CN105726263A - 一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人 - Google Patents

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王晶
郭晓辉
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Abstract

本发明公开了一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，包括固定于手背及手腕上的手部固定装置，手部固定装置上分别连接有拇指康复系统和四指康复系统，拇指康复系统包括拇指动力源、和与拇指动力源相连的拇指机构；四指康复系统包括四指直线电机、和与四指直线电机相连的食指、中指、无名指和小指机构；拇指机构以及食指、中指、无名指和小指机构分别与手指各关节相连，相连端设有压力传感器，通过拇指中部电机、拇指直线电机和四指直线电机带动拇指康复系统与四指康复系统运动，从而带动手指做外骨骼康复训练。可完成更多更精巧更复杂的手部康复训练动作，有助于患者手部更好更全面地康复治疗。该装置体积小、智能化、易穿戴和便携性好。

Description

一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人。
背景技术
医学理论与实践证明，对于意外伤害、手术后遗症、心脑血管疾病或神经系统疾病等引起的手部运动功能损伤的患者，一定强度的科学的康复训练治疗对于最大限度的恢复手部运动功能有着非常重要的意义。目前国内外对于患者手部运动功能受损的改善和康复治疗方法主要是通过修复或重塑受损神经，加强肌肉肌腱的强度锻炼，完成运动学习来重建或改善患者手部的运动功能，防止患者肌肉的废用性发生，促进脑神经代偿。传统的康复治疗中，治疗师手把手的对患者进行一对一式康复疗法，这种方法不仅劳动量大、费用昂贵，而且训练效率和强度难以保证，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。为了解决以上弊端，将机器人应用与康复领域的辅助康复疗法相结合的手部功能康复机器人技术的研究及运用应运而生。
外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。一般是把虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的几丁质的骨骼称为外骨骼，它有保护和支持作用。
手部外骨骼康复训练机器人正是从生物外骨骼得到思路的一种对人体手部机能进行强化的方式，是根据人体工程学的特点进行设计的，相当于患者的手部外骨骼，患者将其穿戴在手部来辅助患指的康复训练，通过建立患者数据库以及设备配套的传感器可以对患者康复情况进行客观量化有针对性的训练，使患者康复效果最大化。但现有的外骨骼康复训练装置不仅体积较大，不具有便携性，而且并非每个重要手指关节都在运动，大部分手部康复训练装置都忽略了这一点。因此，本发明意在解决上述问题而设立。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的局限性，解决手部运动功能受损的患者的手部康复问题，提供了一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，包括固定于手背及手腕上的手部固定装置，所述手部固定装置上分别连接有拇指康复系统和四指康复系统，所述拇指康复系统包括拇指中部电机、拇指直线电机、和与拇指中部电机、拇指直线电机相连的拇指机构；所述四指康复系统包括四指直线电机、和与四指直线电机相连的食指、中指、无名指和小指机构；所述拇指机构以及食指、中指、无名指和小指机构分别与手指各关节相连，相连端设有压力传感器，通过拇指中部电机、拇指直线电机和四指直线电机带动拇指康复系统与四指康复系统运动，从而带动手指做外骨骼康复训练。
对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案：
作为优化，所述食指、中指、无名指和小指机构包括四个并列设在手部固定装置后部、并通过四指直线电机底座支撑四指直线电机连接的四指固定机构和曲柄机构，四指固定机构通过球铰与四指直线电机的输出轴相连，曲柄机构通过螺钉贯穿手部固定装置前部调节孔与其相连。
进一步地，所述四指固定机构包括连接在四指直线电机的输出轴上的PIP关节外骨骼，所述PIP关节外骨骼包括直线臂和PIP弧形臂；所述曲柄机构包括手部固定装置前部的MP关节外骨骼，所述MP关节外骨骼包括MP弧形臂与伸缩臂；
进一步地，所述MP弧形臂与PIP关节外骨骼直线臂通过1#圆柱销连接，所述MP关节外骨骼伸缩臂与PIP弧形臂通过2#圆柱销连接。
进一步地，所述MP关节外骨骼的伸缩臂包括连接在MP弧形臂上的连接杆，连接杆螺纹连接丝杆，丝杆通过圆柱销连接能够折叠的连架杆，连架杆连接有与PIP弧形臂相套接的推杆；推杆上连接有DIP关节外骨骼。
进一步地，所述MP弧形臂和PIP弧形臂设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有限位销；设在PIP关节外骨骼直线臂上的1#圆柱销，和设在推杆上的2#圆柱销与轨道槽内的轴承相接，轴承能够沿关节外骨骼的轨道槽内滚动。
进一步地，所述PIP弧形臂内弧根部与DIP关节外骨骼端部分别通过魔术贴与手指各关节相连，在PIP弧形臂内弧根部与DIP关节外骨骼端部分别设有第一压力传感器和第二压力传感器。
作为优化，所述拇指康复系统包括设在手部固定装置侧部、并通过三个拇指直线电机底座支撑拇指直线电机连接的拇指固定机构；所述拇指固定机构包括拇指中部电机连接的拇指IP关节外骨骼，和通过轴承连接在手部固定装置上的拇指MP关节外骨骼。
进一步地，所述拇指IP关节外骨骼为直线臂，拇指MP关节外骨骼为双弧形臂，双弧形臂分别设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有限位销；所述拇指IP关节外骨骼与拇指MP关节外骨骼双弧形臂通过3#圆柱销连接，拇指MP关节外骨骼的一端与手部固定装置通过圆锥滚子轴承与圆柱销连接，拇指MP关节外骨骼的另一端与拇指IP关节外骨骼之间通过3#圆柱销与轴承连接，轴承能够沿MP关节外骨骼的轨道槽内滚动。
进一步地，在所述拇指MP关节外骨骼与手部固定装置连接处设有角度传感器，所述拇指IP关节外骨骼端部通过魔术贴与拇指相连，拇指IP关节外骨骼与手指连接处设有拇指压力传感器。
进一步地，所述拇指中部电机的动力输出端与拇指IP关节外骨骼通过球铰相连，拇指直线电机通过螺钉贯穿拇指直线电机底座与手部固定装置上的调节孔相连，达到适应不同手指外展/内收角度的目的。
采用上述技术方案，与现有技术中的方案相比，本发明具有如下优点：
1、通过直线电机驱动球铰连接获得动力，结构简单，易于实现。
2、本发明一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人根据人体手部结构尺寸进行设计，无论在手部固定装置还是在四指运动关节处都设计了尺寸调节装置以满足不同患者的穿戴需求和运动范围。
3、在外骨骼运动机构中采用传感器技术，实时客观的反馈外骨骼系统的运动信息，建立患者数据库，实现对患者康复情况进行客观量化有针对性的训练，使患者康复效果最大化。
4、提供了更多的自由度，可以完成更多更精巧更复杂的手部康复训练动作，除了实现拇指、食指、中指、无名指和小指的共同屈伸和各手指面向任务的单独运动外，在拇指处增加一个外展和内收的自由度，在对患者拇指进行康复训练的同时，有助于患者手部更好更全面地康复治疗。
5、本发明体积小、智能化、易穿戴和便携性好。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的食指或中指或无名指或小指的结构示意图；
图3为本发明的拇指的结构示意图；
图中，1、手部固定装置；2、四指直线电机；3、拇指直线电机；4、拇指；5、食指；6、中指；7、无名指；8、小指；9、MP关节外骨骼；10、PIP关节外骨骼；11、MP弧形臂；12、连接杆；13、丝杆；14、连架杆；15、PIP弧形臂；16、第二压力传感器；17、第一压力传感器；18、推杆；19、1#圆柱销；20、2#圆柱销；21、中部电机底座；22、拇指直线电机底座；23、拇指中部电机；24、拇指连接件；25、拇指MP关节外骨骼；26、拇指IP关节外骨骼；27、拇指压力传感器；28、拇指限位销；29、3#圆柱销；30、球铰；31、角度传感器；32、圆锥滚子轴承；33、调节孔；34、直线电机底座；35、DIP关节外骨骼。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
由图1所示，本实施例描述了一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其结构如图1所示，它包括固定手背及手腕上的手部固定装置1、拇指康复系统和四指康复系统，手部固定装置1外表面用于固定外骨骼康复训练机器人，内表面为弧形面以贴合人手背部结构，通过魔术贴固定在手部。所述拇指康复系统包括拇指4机构、动力源(拇指中部电机23、拇指直线电机3)和与动力源相连的手部固定装置1；四指康复系统包括食指5、中指6、无名指7和小指8机构以及固定在手部固定装置1上分别与四指相连的动力源(四指直线电机2)。拇指4机构以及食指5、中指6、无名指7和小指8机构分别与手指各关节相连，相连端设有压力传感器，通过拇指中部电机23、拇指直线电机3和四指直线电机2带动拇指康复系统与四指康复系统运动，从而带动手指做外骨骼康复训练。
如图2所示，食指5、中指6、无名指7和小指8的动力源分别包括四指直线电机2、直线电机底座34，为四指屈伸分别提供动力的四指直线电机2的动力输出端分别与四指机构通过球铰相连，四指直线电机2通过电机底座33固定于手部固定装置1上，四指直线电机2可绕直线电机底座34上的孔旋转。
四指固定机构包括MP关节外骨骼9、连接杆12、丝杆13、连架杆14、推杆18、DIP关节外骨骼35和PIP关节外骨骼10。四指固定机构包括四个并列设在手部固定装置1后部、并通过四指直线电机底座34支撑四指直线电机2连接的四指固定机构和曲柄机构，四指固定机构通过球铰与四指直线电机2的输出轴相连，曲柄机构通过螺钉贯穿手部固定装置1前部调节孔与其相连。其中，四指固定机构包括连接在四指直线电机2的输出轴上的PIP关节外骨骼10，PIP关节外骨骼10包括直线臂和PIP弧形臂15；曲柄机构包括手部固定装置1前部的MP关节外骨骼9，MP关节外骨骼9包括MP弧形臂11与伸缩臂；MP弧形臂11与PIP关节外骨骼10直线臂通过1#圆柱销19连接，MP关节外骨骼9伸缩臂与PIP弧形臂15通过2#圆柱销20连接。MP关节外骨骼9的伸缩臂包括连接在MP弧形臂11上的连接杆12，连接杆12螺纹连接丝杆13，丝杆13通过圆柱销连接能够折叠的连架杆14，连架杆14连接有与PIP弧形臂15相套接的推杆18；推杆18上连接有DIP关节外骨骼35。MP弧形臂11和PIP弧形臂15设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有限位销；设在PIP关节外骨骼10直线臂上的1#圆柱销19，和设在DIP关节外骨骼35上的2#圆柱销20与轨道槽内的轴承相接。PIP弧形臂15内弧根部与DIP关节外骨骼35端部分别通过魔术贴与手指各关节相连，在PIP弧形臂15内弧根部与DIP关节外骨骼35端部分别设有第一压力传感器17和第二压力传感器16。
MP关节外骨骼9与手部固定装置1之间通过螺钉连接，PIP关节外骨骼10与MP关节外骨骼9之间通过1#圆柱销19与轴承连接，DIP关节外骨骼35与PIP关节外骨骼10之间通过2#圆柱销20与轴承连接，轴承可沿关节外骨骼的轨道槽内滚动。
直线电机2动力输出端的伸缩运动通过球铰作用在PIP关节外骨骼10上，经由连接杆12、丝杆13、连架杆14、推杆18带动DIP关节外骨骼35沿PIP关节外骨骼10的弧形槽内运动，进而控制手部四指的弯曲与伸展。
四指康复系统中的食指5、中指6、无名指7和小指8机构在MP关节外骨骼9和PIP关节外骨骼10槽的末端分别设有第一限位销和第二限位销，防止在运动过程中机构卡死，在PIP关节外骨骼10和DIP关节外骨骼35通过魔术贴与手指各关节相连处，分别设有第一压力传感器17和第二压力传感器16，通过压力传感器反馈采集患者训练数据。
丝杆13设有外螺纹，丝杆13和连接杆12通过螺纹连接来调节配合长度，丝杆13与连架杆14通过圆柱销连接，通过杆间的相对运动达到调节手指运动范围的目的。所述手部固定装置1上设有不同位置的调节孔，食指5、中指6、无名指7和小指8机构与手部固定装置1之间通过螺钉连接固定在调节孔内，达到适应不同尺寸手指的目的。
如图3所示，拇指康复系统包括设在手部固定装置1侧部、并通过三个拇指直线电机底座支撑拇指直线电机3连接的拇指固定机构；其中，拇指康复系统的动力源包括拇指中部电机23、中部电机底座21，为屈伸提供动力的拇指中部电机23的动力输出端与拇指IP关节外骨骼26通过球铰30相连，拇指中部电机23通过中部电机底座21固定在手部固定装置1上，为摆动提供动力的拇指直线电机3固定在拇指直线电机底座22上，拇指直线电机3通过拇指直线电机底座22固定在手部固定装置1上；拇指直线电机3的输出端与拇指MP关节外骨骼25通过拇指连接件24连接。
拇指固定机构包括拇指中部电机23连接的拇指IP关节外骨骼26，和通过圆锥滚子轴承32连接在手部固定装置1上的拇指MP关节外骨骼25。拇指MP关节外骨骼25的一端与手部固定装置1通过圆锥滚子轴承32与圆柱销连接，拇指MP关节外骨骼25的另一端与拇指IP关节外骨骼26之间通过3#圆柱销29与轴承连接，轴承可沿关节外骨骼的轨道槽内滚动，轨道槽内设有拇指限位销28；拇指IP关节外骨骼26的另一端与拇指通过魔术贴相连。
拇指IP关节外骨骼26为直线臂，拇指MP关节外骨骼25为双弧形臂，双弧形臂分别设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有限位销；拇指IP关节外骨骼26与拇指MP关节外骨骼25双弧形臂通过3#圆柱销29连接，3#圆柱销29与轨道槽内的轴承相接，轴承能够沿MP关节外骨骼25的轨道槽内滚动。
在所述拇指MP关节外骨骼25与手部固定装置1连接处设有角度传感器31，拇指IP关节外骨骼26端部通过魔术贴与拇指相连，拇指IP关节外骨骼26与手指连接处设有拇指压力传感器27。
拇指中部电机23的动力输出端与拇指IP关节外骨骼26通过球铰30相连，拇指直线电机3通过螺钉贯穿拇指直线电机底座22与手部固定装置1上的调节孔33相连，达到适应不同手指外展/内收角度的目的。
拇指中部电机23动力输出端的伸缩运动通过球铰作用在拇指IP关节外骨骼26上，进而控制拇指的弯曲和伸展；拇指直线电机3动力输出端的伸缩运动通过拇指连接件24，作用在拇指MP关节外骨骼25上，进而控制拇指的摆动。
拇指康复系统中的拇指MP关节外骨骼25在弧形槽末端设有拇指限位销28，防止在运动过程中机构卡死，在拇指MP关节外骨骼25与手部固定装置1连接处设有角度传感器31，拇指IP关节外骨骼26与手指连接处设有拇指压力传感器27，通过角度传感器和压力传感器反馈采集患者训练数据。所述手部固定装置1上设有不同位置的调节孔33，拇指直线电机3与手部固定装置1之间通过螺钉连接固定在调节孔33内，达到适应不同手指摆动角度的目的。
本发明的工作过程如下：
患者的患侧手穿戴好本发明的外骨骼康复训练机器人。外骨骼康复训练机器人做抓握动作时，以食指为例，四指直线电机2的动力输出端杆伸出，通过球铰连接作用在PIP关节外骨骼10上，推动其沿MP关节外骨骼9上的弧形槽运动，即带动患指近指端关节弯曲。在MP关节外骨骼9和PIP关节外骨骼10相对运动过程中，间接带动患者中指端关节弯曲，在连接杆12、丝杆13、连架杆14、推杆18带动下，DIP关节外骨骼35沿PIP关节外骨骼10的弧形槽内运动，即带动患指远指端关节弯曲，进而控制患指的弯曲。电机反向运动，则实现各手指的伸展运动。患者拇指还能实现外展和内收运动，拇指直线电机3动力输出端的伸缩运动通过拇指连接件24，作用在拇指MP关节外骨骼25上，进而控制拇指绕圆锥滚子轴承32摆动。
上述实例只为说明本发明的技术构思和特点，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡是根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，包括固定于手背及手腕上的手部固定装置(1)，其特征在于，所述手部固定装置(1)上分别连接有拇指康复系统和四指康复系统，所述拇指康复系统包括拇指中部电机(23)、拇指直线电机(3)、和与拇指中部电机(23)、拇指直线电机(3)相连的拇指机构；所述四指康复系统包括四指直线电机(2)、和与四指直线电机(2)相连的食指(5)、中指(6)、无名指(7)和小指机构(8)；所述拇指机构以及食指(5)、中指(6)、无名指(7)和小指(8)机构分别与手指各关节相连，相连端设有压力传感器，通过拇指中部电机(23)、拇指直线电机(3)和四指直线电机(2)带动拇指康复系统与四指康复系统运动，从而带动手指做外骨骼康复训练。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述食指(5)、中指(6)、无名指(7)和小指(8)机构包括四个并列设在手部固定装置(1)后部、并通过四指直线电机底座(34)支撑四指直线电机(2)连接的四指固定机构和曲柄机构，四指固定机构通过球铰与四指直线电机(2)的输出轴相连，曲柄机构通过螺钉贯穿手部固定装置(1)前部调节孔与其相连。
3.根据权利要求2所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述四指固定机构包括连接在四指直线电机(2)的输出轴上的PIP关节外骨骼(10)，所述PIP关节外骨骼(10)包括直线臂和PIP弧形臂(15)；所述曲柄机构包括手部固定装置(1)前部的MP关节外骨骼(9)，所述MP关节外骨骼(9)包括MP弧形臂(11)与伸缩臂；
所述MP弧形臂(11)与PIP关节外骨骼(10)直线臂通过1#圆柱销(19)连接，所述MP关节外骨骼(9)伸缩臂与PIP弧形臂(15)通过2#圆柱销(20)连接。
4.根据权利要求3所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述MP关节外骨骼(9)的伸缩臂包括连接在MP弧形臂(11)上的连接杆(12)，连接杆(12)螺纹连接丝杆(13)，丝杆(13)通过圆柱销连接能够折叠的连架杆(14)，连架杆(14)连接有与PIP弧形臂(15)相套接的推杆(18)；推杆(18)上连接有DIP关节外骨骼(35)。
5.根据权利要求3所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述MP弧形臂(11)和PIP弧形臂(15)设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有限位销；设在PIP关节外骨骼(10)直线臂上的1#圆柱销(19)，和设在DIP关节外骨骼(35)上的2#圆柱销(20)与轨道槽内的轴承相接，轴承能够沿关节外骨骼的轨道槽内滚动。
6.根据权利要求4所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述PIP弧形臂(15)内弧根部与DIP关节外骨骼(35)端部分别通过魔术贴与手指各关节相连，在PIP弧形臂(15)内弧根部与DIP关节外骨骼(35)端部分别设有第一压力传感器(17)和第二压力传感器(16)。
7.根据权利要求1所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述拇指康复系统包括设在手部固定装置(1)侧部、并通过三个拇指直线电机底座支撑拇指直线电机(3)连接的拇指固定机构；所述拇指固定机构包括拇指中部电机(23)连接的拇指IP关节外骨骼(26)，和通过圆锥滚子轴承(32)连接在手部固定装置(1)上的拇指MP关节外骨骼(25)。
8.根据权利要求7所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述拇指IP关节外骨骼(26)为直线臂，拇指MP关节外骨骼(25)为双弧形臂，双弧形臂分别设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有限位销；所述拇指IP关节外骨骼(26)与拇指MP关节外骨骼(25)双弧形臂通过3#圆柱销(29)连接，拇指MP关节外骨骼(25)的一端与手部固定装置(1)通过圆锥滚子轴承(32)与圆柱销连接，拇指MP关节外骨骼(25)的另一端与拇指IP关节外骨骼(26)之间通过3#圆柱销(29)与轴承连接，轴承能够沿MP关节外骨骼(25)的轨道槽内滚动。
9.根据权利要求7所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，在所述拇指MP关节外骨骼(25)与手部固定装置(1)连接处设有角度传感器(31)，所述拇指IP关节外骨骼(26)端部通过魔术贴与拇指相连，拇指IP关节外骨骼(26)与手指连接处设有拇指压力传感器(27)。
10.根据权利要求7所述的一种穿戴式手部外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述拇指中部电机(23)的动力输出端与拇指IP关节外骨骼(26)通过球铰(30)相连，拇指直线电机(3)通过螺钉贯穿拇指直线电机底座(22)与手部固定装置(1)上的调节孔(33)相连。
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