CN107233190A - 一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，包括支撑底座以及固定在支撑底座上的驱动传感机构I和驱动传感机构II，驱动传感机构I和驱动传感机构II由光电编码器、直流力矩电机、磁流变液阻尼器和力矩传感器组成；其中，驱动传感机构I的输出端通过联轴器I连接弧形导轨的一端，弧形导轨的另一端依次通过连接杆I、连接杆II、连接杆III固定在支撑板I上，连接杆III通过轴承I固定在支撑板I上，支撑板I固定在支撑底座上；驱动传感机构II的输出端通过联轴器II连接手机训练机构的驱动轴，手指训练机构包括训练杆、前指套、后指套、驱动连接件和驱动轴，驱动轴通过驱动连接件与训练杆传动连接；训练杆的前端部嵌入弧形导轨中沿着弧形导轨滑动。

Description

一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置

技术领域

本发明涉及一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，属于医疗器械技术领域。

背景技术

“脑卒中”(cerebralstroke)俗称“中风”、“脑血管意外”(cerebralvascularaccident，CVA)，是一种急性脑血管疾病。是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，是中国成年人残疾的首要原因，严重者可引起死亡。通过调查各大医院的“中风”患者就诊记录可以发现，即使患者能够幸存，仍然有很大一部分留下残疾，尤其是手部残疾的后遗症。手是人体构造复杂又非常灵活的一部分，日常生活中，手是人不可或缺的工具，一旦因为脑血管意外导致手部出现残疾，将会丧失手部的运动和感觉技能，严重影响了患者的生活质量，更有甚者，患者将失去劳动能力和自理能力。这些病人都需要及时的和持久的恢复治疗来重返健康，但对大多数病人而言，依靠少数的治疗专家来获得长期的康复训练过程是不实际的。在机器人技术不断创新与进步，其应用领域不断扩展的今天，手指康复机器人应运而生，它的出现使得患者可以在医生的指导下独立进行手指恢复训练，弥补了医生数量不足、医疗水平层次不齐等问题。

手部和手指的康复系统相比于下肢更加少见，由于手部有各种多自由度运动的手势，手部康复治疗更加困难，而且与手部想接触的辅助装置必须非常精细。迄今为止，依托功能电刺激技术，出现许多手指功能的研究，手部康复设备，基于虚拟现实的中风康复，以及远程治疗技术。但是多数康复装置对于手指施行的康复训练动作有所限制，比如只有握和拍，尤其针对大拇指的运动，更是由于训练机构的原因无法实现良好的训练动作，大大影响了康复效果。普通人的大拇指有两个关节来控制其动作，其中，掌指关节同时产生内屈外展和拇指对掌的动作，生活中很多灵巧的动作都需要拇指对掌动作的产生，然而现有的手指康复设备鲜有机构能辅助大拇指产生此动作。可以想象拇指对掌的动作轨迹类似与顶点位于手腕处的圆锥面，大拇指与圆锥中心轴所成的角度几乎是恒定的，因此可以将掌指关节内收外展和弯曲伸直分别和圆锥形动作以及改变顶角动作相对应。从上面可以看出，装置应辅助拇指腕掌关节实现“圆锥动作”。在通常的动作下，拇指的运动是需要弯曲伸直运动和对掌的运动协同完成的，如当前人们使用频率最高的手机，人在使用时，拇指同时需要两种动作配合。为了提高手损伤病人的生活质量，恢复手部以前的操作功能，亟需一种可以使病人实现一些诸如转动门把手、持筷子，操作手机等动作的治疗装置。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，该拇指康复训练装置既可以实现拇指的弯曲伸直运动又可以辅助拇指实现翻转运动。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，包括支撑底座以及固定在支撑底座上的驱动传感机构I和驱动传感机构II，所述驱动传感机构I和驱动传感机构II均依次由光电编码器、直流力矩电机、联轴器、磁流变液阻尼器以及力矩传感器组成；其中，所述驱动传感机构I的输出端通过联轴器I连接弧形导轨的一端，弧形导轨的另一端依次通过连接杆I、连接杆II、连接杆III固定在支撑板I上，弧形导轨、连接杆I、连接杆II和连接杆III依次转动连接，连接杆III通过轴承I固定在支撑板I上，支撑板I固定在支撑底座上；所述驱动传感机构II的输出端通过联轴器II连接手机训练机构的驱动轴，所述手指训练机构包括训练杆、位于训练杆前端的前指套、可相对训练杆滑动的后指套、驱动连接件以及驱动轴，驱动轴通过驱动连接件与训练杆传动连接，驱动连接件通过轴承II固定在支撑底座上；训练杆的前端部嵌入弧形导轨中沿着弧形导轨滑动。

其中，所述驱动轴一端与驱动传感机构II的输出端通过联轴器II连接，驱动轴另一端与驱动连接件通过铰链机构连接。

其中，所述铰链机构包括轴承固定块、第一轴承、第二轴承以及封盖，所述轴承固定块设置在封盖内，所述轴承固定块固定在所述驱动轴的一端，所述第一轴承设置在封盖内，所述第二轴承设置在驱动连接件内，第一轴承和第二轴承的内圈固定在轴承固定块上，所述封盖与驱动连接件固定连接。

其中，所述后指套通过连接件与训练杆连接，所述训练杆中部设有导槽，在所述导槽内设有滚轮，连接件与滚轮固定连接，用于调节前后指套的相对位置，即通过移动滚轮在导槽中的位置来适应不同长度的拇指。

其中，所述前指套为环形指套，所述后指套为半封闭指套，在半封闭指套内设置有双面魔术贴。

相比于现有技术，本发明技术方案的有益效果为：

在手部康复过程中，本发明用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置既辅助实现了拇指的弯曲和伸直，内收和外展等动作，又实现了拇指侧向旋转对掌等动作，通过提供科学的康复训练动作，有助快速恢复患者手部以前的操作功能，从而提高了患者的恢复质量。

附图说明

图1为本发明用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置的结构示意图；

图2为本发明用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置的局部结构示意图；

图3为本发明用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置手指训练机构的结构示意图；

图4为本发明用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置的硬件控制电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

如图1～3所示，本发明用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，包括支撑底座23以及固定在支撑底座23上的驱动传感机构I和驱动传感机构II，驱动传感机构I和驱动传感机构II相互垂直排布，驱动传感机构I和驱动传感机构II均依次由同轴设置的光电编码器18、直流力矩电机19、联轴器20、磁流变液阻尼器21以及力矩传感器22组成；其中，直流力矩电机19一端与光电编码器18连接，直流力矩电机19另一端通过联轴器20与磁流变阻尼器21旋转轴连接，磁流变阻尼器21旋转轴另一端与力矩传感器22固定连接，力矩传感器22另一端通过联轴器I10或联轴器II5与弧形导轨11的一端或手机训练机构的驱动轴6连接；驱动传感机构I的输出端通过联轴器I10连接弧形导轨11的一端，弧形导轨11的另一端依次通过连接杆I12、连接杆II13、连接杆III16固定在支撑板I15上，弧形导轨11、连接杆I12、连接杆II13和连接杆III16依次转动连接，连接杆III16通过轴承I14固定在支撑板I15上，支撑板I15固定在支撑底座23上；驱动传感机构II的输出端通过联轴器II5连接手机训练机构的驱动轴6，手指训练机构包括训练杆4、位于训练杆4前端的前指套2、可相对训练杆4滑动的后指套1、驱动连接件7以及驱动轴6，驱动轴6通过驱动连接件7与训练杆4传动连接，驱动连接件7通过轴承II8固定在支撑底座23上，后指套1通过后指套连接件3与训练杆4连接，训练杆4中部设有导槽，在导槽内设有滚轮，后指套连接件3与滚轮固定连接，通过移动滚轮在导槽中的位置来适应不同长度的拇指，达到调节前后指套的相对位置；前指套2为环形指套，后指套1为半封闭指套，在半封闭指套内设置有双面魔术贴；训练杆4的前端部嵌入弧形导轨11中沿着弧形导轨11滑动，同时随着弧形导轨11一起转动。

驱动轴6一端与驱动传感机构II的输出端通过联轴器II5连接，驱动轴6另一端与驱动连接件7通过铰链机构连接；铰链机构包括轴承固定块、第一轴承、第二轴承以及封盖，轴承固定块设置在封盖内，轴承固定块固定在驱动轴6的一端，第一轴承设置在封盖内，第二轴承设置在驱动连接件7内，第一轴承和第二轴承的内圈固定在轴承固定块上，封盖与驱动连接件7固定连接。

本发明拇指康复训练装置固定在支撑底座23上，驱动传感机构I和驱动传感机构II分别通过多个支撑板固定在支撑底座23上，两组支撑板组分别作为驱动传感机构I(用于提供拇指侧向翻转对掌动作)和驱动传感机构II(用于提供拇指弯曲伸直动作)的支撑部分，每组驱动传感机构都由光电编码器18、直流力矩电机19、磁流变液阻尼器21和力矩传感器22组成，光电编码器18和力矩传感器22用于采集患者使用康复装置时手指的位置信息和患者手指所能提供的力量信息，磁流变液阻尼器21和直流力矩电机19分别为康复设备主动和被动模式的驱动设备。

由于人的拇指相较于其他手指在构造上有所不同，相应的运动灵活度也更高，因此对于患者的拇指康复训练机构，需要设计多自由度满足需要。本发明拇指康复训练装置辅助拇指实现弯曲伸直动作和翻转对掌动作。使用本发明拇指康复训练装置时，拇指前端通过前指套2，后半部分通过半封闭的后指套1，并使用双面魔术贴进行固定，前指套2直接固定在训练杆4上半部，后指套1和后指套连接件3进行销连接，后指套1可通过滚轮在训练杆4上前后移动，从而通过调节滑轮在导槽中的位置来适应不同长度的拇指；训练杆4的底端与驱动连接件7相连接，驱动连接件7另一端通过铰链机构和驱动轴6相连接，驱动传感机构II提供驱动力或反馈力通过驱动轴6辅助拇指沿着弧形导轨11进行运动，实现拇指的弯曲伸直动作，另一方面，弧形导轨11本身通过联轴器I10与驱动传感机构I的输出轴连接，驱动传感机构I能够使弧形导轨11以联轴器I10所在直线为轴进行四分之一圆周转动，从而实现拇指的翻转对掌动作。

本发明拇指康复训练装置由基于LPC1700芯片的硬件电路驱动控制，硬件电路包含主控制器模块，传感器数据采集模块，驱动控制模块，通信接口模块和电源管理模块，主控制器模块包含主控芯片LPC1700以及针对于该芯片的最小系统电路，传感器数据采集模块包括薄膜压力传感器，力矩传感器，驱动控制模块包括主动驱动设备直流力矩电机和被动驱动设备磁流变液阻尼器，通信接口模块使用USB2.0和上位机进行通信，电源管理模块负责产生驱动各个模块工作的相应电源，包含5V，3.3V，12V的直流电源。

采集电路负责对编码器和力矩、压力传感器的数据采集，目的是对患者在使用的过程中手部信息的获取，是医生进行康复评估的依据，同时，准确地获取患者手指可以运动的位移等信息，也有利于在康复机器人主动模式下，电机带动手指运动范围的确定，更有针对性地带动患者的手指进行动作。驱动电路实现对电机、阻尼器等驱动装置的控制，用于在主动和被动训练模式下，装置能够手指提供一定的驱动力和反馈力，在主动模式下，电机带动手指辅助机构，使手指在电机的带动下完成训练动作。手指的运动速度，运动的位移，运动的方向都可以调节。被动模式下，要对患者的手指提供一定的反馈力，通过设定流过阻尼器线圈的电流，可以有效调节阻尼器的输出。

传感器数据采集模块，包含光电编码器信号分析电路，力矩传感器数据处理电路，压力传感器数据处理电路。光电编码器的处理电路主要对光电编码器传来的脉冲信号进行波形处理和解码分离，得到的脉冲信号输入到主控制器，通过分析和计数获得轴转动的角度和方向。力矩传感器数据处理电路主要是对传感器传来的电信号进行放大和滤波处理，将处理后的信号传送给微处理器的AD转换通道，进而得到力矩信息。压力传感器数据处理电路主要是将压力传感器在有效面积内压力变化造成的电阻的改变值转换为电压的改变值，之后通过二阶电路滤波，将信号传送给微处理器得到压力信号。

电机在某时刻所转到的位置以及电机当前的转速和转向是电机运动状态的重要指标，需要精确准地对这三个指标的信息进行获取，才能有效地对电机进行控制，对电机运动状态的获取依赖于光电编码器，而对电机的控制是使用了自身集成H桥电路的MC33186芯片，通过PWM波，能够方便地对电机的转向和转速进行精准的控制。

磁流变液阻尼器用于在患者自主动作时产生大小可调的阻力，在控制电路中，首先通过DA转换芯片将主控制器传来的数字信号转换为模拟电压信号，再通过电流取样电路，将相应的模拟电压转换为电流信号，最后通过低压线性稳压芯片对磁流变液阻尼器的电压进行稳压，并且通过并联稳压器增大输入到阻尼器中的电流。

本发明拇指康复训练机构可实现主被动集合的拇指康复训练模式。

1、被动训练模式的实现

对于处于康复治疗早期的偏瘫患者，手指活动范围、力量小，手指相对脆弱，容易受到二次损伤，此时，患者在医生的帮助下使用本发明拇指康复训练装置进行被动训练。首先将患者拇指固定在前后指套当中，通过光电编码器18采集患者手指可以活动的位置信息，进行记录，之后设定直流力矩电机19在患者手指可以活动的范围内带动手机训练机构进行转动，从而带动患者的手指进行运动周期往复运动实现康复治疗，在此被动模式下，通过磁流变液阻尼器21进行“刹车”操作，大大改善了直流力矩电机19驱动手指训练机构进行运动时的稳定性，提高了装置的安全性。

在偏瘫患者进行被动训练时，医生或者家人首先帮助患者手指完成一个周期的屈曲与伸展运动，在这个过程中，传感装置记录患者手指所能运动的最大范围并记录在下位机中；随后，控制器采用适合的控制策略来控制驱动装置带动患者手指在这个范围内做平稳的屈曲与伸展运动。

2、主动训练模式的实现

对于手指损伤不严重，手指有一定活动能力的患者，可以使用本发明拇指康复训练装置辅助患者在主动模式下进行治疗，首先将患者的拇指固定在前后指套上，使用光电编码器18采集患者手指可以运动的范围，并使用力矩传感器22采集患者手指的力量信息进行记录，之后由磁流变液阻尼器21提供相应的阻力，患者主动活动手指，并通过和所记录的手指力量信息相对比，避免因阻力过大对拇指造成二次损伤，另外，由于患者拇指处于不同位置时所能承受的力不同，可以通过直流力矩电机19辅助手指训练机构进行运动，在混合驱动模式下，提高康复治疗的效果。

在偏瘫患者进行主动训练时，传感器用于测量患者手指的速度与受力情况，控制器控制电机与磁流变阻尼器输出相应的反馈力，反馈力作用到患者手指上形成一个闭环的控制，提供的力包括助力或者阻力，使得不同康复时期患者的拇指都可以得到有效的主动训练。

本发明装置采用主被动相结合的康复治疗模式，使得患者拇指的恢复治疗更加科学和有效。

本发明康复训练装置采用外骨骼与平台支撑相结合的方式，拇指运动机构采用外骨骼结构，且由支撑平台来支撑，不但发挥了外骨骼结构对手指精确控制的优点，还克服了单纯外骨骼结构需要手部进行支撑、给手指带来压迫与约束等缺点，使得手指不但能够进行充分的屈曲与伸展，而且在运动过程中没有负重和过多的约束；将外骨骼式机构与平台支撑进行结合时可以更加方便有效地利用驱动传感装置，较之于纯外骨骼的康复机构，可以更好地利用电机，阻尼器等外部驱动设备。为了实现主被动相结合的训练模式，采用直流电机和磁流变液阻尼器混合驱动结合，在患者手指损伤严重无法自主运动时，采用被动训练方式，此时直流电机提供驱动力，磁流变液阻尼器可以辅助电机进行刹车，且在检测到手指超过安全运动范围时可以快速提供阻尼力锁住电机，防止手指受到二次伤害；当患者手指需要自主运动恢复手指功能时进行主动训练，此时由磁流变液阻尼器提供一定的力反馈，电机在手指力量较小时，提供一定的辅助力帮助手指实现相应的动作，电机和磁流变液阻尼器组成的混合驱动装置可以相互配合，同时电机的运动速度和阻尼器所提供的力反馈可以根据患者不同时期的手指康复情况进行调节，更加有效地帮助患者手指进行恢复，电机和磁流变液阻尼器相结合的混合驱动方式使得康复训练装置更加稳定、安全和有效；拇指康复训练装置选用铝合金材料，在保证康复装置安全性，稳定性的同时，使得装置更加轻盈，各个部件之间的阻力相对较小，使得患者在使用装置的过程中，更少地受到由于装置本身重量所带来的阻力的影响，更加精确地控制患者在使用康复训练装置时的阻尼器和电机；本发明拇指康复训练装置具有完善的患者康复信息传感系统，在患者使用康复装置的过程中能够及时有效地采集患者拇指的位置信息和力量信息，在提高装置安全性稳定性的同时也使得医务人员准确地了解患者的康复状况。

本发明拇指康复装置能够准确采集拇指康复信息，控制拇指的训练动作，从而帮助患者在手指康复训练中得到正确有效的训练，进而有助于患者拇指的快速康复。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，其特征在于：包括支撑底座以及固定在支撑底座上的驱动传感机构I和驱动传感机构II，所述驱动传感机构I和驱动传感机构II均依次由同轴设置的光电编码器、直流力矩电机、联轴器、磁流变液阻尼器以及力矩传感器组成；其中，所述驱动传感机构I的输出端通过联轴器I连接弧形导轨的一端，弧形导轨的另一端依次通过连接杆I、连接杆II、连接杆III固定在支撑板I上，弧形导轨、连接杆I、连接杆II和连接杆III依次转动连接，连接杆III通过轴承I固定在支撑板I上，支撑板I固定在支撑底座上；所述驱动传感机构II的输出端通过联轴器II连接手机训练机构的驱动轴，所述手指训练机构包括训练杆、位于训练杆前端的前指套、可相对训练杆滑动的后指套、驱动连接件以及驱动轴，驱动轴通过驱动连接件与训练杆传动连接，驱动连接件通过轴承II固定在支撑底座上；训练杆的前端部嵌入弧形导轨中沿着弧形导轨滑动。

2.根据权利要求1所述的用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，其特征在于：所述驱动轴一端与驱动传感机构II的输出端通过联轴器II连接，驱动轴另一端与驱动连接件通过铰链机构连接。

3.根据权利要求2所述的用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，其特征在于：所述铰链机构包括轴承固定块、第一轴承、第二轴承以及封盖，所述轴承固定块设置在封盖内，所述轴承固定块固定在所述驱动轴的一端，所述第一轴承设置在封盖内，所述第二轴承设置在驱动连接件内，第一轴承和第二轴承的内圈固定在轴承固定块上，所述封盖与驱动连接件固定连接。

4.根据权利要求1所述的用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，其特征在于：所述后指套通过连接件与训练杆连接，所述训练杆中部设有导槽，在所述导槽内设有滚轮，连接件与滚轮固定连接。

5.根据权利要求1所述的用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置，其特征在于：所述前指套为环形指套，所述后指套为半封闭指套，在半封闭指套内设置有双面魔术贴。