CN107496141A - 一种手指康复器装置及手指训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手指康复器装置及手指训练方法，所述的装置包括机械框架、智能终端模块、主控模块、电机模块、反馈模块、控制系统。所述的机械框架为电机座、滑轨、滑轮、尼龙线、大拇指套、大拇指架、食指套、食指架；所述的主控模块为单片机；所述的电机模块为步进电机；所述的反馈模块为表面肌电传感器；所述的指令模块为Leap Motion。智能终端模块通过RS485连接主控芯片模块，指令模块连接智能终端模块，主控芯片模块控制电机模块运动，反馈模块通过SPI连接主控模块。手势向前时，完成大拇指左右训练；手势向下时，完成食指上下训练；手势顺时针旋转时，完成食指与大拇指对指训练。当反馈模块检测到肌肉疲劳或痉挛信息时，训练停止，避免损伤使用者。
Description
技术领域
本发明涉及康复训练装置领域，特别涉及一种手指康复器装置及手指训练方法。
背景技术
脑卒中的病人手部不能正常活动，需要进行手指康复训练。手部的构造极为精巧和复杂，脑卒中病人的手指仅靠自身，康复的难度较大，且治疗周期较长，手指能够恢复到原来运动机能的概率较小。所以如何恢复患者手指的运动机能，是一件非常重要的事情。经过多次去医院实际调研，发现大多数脑卒中病人的手部张不开，食指与大拇指不能进行对指运动，而食指与大拇指能进行对指运动又是脑卒中病人整体康复的一大标志，所以不管是医院医护人员还是病人对食指与大拇指对指训练康复器都有着强烈的需求。同时，食指与大拇指能进行对指运动，也就意味着病人可以自己拿笔，拿筷子，拿水杯等，一定程度地实现生活自理。
脑卒中使用者在康复训练时，较常人易于疲劳，由于多数使用者训练部位的神经功能受损，在训练过程中人脑不能及时获取有关肌肉活动情况的反馈信息，随着训练的进行，疲劳程度会不断加重，肌张力会显著上升，进而引起痉挛、拉伤等严重后果。表面肌电信号与肌肉有着天然的联系,对肌肉进行量化分析后，不仅能够反映使用者的运动意图，同时也能够反映使用者的肌肉状态。手指肌肉疲劳的检测分析在脑卒中康复领域有很大的应用前景，可以在康复过程中为看护人员提供有用的信息，防止使用者二次损伤。
现有的手指训练康复器材结构复杂，成本高昂，不能用于对指训练，不能够实时监测到使用者在训练过程中出现的肌肉疲劳和痉挛，可能会造成使用者二次损伤。因此有必要设计一种结构简单、成本低廉的手指训练康复器材，可针对对指运动进行训练，能够实时监测到使用者在训练过程中出现的肌肉疲劳和痉挛，避免使用者二次损伤，从而更好地促进手指的康复，使得整个康复过程时间更短，并且更加有效，同时安全性也能得到保障。
因此，本发明针对现有技术不足的问题，发明了一种手指康复器装置及手指训练方法。
发明内容
本发明提出了一种结构简单，手指活动范围较大，适应不同手的能力强，价格较低，安全性高，能完成食指与大拇指对指运动的康复训练器的设计方法。
为达到上述目的，本发明公开了一种手指康复器装置及手指训练方法，所述的装置包括机械框架、智能终端模块、主控模块、电机模块、反馈模块、控制系统。所述的机械框架包括电机座、滑轨、滑轮、尼龙线、大拇指套、大拇指架、食指套、食指架；所述的主控模块为STM32F3单片机；所述的电机模块为带编码器的步进电机；所述的反馈模块为表面肌电传感器；所述的指令控制模块为Leap Motion传感器，实现识别手势的功能。智能终端模块与主控模块通过RS485进行通信，指令控制模块与智能终端模块通过串口进行通信，主控模块产生PWM方波信号控制电机模块运动，反馈模块通过SPI与主控模块进行通信。当手势是向前时，电机带动大拇指左右运动；当手势是向下时，电机带动食指上下运动；当手势是顺时针旋转时，电机带动带动食指和大拇指进行张开和闭合运动。在训练过程中，表面肌电传感器通过SPI，把检测到的肌肉疲劳和痉挛信息传给主控模块，然后主控模块控制电机模块立刻停止手指康复训练，避免损伤使用者。
本发明的一种手指康复器装置及手指训练方法，所述的手指训练方法为当手势是向前时，电机带动大拇指左右运动，完成大拇指左右方向的训练；当手势是向下时，电机带动食指上下运动，完成食指上下方向的训练；当手势是顺时针旋转时，电机带动食指和大拇指进行张开和闭合运动，且循环往复，完成食指与大拇指对指训练。
所述的指令控制模块为Leap Motion，Leap Motion连接智能终端，通过采集手势数据，实现识别手势的功能。向前点击与向下点击的手势：通过指尖的点击时间、速度、方向以及距离来确定该手势。顺时针与逆时针旋转的手势：通过指尖的角速度、所画弧长来确定该手势。手势数据传到单片机，单片机驱动电机控制模块进行手指康复训练。
所述的反馈模块为表面肌电传感器，在训练过程中，表面肌电传感器通过SPI，把检测到的肌肉疲劳和痉挛信息传给主控模块，然后主控模块控制电机模块立刻停止手指康复训练，避免损伤使用者。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果： (1)本发明的一种手指康复器装置及手指训练方法，结构简单，手指的活动范围较大，适应不同手的能力强，成本较低，易于推广使用。
(2)本发明的一种手指康复器装置及手指训练方法，能完成食指与大拇指对指运动，协调性好。
(3)本发明的一种手指康复器装置及手指训练方法，使用Leap Motion传感器，可以把手势数据，传给单片机，驱动电机做相应动作，达到较好的人机交互体验。
(4)本发明的一种手指康复器装置及手指训练方法，使用表面肌电传感器，能够实时监测到使用者在训练过程中出现的肌肉疲劳和痉挛现象，能够立刻停止训练，防止损伤使用者。
附图说明
图1为机械设计二维图。
图2为控制系统的结构框图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参看图1，所述的机械框架主要由电机座、滑轨、滑轮、尼龙线、大拇指套、大拇指架、食指套、食指架等组成。
指套是通过3D打印机打印而成，这样可以根据不同使用者的手实现定制化，做到大小合适，减少使用者不适感，提高训练效果。
参看图1，1号电机安装在整机机架上，在滑轨末端装有一个滑轮，它们通过尼龙线组成了一个带传动系统。尼龙线和大拇指指套所在的支架固连，这样当电机转动时就可带动大拇指架在滑轨上来回摆动，即可实现大拇指水平方向的训练。
参看图1，2号电机所在支架固连在大拇指架上，它随着大拇指架在水平滑轨上来回滑动。大拇指套的左侧是经过特殊加工的滑轨，同时大拇指指套内部安装有一个小型的滑块，使得它可在滑轨上上下滑动。电机减速器输出轴上安装了一个轮盘，它和安装在支架顶部的滑轮及尼龙线组成了一个竖直方向上的带传动机构。当电机正反转时，尼龙线带动大拇指套在滑轨上上下移动。
参看图1，3号电机所在支架固连在食指架上，食指指套内部安装有一个小型的滑块，它可在滑轨上，上下滑动。电机减速器输出轴上同样安装了一个轮盘，它和安装在支架顶部的滑轮及尼龙线组成了一个竖直方向上的带传动机构。当电机正反转时，尼龙线带动食指指套在滑轨上，上下移动，即可实现食指在竖直方向上的运动。
参看图1，通过调节两个指套的相对位置和大拇指架的相对位置，让食指和大拇指舒服的放进指套，STM32给2号和3号电机发送PWM信号，控制电机正反转，从而控制电机进行两个手指的对指运动，来完成对指训练。如此往复运动，当表面肌电传感器检测到肌肉出现疲劳或者痉挛的时候，把该信号立刻发给STM32，STM32控制电机立即停止训练，让使用者进入休息状态。
参看图1，Leap Motion连接智能终端，把采集到的手势数据传给单片机，单片机驱动电机控制模块进行手指康复训练。当手势是向前时，电机带动大拇指做一定次数左右运动，完成大拇指左右方向的训练；当手势是向下时，电机带动食指做一定次数上下运动，完成食指上下方向的训练；当手势是顺时针旋转时，电机带动食指和大拇指进行一定次数的张开和闭合运动，且循环往复，完成食指与大拇指的对指训练。
参看图1，当手指进行康复训练时，先进行一定次数的大拇指水平运动训练，然后再进行一定次数的食指上下运动训练，等食指和大拇指分别训练一定时间后，再对食指和大拇指进行一定次数的张开和闭合训练，并且可以循环往复，从而完成食指与大拇指的对指训练。这样循序渐进的康复过程更有利于手指的康复。
参看图2，智能终端模块与主控模块通过RS485进行通信，主控模块接收到智能终端模块发来的指令后，首先要解析指令，然后通过DMA方式反馈给智能终端模块应答信号，来表示通信正常。主控模块需要采集电机编码器的信号，从而进行转速闭环控制。在高级定时器所在的中断程序中进行控制算法的运算，计算后产生PWM方波信号来控制电机运动。
参看图2，指令控制模块与智能终端模块通过串口进行通信，Leap Motion手势识别程序经过测试，能够识别手势，并在控制台显示手势的信息，串口通讯程序也能正确地向串行端口发送字符。手势控制电机带动大拇指左右运动，完成大拇指左右方向的训练，食指上下方向的训练，食指和大拇指进行张开和闭合运动且循环往复，完成食指与大拇指的对指训练。
参看图2，用三个不同字符作为手指康复器的指令，手势识别程序中定义了三个手势，可以将这三个手势与三个字符一一对应起来。接下来，只需将手势识别程序与串口通讯程序结合，使得在识别出一个手势后，立即向串口发送与之对应的字符，来完成智能终端模块程序。
参看图2，主控模块产生PWM方波信号控制电机模块运动，通过编码器产生调速命令，反馈给STM32，STM32可以调节电机模块的状态，从而使电机改变转速，完成电动机的加速、减速、正反转和制动。
Claims (4)
1.本发明公开了一种手指康复器装置及手指训练方法，所述的装置包括机械框架、智能终端模块、主控模块、电机模块、反馈模块、控制系统；所述的机械框架包括电机座、滑轨、滑轮、尼龙线、大拇指套、大拇指架、食指套、食指架，所述的主控模块为STM32F3单片机；所述的电机模块为带编码器的步进电机；所述的反馈模块为表面肌电传感器；所述的指令控制模块为Leap Motion传感器，实现识别手势的功能；智能终端模块与主控模块通过RS485进行通信，指令控制模块与智能终端模块通过串口进行通信，主控模块产生PWM方波信号控制电机模块运动，反馈模块通过SPI与主控模块进行通信；当手势是向前时，电机带动大拇指左右运动，完成大拇指左右方向的训练；当手势是向下时，电机带动食指上下运动，完成食指上下方向的训练；当手势是顺时针旋转时，电机带动食指和大拇指进行张开和闭合运动, 完成食指与大拇指对指训练；在训练过程中，表面肌电传感器通过SPI，把检测到的肌肉疲劳和痉挛信息传给主控模块，然后主控模块控制电机模块立刻停止手指康复训练，避免损伤使用者。
2.根据权利要求1所述的一种手指康复器装置及手指训练方法，其特征在于：所述的指令控制模块为Leap Motion，实现识别手势的功能。
3.根据权利要求1所述的一种手指康复器装置及手指训练方法，其特征在于：所述的反馈模块为表面肌电传感器，在训练过程中，表面肌电传感器通过SPI，把检测到的肌肉疲劳和痉挛信息传给主控模块，然后主控模块控制电机模块立刻停止手指康复训练，避免损伤使用者。
4.根据权利要求1所述的一种手指康复器装置及手指训练方法，其特征在于：所述的手指训练方法为当手势是向前时，电机带动大拇指左右运动，完成大拇指左右方向的训练；当手势是向下时，电机带动食指上下运动，完成食指上下方向的训练；当手势是顺时针旋转时，电机带动食指和大拇指进行张开和闭合运动，完成食指与大拇指对指训练，在训练过程中，表面肌电传感器通过SPI，把检测到的肌肉疲劳和痉挛信息传给主控模块，然后主控模块控制电机模块立刻停止手指康复训练，避免损伤使用者。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171222 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |