CN110664588A - 一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，包括手背支撑机构、手指弯曲伸展驱动机构、五指并拢张开驱动机构、控制处理器、感知传感器和电源组件；所述的手指弯曲伸展驱动机构包括结构相同的五根手指弯曲伸展驱动机构，每根手指驱动机构由直线电机、滑杆、掌骨节块、驱动弹簧钢片、近节块、中节块、远节块、近节块绑带、中节块绑带、远节块绑带、三根连接弹簧钢片、三根滑动连接弹簧钢片和两个滑块组成。所述五指并拢张开驱动机构由直流电机、拉绳、第一扭力弹簧、第二扭力弹簧、第三扭力弹簧组成；本发明手部功能康复机器人可实现五根手指的独立弯曲和伸展运动训练，也可以实现五指的并拢和张开运动训练。

Description

一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人

技术领域

本发明涉及一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，属于机器人学、康复技术、控制科学、计算机科学、传感技术的交叉领域。

背景技术

随着社会快速发展，人口结构老龄化趋势明显，脑卒中等发病率较高，虽然目前医学已经很发达了，但是脑卒中在世界范围内仍旧是造成残疾的首要原因之一。据统计我国每年新增脑卒中患者约为250万，到2020年脑卒中患者将达到2000万人。因此，脑卒中患者的康复治疗显得尤为重要。手是人与外界环境沟通交流的重要工具，而脑卒中往往造成手部运动功能障碍，严重影响患者的日常生活。对脑卒中偏瘫患者进行手部功能恢复变得日益迫切。

目前手部康复机器人研究的热点是穿戴式康复机器人。穿戴式手部康复机器人的典型结构可以分为刚性外骨骼式和柔性穿戴式。刚性外骨骼式手部康复机器人的优点是可以实现精确的手部运动控制，采用机械限位措施可以防止过载造成手部二次损伤；其缺点是结构仿生性能不好，自由度和柔性有限，并且系统笨重、穿戴和调整繁琐、刚性转动轴在运动过程中不能与手指的关节轴自动对齐，人机功效学不佳，生理和心理接受度不高，临床实用性和患者接受度有待提高。柔性穿戴式手部康复机器人优点是具有更好的仿生性能，减少了刚性部件，去除了未驱动自由度的限制，减少了关节的不对齐问题，系统轻质、对关节不对齐具有更好容忍性、通过柔顺性提高安全性、患者易于接受；其缺点是往往采用气动驱动，需要较多的外围设备，气动驱动器往往比较笨重，不便于穿戴和移动，另外一个缺点是缺少机械限位装置，手指运动轨迹不准确，要实现精确的运动角度和力控制较难，甚至由于采用绳索腱驱动手指实现欠驱动运动，指头和关节会受到一个不需要的轴向力作用，可能造成关节损伤，特别是对于手部痉挛严重的中风初期患者比较危险。

为了解决刚性外骨骼式手部康复机器人和柔性穿戴式手部康复机器人存在的缺陷，本发明提出一种刚柔结构耦合的脑卒中患者手部功能康复机器人设计方案，满足精确运动控制和舒适安全的设计和使用要求，为脑卒中患者提供一种新型的手部康复运动训练机器人设备。

发明内容

技术问题：

本发明所要解决的技术问题在于，解决刚性外骨骼式手部康复机器人的人机功效学不佳，患者的生理和心理接受度不高，临床实用性和患者接受度有待提高的问题，以及柔性穿戴式手部康复机器人实现精确的运动角度和力控制困难等问题，设计一种刚柔结构耦合的脑卒中患者手部功能康复机器人，兼具刚性结构精确运动控制的优点和柔性结构安全舒适的优点。

技术方案：

一种刚柔结构耦合的脑卒中患者手部功能康复机器人，包括手背支撑机构、手指弯曲伸展驱动机构、五指并拢张开驱动机构、控制处理器、感知传感器和电源组件组成。

所述手背支撑机构上设有手指弯曲伸展驱动机构，所述手指弯曲伸展驱动机构与五指并拢张开驱动机构相连；所述手背支撑机构、手指弯曲伸展驱动机构、五指并拢张开驱动机构均与控制处理器相连；所述感知传感器与控制处理器相连；所述包括手背支撑机构、手指弯曲伸展驱动机构、五指并拢张开驱动机构、控制处理器、感知传感器均与电源组件相连。

所述的手背支撑机构由符合手背弧面形状的大拇指片、食指片、中指片、无名指片与小指片共5片弧面薄板组成，分别对应于5根手指，大拇指片与食指片之间、食指片与中指片之间、中指片与无名指片之间、无名指片与小指片之间均采用转动副连接。

所述的手指弯曲伸展驱动机构包括大拇指弯曲伸展机构、食指弯曲伸展机构、中指弯曲伸展机构、无名指弯曲伸展机构、小指弯曲伸展机构，分别用于5根手指的弯曲和伸展驱动，用于大拇指弯曲驱动机构由2根指关节组成，用于其它4根手指弯曲驱动的机构由3根指关节组成。5根手指的弯曲伸展驱动机构原理相同，这里对中指弯曲伸展机构介绍。

大拇指片上设有大拇指弯曲伸展机构，食指片上设有食指弯曲伸展机构，中指片上设有中指弯曲伸展机构，无名指片上设有无名指弯曲伸展机构，小指片上设有小指弯曲伸展机构。

所述的大拇指弯曲驱动机构由大拇指直线电机、大拇指滑杆、大拇指掌骨节块、大拇指近节块、大拇指远节块、大拇指近节块绑带、大拇指远节块绑带、；所述大拇指直线电机通过大拇指滑杆依次与大拇指掌骨节块、大拇指近节块、大拇指远节块相连；所述大拇指近节块绑带设置在大拇指近节块下端；所述大拇指远节块绑带设置在大拇指远节块下端。

还包括大拇指驱动弹簧钢片、大拇指第一连接弹簧钢片、大拇指第二连接弹簧钢片、大拇指第一滑动连接弹簧钢片、大拇指第二滑动连接弹簧钢片以及大拇指第一滑块；所述的大拇指第一滑动连接弹簧钢片的前端与大拇指近节块相连，后端与大拇指掌骨节块相连；所述大拇指第二滑动连接弹簧钢片的前端与大拇指远节块相连，后端与大拇指近节块相连；所述的大拇指第一连接弹簧钢片的前端与大拇指近节块相连，后端与大拇指掌骨节块相连；所述大拇指第二连接弹簧钢片的前端与大拇指远节块相连，后端与大拇指近节块相连；所述大拇指驱动弹簧钢片贯穿设置在大拇指掌骨节块、大拇指近节块、大拇指远节块之间；大拇指驱动弹簧钢片与大拇指滑杆前端相连，所述大拇指驱动弹簧钢片设置在大拇指第一连接弹簧钢片、大拇指第一滑动连接弹簧钢片之间，所述大拇指近节块内部设有大拇指第一滑块，所述大拇指第一滑块设置在大拇指驱动弹簧钢片下方。

所述的中指弯曲伸展机构组成由中指直线电机、中指滑杆、中指掌骨节块、中指驱动弹簧钢片、中指近节块、中指中节块、中指远节块、中指近节块绑带、中指中节块绑带、中指远节块绑带、中指第一连接弹簧钢片、中指第二连接弹簧钢片、中指第三连接弹簧钢片、中指第一滑动连接弹簧钢片、中指第二滑动连接弹簧钢片、中指第三滑动连接弹簧钢片、中指第一滑块、中指第二滑块组成。

所述的中指直线电机固定在中指片上；所述的中指掌骨节块位于中指片的上方；所述的中指滑杆的后端固定在中指直线电机的出轴前端，中指滑杆可以在中指掌骨节块里面滑动，中指滑杆的前端与所述的中指驱动弹簧钢片后端采用转动副连接；所述的中指驱动弹簧钢片可以在水平面内左右摆动，跟随手指的并拢和张开运动；所述的中指近节块位于手指近节上部，中指中节块位于手指中节上部，中指远节块位于手指远节上部，中指近节块、中指中节块和中指远节块分别由所述的中指近节块绑带、中指中节块绑带和中指远节块绑带绕手指一周固定在手指的近节、中节和远节上；所述的中指第一连接弹簧钢片的后端与中指掌骨节块以转动副连接，其前端与中指近节块固定连接，中指第二连接弹簧钢片的后端和前端分别与中指近节块和中指中节块固定连接，中指第三连接弹簧钢片的后端和前端分别与中指中节块和中指远节块连接；所述的中指第一滑动连接弹簧钢片的前端固定在中指近节块上部，后端与中指掌骨节块以转动和滑动副连接，可以相对于中指掌骨节块转动和滑动；所述的中指第二滑动连接弹簧钢片的前端固定在中指中节块上部，后端与中指近节块连接，并且可以相对于中指近节块滑动；所述的中指第三滑动连接弹簧钢片的前端固定在中指远节块上部，后端与中指中节块连接，并且可以相对于中指中节块滑动；所述的中指驱动弹簧钢片后端与中指滑杆的前端以转动副连接，所述的中指驱动弹簧钢片为长条形，穿过所述的中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块，并伸进中指远节块中；

所述的中指掌骨节块由掌骨主体和掌骨上盖组成，掌骨主体的下表面靠近中指近节块一端有梯形凹槽，用于连接所述的中指第一连接弹簧钢片的后端，形成转动副，掌骨主体的上部靠近中指近节块一端有梯形凹槽，用于连接所述的中指第一滑动连接弹簧钢片的后端，所述的掌骨上盖通过螺丝固定在掌骨主体的上表面，用于限制中指第一滑动连接弹簧钢片滑出掌骨主体；

所述的中指近节块由中指近节块下盖、中指近节块主体和中指近节块上盖组成，中指近节块主体的下表面靠近中指掌骨节块一端设置有第一T形凹槽，用于连接中指第一连接弹簧钢片的前端形成滑动副，第一T形凹槽防止其滑出中指近节块，中指近节块主体的上表面靠近中指中节块一端也设置有第二T形凹槽，用于连接中指第二滑动连接弹簧钢片的前端形成滑动副，第二T形凹槽防止其滑出中指近节块，所述的中指近节块下盖和中指近节块上盖分别位于中指近节块主体的下表面和上表面，并且由螺丝连接固定，所述的中指近节块上还设置有紧定螺丝，当中指掌骨节块和中指近节块的距离调节好后，采用紧定螺丝固定中指第一连接弹簧钢片的前端，保证手指弯曲和伸展时中指掌骨节块和中指近节块之间的距离保持不变。

所述的中指中节块由中指中节块下盖、中指中节块主体和中指中节块上盖组成，中指中节块主体的下表面靠近中指近节块一端设置有第三T形凹槽，用于连接中指第二连接弹簧钢片的前端形成滑动副，第三T形凹槽防止其滑出中指近节块，中指中节块主体的上表面靠近中指远节块一端也设置有第四T形凹槽，用于连接中指第三滑动连接弹簧钢片的前端形成滑动副，第四T形凹槽防止其滑出中指近节块，所述的中指中节块下盖和中指中节块上盖分别位于中指中节块主体的下表面和上表面，并且由螺丝连接固定，所述的中指中节块上也设置有紧定螺丝，当中指近节块和中指中节块的距离调节好后，采用紧定螺丝固定中指第二连接弹簧钢片的前端，保证手指弯曲和伸展时中指近节块和中指中节块之间的距离保持不变。

所述的中指远节块为一长方块，其后端面上设置有上槽孔、中槽孔和下槽孔，上槽孔用于固定所述的第三滑动弹簧钢片，下槽孔用于固定所述的中指第三连接弹簧钢片，所述的中指驱动弹簧钢片的前端伸进中槽孔中，所述的中指远节块的中槽孔的前部设置有一个平行于槽孔的压力传感器安装孔和一个垂直于槽孔的压力传感器安装孔。

所述的中指第一连接弹簧钢片、中指第二连接弹簧钢片、中指第三连接弹簧钢片分别与中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块、中指远节块的下部连接；所述的中指第一滑动连接弹簧钢片、中指第二滑动连接弹簧钢片、中指第三滑动连接弹簧钢片与中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块、中指远节块的上部连接；所述的中指驱动弹簧钢片位于所述的连接弹簧钢片和滑动连接弹簧钢片之间；所述的中指第一滑块、中指第二滑块分别位于所述的中指近节块、中指中节块内部，并且固定在所述的中指驱动弹簧钢片下表面，与中指近节块、中指中节块分别构成滑动副。

所述的中指直线电机伸展时，驱动所述的中指驱动弹簧钢片向前伸展，中指第一滑块和中指第二滑块跟随中指驱动弹簧钢片分别在中指近节块和中指中节块中滑动，所述的中指第一连接弹簧钢片、中指第二连接弹簧钢片和中指第三连接弹簧钢片弯曲运动，所述的中指第一滑动连接弹簧钢片、中指第二滑动连接弹簧钢片、中指第三滑动连接弹簧钢片产生弯曲运动和水平滑动，所述的中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块、中指远节块之间产生一定的相对角度，从而驱动手指的弯曲；当手指弯曲后，所述的中指直线电机收缩时，所述的中指第一连接弹簧钢片、中指第二连接弹簧钢片、中指第三连接弹簧钢片、中指第一滑动连接弹簧钢片、中指第二滑动连接弹簧钢片、第三滑动连接弹簧钢、中指第一滑块、中指第二滑块、中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块、中指远节块发生相反的运动，从而驱动手指的伸展。

所述的五指并拢张开驱动机构由直流电机、拉绳、第一扭力弹簧、第二扭力弹簧、第三扭力弹簧组成。所述的直流电机固定在所述的小指的近节块上，电机轴与小指伸展方向平行，拉绳的后端固定在直流电机的输出轴上，拉绳的前端穿过小指的近节块、无名指的近节块、中指的近节块、固定在中指的近节块上；所述的第一扭力弹簧、第二扭力弹簧和第三扭力弹簧的两根力臂初始夹角都为30度；所述的第一扭力弹簧的两根力臂分别固定在所述的小指的近节块和无名指的近节块上；所述的第二扭力弹簧的两根力臂分别固定在所述的无名指的近节块和中指的近节块上；所述的第三扭力弹簧的两根力臂分别固定在所述的中指的近节块和中指的近节块上。在初始状态下，所述的五根手指被三根扭力弹簧支撑，呈五指张开状态；所述的直流电机转动时，拉绳缠绕在直流电机输出轴上，所述的扭力弹簧被压缩至力臂夹角到0度，此时五指被处于并拢状态；当直流电机反转时，五根手指在扭力弹簧的驱动下再次张开，通过控制直流电机的正反转运动，即可实现五指的张开和并拢运动。

所述的感知传感器由手指关节弯曲传感器、手掌加速度陀螺仪传感器、手指加速度陀螺仪传感器和手指压力传感器组成；手指关节弯曲传感器由第一柔性弯曲传感器、第二柔性弯曲传感器和第三柔性弯曲传感器组成，第一柔性弯曲传感器的两端分别固定在中指掌骨节块和中指近节块底部，第二柔性弯曲传感器的两端分别固定在中指近节块和中指中节块底部，第三柔性弯曲传感器的两端分别固定在中指中节块和中指远节块底部；所述的手掌加速度陀螺仪传感器安装在所述的中指的掌骨节块上表面；手指加速度陀螺仪传感器安装在中指近节块、中指中节块、中指远节块的上表面，所述的手指加速度陀螺仪传感器由近节加速度陀螺仪传感器、中节加速度陀螺仪传感器构成；所述的手指压力传感器由第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器构成，第一压力传感器安装在所述的中指远节块上平行于槽孔的安装孔内，用来检测中指驱动弹簧钢片前端在垂直与中指远节块上表面方向的压力，第二压力传感器安装在所述的中指远节块上垂直于槽孔的安装孔内，用来检测中指驱动弹簧钢片前端在平行于中指远节块上表面方向的压力，第三压力传感器安装在所述的中指远节块绑带的下表面，用来检测手指弯曲时远节与外界环境接触的压力。

所述的控制处理器由数据采集存储单元和处理与控制处理器组成，数据处理单元完成传感器单元的弯曲角度、倾角、运动速度、运动角速度和力信息的采集；处理与控制处理器完成传感器单元采集数据的处理，5个中指直线电机和1个直流电机的驱动控制功能。

所述的电源组件为电机、传感器单元和控制处理器提供能源。

所述的手部功能康复机器人的训练模式分为被动手指弯曲训练、主动手指弯曲训练、被动手指张开训练和主动手指张开训练。所述的手部功能康复机器人的康复训练步骤如下：

步骤1：将手部功能康复机器人穿戴于患者手部；

步骤2：五指收拢张开机构工作，将食指、中指、无名指和小指之间的张开角度调整为接近0度；

步骤3：调节手指的第一连接弹簧钢片伸进近节块的深度，中指第二连接弹簧钢片伸进中节块的深度，从而调整机器人手指的长度，以适应患者特定的手指长度；

步骤4：选择工作模式；

步骤5：进入被动手指弯曲训练模式；

步骤6：控制手指以很小的弯曲运动幅度和速度，实现手指被动驱动的弯曲和伸展运动康复训练；

步骤7：采集手指压力传感器子单元的力数据，如果力数据不超过一个设定的阈值，则调节手指弯曲角度和幅度增大一个量级；

步骤8：进入主动手指弯曲训练模式；

步骤9：患者手指主动弯曲伸展，机器人通过力控制算法，控制手指跟随患者手指弯曲运动；

步骤10：机器人跟随手指并施加一定的阻力，进行手指运动的力量训练；

步骤11：进入被动手指张开训练模式；

步骤12：控制手指以很小的幅度张开，实现手指被动驱动的张开和并拢运动康复训练；

步骤13：采集手指张开运动的角度信息，如果角度不超过一个设定的阈值，调节手指张开的速度和幅度增大一个量级；

步骤14：进入主动手指张开训练模式；

步骤15：患者手指主动张开并拢，机器人通过力控制算法，控制机器手指跟随患者手指运动；

步骤16：机器人跟随手指并施加一定的阻力，进行手指运动的力量训练；

步骤17：手指关节弯曲传感器子单元、手掌加速度陀螺仪传感器、手指加速度陀螺仪传感器子单元和手指压力传感器子单元采集患者手指关节运动角度、速度和力数据，与健康人的运动数据进行比较，对患者的状态和康复效果进行评估；

步骤18：判断是否调整康复模式，如果是则进入步骤4，调整康复模式后继续训练；如果否则康复训练结束。

有益效果：

本发明的一种刚柔结构耦合的脑卒中患者手部功能康复机器人，采用刚性支撑节块和柔性弹簧钢片几何的设计方法，结构紧凑，兼具刚性外骨骼机构和软体外骨骼机构手部康复机器人的优点；具有根据患者手部尺寸差异的指节间距调节机构，满足不同患者的需要；具有手指弯曲伸展和五指并拢张开两种运动驱动的训练模式；五指的弯曲伸展独立驱动，可以完成五指协调驱动运动康复训练。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为本发明的机器人整体机构立体视图；

图3为本发明的机器人整体俯视图；

图4为本发明的机器人整体侧视图；

图5为本发明的手背支撑机构示意图；

图6为本发明的手指弯曲伸展驱动机构立体视图；

图7为本发明的手指弯曲伸展驱动机构侧视图；

图8为本发明的手指弯曲伸展驱动机构爆炸视图1；

图9为本发明的手指弯曲伸展驱动机构爆炸视图2；

图10为本发明的手指弯曲伸展驱动机构弯曲状态示意图；

图11为本发明的五指开合驱动机构立体视图；

图12为本发明的五指开合驱动机构俯视图；

图13为本发明的五指开合驱动机构张开示意图；

图14为本发明的机器人压力传感器安装位置示意图；

图15为本发明的手指弯曲伸展和五指开合训练工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的工作原理和工作过程作进一步详细说明。

参照附图1、附图2、附图3、附图4，本发明刚柔结构耦合的脑卒中患者手部功能康复机器人，包括手背支撑机构1、手指弯曲伸展驱动机构2、五指并拢张开驱动机构3、控制处理器4、感知传感器5和电源组件6组成。

所述手背支撑机构1上设有手指弯曲伸展驱动机构2，所述手指弯曲伸展驱动机构2与五指并拢张开驱动机构3相连；所述手背支撑机构1、手指弯曲伸展驱动机构2、五指并拢张开驱动机构3均与控制处理器4相连；所述感知传感器5与控制处理器4相连；所述包括手背支撑机构1、手指弯曲伸展驱动机构2、五指并拢张开驱动机构3、控制处理器4、感知传感器5均与电源组件6相连。

参照附图2、附图3、附图4，附图5，所述的手背支撑机构1由大拇指片1-1、食指片1-2、中指片1-3、无名指片1-4与小指片1-5组成，大拇指片1-1与食指片1-2之间、食指片1-2与中指片1-3之间、中指片1-3与无名指片1-4之间、无名指片1-4与小指片1-5之间均采用转动副连接，可以使得大拇指片1-1、食指片1-2、中指片1-3、无名指片1-4与小指片1-5被动跟随手掌的变形。

参照附图2、附图3、附图4，所述的手指弯曲伸展驱动机构2包括大拇指弯曲伸展机构2-1、食指弯曲伸展机构2-2、中指弯曲伸展机构2-3、无名指弯曲伸展机构2-4、小指弯曲伸展机构2-5；

大拇指片1-1上设有大拇指弯曲伸展机构2-1，食指片1-2上设有食指弯曲伸展机构2-2，中指片1-3上设有中指弯曲伸展机构2-3，无名指片1-4上设有无名指弯曲伸展机构2-4，小指片1-5上设有小指弯曲伸展机构2-5。

参照附图2、附图3、附图4，所述的大拇指弯曲驱动机构2-1由大拇指直线电机2-1-1、大拇指滑杆2-1-2、大拇指掌骨节块2-1-3、大拇指驱动弹簧钢片2-1-4、大拇指近节块2-1-5、大拇指远节块2-1-6、大拇指近节块绑带2-1-7、大拇指远节块绑带2-1-8、大拇指第一连接弹簧钢片2-1-9、大拇指第二连接弹簧钢片2-1-10、大拇指第一滑动连接弹簧钢片2-1-11、大拇指第二滑动连接弹簧钢片2-1-12、大拇指第一滑块2-1-13组成。

所述大拇指直线电机2-1-1通过大拇指滑杆2-1-2依次与大拇指掌骨节块2-1-3、大拇指近节块2-1-5、大拇指远节块2-1-6相连；所述大拇指近节块绑带2-1-7设置在大拇指近节块2-1-5下端；所述大拇指远节块绑带2-1-8设置在大拇指远节块2-1-6下端；所述的大拇指第一滑动连接弹簧钢片2-1-11的前端固定在大拇指近节块2-1-5上部，后端与大拇指掌骨节块2-1-3相连；所述大拇指第二滑动连接弹簧钢片2-1-12的前端固定在大拇指远节块2-1-6上部，后端与大拇指近节块2-1-5相连；所述的大拇指第一连接弹簧钢片2-1-9的前端与大拇指近节块2-1-5相连，后端与大拇指掌骨节块2-1-3相连；所述大拇指第二连接弹簧钢片2-1-10的前端与大拇指远节块2-1-6相连，后端与大拇指近节块2-1-5相连；所述大拇指驱动弹簧钢片2-1-4贯穿设置在大拇指掌骨节块2-1-3、大拇指近节块2-1-5、大拇指远节块2-1-6之间；大拇指驱动弹簧钢片2-1-4与大拇指滑杆2-1-2前端相连，所述大拇指驱动弹簧钢片2-1-4设置在大拇指第一连接弹簧钢片2-1-9、大拇指第一滑动连接弹簧钢片2-1-11之间，所述大拇指驱动弹簧钢片2-1-4设置在大拇指第二连接弹簧钢片2-1-10、大拇指第二滑动连接弹簧钢片2-1-12之间，所述大拇指近节块2-1-5内部设有大拇指第一滑块2-1-13，所述大拇指第一滑块2-1-13设置在大拇指驱动弹簧钢片2-1-4下方。

参照附图2、附图3、附图4，附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指弯曲伸展机构2-3由中指直线电机2-3-1、中指滑杆2-3-2、中指掌骨节块2-3-3、中指驱动弹簧钢片2-3-4、中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6、中指远节块2-3-7、中指近节块绑带2-3-8、中指中节块绑带2-3-9、远节块绑带2-3-10、中指第一连接弹簧钢片2-3-11、中指第二连接弹簧钢片2-3-12、中指第三连接弹簧钢片2-3-13、中指第一滑动连接弹簧钢片2-3-14、中指第二滑动连接弹簧钢片2-3-15、中指第三滑动连接弹簧钢片2-3-16、中指第一滑块2-3-17、中指第二滑块2-3-18组成。

参照附图2、附图3、附图4，附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指直线电机2-3-1固定在中指片1-3上；所述的中指掌骨节块2-3-3位于中指片1-3的上方；所述的中指滑杆2-3-2的后端固定在中指直线电机2-3-1的出轴前端，中指滑杆2-3-2可以在中指掌骨节块2-3-3里面滑动，中指滑杆2-3-2的前端与所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4后端采用转动副连接；所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4可以在水平面内左右摆动，跟随手指的并拢和张开运动；所述的中指近节块2-3-5位于手指近节上部，中指中节块2-3-6位于手指中节上部，中指远节块2-3-7位于手指远节上部，中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6和中指远节块2-3-7分别由所述的中指近节块绑带2-3-8、中指中节块绑带2-3-9和远节块绑带2-3-10绕手指一周固定在手指的近节、中节和远节上；所述的中指第一连接弹簧钢片2-3-11的后端与中指掌骨节块2-3-3以转动副连接，其前端与中指近节块2-3-5固定连接，中指第二连接弹簧钢片2-3-12的后端和前端分别与中指近节块2-3-5和中指中节块2-3-6固定连接，中指第三连接弹簧钢片2-3-13的后端和前端分别与中指中节块2-3-6和中指远节块2-3-7连接；所述的中指第一滑动连接弹簧钢片2-3-14的前端固定在中指近节块2-3-5上部，后端与中指掌骨节块2-3-3以转动和滑动副连接，可以相对于中指掌骨节块2-3-3转动和滑动；所述的中指第二滑动连接弹簧钢片2-3-15的前端固定在中指中节块2-3-6上部，后端与中指近节块2-3-5连接，并且可以相对于中指近节块2-3-5滑动；所述的中指第三滑动连接弹簧钢片2-3-16的前端固定在中指远节块2-3-7上部，后端与中指中节块2-3-6连接，并且可以相对于中指中节块2-3-6滑动；所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4后端与中指滑杆2-3-2的前端以转动副连接，所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4穿过所述的中指掌骨节块2-3-3、中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6，并伸进中指远节块2-3-7上的槽中；

参照附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指掌骨节块2-3-3由掌骨主体2-3-3-1和掌骨上盖2-3-3-2组成，掌骨主体2-3-3-1的下表面靠近中指近节块一端有梯形凹槽，用于连接所述的中指第一连接弹簧钢片2-3-11的后端，形成转动副，掌骨主体2-3-3-1的上部靠近中指近节块一端有梯形凹槽，用于连接所述的中指第一滑动连接弹簧钢片2-3-14的后端，所述的掌骨上盖2-3-3-2通过螺丝固定在掌骨主体2-3-3-1的上表面，用于限制中指第一滑动连接弹簧钢片2-3-14滑出掌骨主体2-3-3-1；

参照附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指近节块2-3-5由中指近节块下盖2-3-5-3、中指近节块主体2-3-5-1和中指近节块上盖2-3-5-2组成，中指近节块主体2-3-5-1的下表面靠近中指掌骨节块2-3-3的一端设置有第一T形凹槽，用于连接中指第一连接弹簧钢片2-3-11的前端形成滑动副，第一T形凹槽防止其滑出中指近节块2-3-5，中指近节块主体2-3-5-1的上表面靠近中指中节块2-3-6一端也设置有第二T形凹槽，用于连接中指第二滑动连接弹簧钢片2-3-15的前端形成滑动副，第二T形凹槽防止其滑出中指近节块2-3-5，所述的中指近节块下盖2-3-5-3和中指近节块上盖2-3-5-2分别位于中指近节块主体2-3-5-1的下表面和上表面，并且由螺丝连接固定，所述的中指近节块2-3-5上还设置有紧定螺丝，当中指掌骨节块2-3-3和中指近节块2-3-5的距离调节好后，采用紧定螺丝固定中指第一连接弹簧钢片2-3-11的前端，保证手指弯曲和伸展时中指掌骨节块2-3-3和中指近节块2-3-5之间的距离保持不变。

参照附图2，附图4，附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指中节块2-3-6由中指中节块下盖2-3-6-3、中指中节块主体2-3-6-1和中指中节块上盖2-3-6-2组成，中指中节块主体2-3-6-1的下表面靠近中指近节块2-3-5一端设置有第三T形凹槽，用于连接中指第二连接弹簧钢片2-3-12的前端形成滑动副，第三T形凹槽防止其滑出中指近节块2-3-5，中指中节块主体2-3-6-1的上表面靠近中指远节块2-3-7一端也设置有第四T形凹槽，用于连接中指第三滑动连接弹簧钢片2-3-16的前端形成滑动副，第四T形凹槽防止其滑出中指远节块2-3-7，所述的中指中节块下盖2-3-6-3和中指中节块上盖2-3-6-2分别位于中指中节块主体2-3-6-1的下表面和上表面，并且由螺丝连接固定，所述的中指中节块2-3-6上也设置有紧定螺丝，当中指近节块2-3-5和中指中节块2-3-6的距离调节好后，采用紧定螺丝固定中指第二连接弹簧钢片2-3-12的前端，保证手指弯曲和伸展时中指近节块2-3-5和中指中节块2-3-6之间的距离保持不变。

参照附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指远节块2-3-7为一长方块，其后端面上设置有上槽孔、中槽孔和下槽孔，上槽孔用于固定所述的中指第三滑动连接弹簧钢片2-3-16，下槽孔用于固定所述的第三连接弹簧钢片2-3-16，所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4的前端伸进中槽孔中，所述的中指远节块2-3-7的中槽孔的前部设置有一个平行于槽孔的压力传感器安装孔和一个垂直于槽孔的压力传感器安装孔。

参照附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指第一连接弹簧钢片2-3-11、中指第二连接弹簧钢片2-3-12、第三连接弹簧钢2-3-13片分别与中指掌骨节块2-3-3、中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6、中指远节块2-3-7的下部连接；所述的中指第一滑动连接弹簧钢片2-3-14、中指第二滑动连接弹簧钢片2-3-15、中指第三滑动连接弹簧钢片2-3-16与中指掌骨节块2-3-3、中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6、中指远节块2-3-7的上部连接；所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4位于所述的连接弹簧钢片和滑动连接弹簧钢片之间；所述的中指第一滑块2-3-17、中指第二滑块2-3-18分别位于所述的中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6内部，并且固定在所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4下表面，与中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6分别构成滑动副。

参照附图6，附图7，附图8，附图9，附图10，所述的中指直线电机2-3-1伸展时，驱动所述的中指驱动弹簧钢片2-3-4向前伸展，中指第一滑块2-3-17和中指第二滑块2-3-18跟随中指驱动弹簧钢片2-3-4分别在中指近节块2-3-5和中指中节块2-3-6中滑动，所述的中指第一连接弹簧钢片2-3-11、中指第二连接弹簧钢片2-3-12和中指第三连接弹簧钢片2-3-13弯曲运动，所述的中指第一滑动连接弹簧钢片2-3-14、中指第二滑动连接弹簧钢片2-3-15、中指第三滑动连接弹簧钢片2-3-16产生弯曲运动和水平滑动，所述的中指掌骨节块2-3-3、中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6、中指远节块2-3-7之间产生一定的相对角度，从而驱动手指的弯曲；当手指弯曲后，所述的中指直线电机2-3-1收缩时，所述的中指第一连接弹簧钢片2-3-11、中指第二连接弹簧钢片2-3-12和中指第三连接弹簧钢片2-3-13、中指第一滑动连接弹簧钢片2-3-14、中指第二滑动连接弹簧钢片2-3-15、中指第三滑动连接弹簧钢片2-3-16、中指第一滑块2-3-17、中指第二滑块2-3-18、中指掌骨节块2-3-3、中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6、中指远节块2-3-7发生相反的运动，从而驱动手指的伸展。

参照附图2，附图3，附图4，所述的食指弯曲伸展机构2-2、无名指弯曲伸展机构2-4和小指弯曲伸展机构2-5与中指弯曲伸展机构2-3的结构组成相同，结构尺寸根据手指尺寸稍有不同。

参照附图2，附图3，附图11，附图12，附图13，所述的五指并拢张开驱动机构3由直流电机3-1、拉绳3-2、第一扭力弹簧3-3、第二扭力弹簧3-4、第三扭力弹簧3-5组成。所述的直流电机3-1固定在所述的小指近节块2-5-5上，拉绳3-2的后端固定在直流电机3-1的输出轴上，拉绳3-2的前端穿过小指近节块2-5-5、无名指近节块2-4-5、中指近节块2-3-5、固定在食指近节块2-2-5上；所述的第一扭力弹簧3-3、第二扭力弹簧3-4和第三扭力弹簧3-5的两根力臂初始夹角都为30度；所述的第一扭力弹簧3-3的两根力臂分别固定在所述的小指近节块2-5-5和无名指近节块2-4-5上；所述的第二扭力弹簧3-4的两根力臂分别固定在所述的无名指近节块2-4-5和中指近节块2-3-5上；所述的第三扭力弹簧3-5的两根力臂分别固定在所述的中指近节块2-3-5和食指近节块2-2-5上。在初始状态下，所述的五根手指被三根扭力弹簧支撑，呈五指张开状态；所述的直流电机3-1转动时，拉绳缠绕在直流电机3-1输出轴上，所述的扭力弹簧被压缩至力臂夹角到0度，此时五指被处于并拢状态；当直流电机3-1反转时，五根手指在扭力弹簧的驱动下再次张开，通过控制直流电机3-1的正反转运动，即可实现五指的张开和并拢运动。

参照附图1，所述的控制处理器4由数据采集存储单元和处理与控制处理器组成，数据处理单元完成传感器单元的弯曲角度、倾角、运动速度、运动角速度和力信息的采集；处理与控制处理器完成传感器单元采集数据的处理，5个直线电机和1个直流电机的驱动控制功能。

参照附图1，图6，附图7，附图8，附图9，附图14，

所述的感知传感器5由手指关节弯曲传感器5-1、手掌加速度陀螺仪传感器5-2、手指加速度陀螺仪传感器5-3和手指压力传感器5-4组成；手指关节弯曲传感器5-1由5根手指的关节弯曲传感器组成，对于中指，由第一柔性弯曲传感器5-1-3-1、第二柔性弯曲传感器5-1-3-2和第三柔性弯曲传感器5-1-3-3组成，第一柔性弯曲传感器5-1-3-1的两端分别固定在中指掌骨节块2-3-3和中指近节块2-3-5底部，第二柔性弯曲传感器5-1-3-2的两端分别固定在中指近节块2-3-5和中指中节块2-3-6底部，第三柔性弯曲传感器5-1-3-3的两端分别固定在中指中节块2-3-6和中指远节块2-3-7底部；所述的手掌加速度陀螺仪传感器5-2安装在所述的中指掌骨节块2-3-3上表面；所述的手指加速度陀螺仪传感器5-3由5根手指的指节加速度陀螺仪传感器组成，对于中指，由近节加速度陀螺仪传感器5-3-3-1、中节加速度陀螺仪传感器5-3-3-2构成，手掌加速度陀螺仪传感器5-2安装在所述的中指近节块2-3-5、中指中节块2-3-6、中指远节块2-3-7的上表面；所述的手指压力传感器5-4安装在5根手指的远节块及远节块绑带上，对于中指，由第一压力传感器5-4-3-1、第二压力传感器5-4-3-2、第三压力传感器5-4-3-3构成，第一压力传感器5-4-3-1安装在所述的中指远节块2-3-7上平行于槽孔的安装孔内，用来检测中指驱动弹簧钢片2-3-4前端在垂直与中指远节块2-3-7上表面方向的压力，第二压力传感器5-4-3-2安装在所述的中指远节块2-3-7上垂直于槽孔的安装孔内，用来检测中指驱动弹簧钢片2-3-4前端在平行于中指远节块2-3-7上表面方向的压力，第三压力传感器5-4-3-3安装在所述的远节块绑带2-3-10的下表面，用来检测手指弯曲时远节与外界环境接触的压力。

参照附图1，所述的电源组件6为电机、传感器单元和控制处理器提供能源。

参照附图15，所述的手部功能康复机器人的康复训练步骤如下：

S1：将手部功能康复机器人穿戴于患者手部；

S2：五指收拢张开机构工作，将食指、中指、无名指和小指之间的张开角度调整为接近0度；

S3：调节手指的第一连接弹簧钢片伸进近节块的深度，第二连接弹簧钢片伸进中节块的深度，从而调整机器人手指的长度，以适应患者特定的手指长度；

S4：选择工作模式；

S5：进入被动手指弯曲训练模式；

S6：控制手指以很小的弯曲运动幅度和速度，实现手指被动驱动的弯曲和伸展运动康复训练；

S7：采集手指压力传感器子单元的力数据，如果力数据不超过一个设定的阈值，则调节手指弯曲角度和幅度增大一个量级；

S8：进入主动手指弯曲训练模式；

S9：患者手指主动弯曲伸展，机器人通过力控制算法，控制手指跟随患者手指弯曲运动；

S10：机器人跟随手指并施加一定的阻力，进行手指运动的力量训练；

S11：进入被动手指张开训练模式；

S12：控制手指以很小的幅度张开，实现手指被动驱动的张开和并拢运动康复训练；

S13：采集手指张开运动的角度信息，如果角度不超过一个设定的阈值，调节手指张开的速度和幅度增大一个量级；

S14：进入主动手指张开训练模式；

S15：患者手指主动张开并拢，机器人通过力控制算法，控制机器手指跟随患者手指运动；

S16：机器人跟随手指并施加一定的阻力，进行手指运动的力量训练；

S17：手指关节弯曲传感器子单元、手掌加速度陀螺仪传感器、手指加速度陀螺仪传感器子单元和手指压力传感器子单元采集患者手指关节运动角度、速度和力数据，与健康人的运动数据进行比较，对患者的状态和康复效果进行评估；

S18：判断是否调整康复模式，如果是则进入步骤4，调整康复模式后继续训练；如果否则康复训练结束。

上述实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围，即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：包括手背支撑机构、手指弯曲伸展驱动机构、五指并拢张开驱动机构、控制处理器、感知传感器以及电源组件；所述手背支撑机构上设有手指弯曲伸展驱动机构，所述手指弯曲伸展驱动机构与五指并拢张开驱动机构相连；所述手背支撑机构、手指弯曲伸展驱动机构、五指并拢张开驱动机构均与控制处理器相连；所述感知传感器与控制处理器相连；所述包括手背支撑机构、手指弯曲伸展驱动机构、五指并拢张开驱动机构、控制处理器、感知传感器均与电源组件相连。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：所述手背支撑机构包括大拇指片、食指片、中指片、无名指片与小指片，大拇指片与食指片之间、食指片与中指片之间、中指片与无名指片之间、无名指片与小指片之间均通过转动副连接。

3.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：所述的手指弯曲伸展驱动机构包括大拇指弯曲伸展机构、食指弯曲伸展机构、中指弯曲伸展机构、无名指弯曲伸展机构以及小指弯曲伸展机构；大拇指片上设有大拇指弯曲伸展机构，食指片上设有食指弯曲伸展机构，中指片上设有中指弯曲伸展机构，无名指片上设有无名指弯曲伸展机构，小指片上设有小指弯曲伸展机构。

4.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：所述的中指弯曲伸展机构包括中指直线电机、中指滑杆、中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块、中指远节块、中指近节块绑带、中指中节块绑带以及远节块绑带；所述中指直线电机通过中指滑杆依次与中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块、中指远节块相连，所述中指近节块下端设有中指近节块绑带，所述中指中节块下端设有中指中节块绑带，所述中指远节块下端设有远节块绑带。

5.根据权利要求4所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：还包括中指驱动弹簧钢片、中指第一连接弹簧钢片、中指第二连接弹簧钢片、中指第三连接弹簧钢片、中指第一滑动连接弹簧钢片、中指第二滑动连接弹簧钢片、中指第三滑动连接弹簧钢片、中指第一滑块以及中指第二滑块；所述的中指第一滑动连接弹簧钢片的前端固定在中指近节块上部，后端与中指掌骨节块相连；所述中指第二滑动连接弹簧钢片的前端固定在中指中节块上部，后端与中指近节块相连；所述中指第三滑动连接弹簧钢片的前端固定在中指远节块上部，后端与中指中节块相连；所述的中指第一连接弹簧钢片的后端与中指掌骨节块相连，前端与中指近节块相连，中指第二连接弹簧钢片的后端与中指近节块相连，前端与中指中节块相连，中指第三连接弹簧钢片的后端与中指中节块相连，前端与中指远节块相连；所述的中指驱动弹簧钢片贯穿设置在中指掌骨节块、中指近节块、中指中节块以及中指远节块内侧；中指驱动弹簧钢片与中指滑杆相连；所述中指驱动弹簧钢片设置在中指第一连接弹簧钢片、中指第一滑动连接弹簧钢片之间；所述中指近节块、中指中节块均设有中指第一滑块以及中指第二滑块，所述中指第一滑块、中指第二滑块设置在中指驱动弹簧钢片下方。

6.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：所述的大拇指弯曲驱动机构由大拇指直线电机、大拇指滑杆、大拇指掌骨节块、大拇指近节块、大拇指远节块、大拇指近节块绑带、大拇指远节块绑带、；所述大拇指直线电机通过大拇指滑杆依次与大拇指掌骨节块、大拇指近节块、大拇指远节块相连；所述大拇指近节块绑带设置在大拇指近节块下端；所述大拇指远节块绑带设置在大拇指远节块下端。

7.根据权利要求6所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：还包括大拇指驱动弹簧钢片、大拇指第一连接弹簧钢片、大拇指第二连接弹簧钢片、大拇指第一滑动连接弹簧钢片、大拇指第二滑动连接弹簧钢片以及大拇指第一滑块；所述的大拇指第一滑动连接弹簧钢片的前端与大拇指近节块相连，后端与大拇指掌骨节块相连；所述大拇指第二滑动连接弹簧钢片的前端与大拇指远节块相连，后端与大拇指近节块相连；所述的大拇指第一连接弹簧钢片的前端与大拇指近节块相连，后端与大拇指掌骨节块相连；所述大拇指第二连接弹簧钢片的前端与大拇指远节块相连，后端与大拇指近节块相连；所述大拇指驱动弹簧钢片贯穿设置在大拇指掌骨节块、大拇指近节块、大拇指远节块之间；大拇指驱动弹簧钢片与大拇指滑杆前端相连，所述大拇指驱动弹簧钢片设置在大拇指第一连接弹簧钢片、大拇指第一滑动连接弹簧钢片之间，所述大拇指近节块内部设有大拇指第一滑块，所述大拇指第一滑块设置在大拇指驱动弹簧钢片下方。

8.根据权利要求5所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：所述的中指掌骨节块由掌骨主体和掌骨上盖组成，所述掌骨主体上端设有的掌骨上盖，掌骨主体的下端设有与中指第一连接弹簧钢片相对应的梯形凹槽，所述掌骨主体的上端设有与中指第一滑动连接弹簧钢片相对应的梯形凹槽；所述中指近节块由中指近节块下盖、中指近节块主体和中指近节块上盖组成，所述中指近节块主体上端设有中指近节块上盖，所述中指近节块主体下端设有中指近节块下盖，中指近节块主体的下表面设有与中指第一连接弹簧钢片的相对应的第一T形凹槽，所述中指近节块主体的上表面设有与中指第二滑动连接弹簧钢片相对应的第二T形凹槽；所述的中指中节块由中指中节块下盖、中指中节块主体和中指中节块上盖组成，所述中指中节块主体上端设有中指中节块上盖，所述中指中节块主体下端设有中指中节块下盖，所述中指中节块主体的下表面设有与中指第二连接弹簧钢片相对应的第三T形凹槽，所述中指中节块主体的上表面设有与中指第三滑动连接弹簧钢片相对应的第四T形凹槽。

9.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：所述的五指并拢张开驱动机构由直流电机、拉绳、第一扭力弹簧、第二扭力弹簧、第三扭力弹簧组成，所述的直流电机固定在小指片上，拉绳的后端固定在直流电机的输出轴上，拉绳前端依次穿过的穿过小指片、无名指片、中指近节块，并固定在食指片上；小指片、无名指片之间通过第一扭力弹簧相连；无名指片、中指近节块之间通过第二扭力弹簧相连；中指近节块、食指片上之间通过第三扭力弹簧相连。

10.根据权利要求4所述的一种刚柔耦合结构的脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于：所述感知传感器包括手指关节弯曲传感器、手掌加速度陀螺仪传感器、手指加速度陀螺仪传感器以及手指压力传感器；所述手指关节弯曲传感器包括第一柔性弯曲传感器、第二柔性弯曲传感器和第三柔性弯曲传感器，第一柔性弯曲传感器的两端分别固定在中指掌骨节块和中指近节块底部，第二柔性弯曲传感器的两端分别固定在中指近节块和中指中节块底部，第三柔性弯曲传感器的两端分别固定在中指中节块和中指远节块底部；所述的手掌加速度陀螺仪传感器安装在中指掌骨节块上；所述中指近节块、中指中节块、中指远节块的上端均设有手指加速度陀螺仪传感器；所述的手指加速度陀螺仪传感器包括近节加速度陀螺仪传感器、中节加速度陀螺仪传感器，所述的手指压力传感器包括第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器，中指远节块内侧设有与第一压力传感器相对应的安装孔，所述中指远节块上设有与第二压力传感器相对应的安装孔，所述第三压力传感器设置在远节块绑带的下端。

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