CN109646156A - 一种外骨骼康复手套 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外骨骼康复手套，属于康复机器人领域，该外骨骼康复手套通过设置肌电信号采集装置实时采集患者前臂的动作意图，将动作信息传递给ARM控制系统；并利用数据手套向ARM控制系统反馈手指位置和指尖力信息，使得系统形成触觉感知能力，进而通过控制驱动装置实现对手套本体的精准控制。利用人机交互和阻抗控制，其驱动控制系统能够形成控制内环和控制外环，内环利用数据收套采集的手部位置信息，与系统目标位置作比较调整系统的位置输出，外环利用数据手套得到指尖力信息，通过主动柔顺控制将力信号转换为位置信号，使得该外骨骼康复手套的控制更加精准。从而准确做出患者期望的运动，帮助患者手部功能康复。
Description
技术领域
本发明涉及一种康复医疗器械，具体涉及一种外骨骼康复手套。
背景技术
据临床统计数据，我国中风患病率高达1.82％，并且患病年龄呈现年轻化趋势。其中大约1/4患者无法独立行走或手部残疾，而人手是人日常生活动作的主要执行器，并且是人体中最灵活的部分，若因中风导致手部功能障碍，患者生活将会严重不便。
传统的治疗方式，主要靠理疗师对患者肢体进行不断的被动运动刺激，虽然这种方式疗效比较好，但患者要有足够的耐心和物质资本支撑。传统康复手套利用固定的编程方式，实现固定的几个动作，采用被动运动的方式对患者患肢反复牵引运动，虽然有一定的作用，但是效果并不理想。而近年来出现的外骨骼康复手套，普遍存在结构复杂，加工困难，控制精度不高，穿戴性较差等问题。例如意大利学者研制的外骨骼康复机械手HANDEXOS，采用金属材料加工，绳轮驱动，其结构较为复杂加工非常困难，且金属材料佩戴不舒适。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种外骨骼康复手套，该康复手套能够对手指运动进行精确的位置和力控制，具有较高的控制精度。
技术方案：本发明所述的一种外骨骼康复手套，包括手套本体和驱动控制系统，所述手套本体包括手部支撑板、安装于手部支撑板上的五个手指组件，所述五个手指组件均具有气动筋腱以及通过所述气动筋腱驱动的活动骨套组件；所述驱动控制系统包括肌电信号采集装置、数据手套、ARM控制器以及驱动装置；所述肌电信号采集装置采集前臂皮肤的肌电信号，并将肌电信号传输给ARM控制器；所述数据手套的五个指套分别一一对应设置于五个所述活动骨套组件内用以采集手部位置信息和指尖力反馈信息，并将手部位置信息以及指尖力反馈信息传输给ARM控制器；所述驱动装置具有驱动气源以及与所述五个手指组件一一对应的五个驱动电路，所述驱动电路具有电磁阀，所述电磁阀连接在所述驱动气源和所述气动筋腱之间，驱动电路接收ARM控制器发出的控制信号，并根据控制信号控制电磁阀的通断时间，用以控制驱动气源进入气动筋腱的气体流通量，从而驱动活动骨套组件动作。
有益效果：该外骨骼康复手套通过设置肌电信号采集装置实时采集患者前臂的动作意图，将动作信息传递给ARM控制系统；并利用数据手套向ARM控制系统反馈手指弯曲位置角度和指尖力，使得ARM控制系统形成触觉感知能力，进而通过控制驱动装置实现对手套本体的精准控制。利用人机交互和闭环阻抗控制，其驱动控制系统能够形成控制内环和控制外环，内环利用数据收套采集的手部位置信息，与系统目标位置作比较调整系统的位置输出，外环利用数据手套得到指尖力信息，通过主动柔顺控制将力信号转换为位置信号，使得该外骨骼康复手套的控制更加精准。从而准确做出患者期望的运动，进而高效的帮助患者手部功能康复。
附图说明
图1是本发明外骨骼康复手套的手套本体结构示意图；
图2是图1中手套本体的另一侧结构示意图；
图3是本发明中手套本体的手部支撑板结构示意图；
图4是本发明中活动骨套组件的结构示意图；
图5是本发明中数据手套的机构示意图；
图6是本发明外骨骼康复手套的工作原理框图；
图7是本发明中驱动控制系统控制策略框图；
图8是本发明中肌电信号采集装置的工作原理框图；
图9是本发明中ARM控制器工作原理框图；
图10为本发明中驱动电路的原理图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1-4所示，本实施例公开了一种外骨骼康复手套，包括手套本体和驱动控制系统。手套本体包括手部支撑板1以及五个手指组件，该五个手指组件对应于人的五根手指，分别为大拇指组件、食指组件、中指组件、无名指组件以及小拇指组件。五个手指组件均安装在手部支撑板1上，其中，大拇指组件安装在手部支撑板1的侧表面，食指组件、中指组件、无名指组件以及小拇指组件均并排安装在手部支撑板1的上表面。
该五个手指组件均具有气动筋腱2和活动骨套组件。活动骨套组件通过气动筋腱2驱动。活动骨套组件采用连杆传动带动指骨骨套运动，以实现手指的运动。具体的，包括第一指骨骨套3、第二指骨骨套4、第三指骨骨套9、第一连杆5、第二连杆6、第三连杆7、第四连杆8、第五连杆10以及第六连杆11。由于大拇指主要通过前两节指骨活动，所以本例中，区别于其他四个手指组件，大拇指组件的活动骨套组件由第一指骨骨套3、第二指骨骨套4、第一连杆5、第二连杆6、第三连杆7和第四连杆8组成。
手部支撑板1作为手指组件的承载装置，其上表面和侧表面均设置有第一支柱11、第二支柱12以及指骨铰接部14。以手掌所在位置为前、手臂所在位置为后，则第一支柱11设置在手部支撑板1的后端，第二支柱12设置于手部支撑板1的前端，指骨铰接部14设置于第二支柱12前端的手部支撑板1边沿处。
本例中采用festo公司的DMSP-5-80N-RM-CM型号的气动肌腱，该气动筋腱在3bar气压下能够提供50N-100N的拉力，能够满足外骨骼康复手套的拉力要求，并且反应也较为迅速。气动筋腱2的尾部铰接于第一支柱11上，其头部为执行端(活动端)铰接在第一连杆5的一端。第一连杆5的杆体中间部位铰接在第二支柱12上，使得第一连杆5的两端形成围绕与第二支柱12的铰接点转动的翘板结构，在气动筋腱2的驱动下第一连杆5能够围绕第二支柱12上的铰接点转动。
自第一指骨骨套3的上表面向后延伸出铰接杆，第一指骨骨套3通过该铰接杆铰接于指骨铰接部14上，第二指骨骨套4铰接于第一指骨骨套3的前端。第一连杆5的另一端与第二连杆6铰接，第二连杆6的另一端同时与第三连杆7以及第四连杆8的端部铰接，第三连杆7的另一端铰接于第一指骨骨套3上。对于具有二节活动指骨的大拇指组件，第四连杆8的另一端铰接于第二指骨骨套4上。而对于具有三节活动指骨的食指组件、中指组件、无名指组件以及小拇指组件，其还具有第三指骨骨套9、第五连杆10以及第六连杆11，第三指骨骨套9铰接于第二指骨骨套4的前端，第五连杆10呈V形结构，该V形的第五连杆10的封闭端铰接于第二指骨骨套4上表面延伸出的铰接杆上，其第四连杆8的另一端铰接于第五连杆10的一个开口端，第五连杆10的另一个开口端铰接于第六连杆11的一端，第六连杆11铰接于第三指骨骨套9上。
通过以上气动筋腱2、连杆与指骨骨套相互铰接的结构，形成采用杆传动带动手指运动的手指组件，能够有效的将力传递给指套，有利于外骨骼康复手套的运动控制。
进一步的，为了便于穿戴固定，该手套本体的手部支撑板1上还设置有绷带固定孔15，其内穿设有腕部固定带13，该腕部固定带13设置于手部支撑板1下部用以在穿戴时将手套本体固定在病患手腕部。
本例中，该手套本体采用3D打印的加工方式，一方面显著缩短设计加工的周期，解决了复杂结构加工困难的问题，另一方面3D打印所采用的的树脂材料具有密度小、强度高的特点，不仅能满足结构强度的要求，而且对手臂造成的负载压力小，佩戴舒适。
如图6所示，该外骨骼康复手套的驱动控制系统包括肌电信号采集装置、数据手套30、ARM控制器以及驱动装置。
一并参阅图8所示，肌电信号采集装置具有若干用于采集皮肤表面肌电信号的干电极、信号放大模块以及滤波模块。其中，干电极放于患者前臂皮肤，用于采集病患前臂皮肤表面肌电信号，干电极对前臂肌电信号产生位置的容错性强，但采集的肌电信号幅值比较小而且混合了各种干扰信号，因此，利用信号放大模块和滤波模块处理原始信号，本例中采用巴斯沃特带通滤波器和工频陷波器去除信号低频、高频和工频干扰，得到可以使用的信号。然后将该肌电信号通过蓝牙传输给ARM控制器。
再结合图5，数据手套30为市售某型号数据手套，其五个指套分别一一对应设置于五个活动骨套组件内用以采集手部位置信息和指尖力反馈信息，并将手部位置信息以及指尖力反馈信息传输给ARM控制器。具体的，数据手套30固定于手部支撑板1的下表面，数据手套30的五个指套分别对应设置在五个手指组件的指骨骨套内，且数据手套30的各指套关节均设置于与之对应的各指骨骨套的铰接点处，并通过魔术贴粘附在铰接点下方。当患者使用该外骨骼康复手套时，其手部位于数据手套30内，从而数据手套30能够采用手指各指骨关节的位置信息和指尖受力信息，并将该信息传递给ARM控制器。
如图9所示，ARM控制器接收肌电信号采集装置传输的肌电信号以及数据手套30反馈的手部位置信息和指尖力信息，利用支持向量机解码算法解码肌电信号识别人的动作意图，输出PWM控制信号。
驱动装置具有驱动气源以及与五个手指组件一一对应的五个驱动电路。如图10所示，驱动电路具有信号增强模块、光电耦合器、继电器以及电磁阀，驱动电路接收ARM控制器发出的PWM控制信号，再通过光电耦合器将PWM控制信号转换为控制电流，并通过放大电路将电流信号放大处理。电磁阀连接在驱动气源和气动筋腱2的进气口21之间，通过继电器控制电磁阀的通断时间，用以控制驱动气源进入气动筋腱2的气体流通量，从而驱动活动骨套组件做出精准动作。
如图7所示，该外骨骼康复手套的控制结构主要分为控制内环和控制外环，内环利用数据手套30实时采集手部位置信息，与系统期望位置作比较，调整系统位置输出。控制外环利用数据手套30得到指尖力信息，然后通过主动柔顺控制将力信号转换为位置信号，从而更好的调节康复手套的抓握位置。采用该闭环阻抗的控制方法，实现外骨骼康复手套的精确控制。
Claims (10)
1.一种外骨骼康复手套，其特征在于，包括手套本体和驱动控制系统，所述手套本体包括手部支撑板(1)、安装于手部支撑板(1)上的五个手指组件，所述五个手指组件均具有气动筋腱(2)以及通过所述气动筋腱(2)驱动的活动骨套组件；
所述驱动控制系统包括肌电信号采集装置、数据手套(30)、ARM控制器以及驱动装置；所述肌电信号采集装置采集前臂皮肤的肌电信号，并将肌电信号传输给ARM控制器；所述数据手套(30)的五个指套分别一一对应设置于五个所述活动骨套组件内用以采集手部位置信息和指尖力反馈信息，并将手部位置信息以及指尖力反馈信息传输给ARM控制器；所述驱动装置具有驱动气源以及与所述五个手指组件一一对应的五个驱动电路，所述驱动电路具有电磁阀，所述电磁阀连接在所述驱动气源和所述气动筋腱之间，驱动电路接收ARM控制器发出的控制信号，并根据控制信号控制电磁阀的通断时间，用以控制驱动气源进入气动筋腱(2)的气体流通量，从而驱动活动骨套组件动作。
2.根据权利要求1所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述五个手指组件分别为大拇指组件、食指组件、中指组件、无名指组件以及小拇指组件，大拇指组件安装在手部支撑板(1)的侧表面，所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小拇指组件均并排安装在手部支撑板(1)的上表面。
3.根据权利要求2所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述手部支撑板(1)的上表面和侧表面均设置有第一支柱(11)和第二支柱(12)，所述气动筋腱(2)设置于第一支柱(11)和第二支柱(12)之间，气动筋腱(2)的一端铰接于所述第一支柱(11)上，气动筋腱(2)的另一端为执行端。
4.根据权利要求3所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述五个手指组件的活动骨套组件均具有第一指骨骨套(3)、与第一指骨骨套(3)铰接的第二指骨骨套(4)、第一连杆(5)、第二连杆(6)、第三连杆(7)以及第四连杆(8)；其中，大拇指组件的第一指骨骨套(3)铰接于所述手部支撑板(1)的侧表面，其余四个手指组件的第一指骨骨套(3)铰接于手部支撑板(1)的上表面。
5.根据权利要求4所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述第一连杆(5)的一端铰接于所述气动筋腱(2)的执行端上，第一连杆(5)的中间部分铰接于所述第二支柱(12)上；所述第二连杆(6)的一端和第一连杆(5)的另一端铰接，第二连杆(6)的另一端和第三连杆(7)以及第四连杆(8)铰接，第三连杆(7)铰接在所述第一指骨骨套(3)上；所述大拇指组件的第四连杆(8)铰接在所述第二指骨骨套(4)上。
6.根据权利要求5所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述食指组件、中指组件、无名指组件以及小拇指组件均具有与所述第二指骨骨套(4)铰接的第三指骨骨套(9)、第五连杆(10)以及第六连杆(11)，所述第五连杆(10)呈V形结构，该V形的第五连杆(10)的封闭端铰接于第二指骨骨套(4)上，第五连杆(10)的两个开口端分别铰接于第四连杆(8)和第六连杆(11)，所述第六连杆(11)铰接于所述第三指骨骨套(9)上。
7.根据权利要求1所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述肌电信号采集装置具有若干用于采集皮肤表面肌电信号的干电极、信号放大模块以及滤波模块。
8.根据权利要求5所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述数据手套(30)固定于所述手部支撑板(1)的下表面，数据手套(30)的五个指套分别对应设置在五个手指组件的指骨骨套内，且数据手套的各指套关节均设置于与之对应的各指骨骨套的铰接点处。
9.根据权利要求1所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述驱动电路还具有信号增强模块、光电耦合器和继电器；驱动电路通过信号增强模块增强所述ARM控制器发出的控制信号，再通过光电耦合器将控制信号转换为控制电流，通过继电器控制所述电磁阀的通断时间。
10.根据权利要求1所述的外骨骼康复手套，其特征在于，所述手部支撑板(1)下部还设置有腕部固定带(13)。
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