CN109363893B - 一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置，包括控制单元、电机驱动单元、力传动单元以及手部执行单元；其中，控制单元的输出端连接于电机驱动单元；力传动单元一端连接于电机驱动单元，力传动单元另一端连接于手部执行单元；手部执行单元的输出端与患者患手指接触，通过力传动单元将驱动力传动给患手指进行屈伸动作。本发明采用刚柔耦合驱动，运动传动精准、无刚性冲击、同时具有刚性机构安全保护；本发明的驱动单元与控制单元均后置于前臂，能减轻患者手部的穿戴负担，重量轻，便携易穿戴；本发明采用直线推杆电机配合关节扭簧进行手部伸展与手部屈伸动作；本发明有按键控制与语音控制两种模式，能为患者提供多种康复方式，操作简单，适合手功能障碍患者社区康复和家庭康复。
Description
技术领域
本发明涉及康复医疗机器人技术领域，尤其涉及一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置。
背景技术
脑卒中作为老龄人群的高发病之一，其发病率、致残率和复发率都很高。脑卒中病发后，常伴随多种功能损伤，如语言功能、上肢运动功能、下肢运动功能等，其中上肢运动功能损伤较多。而手作为人正常生活活动中不可或缺的一部分，且手部功能占上肢功能的90％，可见手部康复的重要性。传统的康复治疗采用的是物理治疗师对患者进行一对一或者一对多的康复治疗。基于如今康复需求，手部康复机器人现已有大量研究人员对此进行研发。
国内外已得到实际应用的手部康复机器人基本上体积较大，如FESTO公司的EXOHAND机器人和上海羿升公司的气动式手部康复机器人。患者只能在指定地点进行康复训练，此类产品明显降低了患者康复的时效性。
经检索文献发现，公开号为CN105496728A的专利公开了一种用于手部运动功能康复的软体机器人手套，该手套能够辅助手功能障碍患者进行康复训练，但该装置存在一定缺点：1)装置整体体积较大，不具备携带性，患者只能在对应医疗机构才能进行训练；2)采用单个电机的正反转来带动手指的屈伸，使得绳索在运动过程中产生回程误差，导致手指不能正常运动。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置，其结构简单，质量轻便，体积小，操作方便，可供患者在室外或者家中进行康复训练和日常生活辅助，达到最终恢复患者手部运动功能的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置，它包括控制单元、电机驱动单元、力传动单元以及手部执行单元；其中，所述控制单元的输出端连接于所述电机驱动单元；所述力传动单元一端连接于所述电机驱动单元，所述力传动单元另一端连接于所述手部执行单元；所述手部执行单元的输出端与患者患手指接触，通过所述力传动单元将驱动力传动给患手指进行屈伸动作；
所述手部执行单元包括手部掌板、手部盖板、掌指关节卷簧、掌指关节连杆卷簧、掌指关节连杆、掌指关节滑轮、掌指关节导向滑轮、掌指关节固定架、关节绑带、近端指间关节连杆、近端指间关节固定架、近端指间关节卷簧、近端指间关节导向滑轮、关节轴承、横向轴。所述横向轴安装于所述手部掌板、所述掌指关节滑轮、所述掌指关节卷簧与所述掌指关节连杆连接于所述横向轴上，所述掌指关节导向滑轮与所述掌指关节连杆卷簧分别连接于掌指关节连杆两侧，所述掌指关节连杆连接于所述掌指关节固定架，所述近端指间关节连杆与所述掌指关节固定架和所述近端指间关节固定架连接，所述近端指间关节卷簧与所述近端指间关节导向滑轮分别连接于近端指间关节连杆两侧，所述近端指间关节固定架与所述近端指间关节连杆连接；
所述电机驱动单元包括前臂支撑架、直线推杆电机、前臂绑带；其中，所述直线推杆电机的推杆端与所述钢丝绳连接，所述直线推杆电机末端固定于所述电机前臂支撑架上，所述直线推杆电机末端与所述控制单元连接；
所述力传动单元包括前臂线管快速接头、铁氟龙管、钢丝绳、手部线管快速接头、钢丝绳连接卡；其中所述前臂线管快速接头安装固定在前臂支撑架上，所述手部线管快速接头安装固定在所述手部掌板上，所述铁氟龙管安装两端分别安装在所述前臂线管快速接头与所述手部线管快速接头上，所述钢丝绳穿过所述铁氟龙管中，所述钢丝绳一端连接于所述近端指间关节固定架上，所述钢丝绳依次穿过所述近端指间关节导向滑轮、所述掌指关节导向滑轮、所述掌指关节滑轮、所述铁氟龙管，所述钢丝绳另一端连接于所述直线推杆电机上。
所述手部执行单元采用PLA材料和40Cr材料。
所述手部掌板、所述掌指关节固定架、所述近端指间关节固定架与所述前臂支撑架均采用曲面设计，增加装置与人的贴合性。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用刚柔耦合驱动，运动传动精准、无刚性冲击、同时具有刚性机构安全保护；
2、本发明的驱动单元与控制单元均后置于前臂，减轻患者手部的穿戴负担；
3、本发明采用直线推杆电机配合关节扭簧进行手部伸展与手部屈伸动作；
4、本发明有按键控制与语音控制两种模式，能为患者提供多种康复方式，操作简单。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明中单个手指机构的示意图；
图4为本发明中力传动单元的部分示意图；
图中：1前臂线管快速接头，2钢丝绳，3直线推杆电机，4前臂支撑架，5前臂绑带，6控制单元，7手部掌板，8手部绑带，9手部盖板，10铁氟龙管，11手部线管快速接头，12掌指关节滑轮，13横向轴，14掌指关节导向滑轮，15近端指间关节导向滑轮，16掌指关节扭簧，17近端指间关节卷簧，18近端指间关节连杆，19近端指间关节固定架，20掌指关节固定架，21掌指关节连杆，22掌指关节连杆卷簧。
具体实施方式
在本实施例，本发明提供的一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置，如图1-4所示，它包括控制单元、电机驱动单元、力传动单元以及手部执行单元；其中，控制单元的输出端连接于电机驱动单元；力传动单元一端连接于电机驱动单元，力传动单元另一端连接于手部执行单元；手部执行单元的输出端与患者患手指接触，通过力传动单元将驱动力传动给患手指进行屈伸动作。
手部执行单元包括手部掌板7、手部盖板9、掌指关节卷簧16、掌指关节连杆卷簧22、掌指关节连杆21、掌指关节滑轮12、掌指关节导向滑轮14、掌指关节固定架20、关节绑带8、近端指间关节连杆18、近端指间关节固定架19、近端指间关节卷簧17、近端指间关节导向滑轮15、横向轴13。横向轴13安装于手部掌板7、掌指关节滑轮12、掌指关节卷簧16与掌指关节连杆21连接于横向轴13上，掌指关节导向滑轮14与掌指关节连杆卷簧22分别连接于掌指关节连杆21两侧，掌指关节连杆21连接于掌指关节固定架20，近端指间关节连杆18与掌指关节固定架20和近端指间关节固定架19连接，近端指间关节卷簧17与近端指间关节导向滑轮15分别连接于近端指间关节连杆18两侧，近端指间关节固定架19与近端指间关节连杆18连接。
电机驱动单元包括前臂支撑架4、直线推杆电机3、前臂绑带5；其中，直线推杆电机3的推杆端与钢丝绳2连接，直线推杆电机3末端固定于4前臂支撑架上，直线推杆电机3末端与控制单元6连接。
力传动单元包括前臂线管快速接头1、铁氟龙管10、钢丝绳2、手部线管快速接头11；其中前臂线管快速接头1安装固定在前臂支撑架4上，手部线管快速接头11安装固定在手部掌板7上，铁氟龙管10两端分别安装在前臂线管快速接头1与手部线管快速接头11上，钢丝绳2穿过铁氟龙管10中，钢丝绳2一端连接于近端指间关节固定架19上，钢丝绳2依次穿过近端指间关节导向滑轮15、掌指关节导向滑轮14、掌指关节滑轮12、铁氟龙管10，钢丝绳2另一端连接于直线推杆电机3上。
另外，手部执行单元采用PLA材料和40Cr材料。外骨骼手康复训练装置与人体接触的地方均有透气柔软的缓冲材料，增加装置的舒适性。手部掌板7、所述掌指关节固定架20、所述近端指间关节固定架19与所述前臂支撑架4均采用曲面设计，增加装置与人的贴合性。
当使用本发明提供的一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置时，对于脑卒中患者，将前臂支撑架4穿戴在患者前臂处，手部掌板7穿戴在患者手部，并自动调整间距。钢丝绳2端连接于近端指间关节固定架19上，一端连接于直线推杆电机3上，控制单元6中的微处理器接受患者语音命令或者按键输入后来控制直线推杆电机3的伸缩运动，当微控制器执行手部伸展命令时，直线推杆电机3开始收缩，经过钢丝绳2传动，关节卷簧被压缩，近端指间关节固定架19将被拉伸，实现手部伸展动作；当微控制器执行手部屈曲命令时，直线推杆电机3开始伸长，经过钢丝绳传动，关节卷簧释放弹力，近端指间关节固定架19将回缩，实现手部屈曲动作。
综上可见，本发明的功能优势有：
1、本发明采用刚柔耦合驱动，运动传动精准、无刚性冲击、同时具有刚性机构安全保护；
2、本发明的驱动单元与控制单元均后置于前臂，减轻患者手部的穿戴负担；
3、本发明采用直线推杆电机配合关节扭簧进行手部伸展与手部屈伸动作；
4、本发明有按键控制与语音控制两种模式，能为患者提供多种康复方式，操作简单。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种刚柔耦合式外骨骼手康复训练装置，其特征在于：包括控制单元(6)、电机驱动单元、力传动单元以及手部执行单元；其中，所述控制单元(6)的输出端连接于所述电机驱动单元；所述力传动单元一端连接于所述电机驱动单元，所述力传动单元另一端连接于所述手部执行单元；所述手部执行单元的输出端与患者患手指接触，通过所述力传动单元将驱动力传动给患手指进行屈伸动作；所述手部执行单元包括手部掌板(7)、手部盖板(9)、掌指关节卷簧(16)、掌指关节连杆卷簧(22)、掌指关节连杆(21)、掌指关节滑轮(12)、掌指关节导向滑轮(14)、掌指关节固定架(20)、关节绑带(8)、近端指间关节连杆(18)、近端指间关节固定架(19)、近端指间关节卷簧(17)、近端指间关节导向滑轮(15)、横向轴(13)，所述横向轴(13)安装于所述手部掌板(7)、所述掌指关节滑轮(12)、所述掌指关节卷簧(16)与所述掌指关节连杆(21)连接于所述横向轴(13)上，所述掌指关节导向滑轮(14)与所述掌指关节连杆卷簧(22)分别连接于掌指关节连杆(21)两侧，所述掌指关节连杆(21)连接于所述掌指关节固定架(20)，所述近端指间关节连杆(18)与所述掌指关节固定架(20)和所述近端指间关节固定架(19)连接，所述近端指间关节卷簧(17)与所述近端指间关节导向滑轮(15)分别连接于近端指间关节连杆(18)两侧，所述近端指间关节固定架(19)与所述近端指间关节连杆(18)连接；所述电机驱动单元包括前臂支撑架(4)、直线推杆电机(3)、前臂绑带(5)；其中，所述直线推杆电机(3)的推杆端与钢丝绳(2)连接，所述直线推杆电机(3)末端固定于所述前臂支撑架(4)上，所述直线推杆电机(3)末端与所述控制单元(6)连接；所述力传动单元包括前臂线管快速接头(1)、铁氟龙管(10)、钢丝绳(2)、手部线管快速接头(11)；其中所述前臂线管快速接头(1)安装固定在前臂支撑架(4)上，所述手部线管快速接头(11)安装固定在所述手部掌板(7)上，所述铁氟龙管(10)两端分别安装在所述前臂线管快速接头(1)与所述手部线管快速接头(11)上，所述钢丝绳(2)穿过所述铁氟龙管(10)中，所述钢丝绳(2)一端连接于所述近端指间关节固定架(19)上，所述钢丝绳(2)依次穿过所述近端指间关节导向滑轮(15)、所述掌指关节导向滑轮(14)、所述掌指关节滑轮(12)、所述铁氟龙管(10)，所述钢丝绳(2)另一端连接于所述直线推杆电机(3)上；
所述手部执行单元采用PLA材料和40Cr材料制成；
所述手部掌板(7)、所述掌指关节固定架(20)、所述近端指间关节固定架(19)与所述前臂支撑架(4)均采用曲面设计。
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