CN110353940A - 一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，可以帮助偏瘫患者以及运动神经受损需要手部康复训练的患者进行手部的康复训练。这种手部外骨骼即不同于传统刚体机械手，也不同于气动式软体机械手。它由主动手外骨骼与镜像手外骨骼组成，整体结构由软骨式弹性材料与小型电机组、控制电路、测量电路、弯曲形变传感器以及无线模块构成。偏瘫患者可正常运动的手穿戴主动手外骨骼做运动时，镜像手外骨骼由电机与拉线驱动，配合弹性材料，镜像模拟正常手的运动，从而对残疾的手进行康复训练。这种手部外骨骼不仅促使残疾手做镜像康复运动，而且可由患者自主意识驱动，训练其运动神经，相较于传统康复机械手具有更明显的优势。

Description

一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼

技术领域

本发明属于医学保健器械康复机器人与穿戴式设备领域，特别设计一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，适用于偏瘫患者以及运动神经受损需要手部康复训练的患者进行手部的康复训练与助力抓取。

背景技术

脑血管疾病及其后遗症的患者，特别是脑卒中患者，手指不能伸展，伸展无力，一般需要通过药物治疗，同时需要不断地强制运动手指，以有利于恢复。根据卫计委公布的统计数字，2013年我国40岁以上的脑卒中患者就已有1036万人，每年脑卒中新发病例约270万，且发病率以每年13%的速度增长。我国脑卒中致残率高达75%，而西方国家只有30%。残障率如此之高主要原因就是缺少及时有效的康复治疗。脑卒中患者最常见的后遗症状就是偏瘫，俗称半身不遂。上肢残疾患者尤其是手残疾更影响患者的正常生活，因为日常活动包括穿衣、吃饭、喝水等必须依靠手才能完成，因此手部的康复也显得尤为重要。从上世纪60年代起，就开发出了可以戴在患者手上的一系列机械式康复手，包括刚体机械手、气动式软体机械手等等。刚体机械手普遍比手指关节的刚度还要大，当机械手的弯曲速度过快或弯曲角度过大时，就会对手指产生压迫和抑制，造成患者的不适甚至疼痛。气动式软体机械手普遍体积庞大，需要由软性材料组成中空腔体结构，并需要***布置限位和限制应变层，透过气动充气驱动。这种机械手不仅携带与使用起来不方便，而且能实现的手部运动模式很少，大多都是充气时手指伸直，放气时手指弯曲。控制方面，目前的康复机械手多采用往复式电机控制与EMG肌电信号或EEG脑电信号进行控制。往复式电机控制是被动训练，虽然有一定的康复训练效果，但是其效果远远不如患者的主动意识驱动的康复训练的效果好。通过EMG或EEG控制虽然是患者的主动意识驱动，但是它忽略了一个很关键的问题：偏瘫患者的EMG与EEG信号本身可能就是有问题的，以至于无法进行正确的驱动。除此之外，康复训练的难度、强度以及训练模式需要根据患者的实时康复情况进行调整。目前的大多康复机械手没有数据采集以及分析的功能，无法给患者和康复医师反馈能够追踪显示患者病情发展以及训练效果的数据，更无法对病患训练时反馈数据的进行机器学习以及***自主对康复训练的难度、强度和模式进行优化。

发明内容

本发明针的目的在于克服上述现有技术的缺点，公开了一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，包括主动手外骨骼与镜像手外骨骼。

所述主动手外骨骼包括主动手形变传感器9、数据线10、测量电路11与主动手电源12。

进一步地，主动手外骨骼由正常可以运动的手穿戴，其可以是偏瘫病人的正常手，也可以是医护人员的手；五条形变传感器9分别附着在大拇指、食指、中指、无名指和小拇指背面，当正常手做伸、握以及其他动作时，形变传感器9把测量值通过数据线10传输给测量电路11；测量电路11将其测量值转化为角度值，通过无线模块发送给镜像手外骨骼的控制电路8的无线模块；主动手电源12为形变传感器9和测量电路11提供电能。控制电路8与主动手电源12安置在镜像手外骨骼的护臂上，轻巧方便，便于穿戴。

所述镜像手外骨骼包括手背面的手指端部锚点1、手背面弹性拉线2、弹簧3、手心面的手指端部锚点4、手心面拉线5、电机组6、数据线7、控制电路8和镜像手弯曲变形传感器14。

进一步地，镜像手外骨骼由待康复训练的手，也就是残疾手穿戴；在辅助弹簧1与手背面弹性拉线2无外力施加时，镜像手呈伸平姿态；当控制电路8接收到测量电路11通过无线模块发送来的角度数据后，其通过数据线7发送命令到电机组6；电机组6按照命令转动，通过手心面拉线5拉动手心面的手机端部锚点4，从而实现镜像手的运动；于此同时，通过手背面的手指端部锚点1固定的手背面弹性拉线2与辅助弹簧3被拉伸；弹性系数高的辅助弹簧3与相对弹性系数低的手背面弹性拉线2组合的弹性形变，不仅可以轻松应对小强度的运动，而且可以应对大强度的手部运动；镜像手的形变传感器14把测量数据发送到控制电路8，控制电路8转化数据为角度作为控制***的反馈值与其发送给电机组的命令对比计算，从而构建闭环控制；控制电路8把镜像手运动的反馈数据通过无线模块发送到移动应用端14显示，以供患者和康复医师参考，根据当前的康复强度与患者情况制定日后的康复训练计划。同时，病患和康复医师可以通过移动应用端15设置与调整康复训练的难度和强度。康复医师也可以预设不同强度和难度的康复训练模式，以供选择。控制电路8上的微处理器，可以根据医师设置的经验规则建立专家***，其根据患者的情况，自主选择康复训练的难度、强度以及预设训练模式。主动手电源12为主动手弯曲形变传感器9和测量电路11提供电能，其与测量电路11安装在主动手外骨骼的护臂上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明介绍的一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，刚度比手指的刚度小，残疾手柔性拉伸因此手指能够克服所产生的压迫力，安全性得到了提高。同时，其又不是完全柔性的结构，具有一定的刚性，其外骨骼结构保护了穿戴者的手部。五个电机多采用迷你舵机或迷你直流电机，重量一般小于50克，其与拉线驱动，配合轻巧弹性材料，结构简单，安全方便，易于操作，适合医用和家用。虽然结构简单，但是这种手部外骨骼可以完成对患者的手关节活动度训练、肌力训练、助力训练以及手指精细动作训练。除此之外，这种基于镜像同步模拟的手部外骨骼，患者若有一只健手，例如部分偏瘫患者虽然半身不遂，但是有一半肢体与手指可以自主控制其运动，他们可通过自己的健手对自己的需要康复训练的残手进行镜像模拟的康复训练，代替护理人员给患者进行长时间按摩和大量辅助关节活动，大大减少医护人员工作量，减轻了医护人员的负担，也提高了康复训练的频率和质量。医护人员也可以穿戴此手部外骨骼的主动手外骨骼，病患穿戴镜像手外骨骼，由医护人员主动控制其康复训练的动作。这样不仅可以使医护人员同步镜像模拟感受到病患的情况，而且可以示教给病患手部康复训练的各种细节动作要求，提高病患自主康复训练的质量。同时，这种手部外骨骼通过无线模块与移动端应用相连，不仅可以直观、快速、精确地为医护人员提供患者手部的康复训练的各项指数与历史参数，利于医护人员对患者的康复情况进行实时评估，而且可以由医护人员设定训练的难度、强度以及预设模式。患者的镜像同步模拟康复训练，是由患者自主意识驱动的，故而在康复训练关节运动与肌肉伸缩的同时，也训练了其运动神经，相较于传统康复机械手具有更明显的康复效果。

附图说明

图1是本发明的一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼的整体结构示意图；

图2是本发明的一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼的镜像手外骨骼结构图；

图3是本发明的一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼的主动手外骨骼结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述：

如图1所示，本发明的一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，包括主动手外骨骼与镜像手外骨骼。

如图1和图3所示，主动手外骨骼包括形变传感器9、数据线10、测量电路11与主动手电源12；主动手外骨骼由正常可以运动的手穿戴，其可以是偏瘫病人的正常手，也可以是医护人员的手；主动手外骨骼基础材料为柔性材料，类似于手套。五条形变传感器9，利用胶皮将其分别固定在主动手外骨骼的大拇指、食指、中指、无名指和小拇指的五指上。形变传感器具有一定的刚性，但完全不影响主动手的各种动作。在五指张开以及握紧时，形变传感器也不易对手指动作造成干扰，同时，胶皮也可以对传感器形成保护，延长主动手外骨骼的使用寿命。当正常手做伸、握以及其他动作时，形变传感器9把各个手指的弯曲测量值通过数据线10传输给测量电路11，测量电路11将其模拟信号转化为数字信号即角度值，通过其无线模块向外发送。测量电路11安置在主动手外骨骼背面的护臂上，避免电路以及电子元件对手指的动作造成干扰，同时也避免手指握紧时对电路进行挤压，增加测量电路11的寿命。测量电路11配备有相应的开关、可进行数据传输的无线模块以及指示工作状态的指示灯。指示灯亮即表明主动手外骨骼处于可使用状态正常，无线模块已被接通。主动手外骨骼通过无线模块，即可将数据传输给镜像手外骨骼控制电路8的无线模块，也可以上传至移动应用端15，并进行记录分析和处理；主动手电源12为形变传感器9和测量电路11提供电能。

如图1和图2所示，镜像手外骨骼包括手背面的手指端部锚点1、手背面弹性拉线2、弹簧3、手心面的手指端部锚点4、手心面拉线5、电机组6、数据线7、控制电路8和镜像手弯曲变形传感器14。镜像手外骨骼由待康复训练的手，也就是残疾手穿戴。在辅助弹簧1与手背面弹性拉线2无外力施加时，镜像手呈伸平姿态，结构具有一定的刚性。当控制电路8接收到测量电路11通过无线模块发送来的角度数据后，其通过数据线7发送命令到电机组6。电机组6共有五个电机分别控制主动手外骨骼大拇指、食指、中指、无名指与小拇指。电机按照命令转动，通过手心面拉线5拉动手心面的手机端部锚点4，从而实现镜像手的运动。当控制电路8向电机组发送正向PWM控制信号时，电机组控制5个手指向内弯曲。同时，通过手背面的手指端部锚点1固定的手背面弹性拉线2以及辅助弹簧3被拉伸。当控制电路8向电机组发送反向PWM控制信号时，电机组控制5个手指向外伸展。即手心面拉线被放松，手背面弹性拉线2以及辅助弹簧3弹性收缩。弹性系数高的辅助弹簧3与相对弹性系数低的手背面弹性拉线2所组合的弹性形变，不仅可以轻松应对小强度的运动，而且可以应对大强度的手部运动。镜像手的形变传感器14把测量数据发送到控制电路8，控制电路8转化数据为角度作为控制***的反馈值与其发送给电机组的命令对比计算，从而构建闭环控制。控制电路8把镜像手运动的反馈数据通过无线模块发送到移动应用端14显示，以供患者和康复医师参考，根据当前的康复强度与患者情况制定日后的康复训练计划。同时，病患和康复医师可以通过移动应用端15设置与调整康复训练的难度和强度。康复医师也可以预设不同强度和难度的康复训练模式，以供选择。控制电路8上的微处理器，可以根据医师设置的经验规则建立专家***，其根据患者的情况，自主选择康复训练的难度、强度以及预设训练模式。主动手电源12为主动手弯曲形变传感器9和测量电路11提供电能，其与测量电路11安装在主动手外骨骼的护臂上。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为

本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，包括主动手外骨骼与镜像手外骨骼；所述的主动手外骨骼由正常可以运动的手穿戴；所述的镜像手外骨骼由待康复训练的手，即残疾手穿戴；通过形变传感器、测量电路以及无线模块，主动手外骨骼的把正常手的动作数据实时发送给镜像手外骨骼；镜像手外骨骼接收到数据后，通过控制电路、电机以及拉线驱动结构镜像模拟正常手的动作，对其进行康复训练。

2.根据权利要求1所述的基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，主动手外骨骼包括主动手形变传感器9、数据线10、测量电路11与主动手电源12。

3.根据权利要求1所述的基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，镜像手外骨骼包括手背面的手指端部锚点1、手背面弹性拉线2、弹簧3、手心面的手指端部锚点4、手心面拉线5、电机组6、数据线7、控制电路8和镜像手弯曲变形传感器14。

4.根据权利要求1或2所述的基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，主动手外骨骼的五条形变传感器9分别附着在大拇指、食指、中指、无名指和小拇指背面，当正常手做动作时，形变传感器9把测量值传输给测量电路11；测量电路11通过无线模块发送给镜像手外骨骼的控制电路8的无线模块。

5.根据权利要求1或3所述的基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，镜像手外骨骼初始状态为手指伸平；当控制电路8接收到测量电路11通过无线模块发送来的数据后，命令电机组6转动；电机正转实现手指弯曲，辅助弹簧1与手背面弹性拉线2被拉伸；电机回转，辅助弹簧1与手背面弹性拉线2收缩，实现手指伸平。

6.根据权利要求1或3所述的基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，镜像手外骨骼的形变传感器14把测量数据发送到控制电路8，控制电路8转化数据为角度作为控制***的反馈值与其发送给电机组的命令对比计算，从而构建闭环控制。

7.根据权利要求1或3所述的基于镜像同步模拟控制的手部外骨骼，其特征在于，控制电路8把镜像手运动的反馈数据通过无线模块发送到移动应用端14储存和显示，以供分析与参考；同时可以通过移动应用端15设置与调整康复训练的难度、强度以及制定训练模式。