CN104306134A - 便携式多模式控制手功能康复训练装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式多模式控制手功能康复训练装置，拇指板上装有四指驱动机构和四指减速机构，拇指板上装有拇指驱动机构和拇指减速机构，四指驱动机构通过四指减速机构连接连杆机构，连杆机构连接弧形滑槽机构及自适应手指调节机构，通过四指驱动机构驱动弧形滑槽机构，实现掌关节的运动和近端指关节的运动；拇指驱动机构通过拇指减速机构连接拇指驱动连杆机构，驱动连杆机构连接拇指弧形滑槽机构，拇指弧形滑槽机构前端连接拇指用非弹性绑带，通过拇指驱动机构驱动拇指弧形滑槽机构，促使拇指关节运动。本发明利用两个微型电机实现拇指的单独训、四指的联动训练和抓握训练，实现轻便结构下拇指掌指关节、四指掌指关节和近端指间关节的独立运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种手功能康复训练装置，尤其是一处应用于脑卒中病人手部康复训练的便携式设备。
背景技术
在中国，脑卒中标化患病率约为1.82%，40岁以上罹患脑卒中的人数高达1036万人，其中85%患者有上肢功能缺陷，在康复治疗中，手以其关节数量多、动作精细程度高的因素，导致了手功能康复治疗最为困难。
国内外已经得到临床应用的外骨骼式手功能康复训练机器人基本都是走中大型设备的路线，比如技术比较成熟的三个产品意大利IDROGENET公司的Gloreha机器人、德国FESTO的ExoHand机器人和香港理工大学的EMG驱动机械手机器人。现有产品明显增大了患者视野范围内的设备体积，会不同程度的增加病人的心理压力。
与此同时，只有大型医院或康复中心才会购买这类价格较高的中大型设备，这样的设备特性就限制病人必须在规定时间地点做间断性的几组康复训练动作，训练量达不到病人最佳康复需求。在小型医院，病人必须依靠专业理疗师才能进行手部的定时定点康复训练。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种便携式多模式控制手功能康复训练装置，该装置所占空间小，重量轻，具有高传动比，高转矩输出，可以允许有多种控制方式的手功能训练器。它允许病人在不同阶段，可以在不依靠专业医师或者在户外的情况下，自主进行训练。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种便携式多模式控制手功能康复训练装置，包括外壳、拇指板、手掌板，拇指板上安装有四指驱动机构和四指减速机构，拇指板上安装有拇指驱动机构和拇指减速机构，所述四指驱动机构通过四指减速机构连接连杆机构，连杆机构连接弧形滑槽机构，弧形滑槽机构连接自适应手指调节机构，通过四指驱动机构驱动弧形滑槽机构，实现掌关节的运动和近端指关节的运动；所述拇指驱动机构通过拇指减速机构连接拇指驱动连杆机构，驱动连杆机构连接拇指弧形滑槽机构，拇指弧形滑槽机构前端连接拇指用非弹性绑带，通过拇指驱动机构驱动拇指弧形滑槽机构，促使拇指关节运动。
四指减速机构由行星减速机构和直齿轮减速机构组成，传动比为1000，其中行星减速比10，直齿轮减速机构传动比100，输入转矩5mNM，输出转矩为5000mNM。
拇指板与手掌板之间通过铰链连接，通过铰链微调拇指板与手掌板之间的角度，满足不同情况的病人的需要。
自适应手指调节机构具有一弹性绑带经过位于手掌板上的绑带孔和位于拇指板上的绑带孔对手掌部分进行固定的固定手掌部分、由弹性绑带和非弹性绑带对手指进行固定的固定手指部分。
拇指减速机构设有固定孔1，外壳上设有第一固定孔和第二固定孔，第一固定孔、第二固定孔、固定孔分别与拇指板上的三个直槽口通过螺纹连接，通过调节外壳和减速机构上固定孔与拇指板上三个直槽口之间的连接位置实现拇指位置的微调。
手功能康复训练装置还包括控制器、肌电信号传感器、语音输入器，肌电信号传感器将患者肌电信号（EMG）经过特征提取后通过控制器来控制手指的动作和动作速度；语音输入器接收患者语音输入的命令，进行语音识别后通过控制器来控制手指的动作和动作速度。
本发明的有益效果是：
四指驱动固定于手掌板上，通过减速机构、连杆机构、弧形滑槽机构和自适应手指调节机构，完成四指掌关节和近端指关节的运动。即单个电机实现双自由度的运动。
减速机构部分，采用行星减速和直齿轮减速，传动比达到1000，其中行星减速传动比为10，直齿轮部分减速比为100。高传动比高转矩输出，可以满足病人训练的需要。
自适应手指调节机构，包括手掌固定部分和手指固定部分。手指固定部分又分为弹性固定和非弹性固定部分，弹性部分用于固定手指根部，非弹性部分用于固定靠指尖部分，防止肌张力过大，以致于达不到训练的效果。
根据病人的差异，拇指板和手掌板之间的角度可根据需要通过铰链的固定进行调节。
根据病人康复的不同时期和不同病人的差异，可分别通过语音控制，软瘫期病人通过健侧肌电控制患侧手的运动，恢复期病人通过患侧肌电控制患侧手的运动。
本发明采用语音和肌电两种控制方式：软瘫期脑卒中患者可以运用健侧肌电信号控制患侧手的运动；恢复期病人可以在患侧有一定肌力的情况下，由患侧肌电信号直接控制手的运动，也可直接进行语音控制来完成手部的训练。这种应用语音和肌电进行混合控制的方法， 可以实现被动与主动康复训练。
本发明解决了脑卒中病人手部康复难和只能依赖专业医师才能进行手部训练的问题，打破了现有大中型康复训练机器人定时定点训练的现状，且应用肌电触发及语音混合控制实现被动与主动训练模式。本发明利用两个微型电机实现拇指的单独训、四指的联动训练和抓握训练，实现轻便结构下拇指掌指关节、四指掌指关节和近端指间关节的独立运动。
附图说明
图1是本发明的结构立体示意图；
图2是本发明的内部整体结构示意图；
图3是四指双自由度运动示意图；
图4是减速机构部分结构图；
图5是自适应手指调节机构示意图；
图6是拇指板和手掌板角度调节示意图；
图7是拇指位置调节示意图；
图8是是肌电控制的功能方框图；
图9是语音控制的功能方框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1，2所示，一种便携式多模式控制手功能康复训练装置，包括外壳1、拇指板3、手掌板4、四指驱动机构6、拇指驱动机构2、四指减速机构5、拇指减速机构10、连杆机构7、弧形滑槽机构8、自适应手指调节机构9。其中，外壳1与拇指板3和手掌板4之间用螺纹连接，四指减速机构5与拇指板3、拇指减速机构10和手掌板3之间用螺纹连接，连杆机构7的杆件之间用圆柱销连接。四指驱动机构6通过四指减速机构5连接连杆机构7，连杆机构7连接弧形滑槽机构8，弧形滑槽机构8连接自适应手指调节机构9，通过四指驱动机构6驱动弧形滑槽机构8，实现掌关节的运动和近端指关节的运动；拇指驱动机构2通过拇指减速机构10连接拇指驱动连杆机构，驱动连杆机构连接拇指弧形滑槽机构，拇指弧形滑槽机构前端连接拇指用非弹性绑带9-4，通过拇指驱动机构2驱动拇指弧形滑槽机构，促使拇指关节运动。多用圆或圆弧的圆融式外观设计，拇指采用鹅卵石状的设计，能够减弱病人的心理负担。
如图2所示，四指驱动机构6经四指减速机构5，最终驱动滑槽机构8运动。
如图3所示，通过单个驱动电机6，实现了掌关节的运动和近端指关节的运动。
如图4所示，减速机构5，电机输出轴与锥齿轮5-1通过紧固螺钉连接，经过齿轮轴5-3上的锥齿轮5-2达到换向作用，齿轮轴5-3分别经过阶梯齿轮轴5-4进行一级减速，再经过阶梯齿轮轴5-5进行二级减速，进一步经过扇形齿轮5-6进行三级减速。电机行星减速再经过减速机构5后，减速比最终达到1000。
如图5所示，自适应调节机构由固定手掌部分和固定手指部分两部分构成。进一步，弹性绑带经过第一绑带孔9-1和第二绑带孔9-5对手掌部分进行固定。固定手指部分由弹性绑带9-2和非弹性绑带9-3进行固定。拇指用非弹性绑带9-4进行固定。
根据人手的差异，拇指板3和手掌板4之间的角度需要进行调节。如图6所示，第一固定板3-1和第二固定板3-2之间通过合页结构连接，子母合页之间通过螺栓连接，第一固定板3-1和手掌板4之间，第二固定板3-2和拇指板3之间都通过螺纹连接进行固定。这样，既能保证拇指板3和手掌板4之间角度的调节，又能进行固定。
根据人手的差异，还需要对拇指的位置进行微调。如图7所示，拇指位置的调节通过外壳1上的第一固定孔1-1和第二固定孔1-2、拇指减速机构10上固定孔10-1，分别与拇指板3 上三个直槽口通过螺纹连接，同时能够进行结构微调。
如图8所示，肌电信号（EMG）经过处理后进行特征提取来控制动作类型，经过相关参数计算后来控制动作速度，最终达到执行动作的目的。对于患者来说，软瘫期患侧肌电信号比较微弱，可以通过健侧肌电信号控制患侧手指运动。恢复期可以直接用患侧肌电控制患侧运动。
如图9所示，对于严重瘫痪者，如果两侧肢肌电信号都比较弱，可采用语音控制：语音输入经过预处理，在完成语音训练后，可输入命令，进行语音识别后，可直接出发命令，完成动作的执行。
Claims (6)
1.一种便携式多模式控制手功能康复训练装置，包括外壳(1)、拇指板(3)、手掌板(4)、拇指板(3)上安装有四指驱动机构(6)和四指减速机构(5)，拇指板(3)上安装有拇指驱动机构(2)和拇指减速机构(10)，其特征在于：所述四指驱动机构(6)通过四指减速机构(5)连接连杆机构(7)，连杆机构(7)连接弧形滑槽机构(8)，弧形滑槽机构(8)连接自适应手指调节机构(9)，通过四指驱动机构(6)驱动弧形滑槽机构(8)，实现掌关节的运动和近端指关节的运动；所述拇指驱动机构(2)通过拇指减速机构(10)连接拇指驱动连杆机构，驱动连杆机构连接拇指弧形滑槽机构(11)，拇指弧形滑槽机构(11)前端连接拇指用非弹性绑带(9-4)，通过拇指驱动机构(2)驱动拇指弧形滑槽机构，促使拇指关节运动。
2.根据权利要求1所述的便携式多模式控制手功能康复训练装置，其特征在于：所述四指减速机构(5)由行星减速机构和直齿轮减速机构组成，传动比为1000，其中行星减速比10，直齿轮减速机构传动比100，输入转矩5mNM，输出转矩为5000mNM。
3.根据权利要求1所述的便携式多模式控制手功能康复训练装置，其特征在于：所述拇指板(3)与手掌板(4)之间通过铰链连接，通过铰链微调拇指板(3)与手掌板(4)之间的角度，满足不同情况的病人的需要。
4.根据权利要求1所述的便携式多模式控制手功能康复训练装置，其特征在于：所述自适应手指调节机构(9)具有一弹性绑带经过位于手掌板(4)上的绑带孔和位于拇指板(3)上的绑带孔对手掌部分进行固定的固定手掌部分、由弹性绑带(9-2)和非弹性绑带(9-3)对手指进行固定的固定手指部分。
5.根据权利要求1所述的便携式多模式控制手功能康复训练装置，其特征在于：所述拇指减速机构(10)设有固定孔(10-1)，外壳(1)上设有第一固定孔(1-1)和第二固定孔(1-2)，第一固定孔(1-1)、第二固定孔(1-2)、固定孔(10-1)分别与拇指板(3)上的三个直槽口通过螺纹连接，通过调节外壳(1)和减速机构(10)上固定孔与拇指板(3)上三个直槽口之间的连接位置实现拇指位置的微调。
6.根据权利要求1所述的便携式多模式控制手功能康复训练装置，其特征在于：所述手功能康复训练装置还包括控制器、肌电信号传感器、语音输入器，肌电信号传感器将患者肌电信号（EMG）经过特征提取后通过控制器来控制手指的动作和动作速度；语音输入器接收患者语音输入的命令，进行语音识别后通过控制器来控制手指的动作和动作速度。
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