指提供一个独立的运动机构，具有多自由度，有效辅助各手指的自由伸屈，使患者最终完成手指多关节复合运动功能的重复训练和复杂的手部动作；(3)运动机构尺寸可调，使用过程中患者感觉更加舒适；(4)易穿卸、轻便经济，尤其适于家庭和社区使用，既简化治疗师与患者“一对一”的繁重治疗过程，又可为患者提供有效的康复训练，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。

本发明提供的控制***，结合增强现实技术构建康复治疗虚拟环境，利用计算机游戏环境增加康复训练的趣味性，提高患者参与康复训练的主动性和积极性，实时反馈训练过程中的客观数据，根据数据信息优化训练参数可优化治疗方案，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力，同时集成电刺激***，实现不同病情的患者选择不同的手部康复训练方式。

附图说明

图1为多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人主视图；

图2为多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人俯视图；

图3为多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人仰视图；

图4为多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人食指结构示意图；

图5为多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人控制***结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2、3、4所示，穿戴式手功能康复机器人的结构为：

机械手臂1用于固定患者手臂与手腕，拇指部分的第一力传感器10安装在机械手臂1后端的第一固定器9上，第一固定器9安放有第一力传感 器10，第一气动肌肉11的进气端与第一力传感器10相接。机械手臂1的前右方安装拇指支架7和第一拇指套2，拇指支架7通过转动销4与拇指连杆5相连，实现拇指的运动。转动销4上安有第一角度传感器6，用于测量拇指伸曲，拇指连杆5前端下方安装有第二拇指套3，刚性细绳12的一端与第二拇指套3相连，另一端与第一气动肌肉11的封闭端相连。

机械食指、中指、无名指和小拇指结构相同，现以机械食指为例说明其结构。参考图1和图2，第二固定器13安装于机械手臂1的后端，第二固定器13上还安放了第二力传感器14，第二气动肌肉15的进气端与第二力传感器14相接。机械手臂1的前端安装有手指末端支架17，手指末端支架17上设有末端压线滑轮16、末端支撑滑轮21和末端旋转轴18，末端旋转轴18上设有第二角度传感器20，用于测量手指掌指关节的转动角度。末端旋转轴18通过第一连杆21连接第一中间连接件22，第一中间连接件22通过第二连杆23连接手指前端支架25，手指前端支架25上安装有前端支撑滑轮26和前端旋转轴24，前端旋转轴24上设有第三角度传感器27。前端旋转轴24通过第三连杆28与第二中间连接件29相连；第二中间连接件29的下端安装有指托支架32，顶部端盖31上固定有刚性细绳30，刚性细绳30穿过前端支撑滑轮26，经过末端支撑滑轮21的顶部和末端压线滑轮16的底部，与第二气动肌肉15的封闭端相接。

力传感器共有五个，分别用于测量大拇指、食指、中指、无名指和小拇指的气动肌肉产生的拉力，所测力值用于机器人的反馈控制。各力传感器的一端分别固定在手臂后端的各机械手指的固定器上，另一端分别连接各机械手指的气动肌肉进气端。

角度传感器一共有九个，第一角度传感器6安装在拇指支架转动销4处，用于测量大拇指的伸屈度；机械食指、中指、无名指和小指头分别各自对应两个角度传感器，其中一个安放在末端旋转轴处，用于测量食指掌指关节的伸屈度，另外一个安放在前端旋转轴处，用于测量食指指间关节的伸屈度。

电气比例阀与各机械指头的气动肌肉进气端相连，通过向气动肌肉充放气来控制气动肌肉的拉力。第一气动肌肉11通过充气带动刚性细绳12， 刚性细绳12带动拇指连杆5外伸，拇指完成外伸动作；而拇指内收是通过第一气动肌肉11放气完成。本发明还在转动销4上安放了扭簧8，放气时，扭簧8产生的扭力，与第一气动肌肉11产生的拉力和患者拇指自身内收力共同完成拇指内收。

因食指、中指、无名指和小拇指四指机械结构以及运动过程均相似，故以食指(参考图1和图4)为例介绍四指结构以及其机械运动过程。第二气动肌肉15充气，驱使刚性细绳30拉动第二中间连接件29，从而带动患手食指外伸运动。第二气动肌肉1 5放气，刚性细绳30对第二中间连接件29的拉力逐渐减小，患手食指作内收运动。但是当第二气动肌肉15放气完毕时，患手食指并不能完全复位到其初始内收状态，因此在末端旋转轴18和前端旋转轴24的外表面分别套有扭力弹簧33，34(简称扭簧)，扭簧的扭力可辅助食指最终完成被动复位。如果患者能力足以实施主动复位，可适当调节第二气动肌肉15放气量，使得第二气动肌肉15通过细绳3产生的拉力与扭簧扭力平衡，患者食指内收，实现主动复位。在第一和第二中间连接件22，29的内侧壁均匀分布有滚珠，通过连接件端盖31可向其内部放入压缩弹簧(简称压簧)，压簧两端与伸入连接件内部的连杆面接触，在食指的伸屈过程中，连杆配合压簧和连接件壁上的滚珠调节机器人食指长度，达到康复机器人指长运动可调的目的，患者在完成手指的伸屈动作中更加舒适。其中，滚珠的作用是为了使连杆在伸缩过程中与连接件壁滚动摩擦，而非滑动摩擦，以最大程度的减少连杆与连接件之间的摩擦效果。

本发明用于上述机器人的控制***总体结构示意图如图5所示，它包括A/D采集卡200、信号预处理电路300、力传感器400、角度传感器500、电气比例阀600、sEMG电极700、EMG放大器800、控制器900、电刺激器1000、刺激电极1100、计算机1200。

力传感器400分别检测五段气动肌肉的辅助拉力，不仅能避免在痉挛状态下辅助拉力过大致使患手肌肉损伤，而且还可以用于定量评价康复训练中患手的主动参与程度，尽可能减少外界辅助力，让患者靠自己的肌肉力主动完成动作。

角度传感器500分别测量拇指伸曲角度，食指、中指、无名指和小拇指掌指关节旋转角度以及食指、中指、无名指和小拇指指间关节旋转角度。

信号预处理电路300对角度传感器500、力传感器400的测量信号以及通过sEMG电极700经EMG放大器800处理的肌电信号进行放大滤波，控制器100通过A/D采集卡200采集处理后的各关节角度和气动肌肉辅助拉力的测量值以及肌电信号，获取人-机器人***的运动特征参数和患手状态。

根据不同的患者可采用不同的康复训练手段，如气动肌肉驱动功能训练和电刺激训练，如图5所示，I和II表示两种不同的康复训练手段。在采用气动肌肉驱动功能训练方式时，采用智能控制策略，基于患者的剩余主动运动来施加外部气动肌肉辅助力，通过表面肌电sEMG(SurfaceElectromyogram)电极700、力传感器400和角度传感器500测量手部肌肉生物肌电信号以及力、各关节角度传感器数据，控制器900根据测量的数据信息来控制电气比例阀600进行气动肌肉的收缩，从而控制给患者患手的气动辅助力。在康复训练过程中，通过患手状态自适应调整气动肌肉的辅助力大小，使机器人仅当患手停止主动运动时提供完成训练动作所必需的最小辅助力，辅助患手完成多关节复合运动功能训练，同时避免在痉挛状态下气动肌肉拉力过大致使患手肌肉损伤；在采用低频电刺激缓解痉挛和训练肌肉时，根据测量的生物肌电信号以及力、各关节角度传感器数据，采用闭环反馈控制技术实时调节电刺激参数，通过控制器900控制电刺激器1000产生适宜的电刺激信号，传递至表面刺激电极引起肌肉收缩，加强肌肉血液循环及营养供应，促进神经兴奋性及传导功能恢复，缓解痉挛、增强肌力，促进手部受损运动功能的重建和恢复。

在结构图中，可通过计算机1200进行康复训练机器人训练参数(如训练次数、训练时间、电刺激参数等)的设定以及训练过程中的信息显示，同时在计算机1200上结合增强现实技术，为患者提供虚拟游戏环境，根据患者患手的活动能力情况，自动调整游戏的难度等级，使患者在训练过程中一直保持较高的积极性和兴趣，从而提高康复训练的效果。

主动运动意愿的存在对康复效果有着重要的积极影响，本发明以患者为中心建立了闭环反馈环，基于sEMG信号进一步研究和重视人脑主动意 愿的应用，强化神经康复治疗中对运动神经***的刺激和整合过程。通过对患手运动功能训练过程中起主要作用的主动肌和拮抗肌如指伸肌、指屈肌、掌长肌、小指展肌等的多通道sEMG进行时频分析，提取主要特征参数，对患者的手运动功能进行定量评价如肌肉主动力、运动持续时间、运动角度等，通过智能控制决策分析患手状态参数最大限度地提供外界最小辅助力辅助患者患手康复训练。

优选的，本发明除采用气动肌肉驱动的机器人辅助患者进行手功能康复训练外，还集成电刺激***缓解肌肉痉挛，治疗手外伤或其他周围神经损伤导致的手运动功能障碍，通过控制器900控制电刺激器1000输出适宜的电刺激信号，传递至表面刺激电极1100对手部肌肉实施低频电刺激。使用时，sEMG电极700粘贴在患者的手部或前臂，检测患手运动功能康复训练过程中起主要作用肌肉的sEMG信号，经EMG放大器800全波整流放大后由A/D采集卡200输入控制器900，提取患者主动运动意愿和患手状态，用于调整电刺激参数。

在康复训练过程中，康复机器人辅助患者患手主、被动地完成手功能运动训练，这种长时间、重复的运动训练对患者而言，毫无疑问是枯燥无味的。为了提高患者的积极性，发挥患者的主观能动性，使其能够在训练过程中获得愉快的成功情绪体验，从而促使其不间断地练习，设计康复治疗虚拟游戏环境就显得意义重大。

本发明还可采用计算机1200提供手功能康复治疗虚拟环境界面，连接于控制器900。控制器900将力传感器400输入的气动肌肉力、角度传感器500输入的关节角度、以及设定的各关节的目标角度等参数传给计算机1200，计算机1200根据输入参数实现患手运动功能康复训练过程和康复效果的定量评价，包括拇指和其余四指末端的当前位置和运动轨迹、各关节运动的速度和平稳性、手指末端运动轨迹和目标轨迹的偏差、机器人辅助力的大小、功能训练任务是否成功完成等指标的评定，并利用增强现实技术反馈给患者，将计算机生成的虚拟场景和提示信息叠加到真实场景中实现对现实的增强，提供一种康复治疗虚拟环境，使得患者对康复训练过程及自身的康复效果有直观的了解。机器人***康复治疗虚拟环境包括计算 机虚拟游戏、训练开始和结束的提示、训练效果的视觉和听觉反馈。这种方式可以在机器人提供给患者机械帮助的同时，将康复训练过程和康复效果的定量评价实时反馈给患者，并利用计算机游戏激发患者的训练兴趣，以克服当前康复训练中患者主动参与训练的积极性难以提高的问题。另外基于虚拟环境的康复训练还与网络相结合，具有远程康复机器人***的特点。

Claims (4)

1.多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人，包括机械手臂(1)和与其相接的机械手指，机械手指由机械拇指、食指、中指、无名指和小拇指构成；机械拇指包括进气端固定于机械手臂(1)后端的第一气动肌肉(11)，位于机械手臂(1)前端的拇指支架(7)和第一拇指套(2)，拇指支架(7)通过转动销(4)与拇指连杆(5)的一端相接，拇指连杆(5)、的另一端与第二拇指套(3)相连，第一刚性细绳(12)的一端与第二拇指套(3)相连，另一端与第一气动肌肉(11)的封闭端相连；其特征在于：

机械食指、中指、无名指和小拇指结构相同，机械食指包括进气端固定于机械手臂(1)后端的第二气动肌肉(15)和安装于机械手臂(1)前端的手指末端支架(17)，手指末端支架(17)上设有末端压线滑轮(16)、末端支撑滑轮(19)和末端旋转轴(18)；末端旋转轴(18)通过连杆依次连接第一中间连接件(22)、手指前端支架(25)，手指前端支架(25)上安装有前端支撑滑轮(26)和前端旋转轴(24)，前端旋转轴(24)通过连杆与第二中间连接件(29)相连；第二中间连接件(29)的底部安装有指托支架(32)，顶部固定有第二刚性细绳(30)，第二刚性细绳(30)穿过前端支撑滑轮(26)，经过末端支撑滑轮(19)的顶部和末端压线滑轮(16)的底部，与第二气动肌肉(15)的封闭端相接；

第一和第二中间连接件(22，29)的内侧壁均匀分布有滚珠，在其内部还设有压缩弹簧，压缩弹簧两端与伸入连接件内部的连杆面接触。

2.根据权利要求1所述的多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人，其特征在于，所述转动销(4)上安放有扭力弹簧(8)。

3.根据权利要求1所述的多自由度的穿戴式手功能康复训练机器人，其特征在于，在所述末端旋转轴(18)和前端旋转轴(24)的外表面分别套有扭力弹簧。

4.一种用于上述康复机器人的控制***，包括A/D采集卡(200)、信号预处理电路(300)、力传感器(400)、角度传感器(500)、电气比例阀(600)、sEMG电极(700)、EMG放大器(800)、控制器(900)、电刺激器(1000)、刺激电极(1100)；

力传感器(400)包括五个力传感器，各力传感器的一端固定在机械手臂(1)后端，另一端分别与机械拇指、食指、中指、无名指和小拇指的气动肌肉进气端相接；

角度传感器(500)包括九个角度传感器，其中一个角度传感器安装在机械拇指的转动销(4)上，其它八个角度传感器分别安装在机械食指、中指、无名指和小拇指的末端旋转轴和前端旋转轴上；

电气比例阀(600)与机械拇指、食指、中指、无名指和小拇指的气动肌肉进气端相连；

sEMG电极(700)用于测量手部肌肉生物肌电信号；

EMG放大器(800)将手部肌肉生物肌电信号放大后传送给信号预处理电路(300)；

信号预处理电路(300)与角度传感器(500)、力传感器(400)和EMG放大器(800)相连，将收到的信号进行放大滤波后，通过A/D采集卡(200)发送给控制器(900)；

控制器(900)接收信号预处理电路(300)放大后的数据，采用智能控制策略通过电磁比例阀(600)控制各气动肌肉的收缩，控制器(900)还通过电刺激器(1000)连接刺激电极(1100)，控制器(900)产生控制信号，控制电刺激器(1000)产生适宜的电刺激波，引起手部受损肌肉的运动；

控制器(900)还连接计算机(1200)，通过计算机(1200)进行康复训练机器人训练参数的设定以及训练过程中的信息显示，同时为患者提供虚拟游戏环境。

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