CN110141458B - 基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，该机构能够实现对手部两个关节的驱动；通过调整腕部训练机构和上臂训练机构方便患者的穿戴同时实现腕部和上肢的康复训练的目的。该机构包含：五指训练机构、腕部训练机构、上臂训练机构，根据人手手指自然展开的角度设置了五个独立驱动的手指训练机构；根据不同患者的康复阶段，通过对五个手指电机的驱动控制实现对不同的手部康复训练模式，实现手部正常功能的恢复，对于手部运动功能障碍患者的康复将起到非常重要的作用。

Description

基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手

技术领域

本发明涉及康复训练器械领域，具体地说涉及基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手。

背景技术

目前在我国，心脑血管疾病尤其是脑卒中成为威胁人们健康的首要因素，急需接受康复治疗；另一方面，因各类事故、偏瘫、脑瘫、等原因造成手部残疾的患者众多，人手作为人体重要的器官之一，在生产生活、学习工作中具有十分重要的作用，然而由于种种创伤及脑卒中等不可抗因素常常会导致手部运动功能受损。脑卒中以及后天的事故其伤残率给社会带来了巨大的经济和医疗压力，而长期照顾脑卒中患者也给亲人家属带来了的沉重的精神负担。依据的是神经代偿的可塑性原理，对于早期手部患者来说，持续的被动训练能够帮助患者进行早期康复。

人体的运动关节中，手部关节的自由度较多，结构也较为复杂，所以手部康复训练机构设计也比较困难。经过对现有技术文献检索发现，国内对外骨骼手部训练结构的研究还处于起步阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现患者最佳的穿戴位势的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，包括底座、前臂支撑架、手掌支撑架，所述前臂支撑架铰接在所述底座上，所述手掌支撑架铰接在所述前臂支撑架上，所述手掌支撑架上设有五个分别一一对应地用于五指训练的手指训练机构。

进一步地，所述手指训练机构包括第一电机、第一摆臂、第一连杆、第一指骨支撑件、第二指骨支撑件、第一传动件、第二传动件、第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆；

所述第一电机固定在所述手掌支撑架上，所述第一摆臂的一端与所述第一电机的输出轴固定连接，所述第一摆臂的另一端与所述第一连杆的一端以球绞副相连，所述第一连杆的另一端与所述第一传动件的第一端以球绞副相连，所述第一传动件的第二端与所述手掌支撑架铰接相连，所述第一传动件的第三端与所述第一传动杆的一端铰接相连，所述第一传动杆的另一端与所述第一指骨支撑件铰接相连，所述第二传动杆的一端与所述手掌支撑架铰接相连，所述第二传动杆的另一端与所述第二传动件的第一端铰接相连，所述第二传动件的第二端与所述第一指骨支撑件铰接相连，所述第二传动件的第三端与所述第三传动杆的一端铰接相连，所述第三传动杆的另一端与所述第二指骨支撑件铰接相连，所述第一传动杆的中部和所述第二传动杆的中部铰接相连，所述第一传动杆、所述第二传动杆、所述第一传动件和所述手掌支撑架构成平行四边形连杆结构，所述第一传动杆、所述第二传动杆、所述第二传动件和所述第一指骨支撑件也构成平行四边形连杆结构。

进一步地，所述第一指骨支撑件和所述第二指骨支撑件铰接相连。

进一步地，所述第一指骨支撑件包括用于覆盖在手指背部的第一指骨支撑板以及固定在所述第一指骨支撑板的外表面的第一连接板，所述第一传动杆的另一端和所述第二传动件的第二端均铰接在所述第一连接板上；所述第二指骨支撑件包括用于覆盖在手指背部的第二指骨支撑板以及固定在所述第二指骨支撑板的外表面的第二连接板，所述第三传动杆的另一端铰接在所述第二连接板上。

进一步地，所述手掌支撑架包括用于覆盖在手掌背部上的手掌支撑板以及固定在所述手掌支撑板的外表面的五个间隔分布的手部连接座，各所述手指训练机构的所述第一传动件的第二端和所述第二传动杆的一端分别一一对应地铰接在各所述手部连接座上。

进一步地，还包括用于带动所述手掌支撑架相对所述前臂支撑架摆动的第一驱动机构和/或用于带动所述前臂支撑架相对所述底座摆动的第二驱动机构。

进一步地，所述第一驱动机构包括第二电机、第二摆臂以及第二连杆，所述第二电机固定在所述前臂支撑架上，所述第二摆臂的一端与所述第二电机的输出轴固定连接，所述第二摆臂的另一端与所述第二连杆的一端铰接相连，所述第二连杆的另一端与所述手掌支撑架铰接相连。

进一步地，所述第二驱动机构包括第三电机和联轴器，所述前臂支撑架包括相互间隔分布的第一连接座和第二连接座，所述第三电机固定在所述底座上，所述第三电机的输出轴与所述联轴器的一端固定连接，所述联轴器的另一端与所述第一连接座固定连接，所述底座上固定有支架，所述支架通过铰轴与第二连接座铰接相连，所述铰轴、所述联轴器和所述第三电机的输出轴同轴布置。

进一步地，所述底座上固定有用于限制所述前臂支撑架的转动范围的限位支撑板。

进一步地，所述前臂支撑架包括用于覆盖在前臂上的前臂支撑板，所述前臂支撑板的宽度方向两侧边分别开有条形孔。

本发明的有益效果体现在：

本发明结构简单，容易制作，使用时，将前臂绑在前臂支撑架上，手部绑在手掌支撑架上，各手指训练机构穿戴在五指上，这样在锻炼时，腕关节和肘关节可得到支撑，舒适性更好，而且，由于前臂支撑架铰接在底座上，手掌支撑架铰接在前臂支撑架上，这样手掌支撑架于前臂支撑架之间的角度，以及前臂支撑架与底座之间的角度可以根据使用者的需求进行调节，实现患者最佳的穿戴位势，实用性更好。

本发明在的手指训练机构在带动手指运动时采用平行四边形远程投影中心结构以及外骨骼穿戴式结构，能够很好地使人手关节与机构运动回转轴重合，能够有效的避免运动过程中机构对手指的二次伤害。

本发明结构性好，外形美观，体积较小，操作方便，具有普适性，适合社区及家庭使用，能够满足了不同使用者的使用需求。

附图说明

图1是本发明一实施例在一视角下的立体结构示意图。

图2是本发明一实施例在另一视角下的立体结构示意图。

图3是本发明一实施例的主视图。

图4是本发明一实施例中手指训练机构的在一视角下的立体结构示意图。

图5是本发明一实施例中手指训练机构的在另一视角下的立体结构示意图。

图6是本发明一实施例中第一驱动机构的立体结构示意图。

图7是本发明一实施例中手指训练机构的原理图。

附图中各部件的标记为：10底座、20前臂支撑架、30手掌支撑架，40手指训练机构；

101支架、102限位支撑板；

201前臂支撑板、2011条形孔、202第一连接座、203第二连接座、204耳板；

301手掌支撑板、302手部连接座、303铰接板；

401第一电机、402第一摆臂、403第一连杆、404第一指骨支撑件、4041第一指骨支撑板、4042第一连接板、405第二指骨支撑件、4051第二指骨支撑板、4052第二连接板、406第一传动件、407第二传动件、408第一传动杆、409第二传动杆、410第三传动杆；

501第二电机、502第二摆臂、503第二连杆、504第三电机、505联轴器。

具体实施方式

下面将参考附图来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1至图6。

本发明基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，包括底座10、前臂支撑架20、手掌支撑架30，所述前臂支撑架20铰接在所述底座10上，所述手掌支撑架30铰接在所述前臂支撑架20上，所述手掌支撑架30上设有五个分别一一对应地用于五指训练的手指训练机构40。

使用时，将前臂绑在前臂支撑架上，手部绑在手掌支撑架上，各手指训练机构穿戴在五指上，这样在锻炼时，腕关节和肘关节可得到支撑，舒适性更好，而且，由于前臂支撑架铰接在底座上，手掌支撑架铰接在前臂支撑架上，这样手掌支撑架与前臂支撑架之间的角度，以及前臂支撑架与底座之间的角度可以根据使用者的需求进行调节，实现患者最佳的穿戴位势，实用性更好。

本发明使用的手指训练机构40可以是任何能够训练手指的设备，包括现有手指训练设备，比如，申请号为201720844738.5专利公开的外骨骼式康复机械手指、申请号为201610836257.X专利公开的手指功能康复训练装置等。当然，在一实施例中，为了获得更好的训练效果，本发明自行设计一种手指训练机构40，所述手指训练机构40包括第一电机401、第一摆臂402、第一连杆403、第一指骨支撑件404、第二指骨支撑件405、第一传动件406、第二传动件407、第一传动杆408、第二传动杆409、第三传动杆410；

所述第一电机401固定在所述手掌支撑架30上，所述第一摆臂402的一端与所述第一电机401的输出轴固定连接，所述第一摆臂402的另一端与所述第一连杆403的一端以球绞副相连，所述第一连杆403的另一端与所述第一传动件406的第一端以球绞副相连，所述第一传动件406的第二端与所述手掌支撑架30铰接相连，所述第一传动件406的第三端与所述第一传动杆408的一端铰接相连，所述第一传动杆408的另一端与所述第一指骨支撑件404铰接相连，所述第二传动杆409的一端与所述手掌支撑架30铰接相连，所述第二传动杆409的另一端与所述第二传动件407的第一端铰接相连，所述第二传动件407的第二端与所述第一指骨支撑件404铰接相连，所述第二传动件407的第三端与所述第三传动杆410的一端铰接相连，所述第三传动杆410的另一端与所述第二指骨支撑件405铰接相连，所述第一传动杆408的中部和所述第二传动杆409的中部铰接相连，所述第一传动杆408、所述第二传动杆409、所述第一传动件406和所述手掌支撑架30构成平行四边形连杆结构，所述第一传动杆408、所述第二传动杆409、所述第二传动件407和所述第一指骨支撑件404也构成平行四边形连杆结构。

使用时，将近节指骨绑在第一指骨支撑件上，中节指骨绑在第二指骨支撑件上(当然，这是除拇指以外其它四指的使用方式，对于拇指来说，没有中节指骨，远节指骨绑在第二指骨支撑件上即可)，运动简图见图7，动力由第一电机提供，第一电机带动第一摆臂转动，继而第一摆臂带动第一连杆周期性的伸出和缩回，第一连杆伸出时，两个平行四边形连杆结构向下弯曲并压缩，从而带动手掌和近节指骨之间的关节向下弯曲，同时第二驱动件带动第三传动杆抬起，继而使近节指骨和中节指骨之间的关节向下弯曲，第一连杆缩回时，则各连杆、关节复位，从而可以带动手指进行周期性的弯曲、伸展训练。

具体地：

第一个关节的运动：通过手指训练机构的第一个转动轴线L1投到手掌和近节指骨之间的关节，使得机构的转动轴线L1与手掌和近节指骨之间的关节的运动中心重合。

第二个关节的运动：由第二传动件407和第三传动杆410带动，使得近节指骨与中节指骨之间的关节的运动中心(第一指骨支撑件404、第二指骨支撑件405的两铰接孔连线)与机构的第二个转动轴线L2重合。

且两个关节的运动角度关系可以通过控制第三传动杆调整，这种手指训练机构更加实用。

在一实施例中，所述第一指骨支撑件404和所述第二指骨支撑件405铰接相连。这样设计，在穿戴时更方便，整体性较好，而且不会影响手指关节的活动。

在一实施例中，所述第一指骨支撑件404包括用于覆盖在手指背部的第一指骨支撑板4041以及固定在所述第一指骨支撑板4041的外表面的第一连接板4042，所述第一传动杆408的另一端和所述第二传动件407的第二端均铰接在所述第一连接板4042上；所述第二指骨支撑件405包括用于覆盖在手指背部的第二指骨支撑板4051以及固定在所述第二指骨支撑板4051的外表面的第二连接板4052，所述第三传动杆410的另一端铰接在所述第二连接板4052上。这样设计，通过第一指骨支撑板和第二指骨支撑板便于与手指绑定或采用其它方式结合固定，而通过第一连接板和第一连接板则便于与相应传动杆、传动件铰接相连，结构简单，空间利用合理，具有非常好的实用性。

在一实施例中，所述手掌支撑架30包括用于覆盖在手掌背部上的手掌支撑板301以及固定在所述手掌支撑板301的外表面的五个间隔分布的手部连接座302，各所述手指训练机构40的所述第一传动件406的第二端和所述第二传动杆409的一端分别一一对应地铰接在各所述手部连接座302上。这样设计，结构简单，通过手掌支撑板便于与手掌绑定或采用其它方式结合固定，通过手部连接座则容易与手指训练机构的相应部件实施铰接，结构简单，空间利用合理，具有非常好的实用性。

在一实施例中，所述前臂支撑架20包括用于覆盖在前臂上的前臂支撑板201。同样地，通过前臂支撑板便于与前臂绑定或采用其它方式结合固定，优选地，所述前臂支撑板201的宽度方向两侧边分别开有条形孔2011，条形孔便于穿过绑带，从而方便将前臂支撑架绑在前臂上。

优选地，所述第一指骨支撑板4041和所述第二指骨支撑板4051的宽度方向两侧边也分别开有条形孔，同样是为了便于穿过绑带，将指骨支撑板绑在手指上。

在一实施例中，还包括用于带动所述手掌支撑架30相对所述前臂支撑架20摆动的第一驱动机构和/或用于带动所述前臂支撑架20相对所述底座10摆动的第二驱动机构。这样设计，不仅可以调节手掌支撑架、前臂支撑架的角度，而且在训练时，可通过第一驱动机构实现腕部的背屈和掌屈运动，可通过第二驱动机构实现前臂的翻转运动，这样既能够通过调整角度实现患者最佳的穿戴位势，也可以带动上肢对人体肘部和腕部进行小范围的康复训练。

在一实施例中，所述第一驱动机构包括第二电机501、第二摆臂502以及第二连杆503，所述第二电机501固定在所述前臂支撑架20上，所述第二摆臂502的一端与所述第二电机501的输出轴固定连接，所述第二摆臂502的另一端与所述第二连杆503的一端铰接相连，所述第二连杆503的另一端与所述手掌支撑架30铰接相连。使用时，驱动第二电机501带动第二摆臂502旋转，通过第二连杆503带动手掌支撑板301实现手腕的背屈与掌屈运动，这样设计，结构简单，易于控制；其中手掌支撑板301为外骨骼机构，其运动回转轴线与手腕的背屈与掌屈运动轴线为204的回转轴。

优选地，所述第二连杆503共设置两根，它们的一端分别铰接在所述第二摆臂502的两侧，所述手掌支撑板301上设有两个相互间隔的铰接板303，两根第二连杆503的另一端分别铰接在两个所述铰接板303上，以此实现第二连杆与手掌支撑架的铰接，这样设计，结构简单，容易安装，各机构联动顺畅。

在一实施例中，所述第二驱动机构包括第三电机504和联轴器505，所述前臂支撑架20包括相互间隔分布的第一连接座202和第二连接座203，所述第三电机504固定在所述底座10上，所述第三电机504的输出轴与所述联轴器505的一端固定连接，所述联轴器505的另一端与所述第一连接座202固定连接，所述底座10上固定有101，所述101通过铰轴与第二连接座203铰接相连，所述铰轴、所述联轴器505和所述第三电机504的输出轴同轴布置。使用时，第三电机504带动联轴器505同时带动固接在联轴器505上的202结构带动20的翻转；这样设计，结构简单，易于控制调整手掌的翻转角度；电机有一定的阻力矩，不会出现整个机构由于重力作用出现失控碰撞现象。

在一实施例中，所述底座10上固定有用于限制所述前臂支撑架20的转动范围的限位支撑板102，即前臂支撑架20转动至抵触到限位支撑板102时停止运动。这样设计，可以防止带动前臂翻转过度，避免造成肢体损伤。

优选地，所述前臂支撑板201的靠近所述手掌支撑板301的一端宽度方向两侧分别具有耳板204，所述手掌支撑板301铰接在两所述耳板204上。这样设计，结构简单，容易制作，而且前臂支撑板和手掌支撑板的更加容易进行相对转动，使用更加顺畅。

优选地，手部连接座302、第一连接座202和第二连接座203均由两块相互间隔分布的支撑板构成，与其连接的部件伸入两块支撑板之间并与两块支撑板连接，更优选地，第三电机504为双轴同步电机，联轴器505共设置两个，第三电机的两个输出轴分别通过一个联轴器与两块支撑板固定连接，这样设计，结构更加稳定，使用效果更好。

本发明通过特殊设计采用远程中心投影的平行四边形机构和侧面穿戴结构相结合的方，在使用时患者手部可放在训练机构上；

本发明可以通过控制自动调整肢体的初始位置，根据换阵在不同的康复阶段实现手部不同强度不同规律运动；此外，此康复装置还能实现对人体腕部以及侧旋肘部的动作从而实现对上肢的带动，起到康复训练的效果，经过一段时间内的训练，实现康复目的。

本发明通过特别的设计对五个手指分别进行驱动，这样可通过对手部多种姿态的控制实现多种模式的训练；

本发明根据人体腕部结构特点设计了腕部的背屈和掌屈运动，这样既能够通过调整角度实现患者最佳的穿戴位势也可以对腕部进行康复训练；

本发明根据人体上肢的结构特点设计了上臂的翻转运动，这样既能够通过调整角度实现患者最佳的穿戴位势也可以带动上肢对人体上肢进行小范围的康复训练；

本发明结构性好，外形美观，体积较小，操作方便，具有普适性，适合社区及家庭使用，能够满足了不同使用者的使用需求。

本发明在患者有规律的使用一段时间后，能够充分的避免手部各个关节肌腱的相互粘连，缓解由于长时间手部不运动导致的手部肌肉萎缩；通过依据康复患者在不同阶段指定并实施的康复策略，手部在训练后的运动功能得到一定程度上的恢复，手部运动神经的重塑能够有效的建立，最终能够实现手部正常功能的恢复。

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，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的联通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，相对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

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”等指示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、特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。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。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：包括底座、前臂支撑架、手掌支撑架，所述前臂支撑架铰接在所述底座上，所述手掌支撑架铰接在所述前臂支撑架上，所述手掌支撑架上设有五个分别一一对应地用于五指训练的手指训练机构；

所述手指训练机构包括第一电机、第一摆臂、第一连杆、第一指骨支撑件、第二指骨支撑件、第一传动件、第二传动件、第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆；

所述第一电机固定在所述手掌支撑架上，所述第一摆臂的一端与所述第一电机的输出轴固定连接，所述第一摆臂的另一端与所述第一连杆的一端以球绞副相连，所述第一连杆的另一端与所述第一传动件的第一端以球绞副相连，所述第一传动件的第二端与所述手掌支撑架铰接相连，所述第一传动件的第三端与所述第一传动杆的一端铰接相连，所述第一传动杆的另一端与所述第一指骨支撑件铰接相连，所述第二传动杆的一端与所述手掌支撑架铰接相连，所述第二传动杆的另一端与所述第二传动件的第一端铰接相连，所述第二传动件的第二端与所述第一指骨支撑件铰接相连，所述第二传动件的第三端与所述第三传动杆的一端铰接相连，所述第三传动杆的另一端与所述第二指骨支撑件铰接相连，所述第一传动杆的中部和所述第二传动杆的中部铰接相连，所述第一传动杆、所述第二传动杆、所述第一传动件和所述手掌支撑架构成平行四边形连杆结构，所述第一传动杆、所述第二传动杆、所述第二传动件和所述第一指骨支撑件也构成平行四边形连杆结构；

所述第一指骨支撑件和所述第二指骨支撑件铰接相连；所述前臂支撑架包括用于覆盖在前臂上的前臂支撑板，所述手掌支撑架包括用于覆盖在手掌背部上的手掌支撑板，所述前臂支撑板的靠近所述手掌支撑板的一端宽度方向两侧分别具有耳板，所述手掌支撑板铰接在两所述耳板上。

2.如权利要求1所述的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：所述第一指骨支撑件包括用于覆盖在手指背部的第一指骨支撑板以及固定在所述第一指骨支撑板的外表面的第一连接板，所述第一传动杆的另一端和所述第二传动件的第二端均铰接在所述第一连接板上；所述第二指骨支撑件包括用于覆盖在手指背部的第二指骨支撑板以及固定在所述第二指骨支撑板的外表面的第二连接板，所述第三传动杆的另一端铰接在所述第二连接板上。

3.如权利要求1或2所述的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：所述手掌支撑架包括固定在所述手掌支撑板的外表面的五个间隔分布的手部连接座，各所述手指训练机构的所述第一传动件的第二端和所述第二传动杆的一端分别一一对应地铰接在各所述手部连接座上。

4.如权利要求1或2所述的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：还包括用于带动所述手掌支撑架相对所述前臂支撑架摆动的第一驱动机构和/或用于带动所述前臂支撑架相对所述底座摆动的第二驱动机构。

5.如权利要求4所述的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：所述第一驱动机构包括第二电机、第二摆臂以及第二连杆，所述第二电机固定在所述前臂支撑架上，所述第二摆臂的一端与所述第二电机的输出轴固定连接，所述第二摆臂的另一端与所述第二连杆的一端铰接相连，所述第二连杆的另一端与所述手掌支撑架铰接相连。

6.如权利要求5所述的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：所述第二驱动机构包括第三电机和联轴器，所述前臂支撑架包括相互间隔分布的第一连接座和第二连接座，所述第三电机固定在所述底座上，所述第三电机的输出轴与所述联轴器的一端固定连接，所述联轴器的另一端与所述第一连接座固定连接，所述底座上固定有支架，所述支架通过铰轴与第二连接座铰接相连，所述铰轴、所述联轴器和所述第三电机的输出轴同轴布置。

7.如权利要求1或2所述的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：所述底座上固定有用于限制所述前臂支撑架的转动范围的限位支撑板。

8.如权利要求1或2所述的基于外骨骼的手部运动功能障碍患者康复训练机械手，其特征在于：所述前臂支撑板的宽度方向两侧边分别开有条形孔。