CN108992306B - 一种多自由度桌面式拇指康复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度桌面式拇指康复装置，拇指康复驱动系统包括由两个步进电机分别驱动的第一滚珠丝杠滑台和第二滚珠丝杠滑台，第二滚珠丝杠滑台设置在转盘上，与拇指固定装置连接，转盘与直流电机连接，手臂与手掌支撑结构设置在拇指固定装置的另一侧，第一滚珠丝杠滑台具有一个自由度，直流电机具有一个自由度，第二滚珠丝杠滑台具有一个自由度，通过两个步进电机和直流电机的配合带动拇指完成内收/外展、屈曲/伸展以及圆锥运动。本发明能够实现空间的任意轨迹，可使拇指处于自然运动状态，提高患者康复过程中的舒适性，避免患者产生抵触情绪，这将极大地提升康复训练的效果。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种多自由度桌面式拇指康复装置。
背景技术
调查显示，脑卒中已成为我国第一位死亡原因，也是中国成年人残疾的首要原因，脑卒中具有发病率高、死亡率高和致残率高的特点。目前脑卒中是手功能失效的主要原因之一，脑卒中后患者可出现多种神经功能缺损症状，其中偏瘫和运动障碍最为常见，而上肢残疾患者的手功能障碍往往临床表现为屈曲挛缩，手的屈肌张力占优势，指间关节和掌指关节伸展困难，丧失握持、侧捏、对掌及对指等精细运动功能。
康复理论与医学实证明，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。传统的治疗中，治疗师对患者进行一对一的康复疗法，但这种方法工作强度大、花费较高且没有完整的评估系统。随着机器人技术的蓬勃发展，许多国内外研究人员开始尝试着将机器人技术与康复理论结合起来，康复机器人能够替代治疗师对手进行稳定可靠的康复训练动作。近十年来，国内外研究人员也研制了很多手部功能康复机器人，但绝大多数只支持四指的屈曲/伸展，针对拇指康复的机器人十分少。而拇指是手部实现抓握功能的关键，没有拇指，手部功能将损失近50％，所以拇指的功能康复显得极其关键。因此本发明公开了一种多自由度桌面式拇指康复装置，旨在对卒中病人术后康复提供有效的康复设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多自由度桌面式拇指康复装置，该拇指康复训练装置既可以实现拇指的屈曲/伸展、外展/内收以及圆锥运动，使拇指的各个关节得到有效的康复训练。
本发明采用以下技术方案：
一种多自由度桌面式拇指康复装置，包括拇指康复驱动系统、拇指固定装置和手臂与手掌支撑结构，拇指康复驱动系统包括第一滚珠丝杠滑台和第二滚珠丝杠滑台，第一滚珠丝杠滑台和第二滚珠丝杠滑台分别由步进电机驱动，第二滚珠丝杠滑台设置在转盘上，与拇指固定装置连接，转盘与直流电机连接，手臂与手掌支撑结构设置在拇指固定装置的另一侧，第一滚珠丝杠滑台、直流电机和第二滚珠丝杠滑台分别具有一个自由度，通过两个步进电机和直流电机的配合能够带动拇指完成内收/外展、屈曲/伸展以及圆锥运动。
具体的，拇指固定装置包括拇指固定板、魔术贴、球面副、球副连接杆和连接板；拇指固定板中设置有弧形凹槽，凹槽内布置有压力传感器，魔术贴设置在拇指固定板上，球面副设置在拇指固定板的一侧，球面副不传递扭矩，通过球副连接杆与连接板连接，连接板与第二滚珠丝杠滑台连接。
进一步的，球面副包括球面副底座、球面副下端、球面副上盖和球，球面副底座与球面副下端连接，球面副下端经过球面副上盖与球连接，球通过球面副连接杆与连接板连接。
具体的，手掌与手臂固定装置包括底板、竖直支撑杆、支撑板、手掌魔术贴和小臂魔术贴，竖直支撑杆设置在底板上，支撑板设置在竖直支撑杆上，手掌魔术贴设置在支撑板的前端，小臂魔术贴设置在支撑板的中部对应位置。
具体的，第一滚珠丝杠滑台通过螺钉固定在底座上，第一滚珠丝杠滑台上设置有竖直圆柱支撑结构，竖直圆柱支撑结构上设置电机固定架，直流电机固定在电机固定架上。
进一步的，电机固定架上固定有轴承固定架，轴承固定架上面固定有用于平衡转盘轴径向力的深沟球轴承。
具体的，直流电机的一端与减速箱连接，减速箱通过联轴器与转盘轴连接，转盘轴通过转盘固定片与转盘键连接。
进一步的，直流电机的末端安装有编码器，用于测量和反馈转盘旋转的角度和位置。
具体的，拇指康复驱动系统与手掌与手臂固定装置呈45°角设置。
具体的，第二滚珠丝杠导轨直线滑台设置在转盘的圆心处，能够沿转盘径向运动。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多自由度桌面式拇指康复装置，采用两个丝杠作为传动机构，定位精度高，且具有较好的稳定性，通过两个步进电机和直流电机构成三个自由度，带动拇指实现屈曲/伸展、外展/内收以及圆锥运动，关节活动范围大，可完成对拇指的有效康复训练。
进一步的，康复过程中拇指的运动轨迹可通过采集健侧拇指的运动轨迹，保证拇指处于正常的运动范围，避免拇指超出极限的运动范围，压力传感器用于测量拇指与凹型拇指固定板之间的压力变化。
进一步的，康复装置与拇指接触部分采用球面副连接，灵活度高，且不传递扭矩，不会因装置的转动对拇指造成伤害。
进一步的，两处魔术贴将小臂与手掌固定，使拇指悬空，保证小臂和手掌不发生运动，确保拇指运动的精确性。
进一步的，本发明采用类末端牵引的形式带动拇指进行康复训练，相对于传统的外骨骼式拇指康复机器人，完全不用考虑设备对于手部的负担、康复设备与关节的运动中心不重合等问题。
进一步的，通过直流电机自带的编码器来检测和反馈轮盘旋转角度。
进一步的，拇指康复驱动系统与手掌与手臂固定装置呈45°角布置，使拇指的初始位置处于“圆锥运动”中心位置。
进一步的，第二滚珠丝杠导轨直线滑台固定在转盘的中心对称位置，使轮盘上质量布置均匀，减小运动过程中的惯量，保护直流电机。
综上所述，本发明能够实现空间的任意轨迹，可使拇指处于自然运动状态，提高患者康复过程中的舒适性，避免患者产生抵触情绪，这将极大地提升康复训练的效果。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的拇指固定装置示意图；
图3为本发明的旋转运动装置示意图。
其中：1.底座；2.第一滚珠丝杠滑台；3.竖直圆柱支撑；4.电机固定架；5.直流电机；6.转盘；7.第二滚珠丝杠滑台；8.球面副；9.拇指固定板；10.拇指魔术贴；11.手掌魔术贴；12.支撑板；13.小臂魔术贴；14.竖直支撑杆；15.底板；16.压力传感器；17.球面副底座；18.球面副下端；19.球面副上盖；20.球；21.球面副连接杆；22.螺栓孔；23.连接板；24.编码器；25.减速箱；26.联轴器；27.轴承固定架；28.转盘轴；29.深沟球轴承；30.转盘固定片。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种多自由度桌面式拇指康复装置，通过两个直线运动与一个旋转运动配合，可驱动拇指完成内收/外展、屈曲/伸展以及圆锥运动，使拇指的腕骨关节(CMC)、掌指关节(MP)、指间关节(IP)得到有效的康复训练。
请参阅图1至图3，本发明一种多自由度桌面式拇指康复装置，包括拇指康复驱动系统、拇指固定装置和手臂与手掌支撑结构，拇指康复驱动系统与拇指固定装置连接，拇指康复驱动系统包括由两个步进电机分别驱动的第一滚珠丝杠滑台2和第二滚珠丝杠滑台7，第二滚珠丝杠滑台7设置在转盘6上，与拇指固定装置连接，由第一滚珠丝杠滑台2和第二滚珠丝杠滑台7提供两个方向的直线运动，通过直流电机5驱动转盘6作旋转运动；手臂与手掌支撑结构设置在拇指固定装置的另一侧，用于支撑和固定小臂与手掌，第一滚珠丝杠滑台2具有一个自由度，直流电机5具有一个自由度，第二滚珠丝杠滑台具有一个自由度，通过两个步进电机和直流电机5的配合带动拇指完成内收/外展、屈曲/伸展以及圆锥运动，关节活动范围大，可完成对拇指的有效康复训练。
拇指康复执行系统中第一滚珠丝杠滑台2通过螺钉固定在底座1上，第一滚珠丝杠滑台2的移动可提供一个方向的直线运动；第一滚珠丝杠滑台2上垂直设置有竖直圆柱支撑结构3，竖直圆柱支撑结构3用于连接第一滚珠丝杠滑台2与电机固定架4，直流电机5被固定在电机固定架4上，直流电机5的旋转可提供给拇指一个旋转运动。
请参阅图3，直流电机5连接减速箱25，减速箱25通过联轴器26与转盘轴28连接，转盘轴28通过转盘固定片30与转盘6通过键连接；电机固定架4上固定有轴承固定架27，轴承固定架27上面固定有用于平衡转盘轴径向力的深沟球轴承29；第二滚珠丝杠导轨直线滑台7设置在转盘6的圆心处，能够沿转盘6径向运动。
直流电机5的末端安装有编码器24，用于测量和反馈转盘6旋转的角度和位置；转盘6上安装的第二丝杠导轨滑台7可提供一个方向的移动，通过配合直流电机5的旋转，能够满足拇指内收/外展、屈曲/伸直运动的自由度要求。
请参阅图2，拇指固定装置包括拇指固定板9、魔术贴10、球面副8、球副底座17、球副连接杆21和连接板23；拇指固定板9中刻有弧形凹槽，将拇指放上后，用魔术贴10紧固，凹槽内布置有压力传感器16，用于反馈拇指与拇指固定板之间压力的大小以及患者的运动意图，拇指固定板9可通过3D打印来加工；球面副8由球面副底座17、球面副下端18、球面副上盖19和球20组成，球面副底座17与球面副下端18连接，球面副下端18经过球面副上盖19与球20连接，球面副8不传递扭矩，可保证拇指康复的安全；球20通过球面副连接杆21与连接板23连接，连接板23上设置有螺栓孔22，用于和第二滚珠丝杠滑台7连接，将拇指固定装置固定在转盘6上。
请参阅图1，手掌与手臂固定装置包括底板15、竖直支撑杆14、支撑板12、手掌魔术贴11和小臂魔术贴13，竖直支撑杆14设置在底板15上，支撑板12设置在竖直支撑杆14上，手掌魔术贴11设置在支撑板12的前端，小臂魔术贴13设置在支撑板12的中部对应位置；将手臂放上之后，用小臂魔术贴13和手掌魔术贴11将小臂与手掌固定，使拇指悬空，保证小臂和手掌不发生运动，确保拇指运动的精确性。
拇指康复驱动系统与手掌与手臂固定装置为两个独立的装置，一般情况下将两套装置呈45°角放置，可根据病人的具体情况进行微小调节。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种多自由度桌面式拇指康复装置，主要用于中风病人的术后康复，可通过专门的控制系统采集与分析健侧拇指的运动轨迹，包括拇指的内收/外展、屈曲/伸展以及对掌动作等。然后将该轨迹数据转换到患侧驱动系统，同时将患侧拇指用手臂与手掌固定装置进行固定，可调整魔术贴，使手臂处于刚好紧绷的舒适位置；接着将拇指固定在拇指固定装置上，调节拇指康复执行装置的位置，使拇指处于与手掌呈45°(根据患者实际情况作微小调整)的自然伸直位置，此位置为初始位置。
启动拇指康复执行装置后，通过两套步进电机驱动的滚珠丝杠滑台提供两个方向的直线运动，以及直流电机提供的旋转运动，三个电机配合，使拇指实现健侧采集到的运动轨迹。以拇指的屈曲/伸展运动为例，从初始位置开始，使拇指进行屈曲动作，此动作过程中，竖直方向位移较大，前后方向次之，左右方向有微小的位移，因此，首先将固定在转盘上的丝杠滑台调整至竖直方向的初始位置。屈曲运动开始后，步进电机旋转，使滚珠丝杠滑台向下运动，旋转电机微小转动，固定在底座上的丝杠滑台向前运动，带动拇指完成屈曲动作，运动过程中，拇指固定装置中的球面副也会发生一定角度的转动。运动过程中，编码器会反馈旋转的角度及位置信息。
整个康复训练过程中，拇指的运动轨迹均由健侧手拇指采集，因此不会出现超出拇指运动范围的危险情况，可保证安全性。
拇指的其他运动(外展/内收、对掌运动)机理与屈曲运动相似，暂不做一一说明。
整个拇指康复训练装置为独立结构，可以放置在不同场合进行康复治疗。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多自由度桌面式拇指康复装置，其特征在于，包括拇指康复驱动系统、拇指固定装置和手臂与手掌支撑结构，拇指康复驱动系统与手掌与手臂固定装置呈45°角设置，拇指康复驱动系统包括第一滚珠丝杠滑台(2)和第二滚珠丝杠滑台(7)，第一滚珠丝杠滑台(2)和第二滚珠丝杠滑台(7)分别由步进电机驱动，第二滚珠丝杠滑台(7)设置在转盘(6)上，与拇指固定装置连接，转盘(6)与直流电机(5)连接，手臂与手掌支撑结构设置在拇指固定装置的另一侧，第一滚珠丝杠滑台(2)、直流电机(5)和第二滚珠丝杠滑台(7)分别具有一个自由度，通过两个步进电机和直流电机(5)的配合能够带动拇指完成内收/外展、屈曲/伸展以及圆锥运动；
拇指固定装置包括拇指固定板(9)、魔术贴(10)、球面副(8)、球副连接杆(21)和连接板(23)；拇指固定板(9)中设置有弧形凹槽，凹槽内布置有压力传感器(16)，魔术贴(10)设置在拇指固定板(9)上，球面副(8)设置在拇指固定板(9)的一侧，球面副(8)通过球副连接杆(21)与连接板(23)连接，连接板(23)与第二滚珠丝杠滑台(7)连接；
手掌与手臂固定装置包括底板(15)、竖直支撑杆(14)、支撑板(12)、手掌魔术贴(11)和小臂魔术贴(13)，竖直支撑杆(14)设置在底板(15)上，支撑板(12)设置在竖直支撑杆(14)上，手掌魔术贴(11)设置在支撑板(12)的前端，小臂魔术贴(13)设置在支撑板(12)的中部对应位置；
直流电机(5)的一端与减速箱(25)连接，减速箱(25)通过联轴器(26)与转盘轴(28)连接，转盘轴(28)通过转盘固定片(30)与转盘(6)键连接。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度桌面式拇指康复装置，其特征在于，球面副(8)包括球面副底座(17)、球面副下端(18)、球面副上盖(19)和球(20)，球面副底座(17)与球面副下端(18)连接，球面副下端(18)经过球面副上盖(19)与球(20)连接，球(20)通过球面副连接杆(21)与连接板(23)连接。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度桌面式拇指康复装置，其特征在于，第一滚珠丝杠滑台(2)通过螺钉固定在底座(1)上，第一滚珠丝杠滑台(2)上设置有竖直圆柱支撑结构(3)，竖直圆柱支撑结构(3)上设置电机固定架(4)，直流电机(5)固定在电机固定架(4)上。
4.根据权利要求3所述的一种多自由度桌面式拇指康复装置，其特征在于，电机固定架(4)上固定有轴承固定架(27)，轴承固定架(27)上固定有用于平衡转盘轴(28)径向力的深沟球轴承(29)。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度桌面式拇指康复装置，其特征在于，直流电机(5)的末端安装有编码器(24)，用于测量和反馈转盘(6)旋转的角度和位置。
6.根据权利要求1所述的一种多自由度桌面式拇指康复装置，其特征在于，第二滚珠丝杠导轨直线滑台(7)设置在转盘(6)的圆心处，能够沿转盘(6)径向运动。
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