CN103519970A - 一种微智能外骨骼手指康复机器人 - Google Patents
一种微智能外骨骼手指康复机器人 Download PDFInfo
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Abstract
一种微智能外骨骼手指康复机器人，包括：手背部分、手指部分、钢丝传动机构、齿轮传动机构、电机、连接轴、驱动轴、被动轴、弯曲传感器。外骨骼手指康复机器人主要提供2个自由度在掌指关节（ MCP 关节）和近端指间关节（ PIP 关节），通过电机驱动方式带动钢丝传动机构和齿轮传动机构运动，以实现偏瘫患者手指的弯曲和伸展运动,并且弯曲传感器实时反馈手指的弯曲角度。该康复机器人采用网络通信连接，具有技术含量高，能安全辅助患者完成康复训练，并通过科学的往返运动有效刺激大脑神经促进手部的康复。除此之外，该机器人具有便携性，可穿戴性，且适于家庭康复等优点。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗领域，特别将机器人技术与康复医疗技术进行结合，该系统具有智能、高效、便携轻便等特点。
背景技术
传统的康复方法虽然能帮助患者恢复肢体功能，但其对人力物力消耗过大，且没有客观科学的评价方法，而外骨骼康复机器人系统提供了解决方案。外骨骼康复机器人可用于辅助偏瘫患者进行康复训练，帮助患者恢复肢体功能，准确高效地评价患者的康复情况。
外骨骼康复机器人是根据人体工学的特点进行设计，相当于患者的外置骨骼，患者可以将其穿戴在肢体上辅助患侧肢体进行康复训练，根据设备配套的相关传感器对患者的康复情况进行客观评价，提高患者的康复效果。而现有的外骨骼康复机器人大多体积较大，不具有便携性和实现家庭康复的能力。除此之外，大多数上肢康复机器人缺少上肢和手指的结合。因此，本发明意在解决上述问题而设立。
发明内容
本发明目的是解决偏瘫患者的手指运动功能的康复问题，提供一种微智能外骨骼手指康复机器人。
本发明提供的微智能外骨骼手指康复机器人包括，手背、手指第一节、手指第二节、滑轮、弯曲传感器、电机、驱动轴、被动轴、轴套、传动齿轮组、调节滑槽、连接轴、螺纹轴、钢丝传动机构。手背和手指第一节通过螺纹轴进行连接，手指第一节和手指第二节的背面分别设置有一个调节滑槽，调节滑槽内通过轴套分别安装有驱动轴和被动轴，驱动轴和被动轴的一端各安装有一个齿轮，两个齿轮相互啮合构成传动齿轮组，在驱动轴上同时安装有一个滑轮，该滑轮通过钢丝与手背上安装的电机轴连接，构成钢丝传动机构，弯曲传感器通过螺纹连接方式安装在手指关节上。
本发明设计的外骨骼手指康复机器人采用铝合金和尼龙材料，通过机器人手背和手指部分的开槽，用尼龙搭扣带将机器人和患者的手部进行连接。根据不同人的手指尺寸，在机器人的手指部分设计调节滑槽，并用螺钉根据患者的手指尺寸进行调节。
外骨骼手指康复机器人主要采用电机驱动，主要为了实现手指掌指关节（MCP关节）和近端指间关节（PIP关节）的弯曲和伸展运动，安装在手背上的电机通过钢丝传动的方式带动驱动轴进行转动，驱动轴通过传动齿轮组带动被动轴进行转动实现PIP关节的弯曲。连接轴将外骨骼手指结构与外骨骼上肢康复机器人（其他设备）进行连接以实现掌指关节（MCP关节）的运动。外骨骼的手指康复机器人的MCP和PIP关节分别与患者的关节相对应。
除此之外，安装在外骨骼的弯曲传感器为了测量手指的弯曲角度，而系统中配备的力传感器为了保证训练过程中的安全性，脑肌电分析系统用于有效刺激患者的大脑的神经促进康复，表面肌电分析系统为了评价手指的康复情况。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明外骨骼手指康复机器人采用康复医疗技术与机器人技术结合，为了减轻外骨骼机器人的重量，主要采用铝合金和尼龙材料，根据人体结构尺寸进行零件设计。在机器人的运动关节处设计尺寸调节装置以满足不同患者的穿戴需求。
2.在驱动装置的设计上，本发明申请人进过考虑选择电机驱动方式，并采用钢丝传动结构和齿轮传动结构传递转速以控制手指结构进行弯曲和伸展运动。
3.为了实现机器人的便携性和穿戴性，本发明将驱动装置和机器人相结合，改变了过往的外骨骼手指结构的驱动装置和运动装置相分离的缺点，大大减小了手指结构的尺寸。与此同时，手指结构上设计有开槽，患者手指关节可以通过尼龙搭扣带与机器人相互连接。
4.采用传感器技术，实时客观的反馈系统的运动信息，为患者制定高效科学的康复训练方法。
5.该机器人将外骨骼机器人技术与康复医学相结合，科学证明高效的运动刺激有助于偏瘫患者的神经再塑，因此该机器人主要使用电机驱动的方式提供人手掌指关节（MCP关节）和近端指间关节（PIP关节）的两个自由度的屈伸运动，刺激患者神经，帮助其恢复运动功能。
附图说明
图1是外骨骼手指康复机器人系统框图。
图2是外骨骼手指康复机器人结构正面示意图。
图3是外骨骼手指康复机器人结构背面示意图。
图中，1.手背，2.手指第一节，3.PIP关节，4.手指第二节，5.滑轮，6.弯曲传感器，7.MCP关节，8.电机，9.驱动轴，10.被动轴，11.轴套，12.传动齿轮组，13.调节滑槽，14.连接轴，15.螺纹轴，16.钢丝传动机构。
具体实施方式
实施例1：
一、微智能外骨骼手指康复机器人系统组成
如图1所示，本发明提供的外骨骼手指康复机器人是外骨骼手指康复机器人系统的重要组成组成部分。外骨骼手指康复机器人系统包括，系统主端和系统从端。系统主端有主端虚拟现实系统、六自由度触觉感受器；系统从端有从端虚拟现实系统、电机控制单元、外骨骼机构、表面肌电分析系统、力传感器、弯曲传感器和脑肌电分析系统。
如图2和图3所示，外骨骼机构即指本发明的微智能外骨骼手指康复机器人，包括1.手背，2.手指第一节，3.PIP关节，4.手指第二节，5.滑轮，6.弯曲传感器，7MCP关节，8.电机，9.驱动轴，10.被动轴，11.轴套，12.传动齿轮组，13.调节滑槽，14.连接轴，15.螺纹轴，16.钢丝传动机构。手背和手指第一节通过螺纹轴进行连接，手指第一节和手指第二节的背面分别设置有一个调节滑槽，调节滑槽内通过轴套分别安装有驱动轴和被动轴，驱动轴和被动轴的一端各安装有一个齿轮，两个齿轮相互啮合构成传动齿轮组，在驱动轴上同时安装有一个滑轮，该滑轮通过钢丝与手背上安装的电机轴连接，构成钢丝传动机构，弯曲传感器通过螺纹连接方式安装在手指关节上
外骨骼手指康复机器人采用电机驱动方式，主要在MCP关节和PIP关节提供两个自由度的运动，从而实现四指的旋转和伸展运动，手背上的电机拉动钢丝绳带动驱动轴上的滑轮带动驱动轴转动，同时驱动轴上的齿轮与被动轴上的齿轮配合带动转动，实现PIP关节的弯曲运动；连接轴与外骨骼上肢康复机器人（其他设备）连接实现MCP关节的弯曲运动，手指内侧的弯曲传感器用于测量手指的弯曲角度。
二、康复训练的工作流程
阶段一：六自由度触觉感受器状态改变
患者（健侧手）或者治疗师改变六自由度触觉感受器的运动状态，根据指定的运动轨迹控制触觉感受器进行运动。
阶段二：控制信息的传递
六自由度触觉感受器将通过自带传感器将信息传递给工作站中设定好的虚拟现实系统，并进过OpenGL、VC++等编程软件将运动信息传递给电机控制单元。
阶段三：外骨骼手指康复机器人的运动
电机控制单元驱动安装在外骨骼手指康复机器人上的电机运动，促使其完成弯曲和伸展运动。
阶段四：患者康复信息的评估和监测
弯曲传感器和力传感器用于监测设备的运动情况，并保证训练过程中的安全性，表面肌电分析系统于评价患者的康复情况，脑肌电分析系统用于刺激患者大脑使其恢复自我运动调节的能力。
阶段五：康复训练方法的优化
治疗师根据患者的康复信息优化训练的方法，并进行新一轮的康复训练。
三、本发明所涉及的重要技术简介
1.外骨骼技术
2007年，加拿大医疗研究机构（CIHR）发明的康复机器人MEDARM，运用特殊的机械结构可以主要为肩部提供五个自由度的运动。2007年由华盛顿大学研制的CADEN-7 机器人是一款外骨骼式机器人，具有7个自由度，可以辅助患肢的肩、肘、腕等进行多关节的复合运动。
2010年，国立台湾大学发明的Rehab-robot 上肢康复机器人，在肩部有6个自由度，肘部1个自由度以及腕部的2个自由度，通过利用表面肌电信号和力学传感器指导患者完成指定的康复运动，保证训练的安全性。2011年上海交通大学研究的上肢康复训练机器人的目的在于提供一种具有重力平衡功能的（患者）主动运动训练系统，可供肌力在2级~5级的不完全瘫痪或轻瘫患者使用。
2.传感器技术
系统中采用智能传感器技术，其中弯曲传感器测量手指弯曲角度，而力传感器用于保证康复训练的安全性防止手指受力过渡；脑肌电分析系统用于刺激患者大脑，实现患者的自我训练调节；表面肌电分析系统用于评价患者的康复状态并制定合适的康复方法。
3．六自由度触觉感受器
六自由度触觉感受器采用虚拟现实技术与工作站进行连接，实现信息的交互并控制外骨骼手指康复机器人进行运动，同时工作站输出触觉感受器的运动信息。
Claims (1)
1.一种微智能外骨骼手指康复机器人，其特征在于该机器人包括手背，手指第一节，手指第二节，滑轮，弯曲传感器，电机，驱动轴，被动轴，轴套，传动齿轮组，调节滑槽，连接轴，螺纹轴和钢丝传动机构；手背和手指第一节通过螺纹轴进行连接，手指第一节和手指第二节的背面分别设置有一个调节滑槽，调节滑槽内通过轴套分别安装有驱动轴和被动轴，驱动轴和被动轴的一端各安装有一个齿轮，两个齿轮相互啮合构成传动齿轮组，在驱动轴上同时安装有一个滑轮，该滑轮通过钢丝与手背上安装的电机轴连接，构成钢丝传动机构，弯曲传感器通过螺纹连接的方式安装在手指关节上。
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