CN101785737B - 手指康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手指康复训练机器人。它包括底座、手支架、四指驱动机构、拇指驱动机构和控制***，底座中央固定连接手支架，底座一侧安装四指驱动机构，另一侧通过位置调节机构连接拇指驱动机构，控制***连接四指驱动机构和拇指驱动机构的驱动装置。本手指康复训练机器人能够使训练人完成拇指和食指的对指运动，相应的机构运动速度由训练人根据自身康复情况自行设定。本发明结构简单，操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。

Description

手指康复训练机器人

技术领域

本发明涉及一种复演人体手指对指运动的手指康复训练机器人，主要为手指术后或脑神经损伤的患者在早期康复及自发恢复期间提供康复训练。属于医疗保健器械。

技术背景

健全的双手在一个人的生活中占有极其重要的地位，与此同时，手亦是极易受到损伤的人体器官，由于其内部神经、血管、小肌肉纵横交错，一旦受损治疗难度很大，治疗后功能恢复也不理想。临床上，手外伤术后多需将患者的手部进行固定，易使淤积于关节内肌腱周围的淤血形成纤维变形，直接导致手指关节及肌腱的粘连，在不同程度上影响了患者的手指功能。此外，由脑神经损伤引发的偏瘫等后遗症也会导致使手指不能自主活动。

在传统的早期康复阶段，康复理疗师会将很多精细的复杂动作分解为不同的单个简单运动，如，屈伸手指、对指运动等。其康复手法一般为：首先，一手利用拇指和食指握住患者拇指、一手握于其他四指；然后，握于四指的手施力，使四指伸直，另一手顺便打开虎口，使病人食指、拇指呈L字型；如此往复运动即可完成对指运动的康复动作。而这种手把手对患者进行一对一的康复训练方式在训练效率和训练强度难以保证，且训练效果受到治疗师个人经验和水平的影响。单纯依靠康复治疗师进行康复训练无疑会制约康复效果的提高和治疗方案的改进。因此，手指康复训练机器人的研究对于提高患者的康复质量、减少患者的病痛、减轻社会负担具有重要的现实意义。

本发明以连续被动运动(Continuous Passive Motion，CPM)康复理论为基础设计完成了一种手指康复训练机器人，与目前市场上出现的手指康复训练机器人相比，是一种能够完成拇指和食指对指康复训练动作的机构。

发明内容

本发明的目的在于结合患者康复的实际需要和目前市场上手指康复训练机器人的稀缺，提供了一种基于CPM康复理论的手指康复训练机器人，帮助患者实施拇指和食指对指运动的康复训练。整个装置结构简单，制作工艺性好，成本低廉，比较适合家庭或康复机构使用。

为达到上述目的，本发明的构思是：直接采集人体手指做对指运动时手指末端运动轨迹数据，以此实验数据作为预期运动轨迹。选取连杆机构作为本发明手指康复训练机器人的机构形式，通过尺度综合得到符合人体手指运动轨迹的机构尺寸。通过控制***，可以实现不同的机构运动速度，且整个康复训练过程为匀速运动。

根据上述的构思，本发明采用如下技术方案：

一种手指康复训练机器人，包括底座、手支架、四指驱动机构、拇指驱动机构和控制***，其特征在于：所述底座的中央固定连接所述手支架，用于固定搁置训练人的手掌；所述底座的一侧安装所述四指驱动机构，用于驱动训练人四指运动；所述底座的另外一侧通过一个位置调节机构连接所述拇指驱动机构，用于驱动训练人拇指运动；所述控制***电连接所述四指驱动机构和拇指驱动机构的驱动装置，用于控制所述四指驱动机构和拇指驱动机构的运动。

上述手指康复训练机器人中，所述四指驱动机构的结构是：一个步进电机安装在电机座上，并通过一个联轴器来驱动一个连杆机构；所述连杆机构包括连杆0、连杆1、连杆2、连杆3，各连杆之间的联接形式皆为通过滚动轴承相连的转动副；所述连杆0固定在所述底座上；所述连杆2相对于其铰链点的长度能根据训练人手指的实际长度自由调节。所述连杆2中部固定连接一根可调长度的分连杆2-1，为了在调节连杆2长度的过程中保持连杆2末端点和铰链点之间的方位角不变，分连杆2-1与连杆2之间呈直角。分连杆2-1上通过螺纹联接形式连接一根四指末端驱动杆；所述四指末端驱动杆与训练人四指相系连。

所述的拇指驱动机构的结构是：一个步进电机安装在一个电机座上，并通过一个联轴器来驱动一个连杆机构；所述连杆机构包括连杆0’、连杆1’、连杆2’、连杆3’，各连杆之间的联接形式皆为通过滚动轴承相连的转动副；所述连杆0’与一个横向移动板通过一个拇指机构定位块相连；所述连杆2’相对于其铰链点的长度能根据患者手指的实际长度自由调节。所述连杆2’中部固定连接一根分连杆2’-1，为了在调节连杆2’长度的过程中保持连杆2’末端点和铰链点之间的方位角不变，分连杆2’-1与连杆2’之间呈直角。分连杆2’-1上通过螺纹联接形式连接一根拇指末端驱动杆；所述的拇指末端驱动杆与训练人拇指相系连。

所述位置调节机构由一个横向调节机构和一个纵向调节机构串联构成。所述横向调节机构是通过一根滚珠丝杠对所述横向移动板进行调节；所述滚珠丝杠两端分别安装在两个轴承座上，横向调节完成后滚珠丝杠由防转动固定件固定；所述防转动固定件固连在所述的轴承座上；所述滚珠丝杠的一侧有一个平行的导向轴；所述导向轴的两端分别安装在两个导向轴支座上；所述滚珠丝杠上套有一个丝杠螺母；所述丝杠螺母与横向移动板固连；所述导向轴上套有一个直线轴承；所述直线轴承与横向移动板固连；所述两个轴承座、两个导向轴支座固定在一个纵向移动底板上。

所述纵向调节机构是通过一个滚珠丝杠对一个纵向移动板进行调节；所述滚珠丝杠两端分别安装在两个轴承座上，纵向调节完成后滚珠丝杠由一个防转动固定件固定；所述防转动固定件固连在所述的轴承座上；所述滚珠丝杠的一侧有一个平行的导向轴；所述导向轴的两端分别安装在两个导向轴支座上；所述滚珠丝杠上套有一个丝杠螺母；所述丝杠螺母与纵向移动板固连；所述导向轴上套有一个直线轴承；所述直线轴承与纵向移动板固连；所述纵向移动板与连接板固连；所述的连接板与纵向移动底板固连；所述两个轴承座、两个导向轴支座固定在一个纵向固定板上；所述纵向固定板与所述的底座固连。

所述控制***的结构是：一个控制面板中的一个启动按键、一个停止按键和三个速度选择按键电连接一个单片机，该单片机输出两个脉冲信号、两个方向信号和两个使能信号分别连接到两个步进电机驱动器，该两个步进电机驱动器电连接所述驱动装置的两个所述步进电机；所述控制***中的单片机将角度信号转换成相对应的脉冲信号发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器通过脉冲个数来控制所述步进电机转动的角位移量，同时通过控制脉冲频率来控制所述步进电机转动的速度，达到调速的目的。

使用时，手掌面与手支架水平面呈垂直，四指伸直，打开虎口使拇指和食指呈近L字型；通过位置调节机构调节拇指机构的位置；手指与末端驱动杆的连接通过固定在手指上的手指套。此时，接通电源，步进电机按预期设计的运动轨迹转动，手指末端在末端驱动杆的带动下做往复运动，如此反复，完成拇指和食指的对指运动。

本发明中有控制***控制四指驱动机构和拇指驱动机构运动，能够使训练人完成拇指和食指的相对运动，相应的机构速度由训练人根据自身康复情况自行设定。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：发明新型机构结构简单，操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。

附图说明

图1手指康复训练机器人***机构示意图。

图2手指康复训练机器人中四指驱动机构示意图。

图3手指康复训练机器人中拇指驱动机构示意图。

图4手指康复训练机器人中横向调节机构示意图。

图5手指康复训练机器人中纵向调节机构示意图。

图6手指康复训练机器人控制***结构框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：参见图1和图6，本手指康复训练机器人包括底座8、手支架7、四指驱动机构6、拇指驱动机构1和控制***66，其特征在于：所述底座8的中央固定连接所述手支架7，用于固定搁置训练人的手掌；所述底座8的一侧安装所述四指驱动机构6，用于驱动训练人四指运动；所述底座8的另外一侧通过一个位置调节机构连接所述拇指驱动机构，用于驱动训练人拇指运动；所述控制***66电连接所述四指驱动机构6和拇指驱动机构1的驱动装置69，用于控制所述四指驱动机构6和拇指驱动机构1的运动。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参见图1和图2，所述四指驱动机构6是：一个步进电机5安装在电机座501上，通过联轴器502来驱动连杆机构；所述的连杆机构包括连杆0(600)、连杆1(601)、连杆2(602)、连杆3(603)，各连杆之间的联接形式皆为通过滚动轴承相连的转动副；所述的连杆0(600)固定在手指康复训练机器人底座8上；所述的连杆2(602)相对于其铰链点的长度可根据患者手指的实际长度自由调节。所述的连杆2(602)中部固定连接一个分连杆2-1(6021)，为了在调节连杆2(602)长度的过程中保持连杆2(602)末端点和铰链点之间的方位角不变，分连杆2-1(6021)与连杆2(602)之间呈直角。分连杆2-1(6021)上通过螺纹联接形式连接了四指末端驱动杆604；所述的四指末端驱动杆604与患者四指相系连。

参见图1和图3，所述拇指驱动机构1是：一个步进电机2安装在电机座201上，通过联轴器202来驱动连杆；所述的连杆包括连杆0’(100)、连杆1’(101)、连杆2’(102)、连杆3’(103)，各连杆之间的联接形式皆为通过滚动轴承相连的转动副；所述的连杆0’(100)与横向移动板(301)通过拇指机构定位块9相连；所述的连杆2’(102)相对于其铰链点的长度可根据患者手指的实际长度自由调节。所述的连杆2’(102)中部固定连接一根分连杆2’-1(1021)，为了在调节连杆2’(102)中保持连杆2’(102)末端点和铰链点之间的方位角不变，分连杆2’-1(1021)与连杆2’(102)之间呈直角。分连杆2’-1(1021)上通过螺纹联接形式连接了拇指末端驱动杆104；所述的拇指末端驱动杆104与患者拇指相系连。

所述位置调节机构由一个横向调节机构3和纵向调节机构4串联构成。参见图1和图4，所述的横向调节机构3是通过滚珠丝杠307对所述的横向移动板301进行调节；所述的滚珠丝杠307两端分别安装在两个轴承座302上，横向调节完成后滚珠丝杠307由防转动固定件308固定；所述的防转动固定件308固连在所述的轴承座302上；所述的滚珠丝杠307的一侧有一个平行的导向轴304；所述的导向轴304的两端分别安装在两个导向轴支座303上；所述的滚珠丝杠307上套有丝杠螺母306；所述的丝杠螺母与横向移动板301固连；所述的导向轴304上套有直线轴承305；所述的直线轴承305与横向移动板301固连；所述的两个轴承座302、两个导向轴支座303固定在纵向移动底板401上。

参见图1和图5，所述的纵向调节机构4是通过滚珠丝杠405对纵向移动板409进行调节；所述的滚珠丝杠405两端分别安装在两个轴承座404上，纵向调节完成后滚珠丝杠405由防转动固定件403固定；所述的防转动固定件403固连在所述的轴承座404上；所述的滚珠丝杠405的一侧有一个平行的导向轴407；所述的导向轴407的两端分别安装在导向轴支座410上；所述的滚珠丝杠405上套有丝杠螺母406；所述的丝杠螺母406与纵向移动板409固连；所述的导向轴407上套有直线轴承408；所述的直线轴承408与纵向移动板409固连；所述的纵向移动板409与连接板402固连；所述的连接板402与纵向移动底板401固连；所述的两个轴承座404、两个导向轴支座410固定在纵向固定板411上；所述的纵向固定板411与手指康复训练机器人机构的底座8固连。

参见图1和图6，所述所述控制***66的结构是：一个控制面板56中的一个启动按键51、一个停止按键52和三个速度选择按键53、54、55电连接一个单片机57，该单片机57输出两个脉冲信号58、61、两个方向信号59、62和两个使能信号60、63分别连接到两个步进电机驱动器64、65，该两个步进电机驱动器64、65电连接所述驱动装置69的两个所述步进电机2、5；所述控制***66中的单片机57将角度信号转换成相对应的脉冲信号58、61发送给步进电机驱动器64、65，步进电机驱动器64、65通过脉冲个数来控制所述步进电机2、5转动的角位移量，同时通过控制脉冲频率来控制所述步进电机2、5转动的速度，达到调速的目的。

使用时，手掌面与手支架水平面呈垂直，四指伸直，打开虎口使拇指和四指呈近L型；通过位置调节机构调解拇指机构1的位置；手指与末端驱动杆104、604的连接通过固定在手指上的手指套。此时，接通电源，步进电机2、5按预期设计的运动轨迹转动，手指末端在末端驱动杆104、604的带动下做往复运动，如此反复，完成食指和拇指的对指运动。

控制***包括AT89C51单片机57、操作面板56、AC24V直流稳压电源、SH-215B小型细分驱动器64、65等。

本发明机构结构简单，操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。

Claims (5)

1.一种手指康复训练机器人，包括底座(8)、手支架(7)、四指驱动机构(6)、拇指驱动机构(1)和控制***(66)，其特征在于：

1)所述底座(8)的中央固定连接所述手支架(7)，用于固定搁置训练人的手掌；

2)所述底座(8)的一侧安装所述四指驱动机构(6)，用于驱动训练人四指运动；所述四指驱动机构(6)的结构是：一个步进电机(5)安装在一个电机座(501)上，并通过一个联轴器(502)来驱动一个连杆机构；所述连杆机构包括连杆0(600)、连杆1(601)、连杆2(602)、连杆3(603)，各连杆之间的联接形式皆为通过滚动轴承相连的转动副；所述连杆0(600)固定在所述底座(8)上；所述连杆2(602)相对于其铰链点的长度能根据训练人手指的实际长度自由调节，所述连杆2(602)中部固定连接一根可调长度的分连杆2-1(6021)，为了在调节连杆2(602)长度的过程中保持连杆2(602)末端点和铰链点之间的方位角不变，分连杆2-1(6021)与连杆2(602)之间呈直角；分连杆2-1(6021)上通过螺纹联接形式连接一根四指末端驱动杆(604)；所述四指末端驱动杆(604)与训练人四指相系连；

3)所述底座(8)的另外一侧通过一个位置调节机构连接所述拇指驱动机构(1)，用于驱动训练人拇指运动；

4)所述控制***(66)电连接所述四指驱动机构(6)和拇指驱动机构(1)的驱动装置(69)，用于控制所述四指驱动机构(6)和拇指驱动机构(1)的运动。

2.根据权利要求1所述的手指康复训练机器人，其特征在于所述拇指驱动机构(1)的结构是：一个步进电机(2)安装在一个电机座(201)上，并通过一个联轴器(202)来驱动一个连杆机构；所述连杆机构包括连杆0’(100)、连杆1’(101)、连杆2’(102)、连杆3’(103)，各连杆之间的联接形式皆为通过滚动轴承相连的转动副；所述连杆0’(100)与一个横向移动板(301)通过一个拇指机构定位块(9)相连；所述连杆2’(102)相对于其铰链点的长度能根据训练人手指的实际长度自由调节，所述连杆2’(102)中部固定连接一根可调长度的分连杆2’-1(1021)，为了在调节连杆2’(102)长度的过程中保持连杆2’(102)末端点和铰链点之间的方位角不变，分连杆2’-1(1021)的与连杆2’(102)之间呈直角；分连杆2’-1(1021)上通过螺纹联接形式连接一根拇指末端驱动杆(104)；所述拇指末端驱动杆(104)与训练人拇指相系连。

3.根据权利要求2所述的手指康复训练机器人，其特征在于所述位置调节机构由一个横向调节机构(3)和一个纵向调节机构(4)串联构成；所述横向调节机构(3)是通过一根横向滚珠丝杠(307)对所述横向移动板(301)进行调节；所述横向滚珠丝杠(307)两端分别安装在两个横向轴承座(302)上，横向调节完成后横向滚珠丝杠(307)由一个横向防转动固定件(308)固定；所述横向防转动固定件(308)固连在所述横向轴承座(302)上；所述横向滚珠丝杠(307)的一侧有一个平行的横向导向轴(304)；所述横向导向轴(304)的两端分别安装在两个横向导向轴支座(303)上；所述横向滚珠丝杠(307)上套有一个横向丝杠螺母(306)；所述横向丝杠螺母与横向移动板(301)固连；所述横向导向轴(304)上套有横向直线轴承(305)；所述横向直线轴承(305)与横向移动板(301)固连；所述两个横向轴承座(302)、两个横向导向轴支座(303)固定在一个纵向移动底板(401)上。

4.根据权利要求3所述的手指康复训练机器人，其特征在于所述纵向调节机构4是通过一根纵向滚珠丝杠(405)对一个纵向移动板(409)进行调节；所述纵向滚珠丝杠(405)两端分别安装在两个纵向轴承座(404)上，纵向调节完成后纵向滚珠丝杠(405)由一个纵向防转动固定件(403)固定；所述纵向防转动固定件(403)固连在所述纵向轴承座(404)上；所述纵向滚珠丝杠(405)的一侧有一个平行的纵向导向轴(407)；所述纵向导向轴(407)的两端分别安装在两个纵向导向轴支座(410)上；所述纵向滚珠丝杠(405)上套有一个纵向丝杠螺母(406)；所述纵向丝杠螺母(406)与纵向移动板(409)固连；所述纵向导向轴(407)上套有一个纵向直线轴承(408)；所述纵向直线轴承(408)与纵向移动板(409)固连；所述纵向移动板(409)与连接板(402)固连；所述连接板(402)与纵向移动底板(401)固连；所述两个纵向轴承座(404)、两个纵向导向轴支座(410)固定在一个纵向固定板(411)上；所述纵向固定板(411)与所述底座(8)固连。

5.根据权利要求1所述的手指康复训练机器人，其特征在所述控制***(66)的结构是：一个控制面板(56)中的一个启动按键(51)、一个停止按键(52)和三个速度选择按键(53、54、55)电连接一个单片机(57)，该单片机(57)输出两个脉冲信号(58、61)、两个方向信号(59、62)和两个使能信号(60、63)分别连接到两个步进电机驱动器(64、65)，该两个步进电机驱动器(64、65)电连接所述驱动装置(69)的两个所述步进电机(2、5)；所述控制***(66)中的单片机(57)将角度信号转换成相对应的脉冲信号(58、61)发送给步进电机驱动器(64、65)，步进电机驱动器(64、65)通过脉冲个数来控制所述步进电机(2、5)转动的角位移量，同时通过控制脉冲频率来控制所述步进电机(2、5)转动的速度，达到调速的目的。

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