CN102895091B

CN102895091B - 穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置

Info

Publication number: CN102895091B
Application number: CN201210430290.4A
Authority: CN
Inventors: 胡鑫; 喻洪流; 张颖; 易金花; 李继才
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN102895091A

Abstract

本发明涉及一种穿戴式动力外骨骼手部康复训练器，包括手掌板、外壳、五个手指，仿生肌腱连接杆组件、驱动推杆、直线推杆电机组件，直线推杆电机组件固定在手掌板上，并通过驱动推杆和固定在指根部固定座上的仿生肌腱连接杆组件分别与五个手指连接形成手指驱动机构。本发明通过两个直线推杆电机获得动力，分别驱动四指和大拇指，极大地简化了驱动方式和所用电机的数量，结构更加简单、易于实现。手部外骨骼部分与手掌较好的贴合，起到良好的仿生效果，能更好的辅助手部功能受损的患者进行康复训练。采用位置可调式手指绑带***设计，可以按照患者的手部尺寸自如的调节佩戴方式，无需特殊定制，具有更广泛的实用性。

Description

穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置

技术领域

本发明涉及一种外骨骼手部康复训练装置，尤其是一种用于手部功能障碍的脑卒中患者的康复训练康复装置。

背景技术

手是人体最重要的结构之一，手不仅能完成许多粗大工作，而且还能从事与日常生活密切联系的各种精细活动。然而，许多意外事故和疾病，如外伤、脑卒中等可能会导致人手的感觉和运动功能丧失。所以如何让丧失的手功能得到康复，是手功能受损患者最急需解决的问题，也是最难以解决的问题。

在手部功能受损的患者群体中，因脑卒中后遗症而导致手部功能丧失的患者占绝大多数。我国现有脑卒中患者约900万人，每年新发病例在150万人以上，大约75%脑卒中患者在发病后会留下不同程度的后遗症，在众多的后遗症中，以偏瘫发生率最高，在偏瘫的康复中，又以手功能的康复最为困难。患者的手在后期往往因肌肉痉挛，形成一个屈曲的半握拳姿势。医学理论和实践证明，肢体损伤的患者为了防止肌肉“废用性”萎缩，必须要进行有效的肢体训练才能恢复其功能。

随着机器人技术和康复医学的发展，为了改进传统的康复治疗手段和提高康复治疗效果，人手康复机器人应运而生。它具备一些传统康复手段所不具备的优势，机器人不仅可以对患者的手施加精确的力和运动控制，还可以实时记录详实的患者信息和治疗数据，并将信息可视化，为临床康复医生提供客观、准确、直观的治疗和评价参数。由机器人代替治疗师的部分体力工作，不仅能减轻治疗师的工作强度，而且训练参数重复性好，保证了训练的效率和强度，实现长期、稳定的康复训练，能够有效加快康复进程。此外，结合虚拟现实技术，康复训练任务可以在仿真环境中完成，康复训练形式可以更为丰富、有趣，患者在训练过程中可以同时得到触觉、视觉和听觉等多通道的信息反馈，提高康复训练的趣味性，从而激励患者主动、积极地进行康复训练。

外骨骼机器人技术是融合了传感、控制、信息，并为操作者提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。作为外骨骼机器人在医疗康复领域的应用，创伤手指康复外骨骼手的主要任务是辅助手外伤患者进行术后的康复训练，依据现代循证医学(Evidence Based Medicine，EBM)和连续被动运动(Continuous Passive Motion，CPM)理论，可以使患者在尽可能短的时间内恢复健康。

发明内容

本发明在分析人手生物学特性的基础上，提出一种穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置，用于手部功能障碍的脑卒中患者的康复训练。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种穿戴式动力外骨骼手部康复训练器，包括手掌板、外壳、五个手指，仿生肌腱连接杆组件、驱动推杆、直线推杆电机组件，其特点是：直线推杆电机组件固定在手掌板上，并通过驱动推杆和固定在指根部固定座上的仿生肌腱连接杆组件分别与五个手指连接形成手指驱动机构。

仿生肌腱连接杆组件9包括与手指连接的短肌腱连杆和与手指驱动轴连接的长肌腱连杆，其中，长肌腱连杆一端通过驱动轴与驱动推杆10连接，另一端与短肌腱连杆连接，长肌腱连杆中间通过定位销与指根部固定座8上端的限位滑槽连接。

手指驱动机构包括大拇指驱动机构和四指驱动机构，每一个手指驱动机构还包括连杆连接板，手指第一驱动杆，手指第二驱动杆，手指远指节、手指中节、手指中指关节连杆一、手指中指关节连杆二、手指大关节连杆，连杆连接板上端与短肌腱连杆连接，下端与手指第一驱动杆连接，手指第一驱动杆前端与手指中指关节连杆一连接，后端通过定位销与指根部固定座中间的限位滑槽连接。

直线推杆电机组件包括电机外壳、固定底座、直线推杆电机、电机驱动推杆，电机外壳由一个与安装面成一角度的固定底座支撑固定，直线推杆电机通过电机外壳定位。

手指中节和手指第二驱动杆下面分别通过其上的四个定位孔连接中指节绑带板和掌指关节绑带板，组成位置可调的佩带***，适应各种患者的佩戴需求。

与现有技术相比，本发明取得了以下的有益效果：

1.通过两个直线推杆电机获得动力，分别驱动四指和大拇指，极大地简化了驱动方式和所用电机的数量，结构更加简单、易于实现。

2.手部外骨骼部分与手掌较好的贴合，起到良好的仿生效果，能更好的辅助手部功能受损的患者进行康复训练。

3.康复过程要求保证康复力始终垂直作用于指骨以避免损坏关节周围的软组织。对外骨骼手关节单自由度和二自由度构型进行了分析，进行了更加合理的机械结构设计，采用连杆滑轨机构较好的模拟了人手的运动轨迹，佩戴更加自然，训练效果更好。

4.采用位置可调式手指绑带***设计，可以按照患者的手部尺寸自如的调节佩戴方式，无需特殊定制，具有更广泛的实用性。

本发明基于四边形连杆及连杆滑槽机构设计了外骨骼手机构本体，该外骨骼手可以适应不同人手长度，帮助运动功能受损的手指进行弯曲和内收/外展康复运动。具有良好的仿生性、灵活性和便携性。手功能受损患者佩戴后，患肢被外骨骼训练器支撑和固定，通过贴在患肢手臂拮抗肌上的体表电极接收患者手臂肌肉运动的微弱电流，将电流放大后驱动电机带动外骨骼训练器运动。从而带动无法运动的手部进行抓握运动，进行康复训练和日常生活辅助、此外对训练器的控制还可以通过语音信号\健侧手信号来进行控制。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是食指组件结构示意图；

图3是四指驱动机构示意图；

图4是四指驱动机构手指平放状态示意图；

图5是四指驱动机构手指收握状态示意图；

图6是大拇指驱动机构示意图；

图7是直线推杆电机组件结构示意图；

图8是位置可调式手指绑带***示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图8所示，本发明的穿戴式动力外骨骼手部康复训练器，包括手掌板1、外壳2、大拇指3、食指4、中指5、无名指6、小拇指7以及各个手指的指跟固定基座8、仿生肌腱连接杆组件9、驱动推杆10、直线推杆电机组件11等。

直线推杆电机组件11固定在手掌板1上，并通过驱动推杆10和固定在指根部固定座8上的仿生肌腱连接杆组件9分别与五个手指连接形成手指驱动机构。手指驱动机构包括大拇指驱动机构和四指驱动机构。四指驱动机构还包括食指4组件、中指5组件、无名指6组件和小拇指7组件。大拇指驱动机构还包括大拇指3组件，并且食指4组件、中指5组件、无名指6组件和小拇指7组件以及大拇指3组件都相同。

穿戴式动力外骨骼手部康复训练器的动力来自于两个分置的直线电机组，一个用于驱动大拇指机构，另一个用于驱动其他四个手指。

如图3所示，四指驱动机构安装在手掌板1上的直线推杆电机组11通过驱动推杆10推动四肢驱动轴27，推动固定在指根部固定座8的四个手指（食指4、中指5、无名指6、小拇指7）在定位滑槽的作用下做抓握运动（图5）。

如图6所示，大拇指驱动机构与四指驱动机构类似，由直线推杆电机组11驱动驱动推杆10带动大拇指驱动轴28使大拇指3在指根部固定基座8的限位作用下运动。

如图7所示，直线推杆电机组件11由一个与安装面成一定角度的固定底座30支撑固定。直线推杆电机31由电机外壳29定位，使电机驱动推杆32与手指驱动轴成一定角度，可以增大力臂，有效的减少所需驱动力，降低电机功率，节约成本。

如图2所示，食指传动机构包括连杆连接板16，食指第一驱动杆15，食指第二驱动杆23，食指远指节12、食指中节13、食指中指关节连杆一14、食指中指关节连杆二22、食指大关节连杆20，连杆连接板16上端与食指短肌腱连杆17连接，下端与食指第一驱动杆15连接，食指短肌腱连杆17上端与食指长肌腱连杆18连接，食指长肌腱连杆18通过定位销指根部固定座8上部限位滑槽连接；食指第一驱动杆15前端与食指中指关节连杆一14连接，后端通过定位销与指根部固定座8中间限位滑槽26连接，食指中指关节连杆一14分别与食指中节13和食指中指关节连杆二22连接，食指中指关节连杆二22后端连接食指第二驱动杆23，食指第二驱动杆23通过定位销与指根部固定座8下端的限位滑槽25连接，食指中节13前端连接食指远指节12，食指远指节12、食指中节13和手指中指关节连杆一14、食指中指关节连杆二22、食指大关节连杆20组成四边形连杆机构。

食指中节13和食指第二驱动杆23下面分别通过其上的四个定位孔连接中指节绑带板21和掌指关节绑带板24。

本发明通过使用者患侧手肌电信号（EMG）\语音信号\患者健侧手部动作信号等方式控制外骨骼手部训练器上的微型直线推杆电机，从而驱动大拇指和四指机械结构，带动无法运动的患肢实现抓握运动，进行康复训练和日常生活辅助，通过抓握运动的反复刺激，可逐渐帮助脑卒中病人的部分或全部手运动功能，也能够对患者日常生活起到一定的辅助作用。手掌板的外形参考了国家标准中国成年人（GB）手型尺寸和小样本抽样统计而设计，符合成长成年人的手部外形，保证在佩戴训练中对患者手部的支撑而且防止对其手部造成损伤和畸形。此外，在外骨骼训练器的各个手指上设计了位置可调的松紧绑带固定装置，可由患者自己调整绑带的位置，获得最好的佩戴效果。

在各个机械手指与人手接触面上设置了压力传感器，可以在手功能训练的过程中对个手指手里训练情况进行数据采集，便于康复训练师对训练情况进行分析，以指定更加合理的康复训练方案。

使用时，患者将手放置在手掌板1内侧。患者的各个手指（各个手指情况相同，这里以食指为例）通过机械手指上位置可调的中指节（PIP）绑带板21（加装松紧绑带）和掌指关节（MCP）绑带板24与机械结构贴合。通过动力源驱动由连杆连接板16固定在机械手指上的食指短肌腱连杆17、食指长肌腱连杆（组合件）18在指根部固定座8上部限位滑槽限位作用下运动，从而使被指根部固定键25固定的食指第一驱动杆15和食指第二驱动杆23沿指根部固定座26上的限位滑槽轨迹运动，进而带动由食指远指节（DIP）12、指中节13、食指中指关节 (PIP)连杆一14、食指中指关节(PIP)连杆二22、食指大关节连杆20组成的四边形连杆机构运动，让整个机械手指依照人手仿生运动轨迹运动。

如图8所示，穿戴式动力外骨骼手部康复训练器的位置可调节绑带***，通过中指节上的四个定位孔，可以前后调节中指节（PIP）绑带板的位置，从而实现使用者佩带位置的自由调节。让手指长短不同的患者都可以更加舒适的佩戴，以更好地完成康复训练和对其进行日常生活辅助。

Claims

1.一种穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置，包括手掌板（1）、外壳（2）、五个手指，仿生肌腱连接杆组件（9）、驱动推杆（10）、直线推杆电机组件（11），其特征在于：所述直线推杆电机组件（11）固定在手掌板（1）上，并通过驱动推杆（10）和固定在指根部固定座（8）上的仿生肌腱连接杆组件（9）分别与五个手指连接形成手指驱动机构；所述手指驱动机构包括大拇指驱动机构和四指驱动机构，每一个手指驱动机构还包括连杆连接板，手指第一驱动杆，手指第二驱动杆，手指远指节、手指中节、手指中指关节连杆一、手指中指关节连杆二、手指大关节连杆，连杆连接板上端与短肌腱连杆连接，下端与手指第一驱动杆连接，手指第一驱动杆前端与手指中指关节连杆一连接，后端通过定位销与指根部固定座（8）中间的限位滑槽连接，手指中指关节连杆一分别与手指中部和手指中指关节连杆二连接，手指中指关节连杆二后端连接手指第二驱动杆，手指第二驱动杆通过定位销与指根部固定座（8）下端的限位滑槽连接。

2.根据权利要求1所述的穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置，其特征在于：所述仿生肌腱连接杆组件（9）包括与手指连接的短肌腱连杆和与手指驱动轴连接的长肌腱连杆，其中，长肌腱连杆一端通过驱动轴与驱动推杆（10）连接，另一端与短肌腱连杆连接，长肌腱连杆中间通过定位销与指根部固定座（8）上端的限位滑槽连接。

3.根据权利要求1所述的穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置，其特征在于：所述直线推杆电机组件（11）包括电机外壳（29）、固定底座（30）、直线推杆电机（31）、电机驱动推杆（32），电机外壳（29）由一个与安装面成一角度的固定底座（30）支撑固定，直线推杆电机（31）通过电机外壳（29）定位。

4.根据权利要求1所述的穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置，其特征在于：所述手指中节和手指第二驱动杆下面分别通过其上的四个定位孔连接中指节绑带板和掌指关节绑带板。