一種新型外骨骼手指康復機器人及其工作方法
【專利摘要】一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于它包括控制單元、電機驅動單元、傳動單元和執(zhí)行單元；其工作方法包括：控制單元輸出控制信號、驅動電機動力輸入、手指MCP關節(jié)運動、手指PIP關節(jié)運動和運動參數(shù)的調節(jié)；其優(yōu)越性在于：智能化、便攜式、可穿戴、康復訓練高效、利用手指關節(jié)的彎曲伸展動作控制患者的康復運動。
【專利說明】
一種新型外骨骼手指康復機器人及其工作方法
(一)技術領域:
[0001]本發(fā)明屬于機器人領域，尤其是涉及一種新型外骨骼手指康復機器人，主要適用于由于中風疾病引起的手指功能障礙的患者進行康復訓練。
(二)【背景技術】:
[0002]腦卒中，也稱腦中風，是嚴重威脅中老年人身體健康的疾病之一，多數(shù)情況下可引起偏癱，該病近年來發(fā)病率呈明顯的上升趨勢。偏癱患者一側肢體運動功能喪失，給日常生活帶來很大不便。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有的腦中風患者多達500萬以上；美國的腦中風患者數(shù)量也超過450萬。臨床上對偏癱患者的康復絕大多數(shù)采用治療師和患者間一對一治療的方法。雖然現(xiàn)有的醫(yī)療水平可以治愈60-70%的中風患者，但大多數(shù)的幸存患者均存在上肢或下肢運動功能缺陷。其中，手是人體中最為精細的機構之一，血管分布錯綜復雜，細小肌肉遍布全手，導致手部損傷的治療難度增大，且治療周期時間長。通常醫(yī)學上把手指的康復作為上肢康復的關鍵難題。
[0003]根據(jù)科學研究，大腦中樞神經(jīng)具有可塑性，科學有效的運動方式有助于刺激大腦神經(jīng)的恢復，這就為運動康復療法帶來了理論基礎。目前的運動康復治療主要是通過康復治療師用針灸、按摩等方法或者借助一些簡易的醫(yī)療器械幫助患者恢復運動功能。首先，這使得康復訓練對人力和物力的要求比較高，昂貴的醫(yī)療費用對患者造成了沉重的經(jīng)濟負擔;其次，康復效果主要依靠醫(yī)療師的經(jīng)驗和主觀判斷，缺少客觀量化的評價;最后，康復訓練過程中，缺少舒適的支撐結構，這使得偏癱肢體在訓練中容易造成二次的傷害。
[0004]在滿足人體工學的基礎上，外骨骼手指康復機器人為腦中風偏癱患者提供了一種新型的外“骨骼”，用來幫助患者進行手指康復訓練動作，同時，高效傳感器的應用使得外骨骼手指康復機器人在輔助患者進行康復訓練時更加高效可靠，并為患者康復程度提供了準確可靠的評價方法。目前，市面上的外骨骼手指康復機器人都比較龐大，運輸起來比較困難，而且不能應用于家庭里使用。此外，現(xiàn)有的外骨骼手指康復機器人的工作方法多采用提取人體腦電信號或肌電信號的方式控制機器人的方法，但由于腦電信號或肌電信號在提取過程中經(jīng)常出現(xiàn)偏差導致機器人出現(xiàn)誤操作的情況，對患者造成一定的損傷。
(三)
【發(fā)明內容】
:
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種新型外骨骼手指康復機器人及其工作方法，它可以克服現(xiàn)有技術的不足，是一種結構簡單，對患者無傷害，操作方便的康復機器人及工作方法，使患者可以隨時地進行康復訓練以刺激患者大腦運動神經(jīng)，達到最終恢復其手指運動機能的目的。
[0006]本發(fā)明的技術方案:一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于它包括控制單元、電機驅動單元、傳動單元和執(zhí)行單元;其中，所述控制單元的輸入端接收附在患者健側手指上的彎曲傳感器產(chǎn)生的彎曲信號，其輸出端與電機驅動單元的輸入端連接;所述傳動單元的輸入端與電機驅動單元的輸出端連接，其輸出端與執(zhí)行單元的輸入端連接;所述執(zhí)行單元的輸出端與患者患側手指接觸，通過傳遞力使患者患側手指進行動作。
[0007]所述控制單元包括彎曲傳感器、AD(Analogto Digital--模擬數(shù)字)轉換模塊、
單片機、IXD(Liquid Crystal Display--液晶顯示)數(shù)顯模塊、電機驅動模塊;其中，所述彎曲傳感器的輸入端接收患者健側手指的彎曲角度信息，其輸出端與AD轉換模塊連接;所述單片機的輸入端接收AD轉換模塊的輸出信號，其輸出端與電機驅動模塊及LCD數(shù)顯模塊的輸入端連接。
[0008]所述電機驅動單元由電機座、驅動電機和電機驅動軸構成;所述驅動電機的輸入端與電機座連接，輸出端與電機驅動軸連接;所述驅動電機安裝在電機座上;所述驅動電機驅動軸安裝在驅動電機上;所述電機座位于手掌背面部位;所述電機驅動軸與驅動電機之間呈過盈配合連接。
[0009]所述驅動電機是步進驅動電機，且安裝在手掌背部，減小了整體機器人的尺寸。
[00?0] 所述驅動電機采用欠驅動方式，以實現(xiàn)對手指MCP(Metacarpophalangeal--掌指)關節(jié)、手指PIP (Proxima I interpha Iangeal--近端指間)關節(jié)和 DIP (Distal
Interphalangeal--遠端指間)關節(jié)的彎曲和伸展運動。
[0011]所述傳動單元是由傳動絲繩、轉動軸1、連桿1、中關節(jié)座、齒輪1、齒輪I1、轉動軸
I1、連桿II和端點支撐座構成;所述執(zhí)行單元是由手指MCP關節(jié)、手指PIP關節(jié)、手指MCP關節(jié)連接開槽及手指PIP關節(jié)連接開槽構成;其中，所述轉動軸I與電機驅動軸通過傳動絲繩形成微型鋼絲繩傳動結構;所述轉動軸1、連桿1、中關節(jié)座與手指MCP關節(jié)形成四連桿機構;所述轉動軸I1、連桿I1、端點支撐座與手指PIP關節(jié)形成第二個四連桿機構;所述齒輪I和齒輪
II形成齒輪傳動機構;所述手指MCP關節(jié)連接開槽與中關節(jié)座固定連接;所述手指PIP關節(jié)連接開槽與端點支撐座固定連接。
[0012]所述外骨骼手指康復機器人采用光敏樹脂和硅膠材料。
[0013]所述外骨骼手指康復機器人采用鋼絲繩傳動方式，可適用于遠距離傳動。
[0014]所述外骨骼手指康復機器人與患者接觸的地方采用弧形設計要求。
[0015]所述外骨骼手指康復機器人與患者手指接觸的地方均有硅膠墊，減小對手指的損傷。
[0016]—種新型外骨骼手指康復機器人的工作方法，其特征在于它包括以下步驟:
[0017]①電機驅動輸入:
[0018]外骨骼手指康復機器人通過手指MCP關節(jié)連接開槽和手指PIP關節(jié)連接開槽穿戴在患者的患側手指上;附在患者健側手指上的彎曲傳感器隨著手指彎曲時發(fā)出的彎曲角度信號經(jīng)過AD轉換模塊傳遞給單片機，單片機接收到經(jīng)過AD轉換的彎曲角度信號后，輸出控制信號給電機驅動模塊，電機驅動模塊根據(jù)單片機輸出的控制信號帶動驅動電機執(zhí)行相應的動作；
[0019]②手指MCP關節(jié)運動:
[0020]驅動電機轉動后，與驅動電機緊密配合連接的電機驅動軸會進行相應的轉動，同時，與電機驅動軸連接的兩根傳動絲繩會帶動轉動軸I進行相應的轉動運動；由于轉動軸1、連桿1、中關節(jié)座與手指MCP關節(jié)形成四連桿機構，當轉動軸I轉動時，手指MCP關節(jié)也就進行相應的轉動，從而使得手指MCP關節(jié)進行康復訓練動作；
[0021]③手指PIP關節(jié)運動:
[0022]當連桿I運動時，會帶動齒輪I進行轉動，從而帶動與齒輪I齒輪嚙合的齒輪II轉動，齒輪II帶動與其固接的轉動軸II轉動；由于轉動軸I1、連桿I1、端點支撐座與手指PIP關節(jié)形成四連桿機構，當轉動軸II轉動時，手指PIP關節(jié)也就進行相應的轉動，從而使得手指PIP關節(jié)進行康復訓練動作；
[0023]④運動參數(shù)的調節(jié):
[0024]在外骨骼手指康復機器人對患者進行康復訓練的過程中，附在患者健側手指上的彎曲傳感器會對患者的運動信息進行實時采集，并經(jīng)過AD轉換模塊轉換為數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C，根據(jù)患者的運動情況實時調節(jié)外骨骼手指康復機器人的運動參數(shù)，以針對不同程度的患者制定不同的康復訓練方案。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)越性在于:1、采用鋼絲繩傳動方式，改變以往的外骨骼手指康復機器人的傳動方式，實現(xiàn)了遠程傳動，大大減小了外骨骼手指康復機器人的自身的重量;2、該外骨骼手指康復機器人可實現(xiàn)五個患側手指的單獨動作，大大提高了康復效率;3、外骨骼手指康復機器人主要采用光敏樹脂和硅膠材料，在減輕機器人自重的同時，又保證了機器人自身的剛度要求;4、在外骨骼手指康復機器人與患者手指接觸的地方應用了硅膠軟墊，保護了患者手指，防止患者手指的二次傷害。
(四)【附圖說明】:
[0026]圖1為本發(fā)明所涉一種外骨骼式手指康復機器人的整體結構框圖。
[0027]圖2為本發(fā)明所涉一種外骨骼式手指康復機器人控制單元部分的連接示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明所涉一種外骨骼式左手手指康復機器人的左側結構示意圖。
[0029]圖4為本發(fā)明所涉一種外骨骼式左手手指康復機器人的右側結構示意圖。
[0030]圖5為本發(fā)明所涉一種外骨骼式手指康復機器人中傳動單元和執(zhí)行單元的結構示意圖。
[0031 ]其中，I為電機座;2為驅動電機;3為電機驅動軸;4為傳動絲繩;5為轉動軸I ；6為連桿I; 7為中關節(jié)座;8為手指MCP關節(jié);9為齒輪I; 10為齒輪II ； 11為轉動軸I1、12為連桿II; 13為端點支撐座;14為手指MCP關節(jié)連接開槽;15為手指PIP關節(jié);16為手指PIP關節(jié)連接開槽。
(五)【具體實施方式】:
[0032]實施例:一種新型外骨骼手指康復機器人(見圖1)，其特征在于它包括控制單元、電機驅動單元、傳動單元和執(zhí)行單元;其中，所述控制單元的輸入端接收附在患者健側手指上的彎曲傳感器產(chǎn)生的彎曲信號，其輸出端與電機驅動單元的輸入端連接;所述傳動單元的輸入端與電機驅動單元的輸出端連接，其輸出端與執(zhí)行單元的輸入端連接;所述執(zhí)行單元的輸出端與患者患側手指接觸，通過傳遞力使患者患側手指進行動作。
[0033]所述控制單元(見圖2)包括彎曲傳感器、AD轉換模塊、單片機、IXD數(shù)顯模塊、電機驅動模塊;其中，所述彎曲傳感器的輸入端接收健側手指的彎曲角度信號，其輸出端與AD轉換模塊連接;所述單片機的輸入端接收AD轉換模塊的輸出信號，其輸出端與電機驅動模塊及LCD數(shù)顯模塊的輸入端連接。
[0034]所述電機驅動單元(見圖3、圖4)由電機座1、驅動電機2和電機驅動軸3構成;所述驅動電機的輸入端與電機座連接，輸出端與電機驅動軸連接;所述驅動電機安裝在電機座上;所述驅動電機驅動軸安裝在驅動電機上;所述電機座位于手掌背面部位;所述電機驅動軸與驅動電機之間呈過盈配合連接。
[0035]所述驅動電機是步進驅動電機，且安裝在手掌背部，減小了整體機器人的尺寸。
[0036]所述驅動電機采用欠驅動方式，以實現(xiàn)對手指MCP關節(jié)、手指PIP關節(jié)和DIP關節(jié)的彎曲和伸展運動。
[0037]所述傳動單元(見圖4、圖5)是由傳動絲繩4、轉動軸15、連桿16、中關節(jié)座7、齒輪19、齒輪1110、轉動軸1111、連桿1112和端點支撐座13構成;所述執(zhí)行單元是由手指MCP關節(jié)
8、手指PIP關節(jié)15、手指MCP關節(jié)連接開槽14及手指PIP關節(jié)連接開槽16構成;其中，所述轉動軸15與電機驅動軸3通過傳動絲繩4形成微型鋼絲繩傳動結構;所述轉動軸15、連桿16、中關節(jié)座7與手指MCP關節(jié)8形成四連桿機構;所述轉動軸1111、連桿1112、端點支撐座13與手指PIP關節(jié)15形成第二個四連桿機構;所述齒輪19和齒輪IIlO形成齒輪傳動機構;所述手指MCP關節(jié)連接開槽14與中關節(jié)座7固定連接;所述手指PIP關節(jié)連接開槽16與端點支撐座13固定連接。
[0038]所述外骨骼手指康復機器人采用光敏樹脂和硅膠材料。
[0039]所述外骨骼手指康復機器人采用鋼絲繩傳動方式，可適用于遠距離傳動。
[0040]所述外骨骼手指康復機器人與患者接觸的地方采用弧形設計要求。
[0041]所述外骨骼手指康復機器人與患者手指接觸的地方均有硅膠墊，減小對手指的損傷。
[0042]—種新型外骨骼手指康復機器人的工作方法，其特征在于它包括以下步驟:
[0043]①電機驅動輸入:
[0044]外骨骼手指康復機器人通過手指MCP關節(jié)連接開槽14和手指PIP關節(jié)連接開槽16穿戴在患者的患側手指上;附在患者健側手指上的彎曲傳感器隨著手指彎曲時發(fā)出的彎曲角度信號經(jīng)過AD轉換模塊傳遞給單片機，單片機接收到經(jīng)過AD轉換的彎曲角度信號后，輸出控制信號給電機驅動模塊，電機驅動模塊根據(jù)單片機輸出的控制信號帶動驅動電機執(zhí)行相應的動作；
[0045]②手指MCP關節(jié)運動(見圖3、圖4、圖5):
[0046]驅動電機轉動后，與驅動電機緊密配合連接的驅動電機軸會進行相應的轉動，同時，與驅動電機軸連接的兩根傳動絲繩會帶動轉動軸15進行相應的轉動運動；由于轉動軸15、連桿16、中關節(jié)座7與手指MCP關節(jié)8形成四連桿機構，當轉動軸15轉動時，手指MCP關節(jié)8也就進行相應的轉動，從而使得手指MCP關節(jié)8進行康復訓練動作；
[0047]③手指PIP關節(jié)運動(見圖3、圖4、圖5):
[0048]當連桿16運動時，會帶動齒輪19進行轉動，從而帶動與齒輪19齒輪嚙合的齒輪IIlO轉動，齒輪IIlO帶動與其固接的轉動軸IIll轉動；由于轉動軸1111、連桿1112、端點支撐座13與手指PIP關節(jié)15形成四連桿機構，當轉動軸IIll轉動時，手指PIP關節(jié)15也就進行相應的轉動，從而使得手指PIP關節(jié)15進行康復訓練動作；
[0049 ]④運動參數(shù)的調節(jié):
[0050]在外骨骼手指康復機器人對患者進行康復訓練的過程中，附在患者健側手指上的彎曲傳感器會對患者的運動信息進行實時采集，并經(jīng)過AD轉換模塊轉換為數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C，根據(jù)患者的運動情況實時調節(jié)外骨骼手指康復機器人的運動參數(shù)，以針對不同程度的患者制定不同的康復訓練方案。
【主權項】
1.一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于它包括控制單元、電機驅動單元、傳動單元和執(zhí)行單元;其中，所述控制單元的輸入端接收附在患者健側手指上的彎曲傳感器產(chǎn)生的彎曲信號，其輸出端與電機驅動單元的輸入端連接;所述傳動單元的輸入端與電機驅動單元的輸出端連接，其輸出端與執(zhí)行單元的輸入端連接;所述執(zhí)行單元的輸出端與患者患側手指接觸，通過傳遞力使患者患側手指進行動作。2.根據(jù)權利要求1所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述控制單元包括彎曲傳感器、AD轉換模塊、單片機、LCD數(shù)顯模塊、電機驅動模塊;其中，所述彎曲傳感器的輸入端接收患者健側手指的彎曲角度信息，其輸出端與AD轉換模塊連接;所述單片機的輸入端接收AD轉換模塊的輸出信號，其輸出端與電機驅動模塊及LCD數(shù)顯模塊的輸入端連接。3.根據(jù)權利要求1所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述電機驅動單元由電機座、驅動電機和電機驅動軸構成;所述驅動電機的輸入端與電機座連接，輸出端與電機驅動軸連接;所述驅動電機安裝在電機座上;所述驅動電機驅動軸安裝在驅動電機上；所述電機座位于手掌背面部位;所述電機驅動軸與驅動電機之間呈過盈配合連接。4.根據(jù)權利要求3所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述驅動電機是步進驅動電機，且安裝在手掌背部，減小了整體機器人的尺寸;所述驅動電機采用欠驅動方式，以實現(xiàn)對手指MCP關節(jié)、手指PIP關節(jié)和DIP關節(jié)的彎曲和伸展運動。5.根據(jù)權利要求1所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述傳動單元是由傳動絲繩、轉動軸1、連桿1、中關節(jié)座、齒輪1、齒輪I1、轉動軸I1、連桿II和端點支撐座構成;所述執(zhí)行單元是由手指MCP關節(jié)、手指PIP關節(jié)、手指MCP關節(jié)連接開槽及手指PIP關節(jié)連接開槽構成;其中，所述轉動軸I與電機驅動軸通過傳動絲繩形成微型鋼絲繩傳動結構;所述轉動軸1、連桿1、中關節(jié)座與手指MCP關節(jié)形成四連桿機構;所述轉動軸I1、連桿I1、端點支撐座與手指PIP關節(jié)形成第二個四連桿機構;所述齒輪I和齒輪II形成齒輪傳動機構;所述手指MCP關節(jié)連接開槽與中關節(jié)座固定連接;所述手指PIP關節(jié)連接開槽與端點支撐座固定連接。6.根據(jù)權利要求1所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述外骨骼手指康復機器人采用光敏樹脂和硅膠材料。7.根據(jù)權利要求1所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述外骨骼手指康復機器人采用鋼絲繩傳動方式，可適用于遠距離傳動。8.根據(jù)權利要求1所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述外骨骼手指康復機器人與患者接觸的地方采用弧形設計要求。9.根據(jù)權利要求1所述一種新型外骨骼手指康復機器人，其特征在于所述外骨骼手指康復機器人與患者手指接觸的地方均有硅膠墊，減小對手指的損傷。10.—種新型外骨骼手指康復機器人的工作方法，其特征在于它包括以下步驟: ①電機驅動輸入: 外骨骼手指康復機器人通過手指MCP關節(jié)連接開槽和手指PIP關節(jié)連接開槽穿戴在患者的患側手指上;附在患者健側手指上的彎曲傳感器隨著手指彎曲時發(fā)出的彎曲角度信號經(jīng)過AD轉換模塊傳遞給單片機，單片機接收到經(jīng)過AD轉換的彎曲角度信號后，輸出控制信號給電機驅動模塊，電機驅動模塊根據(jù)單片機輸出的控制信號帶動驅動電機執(zhí)行相應的動作； ②手指MCP關節(jié)運動: 驅動電機轉動后，與驅動電機緊密配合連接的電機驅動軸會進行相應的轉動，同時，與電機驅動軸連接的兩根傳動絲繩會帶動轉動軸I進行相應的轉動運動；由于轉動軸1、連桿.1、中關節(jié)座與手指MCP關節(jié)形成四連桿機構，當轉動軸I轉動時，手指MCP關節(jié)也就進行相應的轉動，從而使得手指MCP關節(jié)進行康復訓練動作； ③手指PIP關節(jié)運動: 當連桿I運動時，會帶動齒輪I進行轉動，從而帶動與齒輪I齒輪嚙合的齒輪II轉動，齒輪II帶動與其固接的轉動軸II轉動；由于轉動軸I1、連桿I1、端點支撐座與手指PIP關節(jié)形成四連桿機構，當轉動軸II轉動時，手指PIP關節(jié)也就進行相應的轉動，從而使得手指PIP關節(jié)進行康復訓練動作； ④運動參數(shù)的調節(jié): 在外骨骼手指康復機器人對患者進行康復訓練的過程中，附在患者健側手指上的彎曲傳感器會對患者的運動信息進行實時采集，并經(jīng)過AD轉換模塊轉換為數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C，根據(jù)患者的運動情況實時調節(jié)外骨骼手指康復機器人的運動參數(shù)，以針對不同程度的患者制定不同的康復訓練方案。
【文檔編號】A61H1/02GK106074092SQ201610591258
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610591258.2, CN 106074092 A, CN 106074092A, CN 201610591258, CN-A-106074092, CN106074092 A, CN106074092A, CN201610591258, CN201610591258.2
【發(fā)明人】郭書祥, 郭健, 張衛(wèi)杰
【申請人】天津理工大學