CN110731879A - 一种脑卒中患者手部功能康复机器人及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑卒中患者手部功能康复机器人及使用方法，康复机器人包括制冷制热模块、运动训练模块、水箱、传感器单元和控制箱，制冷制热模块由导热手套、制冷片固定薄膜、半导体制冷片、制冷器、柔性水管和保护外套组成，运动训练模块包括调节滑块、固定绑带和形状记忆合金片；传感器单元包括温度传感器子单元、倾角传感器子单元、指尖压力传感器子单元、肌肉张力检测子单元、肌电检测子单元，通过多传感器信息融合评估患者的痉挛状态并给出训练参数。本发明的机器人具有控制精准、结构紧凑等优点，可同时实现冷热疗和运动训练，提高康复效率，可解决传统基于水疗的温度刺激疗法的系统庞大，使用不便、温度响应慢等问题。

Description

一种脑卒中患者手部功能康复机器人及使用方法

技术领域

本发明涉及康复医疗设备和机器人领域，具体是一种脑卒中患者手部功能康复冷疗热疗及运动训练机器人及使用方法。

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。

对手部功能康复治疗可以采用多种方法，其中对于冷疗法和温热疗法是两种典型的治疗方法。冷疗法是采用低温来降低神经兴奋性，神经传导速度减慢对感觉神经和运动神经有阻滞作用，可阻断或抑制各种病理兴奋灶，故有镇痛和减轻手部痉挛等作用。冷疗使肌肉的收缩期、舒张期的潜伏期延长，降低肌张力及肌肉收缩与松弛的速度，肌肉的兴奋性减弱，因而有缓解肌肉痉挛的作用。而对于部分瘫痪较严重的脑卒中患者，其患侧手部有肿胀、疼痛、活动受限，皮肤褶皱变浅，与健侧手部比较皮肤温度降低等症状，可以采用温热疗法。温热疗法采用热-冷交替的周期性刺激，使组织温度升高后再降低，可以促进炎症产物及代谢废物的溶解吸收，缓解疼痛和消除痉挛，并可以加强血管收缩扩张，锻炼血管平滑肌，加速康复进程。

传统的冷疗法采用冷水或冰水进行治疗，温热疗法采用热水-冷水交替浸泡患侧肢体，水温变化无法精度控制，康复设备的自动化和智能化水平低，康复系统的体积大，无法便携，使用不够方便。此外还有采用电热丝加热的温疗手套(实用新型专利申请号：201320229718.9)，但是其只能实现加热理疗；采用冰袋加水囊方案的冷疗装置(实用新型专利申请号：201320229718.9、201420218112.X)和水冷组件的肢体回复系统(发明专利申请号：201611088514.2)，但是其只能实现冷疗作用；采用液氮制冷的超低温冷疗仪(发明专利申请号：201510502907.2)，但是其也只能实现冷疗，并且系统较为复杂，有一定的安全隐患。

此外，对于脑卒中手部康复治疗，运动训练至关重要，科学家设计了多种手部康复训练机器人及装置，但是运动训练无法对手部痉挛严重的患者直接使用，因此，设计穿戴便携、温度精确可控，可以实现冷疗和热疗，以及运动训练功能，并且能够智能感知与评估患者康复效果，选择特定的康复训练模式的康复机器人，对于脑卒中患者的康复治疗具有非常迫切的需要，是本领域人员需要突破的技术。

发明内容

技术问题：

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供脑卒中患者手部功能康复冷疗热疗及运动训练机器人，解决传统冷疗装置和热疗装置功能单一、系统复杂、不便于携带、无法精确控制温度、无法感知和评估康复患者康复效果，运动康复训练机器人无法直接对痉挛严重的患者使用等问题，提出一种脑卒中患者手部功能康复冷疗热疗及运动训练机器人，能够智能化选择康复模式，进行冷疗、热疗或运动训练治疗，同时能够智能评估康复效果，给出进一步的治疗模式及控制参数。

技术方案：

为了实现以上目的，本发明提出一种脑卒中患者手部功能康复机器人。

所述的脑卒中患者手部功能康复冷疗热疗及运动训练机器人包括：制冷制热模块、运动训练模块，水箱、传感器单元、控制箱。所述的制冷制热模块包括手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元。

所述的手部制冷制热子单元由导热手套、制冷片固定薄膜、半导体制冷片、制冷器、柔性水管和保护外套组成；所述的导热手套可以穿戴在患者的手部；所述的制冷片固定薄膜粘贴固定在导热手套外表层，其位于手背、手掌、手指上侧、手指下侧部位上均设置有方形槽；所述的制冷片为方形薄片，安装在制冷片固定薄膜上的方形槽中，所述的手背、手掌、5根手指部位均有多个半导体制冷片，并且按照手背、手掌和5根手指分成7个区域，每个区域的半导体制冷片串联接线；所述的制冷器为方向金属片，其侧面上设置有两个通孔，所述的制冷器固定在所述的半导体制冷片上表面；所述的柔性水管包括7根水管，分别用于手背区域、手掌区域和5根手指区域的制冷器的连接；所述的保护外套为手套形状的薄膜，覆在所述的制冷器和柔性水管的外表层上，起保护作用。

所述的小臂制冷制热子单元为长方形结构，由导热层、制冷片固定薄膜、半导体制冷片、制冷器、柔性水管和保护外套组成；所述的导热层为长方形导热薄膜，使用时缠绕在患者手臂上；所述的制冷片固定薄膜粘贴固定在导热层外表层，制冷片固定薄膜为形状和大小与导热层相同的薄膜结构，其上设置有多排方形槽；所述的制冷片为安装在制冷片固定薄膜上的方形槽中，所述的半导体制冷片按照每排分为一个区域，每个区域的半导体制冷片串联接线；所述的制冷器固定在所述的半导体制冷片上表面，也按排分为多个区域，每排制冷器由一根柔性水管连接；所述的保护外套为长方形薄膜，覆在所述的多排制冷器和柔性水管的外表层上，起保护作用。

所述的运动训练模块包括调节滑块、固定绑带和形状记忆合金片；所述的调节滑块包括掌骨滑块和手指滑块；所述的掌骨滑块为长方体状的块，设置在所述的手部制冷制热子单元的导热手套和制冷片固定薄膜之间，位于掌骨手背一侧，其向着手指尖的一侧面上设计有5个窄槽，分别对应5个手指伸展的方向，通过所述的固定绑带固定在患者手背部；所述的手指滑块包括5根手指上的滑块，组成及工作原理相同，以食指为例，包括近节滑块、中节滑块和远节滑块，所述的节滑块、中节滑块和远节滑块均为个长方体状的块，设置在所述的手部制冷制热子单元的导热手套和制冷片固定薄膜之间，位于手指近节、中节、远节的手背侧，其侧面顺着手指方向设计有缝隙槽；所述近节滑块、中节滑块和远节滑块的四个角上各连接有一条所述的固定绑带，所述的固定绑带的另一端穿出导热手套，用于在运动训练时将调节滑块固定在手指指节上，防止滑动；所述的形状记忆合金片为长条形片，每根手指包括第一合金片、第二合金片、第三合金片；所述的第一合金片一端插入所述的掌骨滑块上的槽中，另一端插入所述的近节滑块的缝隙槽内；所述的第二合金片一端插入所述的近节滑块上的缝隙槽内，另一端插入所述的中节滑块的缝隙槽内；所述的第三合金片一端插入所述的中节滑块上的缝隙槽内，另一端插入所述的远节滑块的缝隙槽内。所述的形状记忆合金在达到相变温度时会发生变形，恢复母相，形变过程中产生的力用于驱动手指关节运动，通过对手部制冷制热子单元的半导体制冷片的工作电压和工作电流方向控制，实现对形状记忆合金在相变温度上下周期温度变化，从而实现的形状记忆合金片的周期性弯曲和伸展，驱动手指的弯曲和伸展；所述的调节滑块用于固定形状记忆合金片，实现形状记忆合金形片变过程中的长度调节，保证形状记忆合金片与手的贴合；所述的固定绑带将手套与手紧固在一起，保证运动训练过程中不发生滑脱现象。

所述的水箱由水槽、水泵、水管接头组成，所述的水槽内盛有适量的水；所述的水泵用来驱动水在水管内的循环流动；所述的水管接头分为一组出水接头和一组进水接头；所述的出水接头与手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元的水管的一端分别相接，所述的进水接头与手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元的水管的另一端分别相接，水在水泵的额驱动下，可以流经手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元的水管和制冷器，从而实现降温的效果。

所述的传感器单元包括温度传感器子单元、倾角传感器子单元、指尖压力传感器子单元、肌肉张力检测子单元、肌电检测子单元；所述的温度传感器子单元包括多个温度传感器，分别置于手部制冷制热子单元的手背、手掌、5根手指的半导体制冷片下方，位于导热手套和制冷片固定薄膜之间；所述的倾角传感器子单元包括多个倾角传感器，分别安装在患者的大臂、小臂、手背和各个手指上，用来监测手的运动和角度信息；所述的指尖力传感器子单元包括四个薄膜压力传感器，分别安装在所述的手部制冷制热子单元的制冷片固定薄膜上，用来检测手部抓握物体时的力信息；所述的肌肉张力检测子单元为手环状分布的多个压力传感器组成，压力传感器安装在小臂制冷制热子单元的导热层下表面，可以检测肌肉收缩和舒张；所述的肌电检测子单元为环状绷带结构，其内层安装有阵列式的肌电检测电极，肌电检测子单元安装在患者的大臂上。

所述的控制箱包括传感器数据采集单元、温度控制单元、驱动模块、电源模块、按键和显示屏；所述的数据采集单元将所述的传感器单元的数据进行采集和存储；所述的温度控制单元可以完成对半导体制冷片电压的控制和水泵的流速控制，从而控制半导体制冷片的制冷温度，也可以控制半导体制冷片的电流流向，从而实现制冷和制热的切换控制；所述的驱动模块生成多路电压，实现对所述的半导体制冷片的驱动；所述的电源模块为所述的传感器数据采集单元、温度控制单元、驱动模块、传感器单元和水泵提供能源；所述的按键可以用来对冷疗热疗的工作参数如温度、工作时长等进行设置；所述的显示屏可以显示温度、压力、手部动作等信息。

所述的机器人使用的步骤为：

步骤1：患者穿戴所述的机器人；

步骤2：医生设置患者状态评定动作；

步骤3：患者按照机器人显示屏提示的要求，完成相应的动作；

步骤4：机器人获取患者手臂姿态角度、手部的手指关节角度、指尖力、小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息；

步骤5：控制箱处理传感器数据，得到患者的运动幅度、灵活度、肌肉力和肌电信息，经过与数据库中健康人的数据比较，评估患者的痉挛程度；

步骤6：根据痉挛程度，选择工作模式，如果选择冷热疗模式则进入步骤7，如果选择运动训练模式，则进入步骤19；

步骤7：机器人给出冷热刺激参数，包括刺激的温度T、时长t；

步骤8：医生检查参数合理后，确认开始治疗；

步骤9：控制箱调节输出电压，驱动制冷制热模块和水箱工作，读取传感器数据；

步骤10：温度传感器监测手套内侧的温度；

步骤11：控制箱判断温度是否超过设定的温度误差阈值，如果超过，则调整输出电压控制制冷制热模块和水箱工作继续工作，否则记录冷疗或热疗的有效时间；

步骤12：控制箱判断累计有效时间是否超过设定的治疗时间t，如果否，控制箱控制制冷制热模块和水箱继续工作，如果是，则控制箱控制制冷制热模块和水箱停止工作；

步骤13：屏幕提示此次治疗完成，提示是否进行康复效果评估，如果接受就进入步骤14，如果不接受，则进入步骤18；

步骤14：患者按照机器人屏幕显示，完成指定的动作；

步骤15：机器人获取患者手臂姿态角度、手部的手指关节角度、指尖力、小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息；

步骤16：控制箱处理传感器数据，得到患者的运动幅度、灵活度、肌肉力和肌电信息，经过与数据库中健康人的数据比较，评估患者的恢复程度，如果患者的数据显示其痉挛程度减轻，则进入步骤17，如果患者的数据显示其痉挛程度加重或者未减轻，则进入步骤18；

步骤17：机器人提示是否进行再次治疗，如果选择是，则进入步骤6，如果选择否，则进入步骤21；

步骤18：机器人提示医生检查确诊，并进入步骤21；

步骤19：机器人给出运动控制参数，包括手指关节角度变化的范围、速度和训练时长；

步骤20：机器人控制手部制冷制热子单元的温度周期变化，实现手指的弯曲和伸展，完成运动训练，并进入步骤13；

步骤21：退出工作。

有益效果：

本发明的一种脑卒中患者手部功能康复冷疗热疗及运动训练机器人，与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)采用半导体制冷片能够快速达到指定温度，提高了冷疗热疗效率；(2)多通道温度监测，能够精确控制治疗温度；(3)机器人小巧简洁，便于携带，患者可在家进行康复治疗；(4)结合肌电传感器、肌肉张力传感器、倾角传感器、压力传感器信息，可以有效检测患者手部的痉挛程度，并能够智能化提供康复方案，治疗后能够评估康复效果，给出进一步的治疗方案；(5)配有屏幕提供康复动作，人机关系友好，操作方便。(6)可实现冷疗、热疗和运动训练多种操作模式，提高康复效率。

附图说明

图1为本发明的手部康复机器人系统组成框图。

图2为本发明的手部康复机器人系统组成示意图。

图3为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块手部单元展开状态立体视图1。

图4为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块手部单元展开状态立体视图2。

图5为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块手部单元收拢状态立体视图1。

图6为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块手部单元收拢状态立体视图2。

图7为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块手臂单元初始状态立体视图1。

图8为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块手臂单元初始状态立体视图2。

图9为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块手臂单元工作状态立体视图。

图10为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块局部示意图。

图11为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块制冷制热电路局部示意图。

图12为本发明手部康复机器人冷疗热疗模块分层结构局部示意图。

图13为本发明手部康复机器人运动训练模块食指单元伸直状态示意图；

图14为本发明手部康复机器人运动训练模块食指单元弯曲状态示意图；

图15为本发明手部康复机器人冷疗热疗及运动训练温度控制示意图；

图16本发明手部康复机器人工作步骤流程图。

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。

实施例

如图1、图2所示，所述的脑卒中患者手部功能康复冷疗热疗及运动训练机器人包括：制冷制热模块1、水箱2、传感器单元3和控制箱4。所述的制冷制热模块1包括手部制冷制热子单元1-1和小臂制冷制热子单元1-2。

如图1、图3、图4、图5和图6所示，所述的手部制冷制热子单元1-1由导热手套1-1-1、制冷片固定薄膜1-1-2、半导体制冷片1-1-3、制冷器1-1-4、柔性水管1-1-5和保护外套1-1-6组成；所述的导热手套1-1-1可以穿戴在患者的手部；所述的制冷片固定薄膜1-1-2粘贴固定在导热手套1-1-1外表层，其位于手背、手掌、手指上侧、手指下侧部位上均设置有方形槽；所述的制冷片1-1-3为方形薄片，安装在制冷片固定薄膜1-1-2上的方形槽中，所述的手背、手掌、5根手指部位均有多个半导体制冷片1-1-3，并且按照手背、手掌和5根手指分成7个区域，每个区域的半导体制冷片1-1-3串联接线；所述的制冷器1-1-4为方向金属片，其侧面上设置有两个通孔，所述的制冷器1-1-4固定在所述的半导体制冷片1-1-3上表面；所述的柔性水管1-1-5包括7根水管，分别用于手背区域、手掌区域和5根手指区域的制冷器1-1-4的连接；所述的保护外套1-1-6为手套形状的薄膜，覆在所述的制冷器1-1-4和柔性水管1-1-5的外表层上，起保护作用。

如图1、图7、图8和图9所示，所述的小臂制冷制热子单元1-2为长方形结构，由导热层1-2-1、制冷片固定薄膜1-2-2、半导体制冷片1-2-3、制冷器1-2-4、柔性水管1-2-5和保护外套1-2-6组成；所述的导热层1-2-1为长方形导热薄膜，使用时缠绕在患者手臂上；所述的制冷片固定薄膜1-2-2粘贴固定在导热层1-2-1外表层，制冷片固定薄膜1-2-2为形状和大小与导热层1-2-1相同的薄膜结构，其上设置有多排方形槽；所述的制冷片1-2-3为安装在制冷片固定薄膜1-2-2上的方形槽中，所述的半导体制冷片1-2-3按照每排分为一个区域，每个区域的半导体制冷片1-2-3串联接线；所述的制冷器1-2-4固定在所述的半导体制冷片1-2-3上表面，也按排分为多个区域，每排制冷器1-2-4由一根柔性水管1-2-5连接；所述的保护外套1-2-6为长方形薄膜，覆在所述的多排制冷器1-2-4和柔性水管1-2-5的外表层上，起保护作用。

如图13、图14，所述的运动训练模块2包括调节滑块2-1、固定绑带2-2和形状记忆合金片2-3；所述的调节滑块2-1包括掌骨滑块2-1-1和手指滑块2-1-2；所述的掌骨滑块2-1-1为长方体状的块，设置在所述的手部制冷制热子单元1-1的导热手套1-1-1和制冷片固定薄膜1-1-2之间，其向着手指尖的一侧面上设计有5个窄槽，分别对应5个手指伸展的方向；所述的固定绑带2-2包括掌骨滑块固定绑带2-2-1和手指滑块固定绑带2-2-2；所述的掌骨滑块2-1-1通过所述的固定绑带掌骨滑块固定绑带2-2-1固定在患者手背部；所述的手指滑块2-1-2包括5根手指上的滑块；组成及工作原理相同，以食指为例，包括近节滑块2-1-2-1、中节滑块2-1-2-2和远节滑块2-1-2-3，所述的节滑块2-1-2-1、中节滑块2-1-2-2和远节滑块2-1-2-3均为个长方体状的块，设置在所述的手部制冷制热子单元1-1的导热手套1-1-1和制冷片固定薄膜1-1-2之间，位于手指近节、中节、远节的手背侧，其侧面顺着手指方向设计有缝隙槽；所述近节滑块2-1-2-1、中节滑块2-1-2-2和远节滑块2-1-2-3的四个角上各连接有一条所述的固定绑带2-2-2，所述的固定绑带的另一端穿出导热手套1-1-1，用于在运动训练时将手指滑块2-1-2固定在手指指节上，防止滑动；所述的形状记忆合金片2-3为长条形片，每根手指包括第一合金片2-3-1、第二合金片2-3-2、第三合金片2-3-3；所述的第一合金片2-3-1一端插入所述的掌骨滑块2-1-1上的槽中，另一端插入所述的近节滑块2-1-2-1的缝隙槽内；所述的第二合金片一端插入所述的近节滑块2-1-2-1上的缝隙槽内，另一端插入所述的中节滑块2-1-2-2的缝隙槽内；所述的第三合金片一端插入所述的中节滑块2-1-2-2上的缝隙槽内，另一端插入所述的远节滑块2-1-2-3的缝隙槽内。所述的形状记忆合金片2-3在达到相变温度时会发生变形，恢复母相，形变过程中产生的力用于驱动手指关节运动，通过对手部制冷制热子单元1-1的半导体制冷片1-1-3的工作电压和工作电流方向控制，实现对形状记忆合金片2-3在相变温度上下周期温度变化，从而实现的形状记忆合金片2-3的周期性弯曲和伸展，驱动手指的弯曲和伸展；所述的调节滑块2-1用于固定形状记忆合金片，实现形状记忆合金片形变过程中的长度调节，保证形状记忆合金片与手背的贴合；所述的固定绑带2-2将手套与手紧固在一起，保证运动训练过程中不发生滑脱现象。如图15，所述的冷疗、热疗和运动训练温度控制范围图，在时间t_a至t_b阶段，温度控制在较低的治疗温度T₁，进行冷疗；在时间t_c至t_d阶段，温度控制在较高的治疗温度T₂，进行热疗；在时间t_e段往后，温度控制在形状记忆合金片2-3的相变温度T₃上下周期变化，进行运动训练。

如图1和图2所示，所述的水箱3由水槽3-1、水泵3-2、水管接头3-3组成，所述的水槽3-1内盛有适量的水；所述的水泵3-2用来驱动水在水管内的循环流动；所述的水管接头3-3分为一组出水接头3-3-1和一组进水接头3-3-2；所述的出水接头3-3-1与手部制冷制热子单元1-1和小臂制冷制热子单元1-2的水管的一端分别相接，所述的进水接头3-3-2与手部制冷制热子单元1-1和小臂制冷制热子单元1-2的水管的另一端分别相接，水在水泵的额驱动下，可以流经手部制冷制热子单元1-1和小臂制冷制热子单元1-2的水管和制冷器，从而实现降温的效果。

如图1、图3、图4、图5、图8、图9、图10和图12，所述的传感器单元4包括温度传感器子单元4-1、倾角传感器子单元4-2、指尖压力传感器子单元4-3、肌肉张力检测子单元4-4、肌电检测子单元4-5；所述的温度传感器子单元4-1包括多个温度传感器，分别置于手部制冷制热子单元1-1的手背、手掌、5根手指的半导体半导体制冷片下方，位于导热手套1-1-1和制冷片固定薄膜之间1-1-2；所述的倾角传感器子单元4-2包括多个倾角传感器，分别安装在患者的大臂、小臂、手背和各个手指上，用来监测手的运动和角度信息；所述的指尖力传感器子单元4-3包括四个薄膜压力传感器，分别安装在所述的手部制冷制热子单元1-1的制冷片固定薄膜1-1-2上，用来检测手部抓握物体时的力信息；所述的肌肉张力检测子单元4-4为手环状分布的多个压力传感器组成，压力传感器安装在小臂制冷制热子单元1-2的导热层1-2-1下表面，可以检测肌肉收缩和舒张；所述的肌电检测子单元4-5为环状绷带结构，其内层安装有阵列式的肌电检测电极，肌电检测子单元4-5安装在患者的大臂上。

如图1和图2所述的控制箱5包括传感器数据采集单元5-1、温度控制单元5-2、驱动模块5-3、电源模块5-4、按键和显示屏5-5；所述的数据采集单元5-1将所述的传感器单元的数据进行采集和存储；所述的温度控制单元5-2可以完成对半导体制冷片电压的控制和水泵3-2的流速控制，从而控制半导体制冷片的制冷温度，也可以控制半导体制冷片的电流流向，从而实现制冷和制热的切换控制；所述的驱动模块5-3生成多路电压，实现对所述的半导体制冷片1-1-3的驱动；所述的电源模块5-4为所述的传感器数据采集单元5-1、温度控制单元5-2、驱动模块5-3、传感器单元4和水泵3-2提供能源；所述的按键5-5-1可以用来对冷疗热疗的工作参数如温度、工作时长等进行设置；所述的显示屏5-5-2可以显示温度、压力、手部动作等信息；

所述的机器人使用步骤为：

步骤S1：患者穿戴所述的机器人，并将制冷制热模块的水管分别与水箱的进水接头和出水接头相连，将机器人上的配备的传感器单元接头及控制线与控制箱相连；确保连线完整无误后开启控制箱；

步骤S2：医生设置患者状态评定动作，显示屏给出演示以及相应提示；

步骤S3：患者按照机器人显示屏提示的要求，完成相应的动作；

步骤S4：在患者执行医生设定的指定动作期间，机器人获取患者手臂姿态角度、手部的手指关节角度、指尖力、小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息；

步骤S5：控制箱分析患者手臂及手部姿态角度可以得到手部关节的变化角度以及变化速度，从而得到患者的动作幅度以及速度；通过指尖压力传感器的数据分析可以得出患者手部握紧的力度；同时结合采集到的小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息，将这一系列参数与数据库中健康人的数据比较；根据装置采集到的患者的手部机能数据与数据库中健康人的数据差异，评估患者的痉挛程度，并在屏幕上显示出来；

步骤S6：根据痉挛程度，控制箱给出相应的工作模式选择，如果选择冷热疗模式则进入步骤S7，如果选择运动训练模式，则进入步骤S19；

步骤S7：针对选择的冷热疗工作模式，机器人给出相应的冷热刺激参数，包括刺激的温度T、时长t；

步骤S8：医生检查参数合理后，确认开始治疗；

步骤S9：根据当前设置的冷热刺激治疗的参数，控制箱调节输出电压，驱动制冷制热模块和水箱工作，并不断读取传感器数据；

步骤S10：在手部功能康复冷疗热疗装置期间，温度传感器不间断地监测手套内侧的温度，并传输给控制箱进行分析；

步骤S11：控制箱获取温度传感器采集到的手套内侧的实时温度，判断温度是否超过设定的温度误差阈值，如果超过，则根据偏差值调整输出电压控制制冷制热模块和水箱工作继续工作，否则记录冷疗或热疗的有效时间；

步骤S12：根据治疗过程中记录的冷疗或热疗的有效时间，控制箱判断累计有效时间是否超过设定的治疗时间t，如果否，控制箱控制制冷制热模块和水箱继续工作，如果是，则控制箱控制制冷制热模块和水箱暂停工作；

步骤S13：屏幕提示此次治疗完成，提示是否进行康复效果评估，如果接受就进入步骤S14，如果不接受，则进入步骤S18；

步骤S14：患者按照机器人屏幕显示以及提示，完成指定的动作；

步骤S15：在患者执行指定动作期间，机器人不断获取患者手臂姿态角度、手部的手指关节角度、指尖力、小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息；

步骤S16：控制箱分析患者手臂及手部姿态角度可以得到手部关节的变化角度以及变化速度，从而得到患者的动作幅度以及速度；通过指尖压力传感器的数据分析可以得出患者手部握紧的力度；同时结合采集到的小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息，将这一系列参数与数据库中健康人的数据比较；根据装置采集到的患者的手部机能数据与数据库中健康人的数据差异，评估患者的恢复程度；如果患者的数据显示其痉挛程度减轻，则进入步骤S17，如果患者的数据显示其痉挛程度加重或者未减轻，则进入步骤S18；

步骤S17：机器人提示是否进行再次治疗，如果选择是，则进入步骤S6，如果选择否，则进入步骤S21；

步骤S18：机器人提示医生检查确诊，并进入步骤S21。

步骤S19：机器人给出运动控制参数，包括手指关节角度变化的范围、速度和训练时长，并在屏幕上显示；

步骤S20：通过不断获取手套内部的温度，机器人控制手部制冷制热子单元的温度周期变化，实现手指的弯曲和伸展，完成运动训练，并进入步骤S13；

步骤S21：退出工作。

Claims (7)

1.一种脑卒中患者手部功能康复机器人，其特征在于，包括：制冷制热模块、运动训练模块、供水单元、传感器单元和控制箱；所述的制冷制热模块包括手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元；

所述的手部制冷制热子单元由导热手套、制冷片固定薄膜、半导体制冷片、制冷器、柔性水管和保护外套组成；所述的导热手套用以穿戴在患者的手部；所述的制冷片固定薄膜粘贴固定在导热手套外表层，在半导体制冷片固定薄膜对应手背、手掌、手指上侧、手指下侧的部位上均设置有放置槽；所述的半导体制冷片安装在制冷片固定薄膜上的放置槽中；手背、手掌和5根手指分成7个半导体制冷区域，每个半导体制冷区域的半导体制冷片串联接线；所述的制冷器固定在所述的半导体制冷片上表面，所述的制冷器为金属片，在金属片侧面上设置有两个通孔；所述的柔性水管包括7根水管，分别用于与手背区域、手掌区域和5根手指区域的制冷器的连接；所述的保护外套为手套形状的薄膜，覆在所述的制冷器和柔性水管的外表层上；

所述的小臂制冷制热子单元由导热层、制冷片固定薄膜、半导体制冷片、制冷器、柔性水管和保护外套组成；所述的导热层为导热薄膜，使用时缠绕在患者手臂上；所述的制冷片固定薄膜粘贴固定在导热层外表层，制冷片固定薄膜为形状和大小与导热层相同的薄膜结构，其上设置有多排安装槽；所述的制冷片为安装在制冷片固定薄膜上的安装中，所述的半导体制冷片按照每排分为一个区域，每个区域的半导体制冷片串联接线；所述的制冷器固定在所述的半导体制冷片上表面，也按排分为多个区域，每排制冷器由一根柔性水管连接；所述的保护外套覆在所述的多排制冷器和柔性水管的外表层上；

所述的运动训练模块包括调节滑块、固定绑带和形状记忆合金片；所述的调节滑块包括掌骨滑块和手指滑块；所述的掌骨滑块为长方体状的块，设置在所述的手部制冷制热子单元的导热手套和制冷片固定薄膜之间，位于掌骨手背一侧，其向着手指尖的一侧面上设计有5个窄槽，分别对应5个手指伸展的方向，通过所述的固定绑带固定在患者手背部；所述的手指滑块包括位于每根手指上的5根，包括近节滑块、中节滑块和远节滑块，所述的近节滑块、中节滑块和远节滑块均为个长方体状的块，设置在所述的手部制冷制热子单元的导热手套和制冷片固定薄膜之间，位于手指近节、中节、远节的手背侧，其侧面顺着手指方向设计有缝隙槽；所述近节滑块、中节滑块和远节滑块的四个角上各连接有一条所述的固定绑带，所述的固定绑带的另一端穿出导热手套，用于在运动训练时将调节滑块固定在手指指节上，防止滑动；所述的形状记忆合金片为长条形片，每根手指包括第一合金片、第二合金片、第三合金片；所述的第一合金片一端插入所述的掌骨滑块上的槽中，另一端插入所述的近节滑块的缝隙槽内；所述的第二合金片一端插入所述的近节滑块上的缝隙槽内，另一端插入所述的中节滑块的缝隙槽内；所述的第三合金片一端插入所述的中节滑块上的缝隙槽内，另一端插入所述的远节滑块的缝隙槽内；

所述的传感器单元包括温度传感器子单元，所述的温度传感器子单元包括多个温度传感器，分别置于手部制冷制热子单元的手背、手掌、5根手指的半导体制冷片下方，位于导热手套和制冷片固定薄膜之间；

所述供水单元与所述小臂制冷制热子单元的柔性水管及手部制冷制热子单元的柔性水管连接并提供循环冷却水；

所述的控制箱包括传感器数据采集单元、温度控制单元及驱动模块；所述的数据采集单元将所述的传感器单元的数据进行采集和存储；所述的温度控制单元完成对半导体制冷片电压和电流流向的控制，从而控制半导体制冷片的制冷温度及实现制冷和制热的切换控制，所述的温度控制单元完成对水泵的流速控制；所述的驱动模块生成多路电压，实现对所述的半导体制冷片的驱动。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的传感器单元还包括倾角传感器子单元、指尖压力传感器子单元、肌肉张力检测子单元及肌电检测子单元；所述的倾角传感器子单元包括多个倾角传感器，分别安装在患者的大臂、小臂、手背和各个手指上，用来监测手的运动和角度信息；所述的指尖力传感器子单元包括四个薄膜压力传感器，分别安装在所述的手部制冷制热子单元的制冷片固定薄膜上，用来检测手部抓握物体时的力信息；所述的肌肉张力检测子单元为手环状分布的多个压力传感器组成，压力传感器安装在小臂制冷制热子单元的导热层下表面，可以检测肌肉收缩和舒张；所述的肌电检测子单元为环状绷带结构，其内层安装有阵列式的肌电检测电极，肌电检测子单元安装在患者的大臂上。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的供水单元包括水槽、水泵、水管接头；所述的水泵用来驱动水在水管内的循环流动；所述的水管接头分为一组出水接头和一组进水接头；所述的出水接头与手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元的水管的一端分别相接，所述的进水接头与手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元的水管的另一端分别相接；水在水泵的额驱动下，流经手部制冷制热子单元和小臂制冷制热子单元的水管和制冷器。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述半导体制冷片为方形薄片，所述放置槽为方形槽。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述的导热层为长方形导热薄膜。

6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述安装槽为方形槽。

7.一种如权利要求1-6任一所述的机器人的使用方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：患者穿戴所述的机器人；

步骤2：医生设置患者状态评定动作；

步骤3：患者按照机器人显示屏提示的要求，完成相应的动作；

步骤4：机器人获取患者手臂姿态角度、手部的手指关节角度、指尖力、小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息；

步骤5：控制箱处理传感器数据，得到患者的运动幅度、灵活度、肌肉力和肌电信息，经过与数据库中健康人的数据比较，评估患者的痉挛程度；

步骤6：根据痉挛程度，选择工作模式，如果选择冷热疗模式则进入步骤7，如果选择运动训练模式，则进入步骤19；

步骤7：机器人给出冷热刺激参数，包括刺激的温度T、时长t；

步骤8：医生检查参数合理后，确认开始治疗；

步骤9：控制箱调节输出电压，驱动制冷制热模块和水箱工作，读取传感器数据；

步骤10：温度传感器监测手套内侧的温度；

步骤11：控制箱判断温度是否超过设定的温度误差阈值，如果超过，则调整输出电压控制制冷制热模块和水箱工作继续工作，否则记录冷疗或热疗的有效时间；

步骤12：控制箱判断累计有效时间是否超过设定的治疗时间t，如果否，控制箱控制制冷制热模块和水箱继续工作，如果是，则控制箱控制制冷制热模块和水箱停止工作；

步骤13：屏幕提示此次治疗完成，提示是否进行康复效果评估，如果接受就进入步骤14，如果不接受，则进入步骤18；

步骤14：患者按照机器人屏幕显示，完成指定的动作；

步骤15：机器人获取患者手臂姿态角度、手部的手指关节角度、指尖力、小臂肌肉收缩和舒张力、大臂的肌电信息；

步骤16：控制箱处理传感器数据，得到患者的运动幅度、灵活度、肌肉力和肌电信息，经过与数据库中健康人的数据比较，评估患者的恢复程度，如果患者的数据显示其痉挛程度减轻，则进入步骤17，如果患者的数据显示其痉挛程度加重或者未减轻，则进入步骤18；

步骤17：机器人提示是否进行再次治疗，如果选择是，则进入步骤6，如果选择否，则进入步骤21；

步骤18：机器人提示医生检查确诊，并进入步骤21。

步骤19：机器人给出运动控制参数，包括手指关节角度变化的范围、速度和训练时长；

步骤20：机器人控制手部制冷制热子单元的温度周期变化，实现手指的弯曲和伸展，完成运动训练，并进入步骤13；

步骤21：退出工作。

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