CN103750976A - 一种三自由度外骨骼式手指康复机器人 - Google Patents

Abstract

一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于它包括电机驱动单元、传动单元和执行单元；其工作方法包括：电机驱动力输入、手指MCP关节运动、手指PIP关节运动、手指DIP关节运动和运动参数的调节：其优越性在于：智能、便携、安装简单、训练方法高效、利用手掌指关节的动作来控制患者的康复运动。

Description

一种三自由度外骨骼式手指康复机器人

（一）技术领域：

本发明属于机器人领域，尤其是涉及一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，特别适用于由中风引起的偏瘫病人的手指运动功能恢复训练

（二）背景技术：

脑卒中，俗称中风（stroke），目前已成为欧美国家成年人致残的首要原因。美国心脏协会2007年的一份调查报告显示，美国每年有超过70万的新增中风患者；在我国，据不完全统计，现有中风患者数量也在500万以上。随着人口老龄化现象的进一步加剧，在未来几年中，中风的发病率将继续保持增长的趋势。一般情况下，随着医疗水平的不断提高，大概60～75%的中风患者能够幸存。但是，其中大多数人的上肢或者下肢运动功能存在缺陷甚至导致偏瘫。手是人体比较精细的机构，微小空间内神经血管纵横交错，小肌肉遍布全手，致使手部损伤的治疗难度较大，要求较高，且治疗后康复周期长，通常把手指的康复作为上肢康复的关键难题。

根据科学论证，大脑中枢神经具有可塑性，科学高效的运动方式有助于刺激大脑神经的恢复，这就为运动康复疗法带来了理论基础。目前的运动康复治疗主要是通过康复治疗师用针灸、按摩等方法或者借助一些简易的医疗器械帮助患者恢复运动功能。首先，这使得康复训练对人力和物力的要求比较高，昂贵的医疗费用对患者造成沉重的经济负担；其次，康复效果主要依靠医疗师的经验和主观判断，缺少客观量化的评价；最后，康复训练过程中，缺少舒适的支撑结构，这使得偏瘫肢体在训练中容易造成二次的损伤。

外骨骼手指康复机器人满足人体工学的设计，为患者的偏瘫患者提供一种外置“骨骼”,以此帮助患者进行运动，同时借助一些传感器高效的控制外骨骼机器人运动，为患者提供一套科学的康复方法。然而，现有的外骨骼手指康复机器人机构都比较庞大，多采用执行机构和驱动机构分离的方法，不利于实现家庭康复。除此之外，大多数的外骨骼手指康复机器人传动结构比较复杂，不利于装卸且实现的自由度比较少。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，它可以克服现有技术的不足，是一种可以帮助患者完成手指的三个关节的旋转运动，刺激患者大脑的可塑性恢复。

本发明的技术方案：一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于它包括电机驱动单元、传动单元和执行单元；其中，所述电机驱动单元的输入端接收脑肌电分析工作站发出的驱动信号，其输出端与传动单元的输入端连接；所述执行单元的输入端与传动单元的输出端连接，其输出端与患者的手指接触，通过力使患者手指进行动作。

所述电机驱动单元包括电机、驱动轴、手掌部分、平行槽轴；所述传动单元包括转动轴I、转动轴II、转动轴III、螺纹轴、转动轴IV、传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV、传动轮V、平行槽轴、连接杆；所述执行单元包括手指MCP(Metacarpophalangeal joint——掌指关节)关节、手指PIP(Proximal interphalangeal joint——近端指间关节)关节、手指DIP(Distal interphalangeal joint——远端指间关节)关节、MCP关节连接开槽、手指PIP关节连接开槽、可调节滑槽、手指DIP关节连接开槽；其中，所述电机安装在手掌部分；所述驱动轴通过顶丝与电机轴连接；所述平行槽轴与驱动轴连接；所述传动轮V1通过转动轴I连接在手掌部分；所述传动轮IV和传动轮III通过转动轴II和转动轴III与手指MCP关节连接；所述传动轮I通过转动轴IV连接在手指PIP关节上；所述螺纹轴与传动轮III通过钢丝绳形成微型钢丝绳传动结构；所述传动轮II通过螺纹连接固定在转动轴III上；所述手指PIP关节和手指DIP关节之间依螺纹通过连接杆连接；所述手指DIP关节通过螺纹顶丝固定在转动轴IV上。

所述传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV和传动轮V上均有宽度为1.5-2mm用来与钢丝绳进行配合的平行槽。

所述传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV和传动轮V之间通过钢丝绳连接，形成微型钢丝绳传动结构。

所述手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节上有MCP关节连接开槽、手指PIP关节连接开槽和手指DIP关节连接开槽；所述连接开槽与尼龙搭扣带配合安装，将患者手指和外骨骼手指康复机器人进行连接。

所述外骨骼手指康复机器人的手指PIP关节部分有可调节滑槽，所述可调节滑槽与螺钉配合安装，根据患者的手指尺寸通过螺钉进行调节。

所述外骨骼手指康复机器人采用铝合金和不锈钢材料。

所述外骨骼手指康复机器人与患者接触的地方呈弧形，且弧度满足人体工学的设计要求。

所述外骨骼手指康复机器人采用Maxon无刷直流电机驱动的方式，电机与手掌部分连接，减小机器人的尺寸。

所述外骨骼手指康复机器人具有三个自由度，可以实现手指MCP关节、PIP关节和DIP关节的弯曲和伸展运动。

一种三自由度外骨骼手指康复机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①电机驱动力输入：

外骨骼手指康复机器人通过手指MCP关节连接开槽、手指PIP关节连接开槽和手指DIP关节连接开槽穿戴患者的偏瘫手指上，当患者受到一个来自外界的视觉刺激时，将其产生的脑电信号输入到脑电分析工作站中，工作站对脑电信号进行处理并向电机驱动单元发出驱动信号，使电机获得驱动力，从而带动手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节工作，通过给出一个外力，使得患者手指进行动作；

②手指MCP关节运动：

电机转动后，带动驱动轴和平行槽轴转动，通过钢丝绳将传动力传给传动轮V，使传动轮V带动与其连接的手指关节产生运动；

③手指PIP关节运动：

传动轮V还可以通过钢丝绳将传动力传递给传动轮IV，传动轮IV同样通过钢丝绳将传动力传递给传动轮III，传动轮III和螺纹轴形成微型钢丝绳传动机构带动螺纹轴和连接杆转动，连接杆带动手指PIP关节产生运动；

④手指DIP关节运动：

由传动轮III的动作，通过转动轴III带动传动轮II转动，传动轮II通过钢丝绳带动传动轮I转动，传动轮I带动转动轴IV转动，使得与转动轴IV连接的手指DIP关节产生运动；

⑤运动参数的调节：

外骨骼手指康复机器人的手指关节运动信息通过外界传感器将运动信息反馈给脑肌电分析工作站，根据患者的手指运动情况调节运动参数，进一步将新的参数信号作为电机驱动单元的驱动信号，驱动电机工作，发出不同的外力作用于患者手指上，进行康复训练。

本发明的优越性在于：1、采用电机驱动方式，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，大大减小了康复系统的尺寸，同时，机器人传动结构采用微型钢丝绳传动结构，解决了传动结构安装复杂的问题；2、机器人尺寸小，具有便携性，适于家庭康复训练；3、外骨骼机器人主要采用铝合金和不锈钢材料，符合人体工学的设计，在机器人的关节处设计有调剂装置以满足不同患者的穿戴需求；4、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），近端指间关节（PIP关节）远端指间关节（DIP关节）的三个自由度的屈伸运动，刺激患者神经，帮助其恢复运动功能。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种三自由度外骨骼式手指康复机器人的整体结构框图。

图2为本发明所涉一种三自由度外骨骼式手指康复机器人的右侧结构示意图。

图3为本发明所涉一种三自由度外骨骼式手指康复机器人的左侧结构示意图。

图4为本发明所涉一种三自由度外骨骼式手指康复机器人的手指MCP关节的零件示意图。

图5为本发明所涉一种三自由度外骨骼式手指康复机器人的手指PIP关节的零件示意图。

图6为本发明所涉一种三自由度外骨骼式手指康复机器人的手指DIP关节的零件示意图。

其中，1为电机，2为驱动轴，3为手掌部分，4为转动轴I，5为手指MCP关节，6为转动轴II，7为转动轴III，8为螺纹轴，9为手指PIP关节，10为转动轴IV，11为手指DIP关节，12为传动轮I，13为传动轮II，14为传动轮III，15为传动轮IV，16为传动轮V，17为平行槽轴，18为连接杆，19为手指MCP关节的连接开槽，20为手指PIP关节的连接开槽，21为手指PIP关节的可调节滑槽，22为手指PIP关节的连接开槽。

（五）具体实施方式：

实施例：一种三自由度外骨骼式手指康复机器人（见图1），其特征在于它包括电机驱动单元、传动单元和执行单元；其中，所述电机驱动单元的输入端接收脑肌电分析工作站发出的驱动信号，其输出端与传动单元的输入端连接；所述执行单元的输入端与传动单元的输出端连接，其输出端与患者的手指接触，通过力使患者手指进行动作。

所述电机驱动单元（见图2、图3）包括电机1、驱动轴2、手掌部分3、平行槽轴17；所述传动单元包括转动轴I4、转动轴II6、转动轴III7、螺纹轴8、转动轴IV10、传动轮I12、传动轮II13、传动轮III14、传动轮IV15、传动轮V16、平行槽轴17、连接杆18；所述执行单元包括手指MCP(Metacarpophalangeal joint——掌指关节)关节5、手指PIP(Proximalinterphalangeal joint——近端指间关节)关节9、手指DIP(Distalinterphalangeal joint——远端指间关节)关节11、MCP关节连接开槽19、手指PIP关节连接开槽20、可调节滑槽21、手指DIP关节连接开槽22；其中，所述电机1安装在手掌部分3；所述驱动轴2通过顶丝与电机轴连接；所述平行槽轴17与驱动轴2连接；所述传动轮V16通过转动轴I4连接在手掌部分3；所述传动轮IV15和传动轮III14通过转动轴II6和转动轴III7与手指MCP关节5连接；所述传动轮I12通过转动轴IV10连接在手指PIP关节9上；所述螺纹轴8与传动轮III14通过钢丝绳形成微型钢丝绳传动结构；所述传动轮II13通过螺纹连接固定在转动轴III7上；所述手指PIP关节和手指DIP关节之间依螺纹通过连接杆18连接；所述手指DIP关节11通过螺纹顶丝固定在转动轴IV10上。

所述传动轮I12、传动轮II13、传动轮III14、传动轮IV15和传动轮V16上均有宽度为1.5mm用来与钢丝绳进行配合的平行槽。

所述传动轮I12、传动轮II13、传动轮III14、传动轮IV15和传动轮V16之间通过钢丝绳连接，形成微型钢丝绳传动结构。

所述手指MCP关节5、手指PIP关节9和手指DIP关节11（见图4、图5、图6）上有MCP关节连接开槽19、手指PIP关节连接开槽20和手指DIP关节连接开槽22；所述连接开槽与尼龙搭扣带配合安装，将患者手指和外骨骼手指康复机器人进行连接。

所述外骨骼手指康复机器人的手指PIP关节9部分（见图5）有可调节滑槽21，所述可调节滑槽与螺钉配合安装，根据患者的手指尺寸通过螺钉进行调节。

所述外骨骼手指康复机器人采用铝合金和不锈钢材料。

所述外骨骼手指康复机器人与患者接触的地方呈弧形，且弧度满足人体工学的设计要求。

所述外骨骼手指康复机器人采用Maxon无刷直流电机驱动的方式，电机与手掌部分3连接，减小机器人的尺寸。

所述外骨骼手指康复机器人具有三个自由度，可以实现手指MCP关节、PIP关节和DIP关节的弯曲和伸展运动。

一种三自由度外骨骼手指康复机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①电机驱动力输入：

外骨骼手指康复机器人通过手指MCP关节连接开槽19、手指PIP关节连接开槽20和手指DIP关节连接开槽22穿戴患者的偏瘫手指上，当患者受到一个来自外界的视觉刺激时，将其产生的脑电信号输入到脑电分析工作站中，工作站对脑电信号进行处理并向电机驱动单元发出驱动信号，使电机1获得驱动力，从而带动手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节工作，通过给出一个外力，使得患者手指进行动作；

②手指MCP关节运动：

电机1转动后，带动驱动轴2和平行槽轴17转动，通过钢丝绳将传动力传给传动轮V16，使传动轮V16带动与其连接的手指关节5产生运动；

③手指PIP关节运动：

传动轮V16还可以通过钢丝绳将传动力传递给传动轮IV15，传动轮IV15同样通过钢丝绳将传动力传递给传动轮III14，传动轮III14和螺纹轴8形成微型钢丝绳传动机构带动螺纹轴8和连接杆18转动，连接杆18带动手指PIP关节9产生运动；

④手指DIP关节运动：

由传动轮III14的动作，通过转动轴III7带动传动轮II13转动，传动轮II13通过钢丝绳带动传动轮I12转动，传动轮I12带动转动轴IV10转动，使得与转动轴IV10连接的手指DIP关节11产生运动；

⑤运动参数的调节：

外骨骼手指康复机器人的手指关节运动信息通过外界传感器将运动信息反馈给脑肌电分析工作站，根据患者的手指运动情况调节运动参数，进一步将新的参数信号作为电机驱动单元的驱动信号，驱动电机1工作，发出不同的外力作用于患者手指上，进行康复训练。

Claims (10)

1.一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于它包括电机驱动单元、传动单元和执行单元；其中，所述电机驱动单元的输入端接收脑肌电分析工作站发出的驱动信号，其输出端与传动单元的输入端连接；所述执行单元的输入端与传动单元的输出端连接，其输出端与患者的手指接触，通过力使患者手指进行动作。 

2.根据权利要求1所述一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于所述电机驱动单元包括电机、驱动轴、手掌部分、平行槽轴；所述传动单元包括转动轴I、转动轴II、转动轴III、螺纹轴、转动轴IV、传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV、传动轮V、平行槽轴、连接杆；所述执行单元包括手指MCP关节、手指PIP关节、手指DIP关节、MCP关节连接开槽、手指PIP关节连接开槽、可调节滑槽、手指DIP关节连接开槽；其中，所述电机安装在手掌部分；所述驱动轴通过顶丝与电机轴连接；所述平行槽轴与驱动轴连接；所述传动轮V1通过转动轴I连接在手掌部分；所述传动轮IV和传动轮III通过转动轴II和转动轴III与手指MCP关节连接；所述传动轮I通过转动轴IV连接在手指PIP关节上；所述螺纹轴与传动轮III通过钢丝绳形成微型钢丝绳传动结构；所述传动轮II通过螺纹连接固定在转动轴III上；所述手指PIP关节和手指DIP关节之间依螺纹通过连接杆连接；所述手指DIP关节通过螺纹顶丝固定在转动轴IV上。 

3.根据权利要求2所述一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于所述传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV和传动轮V上均有宽度为1.5-2mm用来与钢丝绳进行配合的平行槽； 

所述传动轮I、传动轮II、传动轮III、传动轮IV和传动轮V之间通过钢丝绳连接，形成微型钢丝绳传动结构。 

4.根据权利要求2所述一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于所述手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节上有MCP关节连接开槽、手指PIP关节连接开槽和手指DIP关节连接开槽；所述连接开槽与尼龙搭扣带配合安装，将患者手指和外骨骼手指康复机器人进行连接。 

5.所述外骨骼手指康复机器人的手指PIP关节部分有可调节滑槽，所述可调节滑槽与螺钉配合安装，根据患者的手指尺寸通过螺钉进行调节。 

6.根据权利要求1所述一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特 征在于所述外骨骼手指康复机器人采用铝合金和不锈钢材料。 

7.根据权利要求1所述一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于所述外骨骼手指康复机器人与患者接触的地方呈弧形，且弧度满足人体工学的设计要求。 

8.根据权利要求1所述一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于所述所述外骨骼手指康复机器人采用Maxon无刷直流电机驱动的方式，电机与手掌部分连接，减小机器人的尺寸。 

9.根据权利要求1所述一种三自由度外骨骼式手指康复机器人，其特征在于所述外骨骼手指康复机器人具有三个自由度，可以实现手指MCP关节、PIP关节和DIP关节的弯曲和伸展运动。 

10.一种三自由度外骨骼手指康复机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

①电机驱动力输入： 

外骨骼手指康复机器人通过手指MCP关节连接开槽、手指PIP关节连接开槽和手指DIP关节连接开槽穿戴患者的偏瘫手指上，当患者受到一个来自外界的视觉刺激时，将其产生的脑电信号输入到脑电分析工作站中，工作站对脑电信号进行处理并向电机驱动单元发出驱动信号，使电机获得驱动力，从而带动手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节工作，通过给出一个外力，使得患者手指进行动作； 

②手指MCP关节运动： 

电机转动后，带动驱动轴和平行槽轴转动，通过钢丝绳将传动力传给传动轮V，使传动轮V带动与其连接的手指关节产生运动； 

③手指PIP关节运动： 

传动轮V还可以通过钢丝绳将传动力传递给传动轮IV，传动轮IV同样通过钢丝绳将传动力传递给传动轮III，传动轮III和螺纹轴形成微型钢丝绳传动机构带动螺纹轴和连接杆转动，连接杆带动手指PIP关节产生运动； 

④手指DIP关节运动： 

由传动轮III的动作，通过转动轴III带动传动轮II转动，传动轮II通过钢丝绳带动传动轮I转动，传动轮I带动转动轴IV转动，使得与转动轴IV连接的手指DIP关节产生运动； 

⑤运动参数的调节： 

外骨骼手指康复机器人的手指关节运动信息通过外界传感器将运动信息反馈给脑肌电分析工作站，根据患者的手指运动情况调节运动参数，进一步将新的参数信号作为电机驱动单元的驱动信号，驱动电机工作，发出不同的外力作用于患者手指上，进行康复训练。 

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