一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手的制作方法
【專利摘要】一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，包括手部機(jī)械結(jié)構(gòu)和動力控制系統(tǒng)，手部機(jī)械結(jié)構(gòu)為五組相同的結(jié)構(gòu)適用于五指，手部機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是由弧形架、推桿、手指固定座和繃帶組成，以終端牽拉的形式帶動手指運(yùn)動。其中弧形架將電機(jī)的直線位移轉(zhuǎn)化為手指終端的弧形位移，推桿可以相對于弧形架旋轉(zhuǎn)，通過自動調(diào)節(jié)可以緩解機(jī)構(gòu)在輔助手指彎曲過程中存在的徑向拉力，避免二次損傷，推桿上固定有限位螺釘，防止弧形架與推桿間機(jī)構(gòu)卡死。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)輔助人手部進(jìn)行被動或主動模式的抓握、單根手指屈曲伸展、拇指食指兩指對捏及拇指、食指和中指三指抓取的訓(xùn)練等多模式的訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)全面康復(fù)。
【專利說明】一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療保健器械康復(fù)機(jī)器人技術(shù)，特別涉及一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手。
【背景技術(shù)】
[0002]腦損傷(腦卒中、腦癱、腦外傷、腦腫瘤)是如今威脅人類健康的重大疾病，死亡率和致殘率很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國現(xiàn)有肢體殘疾人約2422萬，腦卒中約有1000萬人，每年新增400萬人。運(yùn)動功能障礙一般表現(xiàn)為肢體障礙，由于上肢負(fù)責(zé)從事大量精細(xì)動作，所以其功能受損后恢復(fù)難度較大，容易導(dǎo)致終身殘疾，對患者日常生活造成嚴(yán)重影響。臨床研究表明，康復(fù)訓(xùn)練可以防止肌肉痙攣，增強(qiáng)關(guān)節(jié)活動度。目前針對中風(fēng)病人康復(fù)治療采用的物理療法(如針灸、電刺激、按摩)比較多，有一定療效，在治療過程中患者只是被動的接受治療，其主動參與性得不到保證。同樣還有藥物治療，但是治療比較單一，而且會有副作用。因此為了患者被動或者主動康復(fù)，需要一種用于手指運(yùn)動的器械。但目前的訓(xùn)練機(jī)器人都是患者的大關(guān)節(jié)(如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié))的運(yùn)動，并非每個(gè)重要關(guān)節(jié)都在運(yùn)動，特別是手部的運(yùn)動，而且手部負(fù)責(zé)日常生活中許多精細(xì)的動作，關(guān)節(jié)更多更加靈活，因此恢復(fù)手部是必不可少的，但大部分的上肢康復(fù)器械都忽略了這一點(diǎn)，而且缺乏五指協(xié)調(diào)的康復(fù)訓(xùn)練。有專利采用四連桿機(jī)構(gòu)牽拉手指端部，但其在驅(qū)動手指彎曲的同時(shí)還會使手指承受徑向拉壓力，容易損傷手指。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，采用直線電機(jī)驅(qū)動、能夠輔助患者進(jìn)行五手指主被動屈曲伸展，拇指食指對捏，拇指、食指和中指三指的抓取等康復(fù)訓(xùn)練，多模式訓(xùn)練可以幫助患者進(jìn)行手部功能康復(fù)訓(xùn)練。
`[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0005]一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，包括機(jī)械手底板1，機(jī)械手底板I上側(cè)平面用于固定手部機(jī)械結(jié)構(gòu)和動力控制系統(tǒng)，下側(cè)面為弧形面以適應(yīng)人手結(jié)構(gòu)，通過繃帶固定于手部；手部機(jī)械結(jié)構(gòu)為五組相同的結(jié)構(gòu)適用于五指，其結(jié)構(gòu)為:機(jī)械手底板上I上通過電機(jī)固定底座2固定直線推桿電機(jī)3，直線推桿電機(jī)3為機(jī)械手的屈曲和伸展提供動力，直線推桿電機(jī)3與電機(jī)固定底座2通過銷釘鏈接并能夠圍繞電機(jī)固定底座2上的銷釘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直線推桿電機(jī)3端部通過銷釘連接弧形架5的一端且能夠相對轉(zhuǎn)動，弧形架5的另一端與推桿6 一端相連接，弧形架5上設(shè)置有伸縮孔以便調(diào)節(jié)圓弧半徑；弧形架5上的孔和雙側(cè)位固定架4的孔同軸相連，推桿6另一端與手指固定座9相連，推桿6上設(shè)置有雙向限位螺釘7和用于長度調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)孔8，在手指固定座9上設(shè)置有繃帶，在手指固定座9及繃帶上還設(shè)置有檢測手指外展的傳感器10和手指屈曲的傳感器11。
[0006]動力控制系統(tǒng)包括與直線推桿電機(jī)3相連的主控器12、主控器12采用的是基于ARM-Cortex-M3 架構(gòu)下的 STM32F107VC，STM32F107 擁有全速 USB (OTG)接口，兩路 CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊，主控器12實(shí)現(xiàn)手指外側(cè)力傳感器10和手指內(nèi)側(cè)力傳感器11的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集的信號驅(qū)動直線推桿電機(jī)3 ;主控器12內(nèi)的信號調(diào)理單元用于處理手指外側(cè)力傳感器10、手指內(nèi)側(cè)力傳感器11以及驅(qū)動直線推桿電機(jī)3反饋的位移信號，對傳感器信號進(jìn)行相應(yīng)的放大濾波，送到采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
[0007]所述的用于檢測手指外展的傳感器10和手指屈曲的傳感器11采用壓阻式薄膜壓力傳感器。
[0008]所述的推桿6上設(shè)置有雙向限位螺釘7。
[0009]所述的推桿6上設(shè)置不同位置的調(diào)節(jié)孔8。
[0010]所述的弧形架5上設(shè)置有伸縮孔以便調(diào)節(jié)圓弧半徑。
[0011]本發(fā)明所提供的五手指康復(fù)器械，由機(jī)械手底板1、直線推桿電機(jī)3和手部機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，符合人體手部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并且設(shè)有固定手指和手腕的繃帶，采用電機(jī)驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)位置的精確控制，限位螺釘和調(diào)節(jié)孔有效地控制了手部關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍。設(shè)計(jì)了多模式訓(xùn)練方式，可以實(shí)現(xiàn)輔助患者手部進(jìn)行主被動抓握，拇指、食指捏取以及拇指、食指、中指抓取的動作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3為穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手控制主流程圖。
[0015]圖4為穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手的控制被動模式流程圖。
`[0016]圖5為穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手的控制主動模式流程圖。
[0017]圖中:1.機(jī)械手底板，2.電機(jī)固定底座，3.直線推桿電機(jī)，4.雙側(cè)位固定架，5.弧形架，6.推桿，7.調(diào)節(jié)孔，8.限位螺釘，9.手指固定底座，10.檢測手指外展力傳感器，
11.檢測手指屈曲力傳感器，12.主控器。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]參照圖1，一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，包括機(jī)械手底板1，機(jī)械手底板I上側(cè)平面用于固定手部機(jī)械結(jié)構(gòu)和動力控制系統(tǒng)，下側(cè)面為弧形面以適應(yīng)人手背部結(jié)構(gòu)，通過繃帶固定于手部；手部機(jī)械結(jié)構(gòu)為五組相同的結(jié)構(gòu)適用于五指，其結(jié)構(gòu)為:機(jī)械手底板上I上通過電機(jī)固定底座2固定直線推桿電機(jī)3，直線推桿電機(jī)為機(jī)械手的屈曲和伸展提供動力，直線推桿電機(jī)3與電機(jī)固定底座2通過銷釘鏈接并能夠圍繞電機(jī)固定底座2上的銷釘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直線推桿電機(jī)3端部通過銷釘連接弧形架5的一端且能夠相對轉(zhuǎn)動，弧形架5的另一端與推桿6—端相連接，弧形架5上設(shè)置有伸縮孔，用于便調(diào)節(jié)圓弧半徑以適應(yīng)不同人手的尺寸；弧形架5上的孔和雙側(cè)位固定架4的孔同軸相連，推桿6另一端與手指固定座9相連，在手指固定座9上設(shè)置有繃帶，通過繃帶手指指進(jìn)行固定，在手指固定座9及繃帶上還設(shè)置有檢測手指伸展的壓力傳感器10和檢測手指屈曲的壓力傳感器11，用于檢測患者手指運(yùn)動意圖及相應(yīng)力的大??；
[0020]所述的推桿6上設(shè)置有雙向限位孔7，雙向限位孔7防止運(yùn)動過程中出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡死。
[0021]所述的推桿6上設(shè)置不同位置的調(diào)節(jié)孔8，用于調(diào)節(jié)指部固定座9的高度，用于不同大小的手進(jìn)行訓(xùn)練。
[0022]所述的弧形架5上設(shè)置有可調(diào)節(jié)長度的伸縮孔，用于調(diào)節(jié)弧形架前端圓弧半徑，以便適應(yīng)不同人手部尺寸大小。
[0023]參照圖2，動力控制系統(tǒng)包括與直線推桿電機(jī)3相連的主控器12、主控器12采用的是基于 ARM-Cortex-M3 架構(gòu)下的 STM32F107VC，STM32F107 擁有全速 USB (OTG)接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊，因此采用該芯片可以為以后康復(fù)機(jī)械手走進(jìn)家庭/社區(qū)構(gòu)建遠(yuǎn)程控制提供了硬件基礎(chǔ)。主控器12內(nèi)的信號調(diào)理單元用于處理手指端壓力傳感器10、壓力傳感器11以及直線推桿電機(jī)3內(nèi)嵌位移傳感器的反饋信號，對傳感器信號進(jìn)行相應(yīng)的放大濾波，送到采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。直線推桿電機(jī)3內(nèi)嵌的直線位移傳感器所反饋的位移信號為模擬信號，能夠用于感知直線電機(jī)推桿的位置，進(jìn)行可以計(jì)算出當(dāng)前人手指彎曲的角度。用于檢測手指外伸展的傳感器10和手指屈曲的傳感器11采用薄膜壓力傳感器，該傳感器為壓阻式，機(jī)械手包含指內(nèi)側(cè)傳感器和指外側(cè)傳感器，指內(nèi)側(cè)傳感器固定于繃帶與手指內(nèi)側(cè)接觸的地方，而指外側(cè)傳感器則固定于手指背側(cè)與手指固定座接觸的地方。五個(gè)手指分別有兩個(gè)壓力傳感器，因此該機(jī)械手共需要十個(gè)薄膜壓力傳感器。手指內(nèi)側(cè)傳感器11檢測手指屈曲時(shí)手指內(nèi)側(cè)表面壓力，用于檢測患者手指主動屈曲的運(yùn)動意圖。手指外側(cè)傳感器10檢測手指伸展時(shí)手指外側(cè)表面壓力，用于檢測患者手指主動伸展的運(yùn)動意圖。
[0024]在被動康復(fù)訓(xùn)練模式下，主控器12依據(jù)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動范圍及直線推桿電機(jī)3內(nèi)內(nèi)嵌的直線位移傳感器信號，帶動手部進(jìn)行運(yùn)動。在主動康復(fù)訓(xùn)練模式下，主控器12實(shí)現(xiàn)手指端部壓力傳感器10和壓力傳感器11的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集的信號判斷手指的運(yùn)動意圖，進(jìn)而驅(qū)動直線推桿電機(jī)3作出相應(yīng)的伸出或縮回動作。
[0025]本發(fā)明的工作原理:
[0026]五手指康復(fù)機(jī)械手的控制模式如圖3所示，其工作方式分為兩種模式:被動模式和主動助/阻力模式 。兩種模式流程圖分別如圖4、5所示。
[0027]被動模式適用于中風(fēng)初期患者肌無力狀態(tài)下，由機(jī)械手帶動手指進(jìn)行屈曲伸展的訓(xùn)練?；颊吲宕魃蠙C(jī)械手，通過判斷直線電機(jī)內(nèi)置的直線位移傳感器判斷手是否達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)角度，從而確定是否運(yùn)動換向。在患者手部運(yùn)動過程中，如果出現(xiàn)痙攣，則電機(jī)反向運(yùn)動緩解痙攣。而且還可以通過控制器內(nèi)部的定時(shí)器計(jì)時(shí)，監(jiān)測訓(xùn)練時(shí)間。
[0028]主動助/阻力適用于中風(fēng)恢復(fù)期的患者，患者有一定的肌力。當(dāng)患者進(jìn)行手指自主屈曲運(yùn)動時(shí)，通過檢測手指端內(nèi)側(cè)壓力傳感器輸出信號判斷是否達(dá)到設(shè)定力，若達(dá)到則電機(jī)內(nèi)推桿伸出一定距離，患者需要持續(xù)屈曲才可以保證手指內(nèi)側(cè)力傳感器輸出信號達(dá)到所設(shè)定的閾值，這樣才能完成手指屈曲的動作；當(dāng)患者進(jìn)行手指自首伸展訓(xùn)練時(shí)，通過檢測手指端外側(cè)壓力傳感器輸出，進(jìn)行上述類似的的控制以完成自主伸展動作。
[0029]由于所設(shè)計(jì)的五指康復(fù)機(jī)械手包含了五套手指康復(fù)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)，且各配有一個(gè)直線推桿電機(jī)作為動力，故將上述被動或主動模式下的控制方式分別用于各個(gè)電機(jī)，即不同手指采用不同的運(yùn)動范圍或速度，即可實(shí)現(xiàn)抓握、兩指對捏或三指抓取的動作。
[0030]機(jī)械部分的工作原理:由于本發(fā)明采用的是終端牽拉式結(jié)構(gòu)，因此其正常工作過程需要在人手佩戴后才能實(shí)現(xiàn)。完成佩戴后，固定架4位于手背測掌指關(guān)節(jié)處，手指固定座9套于遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)附近。電機(jī)3與電機(jī)固定底座2及弧形架5間均用鉸鏈連接，當(dāng)電機(jī)3伸出時(shí)，電機(jī)3會推動弧形架5繞固定架4轉(zhuǎn)動，弧形架的轉(zhuǎn)動通過拉桿6及手指固定座9的傳遞作用轉(zhuǎn)化為手指端繞掌指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。由于人手指關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)動過程中伴隨著轉(zhuǎn)動半徑的變化，因此手指端繞掌指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動軌跡并非規(guī)則的圓弧。由于推桿6與弧形架5及固定座9間均通過鉸鏈連接，推桿6與弧形架5及手指固定座9間可相互轉(zhuǎn)動，因此在手指屈曲過程中推桿6會自動調(diào)整與弧形架5及固定座9間的夾角，從而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動半徑。當(dāng)電機(jī)回縮時(shí)，上述過程反向即可。
【權(quán)利要求】
1.一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，包括機(jī)械手底板(I)，其特征在于，機(jī)械手底板(I)上側(cè)平面用于固定手部機(jī)械結(jié)構(gòu)和動力控制系統(tǒng)，下側(cè)面為弧形面以適應(yīng)人手結(jié)構(gòu)，通過繃帶固定于手部；手部機(jī)械結(jié)構(gòu)為五組相同的結(jié)構(gòu)適用于五指，其結(jié)構(gòu)為:機(jī)械手底板上(I)上通過電機(jī)固定底座(2)固定直線推桿電機(jī)(3)，直線推桿電機(jī)(3)為機(jī)械手的屈曲和伸展提供動力，直線推桿電機(jī)(3)與電機(jī)固定底座(2)通過銷釘鏈接并能夠圍繞電機(jī)固定底座(2)上的銷釘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直線推桿電機(jī)(3)端部通過銷釘連接弧形架(5)的一端且能夠相對轉(zhuǎn)動，弧形架(5)的另一端與推桿(6) —端相連接；弧形架(5)上的孔和雙側(cè)位固定架(4)的孔同軸相連，推桿(6)另一端與手指固定座(9)相連，在手指固定座(9)上設(shè)置有繃帶，在手指固定座(9)及繃帶上還設(shè)置有檢測手指伸展的壓力傳感器(10)和手指屈曲的壓力傳感器(11); 動力控制系統(tǒng)包括與直線推桿電機(jī)(3)相連的主控器(12)，主控器(12)采用的是基于ARM-Cortex-M3 架構(gòu)下的 STM32F107VC，STM32F107 擁有全速 USB (OTG)接口，兩路 CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊，主控器(12)實(shí)現(xiàn)手指端外側(cè)壓力傳感器(10)、手指端內(nèi)側(cè)壓力傳感器(11)及直線推桿電機(jī)(3)內(nèi)嵌的直線位移傳感器反饋的各信號的采集，并根據(jù)采集的信號驅(qū)動直線推桿電機(jī)(3)運(yùn)動；主控器(12)內(nèi)的信號調(diào)理單元用于手指端外側(cè)壓力傳感器(10)、手指端內(nèi)側(cè)壓力傳感器(11)以及直線推桿電機(jī)(3)內(nèi)嵌的直線位移傳感器信號的處理，并將處理后信號送到采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，其特征在于，所述的推桿(6)上設(shè)置有雙向限位螺釘(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，其特征在于，所述的推桿(6)上設(shè)置不同位置的調(diào)節(jié)孔(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，其特征在于，所述的弧形架(5)上設(shè)置有伸縮孔以便調(diào)節(jié)圓弧半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種穿戴式五手指康復(fù)機(jī)械手，其特征在于，所述的手指端外側(cè)壓力傳感器(10)和手指端內(nèi)側(cè)壓力傳感器(11)采用薄膜壓阻式傳感器。
【文檔編號】A61H1/02GK103767856SQ201410035262
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】王玨, 鄭楊, 王剛, 高琳, 秦永輝, 陳壘, 郭小鳳 申請人:西安交通大學(xué)