CN103735389B - 一种手指间协调性训练康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平台式的手指间协调性训练康复装置，包含多个手指训练结构，通过闭环控制系统控制电机和磁流变液阻尼器进行混合驱动；利用机器人自学习神经网络和存储数据库帮助患者完成被动训练；利用上位机内的虚拟场景和虚拟现实技术帮助患者完成主动训练。使用本发明装置时，患者的运动负担小，且可以多个手指协调运动，根据患者伤情，选择进行主/被动训练，更加有针对性；结合趣味游戏，诱导患者积极主动参与康复训练。

Description

一种手指间协调性训练康复装置

技术领域

本发明涉及一种训练康复装置，特别是一种手指训练康复装置。

背景技术

手是人们探索和开发世界的重要工具，手功能的削弱和失效不但使患者不能参与社会劳动，甚至失去自理能力，给社会和家庭造成极大的负担。研究表明，持续的一定强度重复性训练能够恢复手的功能，而手功能和技巧的恢复又能很大程度上促进大脑的再学习能力，否则，容易造成手的永久性残疾。

在传统的康复治疗中，治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练，这种方式的训练效率和训练强度难以保证，训练效果受到治疗师水平的影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。

为了减轻家庭和社会的经济负担，提高康复训练效率，研究者们将机器人技术应用于康复领域，既可提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健的成本。另外，机器人可以记录详实的治疗数据及图形，能提供客观、准确的治疗和评价参数，有助于机器人辅助治疗偏瘫研究的深入开展，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。随着力触觉交互技术的进步，针对肢体关节康复训练的力觉交互设备得到了极大的发展，特别是用于下肢和上肢的康复训练交互设备已逐渐步入商品化阶段。但用于手指康复训练的力觉交互设备发展较慢，主要是由于手指与肢体其它关节部位不同，具有较多的自由度并且活动空间很小，使得手指康复设备的开发难度很大。

目前的手指康复装置主要由数据手套外骨骼形式及平台支撑式两种。

数据手套外骨骼装置，使用数据手套实现手姿态测量，使用外骨骼结构来实现力反馈，存在机械结构笨重，不容易穿戴，处在手指康复阶段的病人穿戴外骨骼结构容易造成二次损伤，加重了病人手部康复训练的负担；而且，外骨骼式结构的力反馈驱动执行器主要由电机、气动、液压等主动型驱动设备，存在结构复杂、体积庞大、机构摩擦力大等缺点，并且其稳定性、安全性等方面存在问题；外骨骼式结构的康复装置控制方式主要采用被动控制，训练模式单一，不能根据患者的康复状况进行适当的调节，不利于患者主观能动性的发挥；数据手套多采用CyberGrasp进口设备，价格昂贵，不便于康复医疗实用。

现存的平台支撑式康复装置，可以将驱动器及传感控制装置安装在一个平台上，只需要将偏瘫病人手指与力交互装置连接，可以减少手部的压迫感。但是现存的平台支撑式康复装置都为单指训练，不能实现多手指协调运动训练，使手指康复效果大打折扣。因此，能够实现手指间协调性训练，使用主被动混合驱动器，减少手指压迫束缚的平台支撑式康复装置有很大应用前景。

磁流变液是一种新型的液体智能材料，在磁场作用下其流变学特性中的表观粘度发生剧烈变化，由原来的牛顿流体状态转变为类似固体状态，这种状态的变化具有快速、可逆和连续的特点，该特性为被动力觉再现装置的设计提供了新思路。磁流变液阻尼器结构示意如图1所示，从图中可以看出，主要包括转子3、壳体2、线圈4、绝磁环5和轴1等，转子通过轴固定于壳体内，与壳体内壁之间有一定的轴向间距，轴与壳体之间需要用密封圈密封，使壳体与绝磁环围成一个封闭的空间，空间内充满磁流变液液体7，转子通过轴能够在密封空间内转动，壳体、转子、线圈以及液体组成一个闭合的磁路6。

磁流变液在没有施加磁场的情况下，表现为牛顿流体的特性，转子通过轴能够在密封空间内自由转动。当给线圈施加电流时，其产生的磁场沿壳体通过一侧工作间隙中的磁流变液、转子、另一侧工作间隙中的磁流变液体回壳体形成回路，磁力线垂直通过工作间隙中的磁流变液，转子和壳体都是由磁导率很高的材料制成，而磁流变液是由导磁率极低的材料制成，所以大部分磁压降到了磁流变液体上，在磁场的作用下，磁流变液的流变学特性发生了剧烈的变化，粘度在几毫秒时间内就迅速增大，屈服应力增大，转子相对壳体运动剪切磁流变液产生的力将传递到轴上，随着电流强度的增大，磁流变液的粘度也不断增大，屈服应力在磁流变液磁饱和前与电流呈现一定关系，这样可以通过控制电流强度的大小精确控制转子力矩的大小。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种手指尖协调性训练康复装置，一方面可以解决现有技术中数据手套外骨骼装置不易穿戴加重病人手部负担、体积庞大稳定安全性差、训练模式单一、价格昂贵的技术问题；另一方面可以解决现有的平台支撑式康复装置无法实现多指协调训练的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种手指间协调性训练康复装置，包括支架底座平台、手指训练机构和控制系统；所述手指训练机构按照人手指分为拇指组、食指组、中指组、无名指组和小指组，每组手指训练机构按照人手指的位置相应地布置于支架底座平台上；每组手指训练机构的结构相同，均包括手指活动装置、混合驱动器和传感装置；

所述手指活动装置包括导轨、滑块和光轴，所述滑块置于导轨上，沿导轨方向在滑块的一端活动地设有固定手指的手指支撑架，沿导轨方向在滑块另一端设有轴承，所述轴承通过销轴固定，且轴承的中线在支撑底座平台上的投影与导轨方向平行，所述光轴套在轴承内；

所述混合驱动器包括电机和磁流变液阻尼器，所述电机与磁流变液阻尼器均套在一根中心轴上，中心轴上靠近磁流变液阻尼器的一端与光轴固定连接；

所述传感装置包括力传感器和角度传感器，所述力传感器和角度传感器均套在中心轴上，其中力传感器套在中心轴上且靠近磁流变液阻尼器的一端处；

所述控制系统包括上位机和下位机，其中下位机内包括机器人自学习神经网络、存储数据库和闭环控制系统，上位机内包括虚拟场景模块和反馈力计算模块；本发明中基于有源和无源混合控制系统的相关技术可参考2011年12月在《沈阳工业大学学报》的第33卷第6期中文章《基于有/无源混合执行器的力觉交互装置》。

在被动训练时，患者首先在医生帮助下完成一个完整运动模式，在该过程中机器人自学习神经网络时刻采集力传感器检测到的中心轴上的力的信息和角度传感器检测到中心轴转过的角度信息进行学习训练并将上述信息记录在存储数据库中；学习完成后机器人自学习神经网络调取存储数据库中的信息并计算出重复该过程所需要的每个时刻电机和磁流变液阻尼器需要提供的转速和力，并通过闭环控制系统驱动电机和磁流变液阻尼器配合工作进而带动患者进行被动训练；

在主动训练时，上位机内呈现虚拟场景，反馈力模块根据虚拟场景实时计算出对应的虚拟反馈力，并通过闭环控制系统驱动电机和磁流变液阻尼器配合工作使力传感器上检测到的中心轴上的力经过机械部件的传递作用最终作用到患者手部的力等于虚拟反馈力。

在使用本发明装置时，将手指指尖通过医用胶布固定在手指支撑架上，当手指摆动的时候，会推动滑块沿导轨滑动，进而带动光轴在轴承内滑动，同时轴承绕着与滑块之间的销轴摆动。在光轴的带动下力传感器、磁流变液阻尼器、电机和角度传感器均随着中心轴进行旋转运动。

进一步的，在本发明中，所述手指支撑架与滑块通过销轴连接。使得手指可以绕滑块转动。

进一步的，在本发明中，拇指组手指训练机构的手指支撑架设置在相应滑块远离动力控制装置的一面上；其余手指训练机构中的手指支撑架设置在相应滑块的上端面上。按照手指的生理位置合理设置各个手指支撑架的位置，保证各个手指在训练过程的舒适度。采用指尖与手指支撑架固定，通过拉动指尖来带动整个手指的运动，这样不仅可以使手指在大范围空间运动，同时还减少手指的约束感。

更为优选的，在本发明中，所述手指活动装置和中心轴的材料为铝合金。铝合金材料质量轻，保证整个装置的转动惯量很小，病人在做被动训练时，更加轻松自如。

有益效果：

本发明采用平台支撑式的结构，手指训练机构置于支架底座平台上，而不用偏瘫患者手部来承受，减轻了偏瘫患者的运动负担；

同时本发明通过将无源的磁流变液阻尼器与有源的电机相结合；主动训练时通过控制系统接收力传感器和角度传感器发送的信号并存储，通过闭环控制算法来驱动电机与磁流变液阻尼器配合产生精确的反馈力进而作用到人手指上，阻碍手指的运动；被动训练时通过测量手指上的肌张力，将适合的反馈力作用到人手指上驱动手指运动。本发明装置将主/被动训练结合起来，使力觉交互装置稳定性好、安全性高、保真度高，输出更加平滑可靠，使其更适合手部康复训练；

进一步的，本发明可以多个手指同时进行训练，实现了手指间协调性的恢复；

本发明还可结合了虚拟现实中力反馈技术，利用趣味的虚拟现实游戏，可以诱导患者积极主动的参与康复训练。

附图说明

图1为本发明装置中的磁流变液阻尼器的结构示意图；

图2为本发明装置的机械部分的结构示意图；

图3为本发明的带反馈回路的力觉交互装置的原理图；

图4为混合驱动力觉交互装置的模型；

图5为装置频域框图；

图6为PID控制方法对装置进行控制，系统控制框图；

图7为本发明中下位机与机械部分的信息流的传递示意图；

图8为本发明总的信息流传递示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种手指间协调性训练康复装置，包括支架底座平台12、手指训练机构和控制系统，其中支架底座平台12和手指训练机构为本装置的机械部分；所述手指训练机构按照人手指分为拇指组、食指组、中指组、无名指组和小指组，每组手指训练机构按照人手指的位置相应地布置于支架底座平台上。当患者某几个手指需要进行康复训练时可选取相对应的手指训练机构，如图2中从左到右分别显示了拇指组、食指组和中指组的手指训练机构，每组手指训练机构的结构相同，均包括手指活动装置、混合驱动器和传感装置，下面具体介绍拇指组的手指训练机构：

手指活动装置包括导轨8、滑块9和光轴10，均由轻质的铝合金材料制成。所述滑块9置于导轨8上，沿导轨8的方向在滑块9的一端活动地设有固定手指的手指支撑架11，所述手指支撑架11与滑块9通过销轴连接。具体到每组手指训练机构来说，其中拇指组手指训练机构的手指支撑架设置在相应滑块远离混合驱动器的一面上，其余手指训练机构中的手指支撑架设置在相应滑块的上端面上，这样的设置符合人手的生理结构。在沿导轨8的方向，在滑块9另一端设有轴承19，所述轴承19通过销轴固定，且轴承19的中线在支架底座平台12上的投影与导轨8方向平行；所述光轴10套在轴承19内，轴承19设置在滑块9的侧面，或者如图2中所示，滑块9中间为空心，轴承19设置在滑块9中间，只要不影响光轴10的运动即可，这样轴承19可以绕着固定轴承19的销轴旋转，光轴10可以在轴承19内滑动。

所述混合驱动器包括电机13和磁流变液阻尼器14，所述电机13与磁流变液阻尼器14通过联轴器18连接并套在一根铝合金制的中心轴15上，中心轴15上靠近磁流变液阻尼器14的一端与光轴10固定连接，中心轴15与光轴10之间可以传递扭矩。

所述传感装置包括力传感器16和角度传感器17，所述力传感器16和角度传感器17均套在中心轴15上，其中力传感器16套在中心轴15上且靠近磁流变液阻尼器14的一端处，用于检测中心轴15上的扭矩。

滑块9可以沿导轨8滑动，手指支撑架11通过销轴固定在滑块9上，可以绕滑块9旋转运动，固定在滑块9上的轴承19也可以绕滑块9旋转，套在轴承19上的光轴10可以在轴承19中滑动；光轴10通过销轴与中心轴15固定；力传感器16的轴与磁流变液阻尼器14的轴通过销轴固定；电机13与磁流变液阻尼器14之间通过联轴器18固定；角度传感器17固定在电机13轴的末端。因此当拇指指尖通过医用胶布固定在手指支撑架11上，当手指摆动的时候，会推动滑块9沿导轨8滑动，进而带动光轴10和轴承19摆动，在光轴10的带动下，力传感器16、磁流变液阻尼器14、电机13和角度传感器17进行旋转运动。食指与中指的运动模式与拇指相仿。根据人手生物学特性，进行合理安置导轨的位置，可以实现三个手指的对指及伸张运动。

如图8所示，所述控制系统包括上位机和下位机，其中下位机为ARM处理器，其内部包括机器人自学习神经网络、存储数据库和闭环控制系统，上位机为PC，其内部包括虚拟场景模块和虚拟现实反馈力模块。ARM处理器与PC端通过USB接口进行连接，ARM处理器与机械部分通过各种模块实现软硬件连接，具体为：力传感器16通过调理电路连接至ARM处理器中的ADC模块，角度传感器17通过硬件译码电路连接至ARM处理器，ARM处理中闭环控制系统由DAC模块向电流控制模块和电流源发出指令，控制磁流变液阻尼器14上阻尼力的大小，ARM处理中闭环控制系统由PWM模块向电机驱动器发出指令控制电机转速及电机扭力。

本发明装置为带反馈回路的力觉交互装置，其原理如图3所示。该原理图中，左边将目标作用力和力传感器16上测到的中心杆15上的输出力传递给控制系统中，控制系统分别控制电机13和磁流变液阻尼器14，二者配合工作得到输出力，即为患者实际受力。

控制系统中的闭环控制系统用于控制电机13和磁流变液阻尼器14配合工作，属于混合力觉交互装置，其基本的模型如图4所示。其中，f_m、J_m、B_m和ω_m分别为电机13的转子受力、转动惯量、粘滞系数和转速，K_b为磁流变液阻尼器14的阻尼系数，f_h和ω_h分别为装置光轴10的受力和转速。

图4中的基本模型在频域内的框图如图5所示。其中，F_m(s)、ω_m(s)、F_h(s)和ω_h(s)分别是f_m、ω_m、f_h和ω_h参数的频域形式，J_m为电机转动惯量，B_m为电机粘滞系数，K_b为磁流变液阻尼器14的阻尼系数。

采用PID控制方法对本装置进行控制，得到控制框图如图6所示。这里主要包括前馈部分20、PID控制器21和装置受控对象22，F_d为目标作用力，K_I、K_P、K_D分别为积分增益、比例增益和微分增益，其余字母代表的含义同前文介绍。为了提高系统的瞬态响应性能和减小操作者运动对输出力的影响，针对目标作用力和光轴10转动，分别采用基于逆动力学模型的前馈控制算法。

本发明装置可以实现主动训练、被动训练两种模式。当患者在完全失去运动能力时，可以采取被动训练方式进行康复训练；当患者具有一定运动能力时，则可以采取主动训练方式进行训练。

在被动训练的时候，首先需要医生根据患者的伤情进行引导训练，同时完成对机器人自学习神经网络参数的自动获取。具体过程是，当患者将手指在本装置上摆放固定好后，医生带动患者的手指在适合他伤情的范围内按照医生设定好的运动模式进行协调运动，此时角度传感器17实时记录下中心杆15转过的角度，这个信息可以反映当前患者手指的位置信息，力传感器16实时记录下当前中心杆15上的力，这个信息可以反映当前患者手指上的力，以上两个传感器记录的信息输入机器人自学习网络进行训练学习，最终存储在存储数据库中成为机器人自学习神经网络参数。当医生帮助患者完成一组完整的运动模式之后，医生可以不再帮助患者，而使用经训练学习好的机器人自学习神经网络来帮助患者实现后续的被动训练。此时，机器人自学习神经网络会根据存储在存储数据库中的机器人自学习神经网络参数来计算出按照医生设定的训练模式的每个时刻电机13和磁流变液阻尼器14需要提供的转速和力来重现之前有医生帮助训练时的运动模式，进而传递信号给电机驱动器和电流源分别对电机13和磁流变液阻尼器14进行驱动，从而实现患者的被动训练，该过程完全重现有医生帮助时的整个运动模式，不断重复。在重复的过程中，力传感器16会实时检测中心杆15上力的大小，如果在训练过程中检测到的力不符合医生设定好的运动模式中的力的范围，则证明出现了意外情况，如患者痉挛等，此时及时停止训练，检查情况，防止因力过大伤害患者手指。当患者不再适用当前设定的运动模式后，需要医生设定新的运动模式，重复上述整个过程，即先进行引导训练，然后再让本装置实现过程重复。

在主动训练的时候，当患者将手指在本装置上摆放固定好后，主动拖动装置，此时通过角度传感器17检测中心轴15转过的角度确定当前手的运动姿态，包括手指运动速度和位置信息，上位机中显示虚拟场景，如拔萝卜的3D游戏，结合虚拟现实的力反馈技术及3D游戏就可以通过上位机实时发送完成拔萝卜3D游戏过程中实时需要的虚拟力的大小，来模拟现实环境中的手指抓取动作，将这个虚拟力作为反馈力，通过闭环控制算法来驱动电机13与磁流变液阻尼器14配合产生精确的反馈力进而作用到人手指上，阻碍手指的运动，实现患者的主动训练。

因本发明装置可以同时实现多手指的康复训练，所以在进行多手指的被动训练时，医生帮助患者完成一次制定好的包含各手指的协调训练模式，比如说按照拇指、中指、小指的先后顺序进行抓取为一个完整的协调训练模式，机器人自学习系统同时将每个手指的运动过程参数记录下来，完成学习后，重现多手指协调训练模式，帮助患者完成被动训练；同理，主动训练时，虚拟现实反馈力模块也会计算出每个手指相对应的虚拟反馈力，然后分别传递给相应手指的闭环控制系统，完成反馈，帮助患者进行主动训练。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种手指间协调性训练康复装置，包括支架底座平台(12)、手指训练机构和控制系统；所述手指训练机构按照人手指分为拇指组、食指组、中指组、无名指组和小指组，每组手指训练机构按照人手指的位置相应地布置于支架底座平台上；每组手指训练机构的结构相同，均包括手指活动装置、混合驱动器和传感装置，其特征在于：

所述手指活动装置包括导轨(8)、滑块(9)和光轴(10)，所述滑块(9)置于导轨(8)上，沿导轨(8)方向在滑块(9)的一端活动地设有固定手指的手指支撑架(11)，沿导轨(8)方向在滑块(9)另一端设有轴承(19)，所述轴承(19)通过销轴固定，且轴承(19)的中线在支撑底座平台上的投影与导轨(8)方向平行，所述光轴(10)套在轴承(19)内；

所述混合驱动器包括电机(13)和磁流变液阻尼器(14)，所述电机(13)与磁流变液阻尼器(14)均套在一根中心轴(15)上，中心轴(15)上靠近磁流变液阻尼器(14)的一端与光轴(10)固定连接；

所述传感装置包括力传感器(16)和角度传感器(17)，所述力传感器(16)和角度传感器(17)均套在中心轴(15)上，其中力传感器(16)套在中心轴(15)上且靠近磁流变液阻尼器(14)的一端处；

所述控制系统包括上位机和下位机，其中下位机内包括机器人自学习神经网络、存储数据库和闭环控制系统，上位机内包括虚拟场景模块和虚拟现实反馈力模块；

在被动训练时，患者首先在医生帮助下完成一个完整运动模式，在该过程中机器人自学习神经网络时刻采集力传感器(16)检测到的中心轴(15)上的力的信息和角度传感器(17)检测到中心轴(15)转过的角度信息进行学习训练并将上述信息记录在存储数据库中；学习完成后机器人自学习神经网络调取存储数据库中的信息并计算出重复该过程所需要的每个时刻电机(13)和磁流变液阻尼器(14)需要提供的转速和力，并通过闭环控制系统驱动电机(13)和磁流变液阻尼器(14)配合工作进而带动患者进行被动训练；

在主动训练时，上位机内呈现虚拟场景，角度传感器(17)检测到当前中心轴(15)转过的角度，虚拟现实反馈力模块根据虚拟场景实时计算出对应的虚拟反馈力模拟现实环境中手指抓取动作，并通过闭环控制系统驱动电机(13)和磁流变液阻尼器(14)配合工作产生精确的反馈力，进而作用到患者手部。

2.根据权利要求1所述的一种手指间协调性训练康复装置，其特征在于：所述手指支撑架(11)与滑块(9)通过销轴连接。

3.根据权利要求1所述的一种手指间协调性训练康复装置，其特征在于：拇指组手指训练机构的手指支撑架(11)设置在相应滑块(9)远离动力控制装置的一面上；其余手指训练机构中的手指支撑架(11)设置在相应滑块(9)的上端面上。

4.根据权利要求1所述的一种手指间协调性训练康复装置，其特征在于：所述手指活动装置和中心轴(15)的材料为铝合金。