CN105935333B - 一种主被动式可穿戴康复训练机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主被动式可穿戴康复训练机械手，包括外部箱体、箱体两侧的拇指和四指康复训练系统，拇指和四指康复训练系统分别通过多连杆及齿轮系统与内壁相连，镜子安装在两侧平行布置的机械手之间并成一定角度；该机械手分别与人手五指各关节相连，接触端设有压力传感器，一侧拇指和四指康复训练系统的运动，由另一侧机械手通过多连杆和齿轮传递及改变动力方向来驱动，进而实现患者一侧手带动另一侧手同步主被动康复训练。本发明由箱体内壁承担重量，采用环保轻型材料，既不会给患者构成负担，又降低成本，本发明具有结构精巧、操作安全方便且易实现的特点，借助镜像神经元理论并通过手部精巧复杂的康复训练动作，可达到全面高效的康复治疗。
Description
技术领域
本发明涉及一种人体运动康复装置，尤其涉及一种主被动式可穿戴康复训练机械手。
背景技术
康复理论与医学实证明，对于意外伤害、手术后遗症、中风等引起的手部运动功能损伤的患者，一定强度的科学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。目前药物治疗和传统的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。
现有的手指康复训练装置都是患者的一些大关节的运动，缺乏每根手指的每个重要关节的高度贴合与整体手指的合理空间布置方式，而且设计基本都是采用电机、气缸等外力驱动，始终存在造成手部伤害的安全隐患。而采用一种主被动式可穿戴康复训练机械手是根据人体工效学的特点进行设计的，在设计中采用的运动方式以及各外骨骼手指的布置方式均更适合人手的结构特点，患者将其穿戴该机械手，通过建立患指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。因此，本发明旨在解决上述问题而设立。
发明内容
本发明的目的是解决因脑中风、手术后遗症或者外伤等造成的手部运动功能受损患者的手部功能康复问题，提供了一种主被动式可穿戴康复训练机械手。
为了解决现有技术中的不足，本发明提供的技术方案是：
一种主被动式可穿戴康复训练机械手，包括固定机械手的箱体、以及分别架设在箱体左右两侧的拇指康复系统和四指康复系统，拇指康复系统通过多连杆传力系统及齿轮与箱体相连，四指康复系统通过多连杆传力系统与箱体相连；平面镜设在所述箱体中的两侧机械手之间；
所述拇指康复系统和四指康复系统分别与手指各关节相连，连接后的拇指康复系统与四指康复系统相互呈30度左右的空间角布置，而两侧四指康复系统之间平行布置，该布置方式最符合人手仿生结构，相连端设有压力传感器，一侧拇指和四指康复训练系统的运动，由另一侧机械手通过多连杆和齿轮传递及改变动力方向来驱动，进而实现患者健侧手带动患侧手或者患侧手自主运动的主被动式同步康复训练。
作为优化，所述拇指康复系统包括拇指机构、齿轮组以及拇指固定肋板；所述四指康复系统包括通过多连杆传力系统与食指、中指、无名指和小指的四指分别相连的四指机构以及四指固定肋板；所述多连杆传力系统包括分别与拇指机构、四指机构的四指中端指节外骨骼连接的两个互连的连杆,两个连杆之间设有与箱体相连的活塞杆、四连杆和若干固定杆。
进一步地，所述四指机构包括四个并列设在箱体两侧通过销连接固定在四指固定板上的四指固定机构，四指固定机构包括四指近端指节外骨骼、伸缩臂和远端指节外骨骼；所述四指近端指节外骨骼通过圆柱销与多连杆传力系统连接，四指近指端指节外骨骼上设有不同位置的调节孔；四指固定机构的伸缩臂一端与四指近端指节弧形臂通过圆柱销连接，另一端通过圆柱销与箱体相连。
更进一步地，所述四指固定机构的伸缩臂包括连接在箱体上的连接杆，连接杆螺纹连接螺杆，螺杆通过圆柱销连接能够折叠的连架杆，连架杆连接有与四指近端指节弧形臂相套接的推杆；推杆上连接有四指远端指节外骨骼。
更进一步地，所述四指近端指节弧形臂设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有位置传感器；设在四指远端指节外骨骼直线臂上的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。
更进一步地，所述四指近端指节弧形臂内弧根部与四指远端指节外骨骼端部分别通过魔术贴与手指各关节相连，在四指近端指节弧形臂内弧根部与四指远端指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。
进一步地，所述拇指机构包括设在箱体两侧通过与箱体内面板圆柱销连接的固定板，固定板连接拇指近端指节外骨骼，拇指近端指节外骨骼连接齿轮组，所述齿轮组为一对相互啮合的锥齿轮，拇指近端指节外骨骼通过圆柱销与连接在1#锥齿轮上的连杆相连，2#锥齿轮通过拇指连杆与多连杆系统相连；齿轮组轴心铰接在在箱体内壁固定杆上。
更进一步地，所述拇指近端指节外骨骼与手指连接处通过魔术贴设有拇指压力传感器。
进一步地，所述多连杆传力系统包括设在箱体内左右两侧的一对连杆，一对连杆端头分别与左右侧的四指机构的四指近端指节外骨骼或拇指连杆相连，一对连杆的另一端连接有铰接活塞杆的四连杆机构，四连杆机构的延伸端连接有纵杆，纵杆的端部分别铰接有与箱体侧壁连接的固定杆和横杆，一对横杆之间连接有铰接活塞杆的四连杆机构。
作为优化，所述箱体为中空的围框形结构，拇指康复系统、四指康复系统和平面镜设在箱体围框内侧壁上，多连杆传力系统设在箱体中空的围框内；所述多连杆传力系统的固定杆连接在箱体的内侧壁上，多连杆传力系统的活塞杆端贯穿在箱体围框外侧壁的孔中做水平滑动。
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、通过患者健侧手提供动力来驱动患侧手或者患侧手自主运动，实现更有利于患者康复的主被动式运动。
2、本发明一种主被动式可穿戴康复训练机械手根据人体手部结构尺寸进行设计，无论两机械手的平行布置运动方式还是拇指与四指间空间夹角的设计，以及拇指机构通过锥齿轮啮合的带动运动方式，都更有利于患者手部运动功能的康复训练。
3、在该训练装置的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、外骨骼机械手通过箱体内壁插板承担重量，采用环保轻型材料，既不会给患者构成负担，又降低成本。
5、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，包括五根手指的共同运动和单独运动，有助于患者患侧手更好更全面地康复治疗。
6、借助镜像神经元理论，通过镜子疗法，即患者对着镜子再辅助本发明的康复训练装置进行患指的康复训练，有助于患者重塑受损神经，进而使受损的大脑恢复功能。
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4为本发明的连杆传力系统的结构示意图；
图5为本发明的立体结构示意图。
图中，1、箱体；2、右侧拇指固定板；3、右侧拇指；4、右侧食指；5、右侧中指；6、右侧无名指；7、右侧小指；8、平面镜；9、左侧小指；10、左侧无名指；11、左侧中指；12、左侧食指；13、左侧拇指；14、左侧拇指固定板；15、平面镜调节孔；16、连接杆；17、螺杆；18、四指近端指节弧形臂；19、四指远端指节外骨骼；20、第二压力传感器；21、圆柱销；22、第一压力传感器；23、推杆；24、连架杆；25、四指近端指节旋转孔；26、四指近端指节外骨骼；27、2#锥齿轮；28、1#锥齿轮；29、连杆；30、拇指压力传感器；31、拇指近端指节外骨骼；32、2#活塞杆；33、2#四连杆机构；34、2#横杆；35、1#固定杆；36、1#纵杆；37、1#四连杆机构；38、1#活塞杆；39、1#连杆；40、2#连杆；41、3#活塞杆；42、3#四连杆机构；43、2#纵杆；44、2#固定杆；45、1#横杆；46、四指近端指节外骨骼连杆；47、拇指机构连杆；48、箱体后面板；49、箱体开口部顶面板；50、箱体右面板；51、箱体前面板；52、箱体左面板；53、箱体开口部左侧面板；54、箱体内面板；55、箱体开口部右侧面板。
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主被动式可穿戴康复训练机械手，其结构如图1所示，包括固定外骨骼机械手的箱体1、以及分别架设在外骨骼机械手的箱体1左右两侧的拇指康复系统和四指康复系统，拇指康复系统通过连杆及齿轮系统与箱体1相连，四指康复系统通过多连杆与箱体1相连；拇指康复系统与四指康复系统相互呈垂直分布在箱体1的两个侧壁上。平面镜8设在箱体1中的两侧机械手之间并与水平面成一定角度，箱体1上设置有不同位置的平面镜调节孔15，平面镜8固定在不同位置的调节孔内，用于适应不同位置不同角度的需要。拇指康复系统和四指康复系统分别与手指各关节相连，相连端设有压力传感器，同时拇指与四指康复系统采用30度左右的空间角布置，更适合人手的骨骼分布结构并且两侧机械手采用更适合病人的平行布置运动方式，以达到更好的康复效果，一侧(患侧或健康侧)拇指和四指康复训练系统的运动，由另一侧(健康侧或患侧)机械手通过多连杆和齿轮传递及改变动力方向来驱动，进而实现患者健侧手带动患侧手或者患侧手自主运动的主被动式同步康复训练。
拇指康复系统包括拇指机构、齿轮组以及拇指固定板；分为左侧拇指13和右侧拇指3、左侧拇指固定板14和右侧拇指固定板2。
四指康复系统包括通过多连杆传力系统与食指、中指、无名指和小指的四指分别相连的四指机构以及四指固定板。分为右手四指机构和左手四指机构，图1中右侧拇指康复系统和四指康复系统自上而下依次分布为右侧拇指固定板2、右侧拇指3、右侧食指4、右侧中指5、右侧无名指6、右侧小指7。左侧拇指康复系统和四指康复系统自下而上依次分布为左侧小指9、左侧无名指10、左侧中指11、左侧食指12、左侧拇指13和左侧拇指固定板14。右手四指机构包括右侧食指4、右侧中指5、右侧无名指6、右侧小指7，为屈伸传递动力的多连杆系统的一端1#连杆39与右手四指机构的四指近端指节外骨骼26通过圆柱销相连(参见图4)，二者可相对转动，右手四指机构与固定在箱体上的四指固定板下端铰接，二者可相对转动；左手四指机构包括左侧食指12、左侧中指11、左侧无名指10、左侧小指9，为屈伸传递动力的多连杆系统的2#连杆40与左侧四指机构的四指近端指节外骨骼通过圆柱销相连(参见图4)，二者可相对转动，左手四指机构与固定在箱体上的四指固定板下端铰接，二者可相对转动。
如图2所示，四指机构包括四个并列设在固定外骨骼机械手的箱体1两侧通过四指固定板固定的四指固定机构和伸缩臂；四指固定机构包括四指近端指节外骨骼26、伸缩臂和四指远端指节外骨骼19，四指近端指节外骨骼26上连接四指近端指节外骨骼连杆46；四指近端指节外骨骼26包括直线臂和四指近端指节弧形臂18；伸缩臂包括连接杆16、螺杆17、推杆23和连架杆24。伸缩臂一端与四指近端指节弧形臂18通过圆柱销21连接，另一端通过圆柱销与箱体相连。
其中，四指机构的伸缩臂包括铰接在箱体1上的连接杆16，伸缩臂连接杆16与箱体1铰接，可绕铰接点转动；连接杆16与螺杆17螺纹连接，螺杆17通过圆柱销连接能够折叠的连架杆24，连架杆24连接有与四指近端指节外骨骼弧形臂19套接的推杆23；推杆23上连接有四指远端指节外骨骼19。螺杆17设有外螺纹，螺杆17和连接杆16通过螺纹连接来调节配合长度，通过链杆间的相对运动达到调节手指运动范围的目的。四指近端指节弧形臂18设有对称的双弧形轨道槽结构，双弧形轨道槽中分别设有限位销，防止在运动过程中机构卡死；双弧形轨道槽中并设有位置传感器；四指远端指节外骨骼19通过圆柱销与轴承21在近端指节弧形臂18的轨道槽内滚动。
四指近端指节弧形臂18内弧根部与四指远端指节外骨骼19端部分别通过魔术贴与手指各关节相连，在连接部分分别设有第一压力传感器22和第二压力传感器20。四指近指端指节外骨骼26上设有不同位置的调节孔25，与固定板配合，达到适应不同尺寸与位置手指的目的。
如图3所示，拇指机构包括设在箱体1两侧通过与箱体1左侧内面板53(参见图5)圆柱销连接的固定板14(参见图1)上的拇指近端指节外骨骼31和齿轮组，齿轮组为一对相互啮合的锥齿轮，拇指近端指节外骨骼31上设有若干孔，可调节手指弯曲角度及适应不同尺寸手指，与固定板14下端铰接在一起，二者可相对转动；拇指近端指节外骨骼31通过圆柱销与连接在1#锥齿轮28上的连杆29的下端相连，2#锥齿轮27通过拇指机构连杆47与多连杆系统相连，齿轮组分别安装在箱体1内壁固定杆上。
拇指近端指节外骨骼31与手指通过魔术贴连接并在连接处设有拇指压力传感器30。通过角度传感器和压力传感器反馈采集患者训练数据。
如图4所示，多连杆传力系统包括设在箱体1内的1#连杆39，1#连杆39端头与右侧四指机构的四指近端指节外骨骼26或拇指机构连杆47相连，1#连杆39的另一端连接有铰接1#活塞杆38的1#四连杆机构37，1#四连杆机构37的延伸端连接有1#纵杆36，1#纵杆36的端部分别铰接有1#固定杆35和2#横杆34、1#横杆45，1#固定杆35与箱体1相连；1#横杆45和2#横杆34之间连接有铰接2#活塞杆32的2#四连杆机构33；1#横杆45的端部分别铰接有2#固定杆44和2#纵杆43，2#纵杆43的下端与铰接有3#活塞杆41的3#四连杆机构42相连，2#连杆40的一端与3#四连杆机构42相连，另一端与左侧四指机构的四指近端指节外骨骼连杆46或拇指机构连杆47相连。由于连杆传力系统运动的可逆性，主运动的一侧既可以是左手也可以是右手。
如图5所示，箱体1为中空的围框形结构，箱体后部封闭，前部、上部开口，由箱体后面板48、箱体开口部顶面板49、箱体右面板50、箱体左面板52、箱体开口部左侧面板53、箱体内面板54、箱体开口部右侧面板55和箱体前面板51构成封闭箱体。由箱体开口部左侧面板53和箱体开口部右侧面板55与箱体前面板51、箱体内面板54构成的前端两个凸台用于安装拇指康复系统，由箱体右面板50、箱体左面板52与箱体前面板51、箱体后面板48构成的围框的两侧用于安装四指康复系统。每个拇指四指机构和四指机构上分别连接有一套多连杆传力系统，各多连杆传力系统的固定杆分别连接在箱体1侧壁上，各多连杆传力系统的活塞杆分别贯穿出箱体1侧壁上的孔，并沿箱体1做水平滑动。
以拇指运动传力系统为例说明本发明多连杆传力系统与齿轮组在箱体中的连接位置。多连杆传力系统和齿轮组设在该封闭箱体内，在箱体开口处设有箱体开口部顶面板50、箱体开口部左(右)侧面板和箱体左(右)面板。拇指康复系统、四指康复系统和平面镜8分别设在箱体1开口处，设在箱体1封闭处的多连杆传力系统的活塞杆上端分别贯穿箱体后面板48和箱体左(右)面板的孔做上下滑动；固定杆连接在箱体开口部顶面板49上，1#锥齿轮的转动轴安装在箱体开口部左(右)侧面板内壁上，2#锥齿轮的转动轴安装在箱体开口部顶面板49上。
本发明的工作过程如下：
手部运动功能受损的患者穿戴好本发明的主被动式可穿戴康复训练机械手，患者健侧手指做抓握动作时，以拇指为例，一侧拇指屈曲带动康复训练机械手的拇指外骨骼运动，即拇指近端指节外骨骼31绕拇指固定板下端铰接点转动，从而推动连杆29运动，进而驱动输入端1#锥齿28运动，经齿轮组转换运动后由2#锥齿轮27输出运动给拇指机构连杆47，拇指机构连杆47与多连杆传力系统的1#连杆39相连，之后运动分别经过1#四连杆机构、2#四连杆机构、3#四连杆机构等机构后，将运动由2#连杆输出给另一侧手的锥齿轮组，最后驱动另一侧拇指的同步屈曲运动。另外，在进行患指的康复训练过程中，患者可以通过平面镜8观察到同侧各个手指的康复训练运动。本发明采用“镜子疗法”，利用镜像神经元理论，患者用健康的手对着镜子不断的做运动，给患者大脑一种受损的手在运动的错觉，这样有助于相关受损的大脑运动功能区域的恢复或重塑，从而达到手功能康复训练的效果。至于镜子角度的要求只要在镜子中能够看到主动手的运动，同时镜子把被动手遮挡住即可，由于结构传递运动的可逆性，作为驱动手的一侧既可以是健康手也可以是患侧手，实现主被动的康复训练，加上更贴合人手结构的外骨骼布置设计方式可以使病人实现更高效的康复训练效果。
整个康复训练机械手为独立结构，可以放置在不同场合进行康复治疗。
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 (8)
1.一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，包括固定机械手的箱体(1)、以及分别架设在箱体(1)左右两侧的拇指康复系统和四指康复系统，拇指康复系统通过多连杆传力系统及齿轮与箱体(1)相连，四指康复系统通过多连杆传力系统与箱体(1)相连；平面镜(8)设在所述箱体(1)中的两侧机械手之间；
所述拇指康复系统和四指康复系统分别与手指各关节相连，连接后的拇指康复系统与四指康复系统相互呈30度的空间角布置，相连端设有压力传感器，一侧拇指和四指康复训练系统的运动，由另一侧机械手通过多连杆和齿轮传递及改变动力方向来驱动，进而实现患者健侧手带动患侧手或者患侧手自主运动的主被动式同步康复训练；
所述拇指康复系统包括拇指机构、齿轮组以及拇指固定肋板；所述四指康复系统包括通过多连杆传力系统与食指、中指、无名指和小指的四指分别相连的四指机构以及四指固定肋板；所述多连杆传力系统包括分别与拇指机构、四指机构的四指中端指节外骨骼连接的两个互连的连杆,两个连杆之间设有与箱体相连的活塞杆、四连杆和若干固定杆；
所述多连杆传力系统包括设在箱体(1)内左右两侧的一对连杆，一对连杆端头分别与左右侧的四指机构的四指近端指节外骨骼(26)或拇指连杆(47)相连，一对连杆的另一端连接有铰接活塞杆的四连杆机构，四连杆机构的延伸端连接有纵杆，纵杆的端部分别铰接有与箱体(1)侧壁连接的固定杆和横杆，一对横杆之间连接有铰接活塞杆的四连杆机构。
2.根据权利要求1所述的一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，所述四指机构包括四个并列设在箱体(1)两侧通过销连接固定在四指固定板上的四指固定机构，四指固定机构包括四指近端指节外骨骼(26)、伸缩臂和远端指节外骨骼(19)；所述四指近端指节外骨骼(26)通过圆柱销与多连杆传力系统连接，四指近指端指节外骨骼(26)上设有不同位置的调节孔(25)；四指固定机构的伸缩臂一端与四指近端指节弧形臂(18)通过圆柱销(21)连接，另一端通过圆柱销与箱体相连。
3.根据权利要求2所述的一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，所述四指固定机构的伸缩臂包括连接在箱体(1)上的连接杆(16)，连接杆(16)螺纹连接螺杆(17)，螺杆(17)通过圆柱销连接能够折叠的连架杆(24)，连架杆(24)连接有与四指近端指节弧形臂(18)相套接的推杆(23)；推杆(23)上连接有四指远端指节外骨骼(19)。
4.根据权利要求3所述的一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，所述四指近端指节弧形臂(18)设有双弧形轨道槽，双弧形轨道槽中分别设有位置传感器；设在四指远端指节外骨骼(19)直线臂上的圆柱销(21)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。
5.根据权利要求3所述的一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，所述四指近端指节弧形臂(18)内弧根部与四指远端指节外骨骼(19)端部分别通过魔术贴与手指各关节相连，在四指近端指节弧形臂(18)内弧根部与四指远端指节外骨骼(19)端部分别设有第一压力传感器(22)和第二压力传感器(20)。
6.根据权利要求1所述的一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，所述拇指机构包括设在箱体(1)两侧通过与箱体(1)内面板圆柱销连接的固定板(14)，固定板(14)连接拇指近端指节外骨骼(31)，拇指近端指节外骨骼(31)连接齿轮组，所述齿轮组为一对相互啮合的锥齿轮，拇指近端指节外骨骼(31)通过圆柱销与连接在1#锥齿轮(28)上的连杆(29)相连，2#锥齿轮(27)通过拇指连杆(47)与多连杆系统相连；齿轮组轴心铰接在箱体(1)内壁固定杆上。
7.根据权利要求6所述的一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，所述拇指近端指节外骨骼(31)与手指连接处通过魔术贴设有拇指压力传感器(30)。
8.根据权利要求1所述的一种主被动式可穿戴康复训练机械手，其特征在于，所述箱体(1)为中空的围框形结构，拇指康复系统、四指康复系统和平面镜(8)设在箱体(1)围框内侧壁上，多连杆传力系统设在箱体(1)中空的围框内；所述多连杆传力系统的固定杆连接在箱体(1)的内侧壁上，多连杆传力系统的活塞杆端贯穿在箱体围框外侧壁的孔中做水平滑动。
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