一種穿戴式五手指康復機械手的制作方法
【專利摘要】一種穿戴式五手指康復機械手，包括手部機械結構和動力控制系統(tǒng)，手部機械結構為五組相同的結構適用于五指，手部機械結構主要是由弧形架、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動。其中弧形架將電機的直線位移轉化為手指終端的弧形位移，推桿可以相對于弧形架旋轉，通過自動調(diào)節(jié)可以緩解機構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構卡死。本發(fā)明可以實現(xiàn)輔助人手部進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練等多模式的訓練，以實現(xiàn)全面康復。
【專利說明】一種穿戴式五手指康復機械手
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療保健器械康復機器人技術，特別涉及一種穿戴式五手指康復機械手。
【背景技術】
[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。運動功能障礙一般表現(xiàn)為肢體障礙，由于上肢負責從事大量精細動作，所以其功能受損后恢復難度較大，容易導致終身殘疾，對患者日常生活造成嚴重影響。臨床研究表明，康復訓練可以防止肌肉痙攣，增強關節(jié)活動度。目前針對中風病人康復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，需要一種用于手指運動的器械。但目前的訓練機器人都是患者的大關節(jié)(如肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié))的運動，并非每個重要關節(jié)都在運動，特別是手部的運動，而且手部負責日常生活中許多精細的動作，關節(jié)更多更加靈活，因此恢復手部是必不可少的，但大部分的上肢康復器械都忽略了這一點，而且缺乏五指協(xié)調(diào)的康復訓練。有專利采用四連桿機構牽拉手指端部，但其在驅動手指彎曲的同時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)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種穿戴式五手指康復機械手，采用直線電機驅動、能夠輔助患者進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訓練，多模式訓練可以幫助患者進行手部功能康復訓練。
`[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為:
[0005]一種穿戴式五手指康復機械手，包括機械手底板1，機械手底板I上側平面用于固定手部機械結構和動力控制系統(tǒng)，下側面為弧形面以適應人手結構，通過繃帶固定于手部；手部機械結構為五組相同的結構適用于五指，其結構為:機械手底板上I上通過電機固定底座2固定直線推桿電機3，直線推桿電機3為機械手的屈曲和伸展提供動力，直線推桿電機3與電機固定底座2通過銷釘鏈接并能夠圍繞電機固定底座2上的銷釘進行旋轉，直線推桿電機3端部通過銷釘連接弧形架5的一端且能夠相對轉動，弧形架5的另一端與推桿6 一端相連接，弧形架5上設置有伸縮孔以便調(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上設置有繃帶，在手指固定座9及繃帶上還設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3相連的主控器12、主控器12采用的是基于ARM-Cortex-M3 架構下的 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實現(xiàn)手指外側力傳感器10和手指內(nèi)側力傳感器11的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集的信號驅動直線推桿電機3 ;主控器12內(nèi)的信號調(diào)理單元用于處理手指外側力傳感器10、手指內(nèi)側力傳感器11以及驅動直線推桿電機3反饋的位移信號，對傳感器信號進行相應的放大濾波，送到采集板進行數(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上設置有雙向限位螺釘7。
[0009]所述的推桿6上設置不同位置的調(diào)節(jié)孔8。
[0010]所述的弧形架5上設置有伸縮孔以便調(diào)節(jié)圓弧半徑。
[0011]本發(fā)明所提供的五手指康復器械，由機械手底板1、直線推桿電機3和手部機械結構構成，符合人體手部關節(jié)結構，并且設有固定手指和手腕的繃帶，采用電機驅動，可以實現(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節(jié)的運動范圍。設計了多模式訓練方式，可以實現(xiàn)輔助患者手部進行主被動抓握，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機械手的結構圖。
[0013]圖2為穿戴式五手指康復機械手的控制系統(tǒng)結構示意圖。
[0014]圖3為穿戴式五手指康復機械手控制主流程圖。
[0015]圖4為穿戴式五手指康復機械手的控制被動模式流程圖。
`[0016]圖5為穿戴式五手指康復機械手的控制主動模式流程圖。
[0017]圖中:1.機械手底板，2.電機固定底座，3.直線推桿電機，4.雙側位固定架，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。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖及實施例進行詳細說明。
[0019]參照圖1，一種穿戴式五手指康復機械手，包括機械手底板1，機械手底板I上側平面用于固定手部機械結構和動力控制系統(tǒng)，下側面為弧形面以適應人手背部結構，通過繃帶固定于手部；手部機械結構為五組相同的結構適用于五指，其結構為:機械手底板上I上通過電機固定底座2固定直線推桿電機3，直線推桿電機為機械手的屈曲和伸展提供動力，直線推桿電機3與電機固定底座2通過銷釘鏈接并能夠圍繞電機固定底座2上的銷釘進行旋轉，直線推桿電機3端部通過銷釘連接弧形架5的一端且能夠相對轉動，弧形架5的另一端與推桿6—端相連接，弧形架5上設置有伸縮孔，用于便調(diào)節(jié)圓弧半徑以適應不同人手的尺寸；弧形架5上的孔和雙側位固定架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上設置有繃帶，通過繃帶手指指進行固定，在手指固定座9及繃帶上還設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動意圖及相應力的大?。?br> [0020]所述的推桿6上設置有雙向限位孔7，雙向限位孔7防止運動過程中出現(xiàn)機構卡死。
[0021]所述的推桿6上設置不同位置的調(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行訓練。
[0022]所述的弧形架5上設置有可調(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3相連的主控器12、主控器12采用的是基于 ARM-Cortex-M3 架構下的 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機械手走進家庭/社區(qū)構建遠程控制提供了硬件基礎。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3內(nèi)嵌位移傳感器的反饋信號，對傳感器信號進行相應的放大濾波，送到采集板進行數(shù)據(jù)采集。直線推桿電機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推桿的位置，進行可以計算出當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，機械手包含指內(nèi)側傳感器和指外側傳感器，指內(nèi)側傳感器固定于繃帶與手指內(nèi)側接觸的地方，而指外側傳感器則固定于手指背側與手指固定座接觸的地方。五個手指分別有兩個壓力傳感器，因此該機械手共需要十個薄膜壓力傳感器。手指內(nèi)側傳感器11檢測手指屈曲時手指內(nèi)側表面壓力，用于檢測患者手指主動屈曲的運動意圖。手指外側傳感器10檢測手指伸展時手指外側表面壓力，用于檢測患者手指主動伸展的運動意圖。
[0024]在被動康復訓練模式下，主控器12依據(jù)預先設定的運動范圍及直線推桿電機3內(nèi)內(nèi)嵌的直線位移傳感器信號，帶動手部進行運動。在主動康復訓練模式下，主控器12實現(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動意圖，進而驅動直線推桿電機3作出相應的伸出或縮回動作。
[0025]本發(fā)明的工作原理:
[0026]五手指康復機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初期患者肌無力狀態(tài)下，由機械手帶動手指進行屈曲伸展的訓練?；颊吲宕魃蠙C械手，通過判斷直線電機內(nèi)置的直線位移傳感器判斷手是否達到設定的目標角度，從而確定是否運動換向。在患者手部運動過程中，如果出現(xiàn)痙攣，則電機反向運動緩解痙攣。而且還可以通過控制器內(nèi)部的定時器計時，監(jiān)測訓練時間。
[0028]主動助/阻力適用于中風恢復期的患者，患者有一定的肌力。當患者進行手指自主屈曲運動時，通過檢測手指端內(nèi)側壓力傳感器輸出信號判斷是否達到設定力，若達到則電機內(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)側力傳感器輸出信號達到所設定的閾值，這樣才能完成手指屈曲的動作；當患者進行手指自首伸展訓練時，通過檢測手指端外側壓力傳感器輸出，進行上述類似的的控制以完成自主伸展動作。
[0029]由于所設計的五指康復機械手包含了五套手指康復訓練結構，且各配有一個直線推桿電機作為動力，故將上述被動或主動模式下的控制方式分別用于各個電機，即不同手指采用不同的運動范圍或速度，即可實現(xiàn)抓握、兩指對捏或三指抓取的動作。
[0030]機械部分的工作原理:由于本發(fā)明采用的是終端牽拉式結構，因此其正常工作過程需要在人手佩戴后才能實現(xiàn)。完成佩戴后，固定架4位于手背測掌指關節(jié)處，手指固定座9套于遠端指關節(jié)附近。電機3與電機固定底座2及弧形架5間均用鉸鏈連接，當電機3伸出時，電機3會推動弧形架5繞固定架4轉動，弧形架的轉動通過拉桿6及手指固定座9的傳遞作用轉化為手指端繞掌指關節(jié)的轉動。由于人手指關節(jié)在轉動過程中伴隨著轉動半徑的變化，因此手指端繞掌指關節(jié)的轉動軌跡并非規(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，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)轉動半徑。當電機回縮時，上述過程反向即可。
【權利要求】
1.一種穿戴式五手指康復機械手，包括機械手底板(I)，其特征在于，機械手底板(I)上側平面用于固定手部機械結構和動力控制系統(tǒng)，下側面為弧形面以適應人手結構，通過繃帶固定于手部；手部機械結構為五組相同的結構適用于五指，其結構為:機械手底板上(I)上通過電機固定底座(2)固定直線推桿電機(3)，直線推桿電機(3)為機械手的屈曲和伸展提供動力，直線推桿電機(3)與電機固定底座(2)通過銷釘鏈接并能夠圍繞電機固定底座(2)上的銷釘進行旋轉，直線推桿電機(3)端部通過銷釘連接弧形架(5)的一端且能夠相對轉動，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)上設置有繃帶，在手指固定座(9)及繃帶上還設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(3)相連的主控器(12)，主控器(12)采用的是基于ARM-Cortex-M3 架構下的 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)實現(xiàn)手指端外側壓力傳感器(10)、手指端內(nèi)側壓力傳感器(11)及直線推桿電機(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)采集的信號驅動直線推桿電機(3)運動；主控器(12)內(nèi)的信號調(diào)理單元用于手指端外側壓力傳感器(10)、手指端內(nèi)側壓力傳感器(11)以及直線推桿電機(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行數(shù)據(jù)采集。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種穿戴式五手指康復機械手，其特征在于，所述的推桿(6)上設置有雙向限位螺釘(7)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種穿戴式五手指康復機械手，其特征在于，所述的推桿(6)上設置不同位置的調(diào)節(jié)孔(8)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種穿戴式五手指康復機械手，其特征在于，所述的弧形架(5)上設置有伸縮孔以便調(diào)節(jié)圓弧半徑。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種穿戴式五手指康復機械手，其特征在于，所述的手指端外側壓力傳感器(10)和手指端內(nèi)側壓力傳感器(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