專(zhuān)利名稱(chēng)：穿戴式便攜動(dòng)力外骨骼手功能康復(fù)訓(xùn)練裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練裝置，尤其是一種用于手部功能障礙的腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練康復(fù)裝置。
背景技術(shù)：
手是人體最重要的結(jié)構(gòu)之一，手不僅能完成許多粗大工作，而且還能從事與日常生活密切聯(lián)系的各種精細(xì)活動(dòng)。然而，許多意外事故和疾病，如外傷、腦卒中等可能會(huì)導(dǎo)致人手的感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能喪失。所以如何讓喪失的手功能得到康復(fù)，是手功能受:損患者最急需解決的問(wèn)題，也是最難以解決的問(wèn)題。在手部功能受損的患者群體中，因腦卒中后遺癥而導(dǎo)致手部功能喪失的患者占絕 大多數(shù)。我國(guó)現(xiàn)有腦卒中患者約900萬(wàn)人，每年新發(fā)病例在150萬(wàn)人以上，大約75%腦卒中患者在發(fā)病后會(huì)留下不同程度的后遺癥，在眾多的后遺癥中，以偏癱發(fā)生率最高，在偏癱的康復(fù)中，又以手功能的康復(fù)最為困難。患者的手在后期往往因肌肉痙攣，形成一個(gè)屈曲的半握拳姿勢(shì)。醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐證明，肢體損傷的患者為了防止肌肉“廢用性”萎縮，必須要進(jìn)行有效的肢體訓(xùn)練才能恢復(fù)其功能。隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為了改進(jìn)傳統(tǒng)的康復(fù)治療手段和提高康復(fù)治療效果，人手康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。它具備一些傳統(tǒng)康復(fù)手段所不具備的優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人不僅可以對(duì)患者的手施加精確的力和運(yùn)動(dòng)控制，還可以實(shí)時(shí)記錄詳實(shí)的患者信息和治療數(shù)據(jù)，并將信息可視化，為臨床康復(fù)醫(yī)生提供客觀、準(zhǔn)確、直觀的治療和評(píng)價(jià)參數(shù)。由機(jī)器人代替治療師的部分體力工作，不僅能減輕治療師的工作強(qiáng)度，而且訓(xùn)練參數(shù)重復(fù)性好，保證了訓(xùn)練的效率和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的康復(fù)訓(xùn)練，能夠有效加快康復(fù)進(jìn)程。此外，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)可以在仿真環(huán)境中完成，康復(fù)訓(xùn)練形式可以更為豐富、有趣，患者在訓(xùn)練過(guò)程中可以同時(shí)得到觸覺(jué)、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等多通道的信息反饋，提高康復(fù)訓(xùn)練的趣味性，從而激勵(lì)患者主動(dòng)、積極地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。外骨骼機(jī)器人技術(shù)是融合了傳感、控制、信息，并為操作者提供一種可穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)的綜合技術(shù)。作為外骨骼機(jī)器人在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用，創(chuàng)傷手指康復(fù)外骨骼手的主要任務(wù)是輔助手外傷患者進(jìn)行術(shù)后的康復(fù)訓(xùn)練，依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學(xué)(Evidence BasedMedicine,EBM)和連續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(Continuous Passive Motion,CPM)理論，可以使患者在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)健康。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在分析人手生物學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出一種穿戴式便攜動(dòng)力外骨骼手功能康復(fù)訓(xùn)練裝置，用于手部功能障礙的腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，包括手掌板、外殼、五個(gè)手指，仿生肌腱連接桿組件、驅(qū)動(dòng)推桿、直線推桿電機(jī)組件，其特點(diǎn)是直線推桿電機(jī)組件固定在手掌板上，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)推桿和固定在指根部固定座上的仿生肌腱連接桿組件分別與五個(gè)手指連接形成手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。仿生肌腱連接桿組件9包括與手指連接的短肌腱連桿和與手指驅(qū)動(dòng)軸連接的長(zhǎng)肌腱連桿，其中，長(zhǎng)肌腱連桿一端通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)推桿10連接，另一端與短肌腱連桿連接，長(zhǎng)肌腱連桿中間通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座8上端的限位滑槽連接。手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括大拇指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每一個(gè)手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括連桿連接板，手指第一驅(qū)動(dòng)桿，手指第二驅(qū)動(dòng)桿，手指遠(yuǎn)指節(jié)、手指中節(jié)、手指中指關(guān)節(jié)連桿一、手指中指關(guān)節(jié)連桿二、手指大關(guān)節(jié)連桿，連桿連接板上端與短肌腱連桿連接，下端與手指第一驅(qū)動(dòng)桿連接，手指第一驅(qū)動(dòng)桿前端與手指中指關(guān)節(jié)連桿一連接，后端通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座中間的限位滑槽連接。直線推桿電機(jī)組件包括電機(jī)外殼、固定底座、直線推桿電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿，電機(jī)外殼由一個(gè)與安裝面成一角度的固定底座支撐固定，直線推桿電機(jī)通過(guò)電機(jī)外殼定位。手指中節(jié)和手指第二驅(qū)動(dòng)桿下面分別通過(guò)其上的四個(gè)定位孔連接中指節(jié)綁帶板·和掌指關(guān)節(jié)綁帶板，組成位置可調(diào)的佩帶系統(tǒng)，適應(yīng)各種患者的佩戴需求。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得了以下的有益效果
I.通過(guò)兩個(gè)直線推桿電機(jī)獲得動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)四指和大拇指，極大地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)方式和所用電機(jī)的數(shù)量，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。2.手部外骨骼部分與手掌較好的貼合，起到良好的仿生效果，能更好的輔助手部功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。3.康復(fù)過(guò)程要求保證康復(fù)力始終垂直作用于指骨以避免損壞關(guān)節(jié)周?chē)能浗M織。對(duì)外骨骼手關(guān)節(jié)單自由度和二自由度構(gòu)型進(jìn)行了分析，進(jìn)行了更加合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用連桿滑軌機(jī)構(gòu)較好的模擬了人手的運(yùn)動(dòng)軌跡，佩戴更加自然，訓(xùn)練效果更好。4.采用位置可調(diào)式手指綁帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以按照患者的手部尺寸自如的調(diào)節(jié)佩戴方式，無(wú)需特殊定制，具有更廣泛的實(shí)用性。本發(fā)明基于四邊形連桿及連桿滑槽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了外骨骼手機(jī)構(gòu)本體，該外骨骼手可以適應(yīng)不同人手長(zhǎng)度，幫助運(yùn)動(dòng)功能受損的手指進(jìn)行彎曲和內(nèi)收/外展康復(fù)運(yùn)動(dòng)。具有良好的仿生性、靈活性和便攜性。手功能受損患者佩戴后，患肢被外骨骼訓(xùn)練器支撐和固定，通過(guò)貼在患肢手臂拮抗肌上的體表電極接收患者手臂肌肉運(yùn)動(dòng)的微弱電流，將電流放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)外骨骼訓(xùn)練器運(yùn)動(dòng)。從而帶動(dòng)無(wú)法運(yùn)動(dòng)的手部進(jìn)行抓握運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和日常生活輔助、此外對(duì)訓(xùn)練器的控制還可以通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)\健側(cè)手信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意 圖2是食指組件結(jié)構(gòu)示意 圖3是四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意 圖4是四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)手指平放狀態(tài)示意 圖5是四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)手指收握狀態(tài)示意 圖6是大拇指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意 圖7是直線推桿電機(jī)組件結(jié)構(gòu)示意 圖8是位置可調(diào)式手指綁帶系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I至圖8所示，本發(fā)明的穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，包括手掌板I、外殼2、大姆指3、食指4、中指5、無(wú)名指6、小姆指7以及各個(gè)手指的指跟固定基座8、仿生肌腱連接桿組件9、驅(qū)動(dòng)推桿10、直線推桿電機(jī)組件11等。直線推桿電機(jī)組件11固定在手掌板I上，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)推桿10和固定在指根部固定座8上的仿生肌腱連接桿組件9分別與五個(gè)手指連接形成手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括大拇指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括食指4組件、中指5組件、無(wú)名指6組件和小拇指7組件。大拇指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括大拇指3組件，并且食指4組件、中指5組件、無(wú)名指6組件和小拇指7組件以及大拇指3組件都相同。穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器的動(dòng)力來(lái)自于兩個(gè)分置的直線電機(jī)組，一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)大拇指機(jī)構(gòu)，另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)其他四個(gè)手指。 仿生肌腱連接桿組件9包括與手指連接的短肌腱連桿和與手指驅(qū)動(dòng)軸連接的長(zhǎng)肌腱連桿，其中，長(zhǎng)肌腱連桿一端通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)推桿10連接，另一端與短肌腱連桿連接，長(zhǎng)肌腱連桿中間通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座8上端的限位滑槽連接。如圖3所示，四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在手掌板I上的直線推桿電機(jī)組11通過(guò)驅(qū)動(dòng)推桿10推動(dòng)四肢驅(qū)動(dòng)軸27,推動(dòng)固定在指根部固定座8的四個(gè)手指(食指4、中指5、無(wú)名指6、小拇指7)在定位滑槽的作用下做抓握運(yùn)動(dòng)(圖5)。如圖6所示，大拇指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)似，由直線推桿電機(jī)組11驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)推桿10帶動(dòng)大拇指驅(qū)動(dòng)軸28使大拇指3在指根部固定基座8的限位作用下運(yùn)動(dòng)。如圖7所示，直線推桿電機(jī)組件11由一個(gè)與安裝面成一定角度的固定底座30支撐固定。直線推桿電機(jī)31由電機(jī)外殼29定位,使電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿32與手指驅(qū)動(dòng)軸成一定角度，可以增大力臂，有效的減少所需驅(qū)動(dòng)力，降低電機(jī)功率，節(jié)約成本。如圖2所示，食指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)包括連桿連接板16，食指第一驅(qū)動(dòng)桿15，食指第二驅(qū)動(dòng)桿23，食指遠(yuǎn)指節(jié)12、食指中節(jié)13、食指中指關(guān)節(jié)連桿一 14、食指中指關(guān)節(jié)連桿二 22、食指大關(guān)節(jié)連桿20，連桿連接板16上端與食指短肌腱連桿17連接，下端與食指第一驅(qū)動(dòng)桿15連接，食指短肌腱連桿17上端與食指長(zhǎng)肌腱連桿18連接，食指長(zhǎng)肌腱連桿18通過(guò)定位銷(xiāo)指根部固定座8上部限位滑槽連接；食指第一驅(qū)動(dòng)桿15前端與食指中指關(guān)節(jié)連桿一 14連接，后端通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座8中間限位滑槽26連接，食指中指關(guān)節(jié)連桿一 14分別與食指中節(jié)13和食指中指關(guān)節(jié)連桿二 22連接，食指中指關(guān)節(jié)連桿二 22后端連接食指第二驅(qū)動(dòng)桿23，食指第二驅(qū)動(dòng)桿23通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座8下端的限位滑槽25連接，食指中節(jié)13前端連接食指遠(yuǎn)指節(jié)12，食指遠(yuǎn)指節(jié)12、食指中節(jié)13和手指中指關(guān)節(jié)連桿一 14、食指中指關(guān)節(jié)連桿二 22、食指大關(guān)節(jié)連桿20組成四邊形連桿機(jī)構(gòu)。食指中節(jié)13和食指第二驅(qū)動(dòng)桿23下面分別通過(guò)其上的四個(gè)定位孔連接中指節(jié)綁帶板21和掌指關(guān)節(jié)綁帶板24。本發(fā)明通過(guò)使用者患側(cè)手肌電信號(hào)(EMG) \語(yǔ)音信號(hào)\患者健側(cè)手部動(dòng)作信號(hào)等方式控制外骨骼手部訓(xùn)練器上的微型直線推桿電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)大拇指和四指機(jī)械結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)無(wú)法運(yùn)動(dòng)的患肢實(shí)現(xiàn)抓握運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和日常生活輔助，通過(guò)抓握運(yùn)動(dòng)的反復(fù)刺激，可逐漸幫助腦卒中病人的部分或全部手運(yùn)動(dòng)功能，也能夠?qū)颊呷粘Ｉ钇鸬揭欢ǖ妮o助作用。手掌板的外形參考了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)成年人(GB)手型尺寸和小樣本抽樣統(tǒng)計(jì)而設(shè)計(jì)，符合成長(zhǎng)成年人的手部外形，保證在佩戴訓(xùn)練中對(duì)患者手部的支撐而且防止對(duì)其手部造成損傷和畸形。此外，在外骨骼訓(xùn)練器的各個(gè)手指上設(shè)計(jì)了位置可調(diào)的松緊綁帶固定裝置，可由患者自己調(diào)整綁帶的位置，獲得最好的佩戴效果。在各個(gè)機(jī)械手指與人手接觸面上設(shè)置了壓力傳感器，可以在手功能訓(xùn)練的過(guò)程中對(duì)個(gè)手指手里訓(xùn)練情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，便于康復(fù)訓(xùn)練師對(duì)訓(xùn)練情況進(jìn)行分析，以指定更加合理的康復(fù)訓(xùn)練方案。使用時(shí)，患者將手放置在手掌板I內(nèi)側(cè)?；颊叩母鱾€(gè)手指(各個(gè)手指情況相同，這里以食指為例)通過(guò)機(jī)械手指上位置可調(diào)的中指節(jié)(PIP)綁帶板21 (加裝松緊綁帶)和掌指關(guān)節(jié)(MCP)綁帶板24與機(jī)械結(jié)構(gòu)貼合。通過(guò)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)由連桿連接板16固定在機(jī)械手指上的食指短肌腱連桿17、食指長(zhǎng)肌腱連桿(組合件)18在指根部固定座8上部限位滑槽限位作用下運(yùn)動(dòng)，從而使被指根部固定鍵25固定的食指第一驅(qū)動(dòng)桿15和食指第二驅(qū)動(dòng)桿23沿指根部固定座26上的限位滑槽軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)由食指遠(yuǎn)指節(jié)(DIP)12、指中節(jié)13、食 指中指關(guān)節(jié)(PIP)連桿一 14、食指中指關(guān)節(jié)(PIP)連桿二 22、食指大關(guān)節(jié)連桿20組成的四邊形連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，讓整個(gè)機(jī)械手指依照人手仿生運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)。如圖8所示，穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器的位置可調(diào)節(jié)綁帶系統(tǒng)，通過(guò)中指節(jié)上的四個(gè)定位孔，可以前后調(diào)節(jié)中指節(jié)(PIP)綁帶板的位置，從而實(shí)現(xiàn)使用者佩帶位置的自由調(diào)節(jié)。讓手指長(zhǎng)短不同的患者都可以更加舒適的佩戴，以更好地完成康復(fù)訓(xùn)練和對(duì)其進(jìn)行日常生活輔助。
權(quán)利要求
1.一種穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，包括手掌板(I)、外殼(2)、五個(gè)手指，仿生肌腱連接桿組件(9)、驅(qū)動(dòng)推桿(10)、直線推桿電機(jī)組件(11)，其特征在于所述直線推桿電機(jī)組件(11)固定在手掌板(I)上，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)推桿(10 )和固定在指根部固定座(8 )上的仿生肌腱連接桿組件(9 )分別與五個(gè)手指連接形成手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于所述仿生肌腱連接桿組件(9)包括與手指連接的短肌腱連桿和與手指驅(qū)動(dòng)軸連接的長(zhǎng)肌腱連桿，其中，長(zhǎng)肌腱連桿一端通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)推桿(10)連接，另一端與短肌腱連桿連接，長(zhǎng)肌腱連桿中間通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座(8)上端的限位滑槽連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于所述手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括大拇指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和四指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每一個(gè)手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括連桿連接板，手指第一驅(qū)動(dòng)桿，手指第二驅(qū)動(dòng)桿，手指遠(yuǎn)指節(jié)、手指中節(jié)、手指中指關(guān)節(jié)連桿一、手指中指關(guān)節(jié)連桿二、手指大關(guān)節(jié)連桿，連桿連接板上端與短肌腱連桿連接，下端與手指第一驅(qū)動(dòng)桿連接，手指第一驅(qū)動(dòng)桿前端與手指中指關(guān)節(jié)連桿一連接，后端通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座(8)中間的限位滑槽連接，手指中指關(guān)節(jié)連桿一分別與手指中部和手指中指關(guān)節(jié)連桿二連接，手指中指關(guān)節(jié)連桿二后端連接手指第二驅(qū)動(dòng)桿，手指第二驅(qū)動(dòng)桿通過(guò)定位銷(xiāo)與指根部固定座(8)下端的限位滑槽連接 根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于所述直線推桿電機(jī)組件(11)包括電機(jī)外殼(29)、固定底座(30)、直線推桿電機(jī)(31)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿(32),電機(jī)外殼(29)由一個(gè)與安裝面成一角度的固定底座(30)支撐固定,直線推桿電機(jī)(31)通過(guò)電機(jī)外殼(29)定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，其特征在于所述手指中節(jié)和手指第二驅(qū)動(dòng)桿下面分別通過(guò)其上的四個(gè)定位孔連接中指節(jié)綁帶板和掌指關(guān)節(jié)綁帶板，組成位置可調(diào)的佩帶系統(tǒng)，適應(yīng)各種患者的佩戴需求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種穿戴式動(dòng)力外骨骼手部康復(fù)訓(xùn)練器，包括手掌板、外殼、五個(gè)手指，仿生肌腱連接桿組件、驅(qū)動(dòng)推桿、直線推桿電機(jī)組件，直線推桿電機(jī)組件固定在手掌板上，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)推桿和固定在指根部固定座上的仿生肌腱連接桿組件分別與五個(gè)手指連接形成手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)兩個(gè)直線推桿電機(jī)獲得動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)四指和大拇指，極大地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)方式和所用電機(jī)的數(shù)量，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。手部外骨骼部分與手掌較好的貼合，起到良好的仿生效果，能更好的輔助手部功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。采用位置可調(diào)式手指綁帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以按照患者的手部尺寸自如的調(diào)節(jié)佩戴方式，無(wú)需特殊定制，具有更廣泛的實(shí)用性。
文檔編號(hào)A61H1/02GK102895091SQ201210430290
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者胡鑫, 喻洪流, 張穎, 易金花, 李繼才 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)