CN109702714A - 一种可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，包括控制单元、驱动单元、电机、微型丝杠、柔性连接部件和仿生手套，在所述仿生手套上安装有智能传感器，由智能传感器采集相应的压力信号；控制单元接收并处理来自所述智能传感器反馈的压力信号，并根据处理结果输出控制信号给驱动单元；驱动单元将控制信号进行功率放大后施加在所述电机上，实现电机的恒转矩控制；再通过微型丝杠将所述电机的旋转运动转换成直线运动，并利用所述微型丝杠牵引所述柔性连接部件；由所述柔性连接部件带动所述仿生手套实现手部的弯曲抓握动作。上述装置能够提高手部不协调患者的康复效率和辅助老年人生活，达到使用安全、穿戴舒适、患者适应的目的。

Description

一种可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置

技术领域

本发明涉及指关节康复设备技术领域，尤其涉及一种可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置。

背景技术

手是人体非常重要的肢体之一，它对人类的整体功能的协调发挥，以及外在美观的体现，都有着举足轻重的影响，日常生活中手可以算得上是使用频率最高的肢体，平均每天要完成成百上千次的弯曲、伸展、对指以及抓握等动作。手功能的削弱或丧失，于患者本身而言，会给日常生活带来诸多不便，严重者甚至会失去生活自理能力，于家庭而言，会造成沉重的经济负担和精神压力。目前我国正面临日益严重的老龄化问题和数量庞大的残疾人群，这些人群中手指出现运动障碍的不在少数。智能指关节助力产品能很好的解决这些人群的手指运动障碍问题并促进康复，大大节省人力和时间成本，减轻患者的经济负担，提高康复效率，具有广泛的社会效益。

但现有技术对指关节助力产品的研究仅限于样机阶段，尚未形成成熟产品，同时存在体积重量大，操作复杂，不适合居家使用，长时间使用会产生手指压迫感等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，该装置能够提高手部不协调患者的康复效率和辅助老年人生活，达到使用安全、穿戴舒适、患者适应的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，所述装置包括控制单元、驱动单元、电机、微型丝杠、柔性连接部件和仿生手套，其中：

在所述仿生手套上安装有智能传感器，操作者佩戴仿生手套进行助力或康复训练，并由所述智能传感器采集相应的压力信号；

所述控制单元接收并处理来自所述智能传感器反馈的压力信号，并根据处理结果输出控制信号给所述驱动单元；

所述驱动单元将控制信号进行功率放大后施加在所述电机上，实现电机的恒转矩控制；

再通过所述微型丝杠将所述电机的旋转运动转换成直线运动，并利用所述微型丝杠牵引所述柔性连接部件；

由所述柔性连接部件带动所述仿生手套实现手部的弯曲抓握动作；

其中，所述仿生手套上的每根手指均对应独立的微型丝杠和柔性连接部件，且每根手指的输出拉力能通过控制所述电机的输出力矩来调节。

所述仿生手套根据人手的曲指腱设计，实现纯柔性的手指终端动作。

所述微型丝杠能根据不同的应用场合对牵引拉力进行调节，最大输出力达到10N/指。

所述智能传感器具体为薄膜压力传感器，且每根手指对应独立的薄膜压力传感器。

所述装置还包括人机交互界面，所述人机交互界面与所述控制单元相连，通过按键输入和液晶屏显示来实现对所述控制单元参数的设置和监控。

所述控制单元、驱动单元、人机交互界面能集成设计在运动控制盒中。

所述仿生手套能利用连接机构实现快速更换，且所述仿生手套的手指数为1～5范围内的任意数量。

所述装置利用锂电池作为供电电源，待机时间最大能达到8小时。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置能够提高手部不协调患者的康复效率和辅助老年人生活，达到使用安全、穿戴舒适、患者适应的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置示意图；

图2为本发明实施例所提供仿生手套的结构示意图；

图3为本发明实施例所举出的装置的实现结构示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1为本发明实施例提供的可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置示意图，所述装置包括控制单元、驱动单元、电机、微型丝杠、柔性连接部件和仿生手套，其中：

在所述仿生手套上安装有智能传感器，操作者佩戴仿生手套进行助力或康复训练，并由所述智能传感器采集相应的压力信号；

所述控制单元接收并处理来自所述智能传感器反馈的压力信号，并根据处理结果输出控制信号给所述驱动单元；

所述驱动单元将控制信号进行功率放大后施加在所述电机上，实现电机的恒转矩控制；

再通过所述微型丝杠将所述电机的旋转运动转换成直线运动，并利用所述微型丝杠牵引所述柔性连接部件；

由所述柔性连接部件带动所述仿生手套实现手部的弯曲抓握动作；

其中，所述仿生手套上的每根手指均对应独立的微型丝杠和柔性连接部件，且每根手指的输出拉力能通过控制所述电机的输出力矩来调节。具体可以采用力矩闭环控制可实现电机输出力矩的调节，力矩闭环控制具有以下优点：可实现电机输出力矩精确跟随设定值；能够提高系统响应速度；力矩闭环控制算法运行在嵌入式运动控制器上，采用智能PI控制算法，通过控制电机输出电流，达到控制电机输出力矩的目的，从而实现末端执行器拉力的调节。

具体实现中，如图2所示为本发明实施例所提供仿生手套的结构示意图，该仿生手套根据人手的曲指腱设计，实现纯柔性的手指终端动作。使用者日常佩戴舒适方便，在助力或康复训练时手部不会有任何不适的压迫感，彻底解决了纯机械结构式的终端执行单元使用时带来的压迫感和携带不便；同时，由于该仿生手套属于易损件，还能利用连接机构实现快速更换，且所述仿生手套的手指数为1～5范围内的任意数量。

上述微型丝杠能根据不同的应用场合对牵引拉力进行调节，最大输出力达到10N/指。这里，选用微型丝杠作为运动转换环节具有以下优点：传动效率高、运动平稳、噪音小。丝杠和丝母座采用对称结构从而保证拉力的的稳定性和平衡性，丝杠到指关节运动的传递通过定制的柔性单元充分实现运动传递的柔性化，装置在工作过程中胳膊和手部不会有任何不舒适的感觉。

具体实现中，所述装置还可包括人机交互界面，如图1所示，所述人机交互界面与所述控制单元相连，通过按键输入和液晶屏显示来实现对所述控制单元参数的设置和监控。

另外，所述智能传感器具体可以为薄膜压力传感器，且每根手指对应独立的薄膜压力传感器，考虑到手部功能障碍患者的手部障碍程度，智能传感器的灵敏度也可通过人机交互界面进行调节。

上述装置可以利用锂电池作为供电电源，待机时间最大能达到8小时。

下面以具体的实例对上述装置的实现过程及工作过程进行详细描述：

如图3所示为本发明实施例所举出的装置的实现结构示意图，图中包括运动控制盒1、柔性连接部件2、胳膊绑扎带3、连接机构4和仿生筋腱执行终端5，其中：

所述控制单元、驱动单元、人机交互界面集成设计在运动控制盒1中，是整个可穿戴式智能人体指关节助力及康复设备的核心部件，整个运动控制盒的尺寸控制在50mm×80mm×40mm左右，使用时佩戴在腰部，不会对日常生活有任何妨碍。运动控制盒1的整机采用大按键，即使视力不好的老人也能很方便的对设备进行操作。

每根手指都对应独立的柔性连接部件2，操作者利用胳膊绑扎带3穿戴在胳膊上，并用于柔性连接部件2的固定，胳膊绑扎带3采用魔术粘连技术，可单手进行穿戴操作。

连接机构4既要实现智能传感器信号的连接，还要实现拉力的传递，连接机构4的固定采用啪啪环实现位置调整和穿戴，可单手完成。

仿生筋腱执行终端5根据人手的曲指腱设计，属于易损件，通过连接机构4可快速更换。

上述装置在使用过程中，将运动控制盒1通过卡扣佩戴在腰部，仿生筋腱执行终端5佩戴在手部，柔性连接部件2通过胳膊绑扎带3固定在胳膊上，连接机构4通过啪啪环实现位置调整和固定。在使用过程中包括两种工作模式：助力模式和康复模式，模式的切换可通过人机交互界面完成。

助力模式：工作在助力模式下时，可辅助人手完成日常生活，如开门、开盖子、端杯子、端碗、拿勺等动作。

康复模式：工作在康复模式时，可进行手部功能障碍患者的手部康复，此时，所述装置能以一定的频率自动完成抓握放松动作，属于被动康复，也可调节在助力模式下进行主动康复。

运动控制盒1上设置有开关机按键，设备开机后，如果处于康复模式，则以一定频率自动抓握和放松；如果处于助力模式，则以一定的周期检测手部的动作，如果检测到手部有抓握趋势，则辅助手部抓握动作。

另外，在正常工作时，运动控制盒1正面的绿色指示灯点亮，发生故障时，红色指示灯点亮，蜂鸣器蜂鸣报警。

每个手指的输出拉力可分档单独调节，分别为大、中、小三档；每个手指的灵敏度也可分档调节，分别为灵敏度大、灵敏度中、灵敏度小；可任意添加或去除手指的助力功能，以上参数的调节都可以通过人机交互界面实现。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述的装置具有如下优点：

1、安全：采用人体安全电压DC6V供电，不会给人体带来触电或电磁辐射危害；

2、可量身定制：主要体现在仿生手套上，仿生手套是根据人手的曲指腱结构设计的。带上这款手套，使用者不会产生压迫感，而且这款手套可以定制，根据不同人的大小尺寸需求定制，由于他是个易损件，利用连接机构可实现快速更换；

3、智能：仿生手套上分布有若干个智能传感器，根据这些信号，控制单元能够预知穿戴者的意图和动作；

4、便携、易穿戴：整个设备只有0.8kG，轻巧便携，设备穿戴起来很方便，单只手就能完成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，所述装置包括控制单元、驱动单元、电机、微型丝杠、柔性连接部件和仿生手套，其中：

在所述仿生手套上安装有智能传感器，操作者佩戴仿生手套进行助力或康复训练，并由所述智能传感器采集相应的压力信号；

所述控制单元接收并处理来自所述智能传感器反馈的压力信号，并根据处理结果输出控制信号给所述驱动单元；

所述驱动单元将控制信号进行功率放大后施加在所述电机上，实现电机的恒转矩控制；

再通过所述微型丝杠将所述电机的旋转运动转换成直线运动，并利用所述微型丝杠牵引所述柔性连接部件；

由所述柔性连接部件带动所述仿生手套实现手部的弯曲抓握动作；

其中，所述仿生手套上的每根手指均对应独立的微型丝杠和柔性连接部件，且每根手指的输出拉力能通过控制所述电机的输出力矩来调节。

2.根据权利要求1所述可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，

所述仿生手套根据人手的曲指腱设计，实现纯柔性的手指终端动作。

3.根据权利要求1所述可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，

所述微型丝杠能根据不同的应用场合对牵引拉力进行调节，最大输出力达到10N/指。

4.根据权利要求1所述可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，

所述智能传感器具体为薄膜压力传感器，且每根手指对应独立的薄膜压力传感器。

5.根据权利要求1所述可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，所述装置还包括人机交互界面，所述人机交互界面与所述控制单元相连，通过按键输入和液晶屏显示来实现对所述控制单元参数的设置和监控。

6.根据权利要求5所述可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，

所述控制单元、驱动单元、人机交互界面能集成设计在运动控制盒中。

7.根据权利要求1所述可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，

所述仿生手套能利用连接机构实现快速更换，且所述仿生手套的手指数为1～5范围内的任意数量。

8.根据权利要求1所述可穿戴式智能人体指关节助力及康复装置，其特征在于，所述装置利用锂电池作为供电电源，待机时间最大能达到8小时。