CN107233188B - 一种柔性手功能康复训练装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性手功能康复训练装置，该装置包括双轴输出减速器、一对对称设置在减速器两侧且分别与减速器传动连接的第一级同步带传动机构、与第一级同步带传动机构传动连接的第二级行星同步带传动机构、通过齿轮组与第二级行星同步带传动机构传动连接的自适应调节托架以及设置在自适应调节托架上的手指柔性驱动模块。与现有技术相比，本发明整体结构紧凑，可有效解决脑卒中病人手部康复难和只能依赖专业医师才能进行手部训练的问题，打破了现有手部康复设备欠适应性的现状，且可以实现左、右互换，驱动模块长度，模块间隔距离的快速调节，能实现轻便结构下拇指掌指关节、四指掌指关节和近端指间关节的独立运动。

Description

一种柔性手功能康复训练装置
技术领域
本发明属于康复医疗器械技术领域，涉及一种柔性手功能康复训练装置，尤其是涉及一种应用于脑卒中病人不同情况的柔性手功能康复训练装置。
背景技术
“脑卒中”(cerebral stroke)又称“中风”、“脑血管意外”(cerebralvascularaccident，CVA)，是一种急性脑血管疾病，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性卒中的发病率高于出血性卒中，占脑卒中总数的60％～70％。颈内动脉和椎动脉闭塞和狭窄可引起缺血性脑卒中，年龄多在40岁以上，男性较女性多，严重者可引起死亡。出血性卒中的死亡率较高。目前，在我国，脑卒中标化患病率约为1.82％，40岁以上罹患脑卒中的人数高达1036万人，其中85％患者有上肢功能缺陷，在康复治疗中，手以其关节数量多、动作精细程度高的因素，导致了手功能康复治疗最为困难。
国内外已经得到临床应用的外骨骼式手功能康复训练机器人基本都是走中大型设备的路线，例如，技术比较成熟的三个产品意大利IDROGENET公司的Gloreha机器人、德国FESTO的ExoHand机器人和香港理工大学的EMG驱动机械手机器人。现有产品明显增大了患者视野范围内的设备体积，会不同程度的增加病人的心理压力。
与此同时，只有大型医院或康复中心才会购买这类价格较高的中大型设备，这样的设备特性就限制病人必须在规定时间地点做间断性的几组康复训练动作，训练量达不到病人最佳康复需求。在小型医院，病人必须依靠专业理疗师才能进行手部的定时定点康复训练。
授权公告号为CN104784005B的中国专利公开了一种柔性牵引式手指康复训练装置，其结构包括：电机驱动装置、机构支撑台和柔性牵引装置。所述的电机驱动装置包括电机支架、直流驱动电机、旋转轴以及联接它们的联轴器和轴承。所述的机构支撑台由联接旋转轴的左右侧面板、联接柔性弹簧的前端面板和支撑手部的上端面板组成。所述的柔性牵引装置包括指尖固定装置、联接指尖固定装置和前端面板的柔性弹簧以及联接指尖固定装置和旋转轴的柔性钢丝。上述专利公布的技术方案只能进行四指训练，而且各指间距离不可调整，且无左、右手互换相关说明，在动力传送方面只有一级传动，其在智能及体感控制方面存在局限性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可实现左、右互换，实现轻便结构下拇指掌指关节、四指掌指关节和近端指间关节的独立运动，安全可靠，经济实用，可有效改善手部运动功能康复效果的柔性手功能康复训练装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种柔性手功能康复训练装置，该装置包括双轴输出减速器、一对对称设置在减速器两侧且分别与减速器传动连接的第一级同步带传动机构、与第一级同步带传动机构传动连接的第二级行星同步带传动机构、通过齿轮组与第二级行星同步带传动机构传动连接的自适应调节托架以及设置在自适应调节托架上的手指柔性驱动模块。
所述的第一级同步带传动机构包括安装外壳、设置在安装外壳中且与减速器传动连接的第一主动轮以及通过第一传动皮带与第一主动轮传动连接的第一从动轮，两第一级同步带传动机构的第一从动轮通过被动轮主轴固定连接在一起。
所述的第二级行星同步带传动机构包括旋转外壳、位于旋转外壳中且套设在被动轮主轴上并与相应一侧的第一从动轮同轴设置的第二主动轮、通过第二传动皮带与第二主动轮传动连接的第二从动轮，所述的第二主动轮与安装外壳固定连接，所述的第二从动轮的转轴与旋转外壳固定连接，在工作状态下，所述的第二从动轮的转轴在旋转外壳的带动下，驱动第二从动轮绕第二主动轮转动，并产生自转，实现行星运动模式。
所述的旋转外壳通过法兰与被动轮主轴固定连接，所述的旋转外壳在被动轮主轴的带动下做旋转运动，为第二级行星同步带传动机构提供动力。
所述的旋转外壳的内侧壁上开设有一对半弧形的旋转限位槽，该旋转限位槽中设有限位螺钉。
所述的被动轮主轴上设有与安装外壳、第二主动轮及旋转外壳配合使用的推力轴承，所述的安装外壳及第二主动轮的沉孔内各安装有一个推力轴承端盖，所述的旋转外壳的中心孔处安装有两个推力轴承端盖。
所述的齿轮组包括与自适应调节托架传动连接的主动齿轮、与主动齿轮相适配且与第二从动轮固定连接的被动齿轮，所述的主动齿轮与被动齿轮通过过盈配合形成同轴转动。
所述的自适应调节托架为设有阵列式定位半球槽的托架，所述的手指柔性驱动模块共设有5个，并通过自适应调节托架串联在一起。
所述的手指柔性驱动模块包括通过弹簧球头柱塞与自适应调节托架固定连接的快速***、与快速***固定连接的方向微调器、通过铰链依次与方向微调器柔性连接的长度调节角度限位器及远节指骨固定套。
所述的装置还包括与双轴输出减速器电连接的下位机控制器、向下位机控制器传送指令的计算机或移动终端以及与计算机或移动终端电连接的视觉采集器。
在实际使用时，制定训练计划方案，通过上位机(计算机或移动终端)软件的编写训练计划，生成指令发给下位机控制器，控制双轴输出减速器的转速大小；体感手势控制方案，通过视觉采集器来采集健侧手部或者医工辅助来运动来控制患侧手做相似的康复运动。
利用运行在计算机或者移动终端上的上位机软件来实现手功能康复训练装置的控制，分为点动控制和制定康复训练计划两种方式，用户可以在点动控制界面点击控制按钮或者编写康复训练计划并导入软件来生成控制指令，下位机在接收到控制指令后输出控制信号给驱动器以此控制电机运行的速度和力矩。对于患者来说，软瘫期患侧肌电信号比较微弱，采用上位机软件控制属于被动训练，有助于防止肌肉萎缩。
体感手势控制方案，软瘫期可以通过采集健侧手部或者医工辅助手势图像，将预处理的手势与深度学习的手势库进行比对，调用设计好的手指控制指令，带动患侧手做相似的康复运动。恢复期可以通过图像识别患侧手部运动意图，辅助患者进行主动渐进训练、肌力和心肺能力，提高患者肌力。
本发明模块化、易调整的柔性手功能康复训练装置中，在传动机构方面，由双轴输出减速器输出动力到第一级同步带传动机构，第二级行星同步带传动机构中，将第二主动轮与第一级同步带传动机构的安装外壳固定，第二从动轮的转轴通过旋转外壳的带动与第二主动轮形成行星运动模式，即第二主动轮固定，第二从动轮绕第二主动轮转动并自转一定角度，将动力传递给齿轮组来获得所需运动方向、速度和驱动力，将用于固定手指柔性驱动模块的自适应调节托架与齿轮组中的主动齿轮固定连接，进而实现了自适应调节托架绕被动轮主轴的回转运动和与自转运动。
本发明中，由于主、从带轮的齿数不同，第二级行星同步带传动机构的第二从动轮和与其同轴的动力学参数调整用齿轮组的主动齿轮同时获得一个自转运动；动力学参数调整用齿轮组用于调整固定在其被动齿轮上的含有阵列式定位半球槽的托架运动方向、速度和驱动力。
本发明中，每个手指柔性驱动模块包括快速***、方向微调器、长度调节角度限位器及远节指骨固定套，并由含有阵列式定位半球槽的自适应调节托架将五个手指柔性驱动模块串联起来，促使手指柔性驱动模块带动远节指骨运动，从而实现了手指的伸展和抓握运动的康复训练。根据不同病人的手部情况可以快速实现左、右手互换，调整手指柔性驱动模块的长短和模块之间的距离。
在实际设计过程中，手指柔性驱动模块为了满足五指的不同情况，针对拇指和其他四指分别设计了不同的快速***，其中拇指的快速***根据人的拇指运动方向做出了具有仿形结构的空间角度调整；而长度调节角度限位器可以调整每个手指柔性驱动模块的长度，又通过旋转限位来控制柔性链的弯曲极限，从而使手指柔性驱动模块在极限位置成为刚性链，从而使固定在远节指骨固定套的远节指骨获得足够的力进行运动。
本实施例装置利用双轴输出减速器实现了用于固定手指柔性驱动模块的自适应调节托架与被动齿轮的间接固定连接，实现了自适应调节托架围绕被动轮主轴的回转运动和与自转运动，从而使五指或者对应某特定需要训练的手指完成伸展和抓握训练，模块化的手指柔性驱动的结构设计可以快速实现左右手互换，适应不同病人的手指长短、手指间距调整。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)只采用一个双轴输出减速器结合行星同步带传动机构和动力学参数调整用齿轮组实现了含有阵列式定位半球槽的托架绕主轴的旋转和自转运动，并且可以调整动力的输出方向、速度和大小；
2)手指柔性驱动模块和含有阵列式定位半球槽的托架的设计，实现了左、右手互换，驱动模块长度、模块间隔距离的快速调节，其中，拇指柔性驱动模块的仿形结构空间角度设计，满足了拇指康复训练的需求，从而实现了五个手指的联动，同时又可以指定某几个手指做康复训练；
3)采用上位机(计算机和移动终端)软件控制包含点动控制和制定训练计划方案，通过编写、导入康复训练计划，生成指令发给下位机控制器，控制电机转动；并采用体感手势控制方案，通过采集健侧手部或者医工辅助来运动来控制患侧手做相似的康复运动；这种应用软件和体感进行混合控制的方法，可以实现被动与主动康复训练；
4)整体结构紧凑，操作更加方便，安全可靠，经济实用，可有效解决脑卒中病人手部康复难和只能依赖专业医师才能进行手部训练的问题，打破了现有手部康复设备欠适应性的现状，且可以实现左、右互换，驱动模块长度，模块间隔距离的快速调节，能实现轻便结构下拇指掌指关节、四指掌指关节和近端指间关节的独立运动，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构立体示意图；
图2是本发明的内部整体结构示意图；
图3是本发明在工作状态下五指运动示意图；
图4是第二级行星同步带传动机构；
图5是旋转内壳安装结构示意图；
图6是手指柔性驱动模块的侧面结构示意图；
图7是手指柔性驱动模块的轴侧结构示意图(省略弹簧球头柱塞)；
图8是含有阵列式定位半球槽的托架及快速调节示意图；
图9是上位机软件控制的功能方框图；
图10是体感控制的功能方框图；
图中标记说明：
1—双轴输出减速器、2—第一级同步带传动机构、21—安装外壳、22—第一主动轮、23—第一从动轮、24—第一传动皮带、25—被动轮主轴、3—第二级行星同步带传动机构、31—旋转外壳、32—第二主动轮、33—第二从动轮、34—第二传动皮带、35—法兰、36—旋转限位槽、37—限位螺钉、4—推力轴承、5—推力轴承端盖、6—主动齿轮、7—被动齿轮、8—自适应调节托架、9—手指柔性驱动模块、91—快速***、92—方向微调器、93—长度调节角度限位器、94—远节指骨固定套、95—弹簧球头柱塞。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1-8所示，一种柔性手功能康复训练装置，该装置包括双轴输出减速器1、一对对称设置在双轴输出减速器1两侧且分别与双轴输出减速器1传动连接的第一级同步带传动机构2、与第一级同步带传动机构2传动连接的第二级行星同步带传动机构3、通过齿轮组与第二级行星同步带传动机构3传动连接的自适应调节托架8以及设置在自适应调节托架8上的手指柔性驱动模块9。
其中，第一级同步带传动机构2包括安装外壳21、设置在安装外壳21中且与双轴输出减速器1传动连接的第一主动轮22以及通过第一传动皮带24与第一主动轮22传动连接的第一从动轮23，两第一级同步带传动机构2的第一从动轮23通过被动轮主轴25固定连接在一起。
第二级行星同步带传动机构3包括旋转外壳31、位于旋转外壳31中且套设在被动轮主轴25上并与相应一侧的第一从动轮23同轴设置的第二主动轮32、通过第二传动皮带34与第二主动轮32传动连接的第二从动轮33，第二主动轮32与安装外壳21固定连接，第二从动轮33的转轴与旋转外壳31固定连接，在工作状态下，第二从动轮33的转轴在旋转外壳31的带动下，驱动第二从动轮33绕第二主动轮32转动，并产生自转，实现行星运动模式。
旋转外壳31通过法兰35与被动轮主轴25固定连接，旋转外壳31在被动轮主轴25的带动下做旋转运动，为第二级行星同步带传动机构3提供动力。旋转外壳31的内侧壁上开设有一对半弧形的旋转限位槽36，该旋转限位槽36中设有限位螺钉37。被动轮主轴25上设有与安装外壳21、第二主动轮32及旋转外壳31配合使用的推力轴承4，安装外壳21及第二主动轮32的沉孔内各安装有一个推力轴承端盖5，旋转外壳31的中心孔处安装有两个推力轴承端盖5。
齿轮组包括与自适应调节托架8传动连接的主动齿轮6、与主动齿轮6相适配且与第二从动轮33固定连接的被动齿轮7，主动齿轮6与被动齿轮7通过过盈配合形成同轴转动。
同步带传动机构均采用深沟球轴承提高各旋转运动的精度并较小摩擦；第一级同步带传动机构2采用规格相同的同步带轮作为第一级的动力输出，第二级行星同步带传动机构3中为了实现第二从动轮33绕第一级同步带传动机构2的被动轮主轴25做行星运动。动力学参数调整用齿轮组中的主动齿轮6和被动齿轮7通过过盈配合形成同轴转动。
自适应调节托架8为设有阵列式定位半球槽的托架，手指柔性驱动模块9共设有5个，并通过自适应调节托架8串联在一起。
手指柔性驱动模块9包括通过弹簧球头柱塞95与自适应调节托架8固定连接的快速***91、与快速***91固定连接的方向微调器92、通过铰链依次与方向微调器92柔性连接的长度调节角度限位器93及远节指骨固定套94。
如图3所示，本实施例装置通过一个双轴输出减速器1，实现了拇指远节指骨和其他四指远节指骨在自适应方向的抓握、伸展运动。
本实施例中，每个手指柔性驱动模块9包括快速***91、方向微调器92、长度调节角度限位器93及远节指骨固定套94，并由含有阵列式定位半球槽的自适应调节托架8将五个手指柔性驱动模块9串联起来，促使手指柔性驱动模块9带动远节指骨运动，从而实现了手指的伸展和抓握运动的康复训练。根据不同病人的手部情况可以快速实现左、右手互换，调整手指柔性驱动模块9的长短和模块之间的距离。
在实际设计过程中，手指柔性驱动模块9为了满足五指的不同情况，针对拇指和其他四指分别设计了不同的快速***91，其中拇指的快速***91根据人的拇指运动方向做出了具有仿形结构的空间角度调整；而长度调节角度限位器93可以调整每个手指柔性驱动模块9的长度，又通过旋转限位来控制柔性链的弯曲极限，从而使手指柔性驱动模块9在极限位置成为刚性链，从而使固定在远节指骨固定套94的远节指骨获得足够的力进行运动。根据病人需要进行康复训练的手部差异，左、右手形式，调整手指柔性驱动模块9的长短和模块之间的距离都需要进行调节。如图6所示，弹簧球头柱塞95嵌入快速***91中在配合含有阵列式定位半球槽的自适应调节托架8上，球头在弹簧的支撑下可以实现模块的快速推拉和定位，拧开一端的螺母后，可以更换、调整手指柔性驱动模块9的排列顺序和间隔距离。
如图4所示，第二级行星同步带传动机构3，在旋转内壳31上开有旋转限位槽36，第二主动轮32通过定位螺栓与第一级同步带传动机构2的安装外壳21固定连接，旋转外壳31通过法兰35和第一级同步带传动机构2的被动轮主轴25的轴端扁位固定连接，从而可以在主动轴的带动下做旋转运动。
本实施例装置还包括与双轴输出减速器1电连接的下位机控制器、向下位机控制器传送指令的计算机或移动终端以及与计算机或移动终端电连接的视觉采集器。
在实际使用时，制定训练计划方案，通过上位机(计算机或移动终端)软件的编写训练计划，生成指令发给下位机控制器，控制双轴输出减速器1的转速大小；体感手势控制方案，通过视觉采集器来采集健侧手部或者医工辅助来运动来控制患侧手做相似的康复运动。
如图9所示，利用运行在计算机或者移动终端上的上位机软件来实现手功能康复训练装置的控制，分为点动控制和制定康复训练计划两种方式，用户可以在点动控制界面点击控制按钮或者编写康复训练计划并导入软件来生成控制指令，下位机在接收到控制指令后输出控制信号给驱动器以此控制电机运行的速度和力矩。对于患者来说，软瘫期患侧肌电信号比较微弱，采用上位机软件控制属于被动训练，有助于防止肌肉萎缩。
如图10所示，体感手势控制方案，软瘫期可以通过采集健侧手部或者医工辅助手势图像，将预处理的手势与深度学习的手势库进行比对，调用设计好的手指控制指令，带动患侧手做相似的康复运动。恢复期可以通过图像识别患侧手部运动意图，辅助患者进行主动渐进训练、肌力和心肺能力，提高患者肌力。
本实施例模块化、易调整的柔性手功能康复训练装置中，在传动机构方面，由双轴输出减速器1输出动力到第一级同步带传动机构2，第二级行星同步带传动机构3中，将第二主动轮32与第一级同步带传动机构2的安装外壳21固定，第二从动轮33的转轴通过旋转外壳31的带动与第二主动轮32形成行星运动模式，即第二主动轮32固定，第二从动轮33绕第二主动轮32转动并自转一定角度，将动力传递给齿轮组来获得所需运动方向、速度和驱动力，将用于固定手指柔性驱动模块9的自适应调节托架8与齿轮组中的主动齿轮6固定连接，进而实现了自适应调节托架8绕被动轮主轴25的回转运动和与自转运动。由于主、从带轮的齿数不同，第二级行星同步带传动机构3的第二从动轮33和与其同轴的动力学参数调整用齿轮组的主动齿轮6同时获得一个自转运动；动力学参数调整用齿轮组用于调整固定在其被动齿轮7上的含有阵列式定位半球槽的自适应调节托架8运动方向、速度和驱动力。
本实施例装置利用双轴输出减速器1实现了用于固定手指柔性驱动模块9的自适应调节托架8与被动齿轮7的间接固定连接，实现了自适应调节托架8围绕被动轮主轴25的回转运动和与自转运动，从而使五指或者对应某特定需要训练的手指完成伸展和抓握训练，模块化的手指柔性驱动的结构设计可以快速实现左右手互换，适应不同病人的手指长短、手指间距调整。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，该装置包括双轴输出减速器(1)、一对对称设置在双轴输出减速器(1)两侧且分别与双轴输出减速器(1)传动连接的第一级同步带传动机构(2)、与第一级同步带传动机构(2)传动连接的第二级行星同步带传动机构(3)、通过齿轮组与第二级行星同步带传动机构(3)传动连接的自适应调节托架(8)以及设置在自适应调节托架(8)上的手指柔性驱动模块(9)，
所述的第二级行星同步带传动机构(3)包括旋转外壳(31)、位于旋转外壳(31)中且套设在被动轮主轴(25)上并与相应一侧的第一从动轮(23)同轴设置的第二主动轮(32)、通过第二传动皮带(34)与第二主动轮(32)传动连接的第二从动轮(33)，所述的第二主动轮(32)与安装外壳(21)固定连接，所述的第二从动轮(33)的转轴与旋转外壳(31)固定连接，在工作状态下，所述的第二从动轮(33)的转轴在旋转外壳(31)的带动下，驱动第二从动轮(33)绕第二主动轮(32)转动，并产生自转，实现行星运动模式。
2.根据权利要求1所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的第一级同步带传动机构(2)包括安装外壳(21)、设置在安装外壳(21)中且与双轴输出减速器(1)传动连接的第一主动轮(22)以及通过第一传动皮带(24)与第一主动轮(22)传动连接的第一从动轮(23)，两第一级同步带传动机构(2)的第一从动轮(23)通过被动轮主轴(25)固定连接在一起。
3.根据权利要求2所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的旋转外壳(31)通过法兰(35)与被动轮主轴(25)固定连接，所述的旋转外壳(31)在被动轮主轴(25)的带动下做旋转运动，为第二级行星同步带传动机构(3)提供动力。
4.根据权利要求3所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的旋转外壳(31)的内侧壁上开设有一对半弧形的旋转限位槽(36)，该旋转限位槽(36)中设有限位螺钉(37)。
5.根据权利要求3所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的被动轮主轴(25)上设有与安装外壳(21)、第二主动轮(32)及旋转外壳(31)配合使用的推力轴承(4)，所述的安装外壳(21)及第二主动轮(32)的沉孔内各安装有一个推力轴承端盖(5)，所述的旋转外壳(31)的中心孔处安装有两个推力轴承端盖(5)。
6.根据权利要求2所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的齿轮组包括与自适应调节托架(8)传动连接的主动齿轮(6)、与主动齿轮(6)相适配且与第二从动轮(33)固定连接的被动齿轮(7)，所述的主动齿轮(6)与被动齿轮(7)通过过盈配合形成同轴转动。
7.根据权利要求2所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的自适应调节托架(8)为设有阵列式定位半球槽的托架，所述的手指柔性驱动模块(9)共设有5个，并通过自适应调节托架(8)串联在一起。
8.根据权利要求7所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的手指柔性驱动模块(9)包括通过弹簧球头柱塞(95)与自适应调节托架(8)固定连接的快速***(91)、与快速***(91)固定连接的方向微调器(92)、通过铰链依次与方向微调器(92)柔性连接的长度调节角度限位器(93)及远节指骨固定套(94)。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种柔性手功能康复训练装置，其特征在于，所述的装置还包括与双轴输出减速器(1)电连接的下位机控制器、向下位机控制器传送指令的计算机或移动终端以及与计算机或移动终端电连接的视觉采集器。
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