CN109350457B - 一种气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气动肌肉‑弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，包括手支架及设置在手支架上的手指关节传动机构、气动肌肉与弹簧驱动机构、磁流变阻尼器机构，手指关节传动机构包括近指关节组件及中指关节组件，近指关节组件中的关节传动轮与中指关节组件中的中指关节轮通过弹性腱连接，气动肌肉与弹簧驱动机构通过第五钢丝绳与近指关节组件相连，磁流变阻尼器机构分别通过第一钢丝绳及第二钢丝绳与近指关节组件及关节传动轮相连，手支架上还设有钢丝绳预紧机构。由上述技术方案可知，本发明通过控制气动肌肉的伸缩，拉动弹簧移动杆移动，从而驱动近指关节转动；近指关节通过关节传动轮、中指关节轮驱动中指关节转动，从而带动手指的转动。

Description

一种气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置

技术领域

本发明涉及一种手指康复训练装置，具体涉及一种气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置。

背景技术

我国人口老龄化严重，脑卒、脑瘫等患者数量逐渐增多。据统计，我国每约有200万人新发脑卒中，其中近一半死亡;而在存活的脑卒中患者中，约有四分之三的人不同程度地丧失了劳动能力。脑卒中后，最常见的症状为一侧手部、脸部或腿部的运动障碍，即偏瘫。现代医学研究表明，对偏瘫患者尽早的进行康复治疗训练，不仅可以预防患者关节挛缩，而且有助于加快患者运动功能的恢复速度。

手是人身体最具有特色的部位，也是人体最灵巧的器官。脑卒中偏瘫患者康复过程中面临的主要问题之一就是手功能障碍的恢复。因为手部运动细致，功能恢复困难，是否进行正确的康复训练将直接影响到患者上肢功能的恢复以及日常生活的质量。

在传统的手指康复治疗中，大多数都是医生一对一的对患者进行康复训练。但是这种方式不仅要耗费大量的人力资源，也加重了患者的经济负担。因此，开发辅助患者进行手指功能的康复训练装置具有巨大的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括手支架及设置在手支架上的手指关节传动机构、气动肌肉与弹簧驱动机构、磁流变阻尼器机构，所述的手指关节传动机构包括近指关节组件及中指关节组件，所述近指关节组件中的关节传动轮与中指关节组件中的中指关节轮通过弹性腱连接，所述的气动肌肉与弹簧驱动机构通过第五钢丝绳与近指关节组件相连，所述的磁流变阻尼器机构分别通过第一钢丝绳及第二钢丝绳与近指关节组件及关节传动轮相连，所述的手支架上还设有与磁流变阻尼器机构相连且用于调整钢丝绳预紧度的钢丝绳预紧机构，所述的手指关节传动机构、气动肌肉与弹簧驱动机构、磁流变阻尼器机构、钢丝绳预紧机构分别设置五组，五组所述的手指关节传动机构、气动肌肉与弹簧驱动机构、磁流变阻尼器机构、钢丝绳预紧机构分别与人手的五个指头一一对应，所述的气动肌肉与弹簧驱动机构包括呈上下方向平行布置的气动肌肉及弹簧固定杆，所述的气动肌肉与弹簧固定杆的后端分别贯穿手支架且与固定在手支架后端的拉力传感器相连，所述气动肌肉的后端通过螺纹套筒连接变径螺钉，所述的变径螺钉与拉力传感器相连；所述弹簧固定杆的前端设有沉孔，且该沉孔内设有弹簧移动杆，所述的弹簧移动杆上套设有弹簧，弹簧的一端抵靠在弹簧固定杆的端面上，弹簧的另一端与弹簧移动杆端部设置的弹簧座相抵靠，所述的弹簧座与第五钢丝绳的一端固连，所述第五钢丝绳的另一端绕经轮体上的第三轮槽后与气动肌肉的前端固连。

所述的磁流变阻尼器机构包括阻尼器支架以及依次设置在阻尼器支架上且同芯设置的磁流变阻尼器、电磁接触器、第一摩擦盘、第二摩擦盘、阻尼器轮及角度传感器，其中：所述的磁流变阻尼器及角度传感器分别与阻尼器支架螺钉连接，所述的电磁接触器放置在阻尼器支架上设置的弧形托台上，所述的电磁接触器与磁流变阻尼器的旋转轴通过键连接，所述的角度传感器与阻尼器轮的悬伸轴通过键连接，所述的第一摩擦盘及第二摩擦盘分别粘接在电磁接触器及阻尼器轮的端面上，所述的阻尼器轮上设有第一轮槽及第二轮槽，且第一轮槽的直径小于第二轮槽。

所述的磁流变阻尼器包括壳体，该壳体由左外壳、中外壳及右外壳组成，所述的左外壳与右外壳的对合面之间设有隔磁环，所述的左外壳、隔磁环与右外壳之间形成容纳阻尼盘的密闭空腔，所述的阻尼盘与密闭空腔的内壁之间留有间隙，且该密闭空腔内充满磁流变液，所述的左外壳通过螺钉与阻尼器支架相连，且左外壳上分别设有与密闭空腔连通的入液口和排液口，所述的右外壳与隔磁环之间设有密封两者的硅胶密封垫，所述的左外壳、中外壳、右外壳与隔磁环之间形成安装励磁线圈的空腔，所述的右外壳上设有引线口，励磁线圈的接线头由该引线口引出。

所述的阻尼盘与旋转轴通过紧定螺钉连接，所述的旋转轴贯穿右壳体且悬伸在右壳体的外部，旋转轴的悬伸端与电磁接触器通过键连接，所述的右壳体与旋转轴之间设有密封两者的O型密封圈，所述的旋转轴上还设有滚珠轴承及卡圈，所述的右壳体上还设有与右壳体螺钉连接的端盖，所述端盖靠近右壳体的端面设置有凸台，所述凸台的端面抵靠在滚珠轴承上以定位旋转轴的位置。

所述的钢丝绳预紧机构包括螺纹进给杆，所述的螺纹进给杆垂直于磁流变阻尼器的旋转轴设置，所述螺纹进给杆的一端通过支撑架固定在手支架上，所述螺纹进给杆的另一端与阻尼器支架上设置的螺纹孔螺纹连接，所述的支撑架上设有供螺纹进给杆穿过的通孔。

所述阻尼器支架的底部设有滑块，所述滑块设置的方向与螺纹进给杆的轴向相吻合，所述的手支架上设有与滑块相配合的滑槽，所述的螺纹进给杆驱动阻尼器支架沿滑槽限定的方向移动，所述的阻尼器支架与手支架通过紧定螺钉锁紧。

所述的手指关节传动机构通过手指支架与手支架相连，所述的近指关节组件包括近指关节、固定在近指关节前端的近指关节挡套以及固定在近指关节后端的轮体，所述的轮体与手指支架上设置的第一轴形成孔轴配合，且第一轴上同轴设有关节传动轮；所述的轮体上设有第三轮槽及第四轮槽，所述的关节传动轮上设有第五轮槽及第六轮槽，所述的第四轮槽与阻尼器轮上的第一轮槽之间设有绕经两者且为闭合结构的第一钢丝绳，所述的第五轮槽与阻尼器轮上的第二轮槽之间设有绕经两者且为闭合结构的第二钢丝绳；

所述的中指关节组件包括中指关节、固定在中指关节前端的中指关节挡板以及固定在中指关节后端的中指关节支架，所述的中指关节支架上设置的第二轴与近指关节挡套形成孔轴配合，且第二轴上同轴设有中指关节轮，所述中指关节轮上的轮槽与关节传动轮上的第六轮槽之间通过弹性腱形成传动配合，所述的弹性腱是由第一弹簧、第三钢丝绳、第二弹簧、第四钢丝绳依次连接形成的闭环结构。

所述的中指关节及近指关节上分别设有指套，所述的指套在中指关节及近指关节上的位置可调，所述的指套通过绑带与人的手指进行固定，所述指套与手指的接触位置设有压力传感器。

还包括传感与控制机构，所述的传感与控制机构包括计算机，所述的计算机与数据采集板卡双向通讯，所述数据采集板卡的第一输入端、第二输入端、第三输入端分别通过第一A/D转换器、第二A/D转换器、第三A/D转换器与角度传感器、拉力传感器及压力传感器的输出端相连，所述数据采集板卡的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别通过第一D/A转换器、第二D/A转换器、第三D/A转换器与气动肌肉、磁流变阻尼器及电磁接触器的输入端相连，所述的第一D/A转换器的输出端通过比例压力阀与气动肌肉的输入端相连，所述气动肌肉的输出端与拉力传感器的输入端相连，所述第二D/A转换器的输出端通过第一电流控制器与磁流变阻尼器的导线相连，所述第三D/A转换器的输出端通过第二电流控制器与电磁接触器的输入端相连，所述电磁接触器的输出端与磁流变阻尼器的输入端相连。

由上述技术方案可知，本发明通过控制气动肌肉的伸缩，拉动弹簧移动杆移动，从而驱动近指关节转动；近指关节通过关节传动轮、中指关节轮驱动中指关节转动，从而带动手指的转动；可适用于手指偏瘫患者多手指运动功能的主/被动协调康复训练。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图一；

图2是本发明的立体结构示意图二；

图3是本发明的立体结构示意图三；

图4是本发明手支架的立体结构示意图；

图5是本发明磁流变阻尼器机构的立体结构示意图；

图6是本发明磁流变阻尼器的剖面图；

图7是本发明手指传动机构与磁流变阻尼器机构的立体结构示意图；

图8是本发明气动肌肉与弹簧驱动机构的立体结构示意图；

图9是本发明弹性腱的结构示意图；

图10是本发明传感与控制机构的原理框图；

图11是本发明在被动训练时的方法框图；

图12是本发明在主动训练时的方法框图。

上述各图中的附图标记为：手支架100、手指支架110、第一轴111、拉力传感器支架120、手指关节传动机构200、近指关节组件210、近指关节211、近指关节挡套212、轮体213、关节传动轮214、中指关节组件220、中指关节221、中指关节挡板222、中指关节支架223、中指关节轮224、指套230、压力传感器231、气动肌肉与弹簧驱动机构300、气动肌肉310、弹簧固定杆320、拉力传感器330、螺纹套筒311、变径螺钉312、弹簧移动杆340、弹簧350、弹簧座360、磁流变阻尼器机构400、阻尼器支架410、弧形托台411、螺纹孔412、滑块413、磁流变阻尼器420、左外壳421、入液口4211、排液口4212、中外壳422、右外壳423、引线口4231、硅胶密封垫4232、O型密封圈4233、隔磁环424、阻尼盘425、磁流变液426、励磁线圈427、旋转轴428、滚珠轴承4281、卡圈4282、端盖429、凸台4291、电磁接触器430、第一摩擦盘440、第二摩擦盘450、阻尼器轮460、第一轮槽461、第二轮槽462、角度传感器470、钢丝绳预紧机构500、螺纹进给杆510、支撑架520、第一钢丝绳610、第二钢丝绳620、弹性腱630、第一弹簧631、第三钢丝绳632、第二弹簧633、第四钢丝绳634、第五钢丝绳640、计算机710、数据采集板卡720、第一A/D转换器731、第二A/D转换器732、第三A/D转换器733、第一D/A转换器734、第二D/A转换器735、第三D/A转换器736、第一电流控制器737、第二电流控制器738、比例压力阀740。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、图2、图3所示的一种气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，包括手支架100及设置在手支架100上的手指关节传动机构200、气动肌肉与弹簧驱动机构300、磁流变阻尼器机构400，手指关节传动机构200包括近指关节组件210及中指关节组件220，近指关节组件210中的关节传动轮214与中指关节组件220中的中指关节轮224通过弹性腱630连接，气动肌肉与弹簧驱动机构300通过第五钢丝绳640与近指关节组件210相连，磁流变阻尼器机构400分别通过第一钢丝绳610及第二钢丝绳620与近指关节组件210及关节传动轮214相连，手支架100上还设有与磁流变阻尼器机构400相连且用于调整钢丝绳预紧度的钢丝绳预紧机构500，手指关节传动机构200、气动肌肉与弹簧驱动机构300、磁流变阻尼器机构400、钢丝绳预紧机构500分别设置五组，五组手指关节传动机构200、气动肌肉与弹簧驱动机构300、磁流变阻尼器机构400、钢丝绳预紧机构500分别与人手的五个指头一一对应，即每个指头由一组手指关节传动机构200、气动肌肉与弹簧驱动机构300、磁流变阻尼器机构400、钢丝绳预紧机构500进行控制。

进一步的，如图5、图6所示，磁流变阻尼器机构400包括阻尼器支架410以及依次设置在阻尼器支架410上且同芯设置的磁流变阻尼器420、电磁接触器430、第一摩擦盘440、第二摩擦盘450、阻尼器轮460及角度传感器470，其中：磁流变阻尼器420及角度传感器470分别与阻尼器支架410螺钉连接，电磁接触器430放置在阻尼器支架400上设置的弧形托台411上，电磁接触器430与磁流变阻尼器420的旋转轴428通过键连接，角度传感器470与阻尼器轮460的悬伸轴通过键连接，第一摩擦盘440及第二摩擦盘450分别粘接在电磁接触器430及阻尼器轮460的端面上，阻尼器轮460上设有第一轮槽461及第二轮槽462，且第一轮槽461的直径小于第二轮槽462。当电磁接触器430处于断电状态时，第一摩擦盘440及第二摩擦盘450相接触，从而连接阻尼器轮460与磁流变阻尼器420，用来提供阻尼力；当电磁接触器430处于通电状态时，第一摩擦盘440及第二摩擦盘450断开，去除磁流变阻尼器420的粘滞阻力。

进一步的，磁流变阻尼器420包括壳体，该壳体由左外壳421、中外壳422及右外壳423组成，左外壳421与右外壳423的对合面之间设有隔磁环424，左外壳421、隔磁环424与右外壳423之间形成容纳阻尼盘425的密闭空腔，阻尼盘425与密闭空腔的内壁之间留有间隙，且该密闭空腔内充满磁流变液426，左外壳421通过螺钉与阻尼器支架410相连，且左外壳421上分别设有与密闭空腔连通的入液口4211和排液口4212，右外壳423与隔磁环424之间设有密封两者的硅胶密封垫4232，左外壳421、中外壳422、右外壳423与隔磁环424之间形成安装励磁线圈427的空腔，右外壳423上设有引线口4231，励磁线圈427的接线头由该引线口4231引出，励磁线圈427通过电流控制。

进一步的，阻尼盘425与旋转轴428通过紧定螺钉连接，旋转轴428贯穿右壳体423且悬伸在右壳体423的外部，旋转轴428的悬伸端与电磁接触器430通过键连接，右壳体423与旋转轴428之间设有密封两者的O型密封圈4233，旋转轴428上还设有滚珠轴承4281及卡圈4282，右壳体423上还设有与右壳体423螺钉连接的端盖429，端盖429靠近右壳体423的端面设置有凸台4291，凸台4291的端面抵靠在滚珠轴承4281上以定位旋转轴428的位置。

进一步的，钢丝绳预紧机构500包括螺纹进给杆510，螺纹进给杆510垂直于磁流变阻尼器420的旋转轴428设置，螺纹进给杆510的一端通过支撑架520固定在手支架100上，螺纹进给杆510的另一端与阻尼器支架410上设置的螺纹孔412螺纹连接，支撑架520上设有供螺纹进给杆510穿过的通孔，优选的，支撑架520设置两个。

更进一步的，阻尼器支架410的底部设有滑块413，滑块413设置的方向与螺纹进给杆510的轴向相吻合，手支架100上设有与滑块413相配合的滑槽，螺纹进给杆510驱动阻尼器支架410沿滑槽限定的方向移动，阻尼器支架410与手支架100通过紧定螺钉锁紧。使用时，通过手动调节螺纹进给杆510来驱动阻尼器支架410在手支架100上的移动，从而完成第一钢丝绳610、第二钢丝绳20的预紧效果。

进一步的，如图4、图7所示，手指关节传动机构200通过手指支架110与手支架100相连，手指支架110与手支架100通过胶粘结固定；手指传动机构200包括近指关节组件210及中指关节组件220，近指关节组件210包括近指关节211、固定在近指关节211前端的近指关节挡套212以及固定在近指关节211后端的轮体213，轮体213与手指支架110上设置的第一轴111形成孔轴配合，且第一轴上同轴设有关节传动轮214，优选的，第一轴111上开有两个槽和卡圈进行配合，卡圈分别对关节传动轮214以及近指关节211进行定位；轮体213上设有第三轮槽及第四轮槽，关节传动轮214上设有第五轮槽及第六轮槽，第四轮槽与阻尼器轮460上的第一轮槽461之间设有绕经两者且为闭合结构的第一钢丝绳610，第五轮槽与阻尼器轮460上的第二轮槽462之间设有绕经两者且为闭合结构的第二钢丝绳620；

中指关节组件220包括中指关节221、固定在中指关节221前端的中指关节挡板222以及固定在中指关节221后端的中指关节支架223，中指关节支架223上设置的第二轴与近指关节挡套212形成孔轴配合，且第二轴上同轴设有中指关节轮224，优选的，第二轴上开有两个槽和卡圈进行配合，卡圈分别对中指关节轮224以及中指关节221进行定位；中指关节轮224上的轮槽与关节传动轮214上的第六轮槽之间通过弹性腱630形成传动配合，如图9所示，弹性腱630是由第一弹簧631、第三钢丝绳632、第二弹簧633、第四钢丝绳634依次连接形成的闭环结构。

具体地说，阻尼器轮460的第一轮槽461与轮体213的第四轮槽通过第一钢丝绳610形成传动配合，阻尼器轮460的第二轮槽462与关节传动轮214的第五轮槽通过第二钢丝绳620形成传动配合，关节传动轮214的第六轮槽与中指关节轮224的轮槽通过弹性腱630形成传动配合，轮体213的第三轮槽与气动肌肉与弹簧驱动机构300中的第五钢丝绳640形成传动配合，从而通过第五钢丝绳640带动近指关节211转动，通过第一钢丝绳610、第二钢丝绳620带动关节传动轮214动，关节传动轮214通过弹性腱630带动中指关节轮224转动，从而带动中指关节221转动。优选的，近指关节211的第四轮槽与阻尼器轮460的第一轮槽461的直径比为1.42：1，阻尼器轮460的第二轮槽462与关节传动轮214的第五轮槽的直径比为1.42：1，从而关节传动轮214相对手指支架110的转速约为1：2，中指关节221相对于手指支架110的转速为1：2。

进一步的，中指关节221及近指关节211上分别设有指套230，指套230在中指关节221及近指关节211上的位置可调，指套230通过绑带与人的手指进行固定，即在指套230上开有矩形孔，可穿入绑带与人的手指进行固定；指套230与手指的接触位置设有压力传感器231。即指套230与中指关节221及近指关节211形成孔轴配合，同时指套230的位置可调是为了适应不同长度的手指；近指关节挡套212与中指关节挡板222分别通过胶粘接在近指关节211和中指关节221上，同时近指关节挡套212与中指关节挡板222形成对指套230的限位。

进一步的，如图8所示，气动肌肉与弹簧驱动机构300包括呈上下方向平行布置的气动肌肉310及弹簧固定杆320，气动肌肉310与弹簧固定杆320的后端分别贯穿手支架100且与固定在手支架100后端的拉力传感器330相连，拉力传感器330固定在手支架100上设置的拉力传感器支架120上，即拉力传感器330设置两个，两个拉力传感器330分别与气动肌肉310与弹簧固定杆320相连；气动肌肉310的后端通过螺纹套筒311连接变径螺钉312，变径螺钉312与拉力传感器330相连，弹簧固定杆320的前端设有沉孔，且该沉孔内设有弹簧移动杆340，弹簧移动杆340上套设有弹簧350，弹簧350的一端抵靠在弹簧固定杆320的端面上，弹簧350的另一端与弹簧移动杆340端部设置的弹簧座360相抵靠，弹簧座360与第五钢丝绳640的一端固连，第五钢丝绳640的另一端绕经轮体213上的第三轮槽后与气动肌肉310的前端固连。具体地说，即气动肌肉310后端的M6螺纹通过螺纹套筒311连接变径螺钉312一端的M6螺纹，变径螺钉312另一端的M3螺纹连接拉力传感器330；气动肌肉310的前端连接第五钢丝绳640，第五钢丝绳640的另一端绕经近指关节组件210中的轮体213上的第三轮槽后与弹簧移动杆340端部的弹簧座360相连。

进一步的，如图10所示，一种气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置还包括传感与控制机构，传感与控制机构包括计算机710，计算机710与数据采集板卡720双向通讯，数据采集板卡720的第一输入端、第二输入端、第三输入端分别通过第一A/D转换器731、第二A/D转换器732、第三A/D转换器733与角度传感器470、拉力传感器330及压力传感器231的输出端相连，数据采集板卡720的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别通过第一D/A转换器734、第二D/A转换器735、第三D/A转换器736与气动肌肉310、磁流变阻尼器420及电磁接触器430的输入端相连，第一D/A转换器734的输出端通过比例压力阀740与气动肌肉310的输入端相连，比例压力阀740可直接控制向气动肌肉310的输出气压；气动肌肉310的输出端与拉力传感器330的输入端相连，第二D/A转换器735的输出端通过第一电流控制器737与磁流变阻尼器420的导线相连，第三D/A转换器736的输出端通过第二电流控制器738与电磁接触器430的输入端相连，电磁接触器430的输出端与磁流变阻尼器420的输入端相连。

本发明在使用时，包括被动训练和主动训练两种方式：

如图11所示，在被动训练时的使用方法如下：

（1）进行系统初始化，调整比例压力阀，同时使磁流变阻尼器处于失电状态，此时第五钢丝绳和近指关节处于非预紧状态；使电磁接触器处于通电状态，保持电磁接触器上的第一摩擦盘和阻尼器轮上的第二摩擦盘不接触；

（2）由计算机发出指令开启传感与控制系统，患者在医生帮助下完成一次抓握和伸展动作，在伸展抓握过程中，角度传感器开始采集各个关节的信号；

（3）所采集的角度信号经第一 A/D 转换器后输入数据采集板卡，由计算机分别求得抓握过程中气动肌肉和伸展过程中气动肌肉所需的气压值；

（4）在无医生的帮助下，由计算机发出开机指令，开启气压源进行供气、减压阀稳压，开启调节比例压力阀，给定初始气压，使气动肌肉收缩一定长度，此时保持第五钢丝绳和近指关节处于预紧状态；

（5）计算机按所需气压值，计算比例压力阀需要的输入电压，向数据采集板卡输出控制信号，经第一 D/A 转换器后调节比例压力阀的开度，控制气动肌肉的进气压力，控制气动肌肉的伸缩，拉动弹簧移动杆移动，从而驱动近指关节转动；近指关节通过关节传动轮、中指关节轮驱动中指关节转动，从而带动手指的转动；根据采集的拉力传感器信号和角度传感器信号实时调整气压值，辅助患者完成手指抓握动作的被动康复训练；

（6）重复步骤（4）、步骤（5），直至训练结束，由计算机发出停机指令，依次关闭气动系统、传感与控制系统，停止信号采集和数据处理。

如图12所示，在主动训练时的使用方法如下：

（1）进行系统初始化，调整比例压力阀，同时使磁流变阻尼器处于失电状态，此时第五钢丝绳和近指关节处于放松状态；使电磁接触器处于断电状态，保持电磁接触器上的第一摩擦盘和阻尼器轮上的第二摩擦盘挤压接触；

（2）由计算机发出开机指令，开启传感与控制系统；

（3）患者通过指托自行完成抓握和伸展动作，在伸展和抓握过程中，压力传感器采集手指的压力信号；

（4）所采集的压力信号经第三 A/D 转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得抓握和伸展动作中每根手指关节的弯曲力量以及磁流变阻尼器所需提供的控制电流值；

（5）在下一次抓握和伸展动作中，根据步骤（4）中求得的磁流变阻尼器的控制电流值，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经第二 D/A 转换器后控制第一电流控制器的输出电流，调节磁流变阻尼器的阻尼力，以达到训练增强手指肌肉力量的目的；

（6）根据每次训练过程中采集的压力传感器的信号，适当的调整磁流变阻尼器的输入电流，从而改善训练效果。

（7）重复步骤（3）～步骤（6），直至训练结束，由计算机发出停机指令，关闭传感与控制系统，停止信号采集和数据处理。

本发明的有益效果如下：1）气动肌肉与弹簧驱动机构采用变刚度的驱动，与人体肌肉相似度高，具有良好的柔顺性、安全性和较快的响应速度；2）采用气动肌肉和弹簧的配合驱动不仅安全性较高，还能够有效避免对手指造成二次伤害；3）采用气动肌肉和弹簧杆的组合相对于两根气动肌肉的控制来说较为简单，其灵活性也较好；4）采用钢丝绳与弹簧相连的弹性腱可以有效的实现变刚度驱动，减缓训练过程中的刚性冲击；5）磁流变阻尼器是一种提供运动阻力、耗减运动能量的装置，将磁流变阻尼器用于康复训练，具有安全、稳定的有点，有利于提高手指康复训练效果；6）将磁流变阻尼器与电磁接触器相结合，可以有效的去除阻尼器的粘滞阻力；7）本发明指套中的压力传感器的数据反馈可以有效地自动调整磁流变阻尼器的阻力大小，通过角度传感器的信号反馈，可以精确调节比例压力阀的气压大小以控制气动肌肉的伸缩，可以有效地提高训练效果；8）本发明结构简单，可进行主/被动康复训练，运用外骨骼装置进行手指康复训练，可以满足手指偏瘫患者多手指同时进行协调性康复训练的要求，提高了康复训练效率，缩短了患者的康复周期。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：包括手支架（100）及设置在手支架（100）上的手指关节传动机构（200）、气动肌肉与弹簧驱动机构（300）、磁流变阻尼器机构（400），所述的手指关节传动机构（200）包括近指关节组件（210）及中指关节组件（220），所述近指关节组件（210）中的关节传动轮（214）与中指关节组件（220）中的中指关节轮（224）通过弹性腱（630）连接，所述的气动肌肉与弹簧驱动机构（300）通过第五钢丝绳（640）与近指关节组件（210）相连，所述的磁流变阻尼器机构（400）通过第一钢丝绳（610）与近指关节组件（210）相连，所述的磁流变阻尼器机构（400）通过第二钢丝绳（620）与关节传动轮（214）相连，所述的手支架（100）上还设有与磁流变阻尼器机构（400）相连且用于调整钢丝绳预紧度的钢丝绳预紧机构（500），所述的手指关节传动机构（200）、气动肌肉与弹簧驱动机构（300）、磁流变阻尼器机构（400）、钢丝绳预紧机构（500）分别设置五组，五组所述的手指关节传动机构（200）、气动肌肉与弹簧驱动机构（300）、磁流变阻尼器机构（400）、钢丝绳预紧机构（500）分别与人手的五个指头一一对应，所述的气动肌肉与弹簧驱动机构（300）包括呈上下方向平行布置的气动肌肉（310）及弹簧固定杆（320），所述的气动肌肉（310）与弹簧固定杆（320）的后端分别贯穿手支架（100）且与固定在手支架（100）后端的拉力传感器（330）相连，所述气动肌肉（310）的后端通过螺纹套筒（311）连接变径螺钉（312），所述的变径螺钉（312）与拉力传感器（330）相连；所述弹簧固定杆（320）的前端设有沉孔，且该沉孔内设有弹簧移动杆（340），所述的弹簧移动杆（340）上套设有弹簧（350），弹簧（350）的一端抵靠在弹簧固定杆（320）的端面上，弹簧（350）的另一端与弹簧移动杆（340）端部设置的弹簧座（360）相抵靠，所述的弹簧座（360）与第五钢丝绳（640）的一端固连，所述的近指关节组件包括近指关节以及设置在近指关节末端的轮体（213），所述第五钢丝绳（640）的另一端绕经轮体（213）上的第三轮槽后与气动肌肉（310）的前端固连。

2.根据权利要求1所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：所述的磁流变阻尼器机构（400）包括阻尼器支架（410）以及依次设置在阻尼器支架（410）上且同芯设置的磁流变阻尼器（420）、电磁接触器（430）、第一摩擦盘（440）、第二摩擦盘（450）、阻尼器轮（460）及角度传感器（470），其中：所述的磁流变阻尼器（420）及角度传感器（470）分别与阻尼器支架（410）螺钉连接，所述的电磁接触器（430）放置在阻尼器支架（410）上设置的弧形托台（411）上，所述的电磁接触器（430）与磁流变阻尼器（420）的旋转轴（428）通过键连接，所述的角度传感器（470）与阻尼器轮（460）的悬伸轴通过键连接，所述的第一摩擦盘（440）及第二摩擦盘（450）分别粘接在电磁接触器（430）及阻尼器轮（460）的端面上，所述的阻尼器轮（460）上设有第一轮槽（461）及第二轮槽（462），且第一轮槽（461）的直径小于第二轮槽（462）。

3.根据权利要求2所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：所述的磁流变阻尼器（420）包括壳体，该壳体由左外壳（421）、中外壳（422）及右外壳（423）组成，所述的左外壳（421）与右外壳（423）的对合面之间设有隔磁环（424），所述的左外壳（421）、隔磁环（424）与右外壳（423）之间形成容纳阻尼盘（425）的密闭空腔，所述的阻尼盘（425）与密闭空腔的内壁之间留有间隙，且该密闭空腔内充满磁流变液（426），所述的左外壳（421）通过螺钉与阻尼器支架（410）相连，且左外壳（421）上分别设有与密闭空腔连通的入液口（4211）和排液口（4212），所述的右外壳（423）与隔磁环（424）之间设有密封两者的硅胶密封垫（4232），所述的左外壳（421）、中外壳（422）、右外壳（423）与隔磁环（424）之间形成安装励磁线圈（427）的空腔，所述的右外壳（423）上设有引线口（4231），励磁线圈（427）的接线头由该引线口（4231）引出。

4.根据权利要求3所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：所述的阻尼盘（425）与旋转轴（428）通过紧定螺钉连接，所述的旋转轴（428）贯穿右壳体（423）且悬伸在右壳体（423）的外部，旋转轴（428）的悬伸端与电磁接触器（430）通过键连接，所述的右壳体（423）与旋转轴（428）之间设有密封两者的O型密封圈（4233），所述的旋转轴（428）上还设有滚珠轴承（4281）及卡圈（4282），所述的右壳体（423）上还设有与右壳体（423）螺钉连接的端盖（429），所述端盖（429）靠近右壳体（423）的端面设置有凸台（4291），所述凸台（4291）的端面抵靠在滚珠轴承（4281）上以定位旋转轴（428）的位置。

5.根据权利要求4所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：所述的钢丝绳预紧机构（500）包括螺纹进给杆（510），所述的螺纹进给杆（510）垂直于磁流变阻尼器（420）的旋转轴（428）设置，所述螺纹进给杆（510）的一端通过支撑架（520）固定在手支架（100）上，所述螺纹进给杆（510）的另一端与阻尼器支架（410）上设置的螺纹孔（412）螺纹连接，所述的支撑架（520）上设有供螺纹进给杆（510）穿过的通孔。

6.根据权利要求5所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：所述阻尼器支架（410）的底部设有滑块（413），所述滑块（413）设置的方向与螺纹进给杆（510）的轴向相吻合，所述的手支架（100）上设有与滑块（413）相配合的滑槽，所述的螺纹进给杆（510）驱动阻尼器支架（410）沿滑槽限定的方向移动，所述的阻尼器支架（410）与手支架（100）通过紧定螺钉锁紧。

7.根据权利要求6所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：所述的手指关节传动机构（200）通过手指支架（110）与手支架（100）相连，所述的近指关节组件（210）包括近指关节（211）、固定在近指关节（211）前端的近指关节挡套（212）以及固定在近指关节（211）后端的轮体（213），所述的轮体（213）与手指支架（110）上设置的第一轴（111）形成孔轴配合，且第一轴上同轴设有关节传动轮（214）；所述的轮体（213）上设有第三轮槽及第四轮槽，所述的关节传动轮（214）上设有第五轮槽及第六轮槽，所述的第四轮槽与阻尼器轮（460）上的第一轮槽（461）之间设有绕经两者且为闭合结构的第一钢丝绳（610），所述的第五轮槽与阻尼器轮（460）上的第二轮槽（462）之间设有绕经两者且为闭合结构的第二钢丝绳（620）；

所述的中指关节组件（220）包括中指关节（221）、固定在中指关节（221）前端的中指关节挡板（222）以及固定在中指关节（221）后端的中指关节支架（223），所述的中指关节支架（223）上设置的第二轴与近指关节挡套（212）形成孔轴配合，且第二轴上同轴设有中指关节轮（224），所述中指关节轮（224）上的轮槽与关节传动轮（214）上的第六轮槽之间通过弹性腱（630）形成传动配合，所述的弹性腱（630）是由第一弹簧（631）、第三钢丝绳（632）、第二弹簧（633）、第四钢丝绳（634）依次连接形成的闭环结构。

8.根据权利要求7所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：所述的中指关节（221）及近指关节（211）上分别设有指套（230），所述的指套（230）在中指关节（221）及近指关节（211）上的位置可调，所述的指套（230）通过绑带与人的手指进行固定，所述指套（230）与手指的接触位置设有压力传感器（231）。

9.根据权利要求8所述的气动肌肉-弹簧变刚度驱动的手部康复训练装置，其特征在于：还包括传感与控制机构，所述的传感与控制机构包括计算机（710），所述的计算机（710）与数据采集板卡（720）双向通讯，所述数据采集板卡（720）的第一输入端、第二输入端、第三输入端分别通过第一A/D转换器（731）、第二A/D转换器（732）、第三A/D转换器（733）与角度传感器（470）、拉力传感器（330）及压力传感器（231）的输出端相连，所述数据采集板卡（720）的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别通过第一D/A转换器（734）、第二D/A转换器（735）、第三D/A转换器（736）与气动肌肉（310）、磁流变阻尼器（420）及电磁接触器（430）的输入端相连，所述的第一D/A转换器（734）的输出端通过比例压力阀（740）与气动肌肉（310）的输入端相连，所述气动肌肉（310）的输出端与拉力传感器（330）的输入端相连，所述第二D/A转换器（735）的输出端通过第一电流控制器（737）与磁流变阻尼器（420）的导线相连，所述第三D/A转换器（736）的输出端通过第二电流控制器（738）与电磁接触器（430）的输入端相连，所述电磁接触器（430）的输出端与磁流变阻尼器（420）的输入端相连。

Images