CN109620645A - 一种手部康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手部康复训练机器人，由手指机械关节及弧形导轨、驱动装置、监测与控制***、信息处理预评估***组成，弧形导轨符合手指运动规律，保证患者训练时手指运动轨迹不变形。指端推动连杆采用了L形的结构，使得手指在运动时，不是靠指端受力拉动整个手指各关节，而是通过L形连杆使各关节依次运动，达到整个手指的运动。手指捆绑支架通过转轴连接到滑轨上，可适应不同大小的手指，且在手指运动时手指捆绑支架可沿滑轨运动和转动，使手指在外力的作用下自然弯曲。手腕在腕部直线电机的驱动下进行前屈、背屈运动。主动训练方式根据手指端的压力传感器检测到的信号进行运动识别判断，帮助患者完成所想的动作，这样对功能回复帮助最大。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，具体地说涉及一种手部康复训练机器人。
背景技术
我国正在进入老年人化，在老年人群中，脑血管疾病，神经***疾病发病率较高，这些患者大多数伴有偏瘫症状；我国又是中风病的高发区之一，每年大约有100万患者，在幸存者中70-80％的病人存在不同程度的残疾。对于这类患者来说，及早进行科学的、适度的、有规律的康复训练可以减少其肢体功能残疾的概率。在传统的康复训练中，主要是康复师或家属手把手的对患者进行一对一的徒手训练，这样的训练很难保证训练的强度和规律性，使得训练效果打了折扣。
随着技术和经济的发展，越来越多的新技术应用到康复工程中来，尤其是将机器人技术、传感器技术应用到康复医疗中是这几年研究的一个热门话题。康复机器人是一种运动神经康复治疗技术，康复机器人不仅提供了有效的治疗手段和完善的评估方案，而且为深入研究人体运动康复规律，以及大脑与肢体的控制、影响关系提供了另一种有效途径。使用机器人辅助治疗可以提高效率和训练强度，比常规的治疗手段更有潜力，更重要的是训练时机器人可以检测记录患者训练时肢体的运动参数和生理信息，为医生提供评价数据，以实现精确康复治疗。为此，提出一种手部康复训练机器人。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种手部康复训练机器人，可以解决背景技术中提到的问题。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种手部康复训练机器人，由手指机械关节及弧形导轨、驱动装置、监测与控制***、信息处理预评估***组成，
所述手指机械关节及弧形导轨为四连杆机构，主要由腕部托架、腕部手掌铰链、手掌托架、指关节、指端推动连杆、指端套、弧形导轨组成，所述腕部托架绑在患者腕部，腕部托架与手掌托架通过腕部手掌铰链铰接，所述腕部托架上安装腕部直线电机，所述腕部直线电机输出端连接手掌托架，所述手掌托架前端设有弧形导轨，所述弧形导轨内滑动指关节，指关节上连接指端推动连杆一端，所述指端推动连杆另一端安装弧形导轨，该弧形导轨通过指关节连接指端套，所述指端套内放置患者手指，所述手掌托架上安装有五个手指直线电机，五个所述手指直线电机分别连接对应五个手指的弧形导轨；
所述驱动装置由腕部直线电机、手指直线电机、驱动器组成，驱动器通过USB接口与监测与控制部分相连；
所述监测与控制***由传感器、单片机、计算机构成，传感器采集患者训练时运动信息、生理信息，计算机发送指令给单片机完成运动过程控制；运动信息包括运动速度、运动幅度、手指运动时的受力以及安全限位信息；生理信息包括手指肌电信息、血氧信息、指关节活动度；单片机与计算机采用串口通信；
所述信息处理预评估***；。
进一步的，所述单片机采用msp430f149单片机。
进一步的，所述计算机的控制板采用COME1054控制板。
进一步的，所述指端推动连杆采用L形杆件。
进一步的，所述计算机中装有控制软件，该软件由界面UI模块、数据通信模块、运动控制模块组成，所述界面UI模块包括训练模式选择界面、训练功能选择界面、参数设置界面、训练过程界面。
进一步的，所述监测与控制***有手动、被动和主动三种训练模式。
进一步的，所述指端套上安装有滑轨，所述滑轨上通过转轴连接手指捆绑支架。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1、弧形导轨符合手指的运动规律，保证患者训练时手指运动轨迹不变形。
2、指端推动连杆由于采用了L形的结构，使得手指在运动时，不是靠指端受力拉动整个手指各关节，而是通过L形连杆使各关节依次运动，达到整个手指的运动。
3、手指捆绑支架通过转轴连接到滑轨上，可以适应不同大小的手指，并且在手指运动时手指捆绑支架可以沿滑轨运动和转动，使手指在外力的作用下自然弯曲。
4、手腕在腕部直线电机的驱动下进行前屈、背屈运动。
5、主动训练方式根据手指端的压力传感器检测到的信号进行运动识别判断，帮助患者完成所想的动作，这样对功能回复帮助最大。
附图说明
图1是本发明的工作流程框图；
图2是本发明的手指机械关节及弧形导轨的结构示意图；
图3是本发明的软件结构示意图；
图4是本发明的手指捆绑装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1-4所示，一种手部康复训练机器人，由手指机械关节及弧形导轨、驱动装置、监测与控制***、信息处理预评估***组成。
如图2所示，手指机械关节及弧形导轨为四连杆机构，主要由腕部托架1、腕部手掌铰链2、手掌托架3、指关节4、指端推动连杆5、指端套6、弧形导轨7组成。腕部托架1绑在患者腕部，腕部托架1与手掌托架3通过腕部手掌铰链2铰接，腕部托架1上安装腕部直线电机8，腕部直线电机8输出端连接手掌托架3，通过腕部直线电机8可以将手掌托架3相对腕部托架1转动，对腕部进行前屈、背屈运动，腕部的前屈、背屈最大角度为50°-60°。
手掌托架3前端设有弧形导轨7，弧形导轨7内滑动指关节4，指关节4上连接指端推动连杆5一端，指端推动连杆5另一端安装弧形导轨7，该弧形导轨7通过指关节4连接指端套6，指端套6内放置患者手指，手掌托架3上安装有五个手指直线电机9，五个手指直线电机9分别连接对应五个手指的弧形导轨7；弧形导轨7的设计可符合人得手指运动规律，大拇指独立的屈伸角度可最大达到80°，其它四指屈伸角度最大可达到90°。
指端套6上安装有滑轨10，所述滑轨10上通过转轴11连接手指捆绑支架12。
驱动装置由腕部直线电机8、手指直线电机9、驱动器组成，驱动器通过USB接口与监测与控制部分相连；驱动装置的主要作用是接收监测与控制发来的命令，驱动机械关节运动，进而带动患者手指运动，达到训练目的。腕部直线电机8和手指直线电机9的推力为150N，速度为5mm/s。
如图4，指端套6上安装有滑轨10，所述滑轨10上通过转轴11连接手指捆绑支架12。手指捆绑支架12通过转轴11连接到滑轨10上，可以适应不同大小的手指；在手指运动时手指捆绑支架12可以沿滑轨10运动和转动，使手指在外力的作用下自然弯曲。
监测与控制***由传感器、单片机、计算机构成。
传感器采集患者训练时运动信息、生理信息，计算机发送指令给单片机完成运动过程控制。运动信息包括运动速度、运动幅度、手指运动时的受力以及安全限位信息。生理信息包括手指肌电信息、血氧信息、指关节活动度；单片机与计算机采用串口通信。运动信息和生理信息用来控制训练过程，评价训练效果的。
指端套内贴有压力薄膜传感器，其型号采用CP201，是一种用于实现仿人类皮肤感知功能的人造柔性传感器件，结合了高灵敏度的柔性纳米功能材料，可以感知微小压力信号或触觉信号，其特点是高灵敏度、响应速度快、低功耗、柔韧性好、检测范围宽、抗干扰性好。参数为；测力范围5mN---10000mN，响应时间＜100ms。
单片机采用msp430f149单片机，该单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作，其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设。单片机与计算机采用串口通信。
计算机的控制板采用COME1054控制板。
计算机中装有控制软件，该软件由界面UI模块、数据通信模块、运动控制模块组成，界面UI模块包括训练模式选择界面、训练功能选择界面、参数设置界面、训练过程界面。
监测与控制***有手动、被动和主动三种训练模式。具体工作模式为：
首先进行手指穿戴，将患者的手指指端放入指端套内捆绑，将患者腕部与腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴，进行训练。
手动训练模式：将患者的手指穿戴在训练器上，在操作界面上选择手动，进入手动操作界面，在此界面上操作人员点击界面上控制按键，可控制任一手指，或其组合进行运动训练，按下按键，手指运动，放开按键手指停止运动。适用于患者训练的初期。
被动训练模式：将患者手指穿戴在训练器上，在操作界面选择被动，进入被动操作界面，在此界面上根据训练方案选择相应的操作，控制器按照预先设置的程序，控制驱动***带动机械部分运动，使患者进行训练。适用于患者中期训练
主动训练模式：将患者手指穿戴在训练器上，在操作界面选择主动控制，进入主动操作界面，在此控制中，肌电和压力传感器检测患者的手指运动迹象，通过控制器控制驱动***，驱动***启动跟随帮助患者完成相应的动作。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种手部康复训练机器人，由手指机械关节及弧形导轨、驱动装置、监测与控制***、信息处理预评估***组成，其特征在于：
所述手指机械关节及弧形导轨为四连杆机构，主要由腕部托架(1)、腕部手掌铰链(2)、手掌托架(3)、指关节(4)、指端推动连杆(5)、指端套(6)、弧形导轨(7)组成，所述腕部托架(1)绑在患者腕部，腕部托架(1)与手掌托架(3)通过腕部手掌铰链(2)铰接，所述腕部托架(1)上安装腕部直线电机(8)，所述腕部直线电机(8)输出端连接手掌托架(3)，所述手掌托架(3)前端设有弧形导轨(7)，所述弧形导轨(7)内滑动指关节(4)，指关节(4)上连接指端推动连杆(5)一端，所述指端推动连杆(5)另一端安装弧形导轨(7)，该弧形导轨(7)通过指关节(4)连接指端套(6)，所述指端套(6)内放置患者手指，所述手掌托架(4)上安装有五个手指直线电机(9)，五个所述手指直线电机(9)分别连接对应五个手指的弧形导轨(7)；
所述驱动装置由腕部直线电机(8)、手指直线电机(9)、驱动器组成，驱动器通过USB接口与监测与控制部分相连；
所述监测与控制***由传感器、单片机、计算机构成，传感器采集患者训练时运动信息、生理信息，计算机发送指令给单片机完成运动过程控制；运动信息包括运动速度、运动幅度、手指运动时的受力以及安全限位信息；生理信息包括手指肌电信息、血氧信息、指关节活动度；单片机与计算机采用串口通信。
2.根据权利要求1所述的一种手部康复训练机器人，其特征在于：所述单片机采用msp430f149单片机。
3.根据权利要求1所述的一种手部康复训练机器人，其特征在于：所述计算机的控制板采用COME1054控制板。
4.根据权利要求1所述的一种手部康复训练机器人，其特征在于：所述指端推动连杆采用L形杆件。
5.根据权利要求1所述的一种手部康复训练机器人，其特征在于：所述计算机中装有控制软件，该软件由界面UI模块、数据通信模块、运动控制模块组成，所述界面UI模块包括训练模式选择界面、训练功能选择界面、参数设置界面、训练过程界面。
6.根据权利要求1所述的一种手部康复训练机器人，其特征在于：所述监测与控制***有手动、被动和主动三种训练模式。
7.根据权利要求1所述的一种手部康复训练机器人，其特征在于：所述指端套(6)上安装有滑轨(10)，所述滑轨(10)上通过转轴(11)连接手指捆绑支架(12)。
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