CN110974605A - 手指康复训练装置及基于脑电控制的手指康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手指康复训练装置及基于脑电控制的手指康复训练系统，其中，手指康复训练装置中包括相互连接的外骨骼式的手指康复训练机械手及康复控制终端；手指康复训练机械手中包括基座及固设于基座表面、分别与患者五指对应的五个手指康复训练组件；每个手指康复训练组件中分别包括：直线电机、电机输出端子、弹簧、弹簧输出端子、手指骨架板、滑台及外骨骼机构；直线电机接收康复控制终端的控制指令，通过电机输出端子推动弹簧动作，进而通过弹簧输出端子带动外骨骼机构动作，有效帮助患者手指进行自主康复训练。

Description

手指康复训练装置及基于脑电控制的手指康复训练系统

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种手指康复训练装置及基于脑电控制的手指康复训练系统。

背景技术

脑血管疾病脑卒俗称“中风”，是老年人很容易患上的疾病，引起老年人肢体运动障碍、偏瘫等。随着医疗技术的不断革新，越来越多的脑血管疾病患者通过先进的治疗方法得到康复，担仍旧有一大部分的患者在治疗后遗留下神经功能缺损后遗症，肢体偏瘫和运动障碍是主要的体现。根据卫生部统计，在我国的各类残疾与创伤中，作为人类最精巧的器官之一的手指所占的比例大概有13％，患者数高达1000万以上，作为人口大国且逐渐步入“老龄化社会”的中国，这个数字还会持续的增加。

目前，手指康复治疗需要在医院的康复治疗师的辅助下进行，康复治疗师向患者手指施加一定的力，让患者手指恢复部分的力量和运动范围。然而，这种治疗方式存在很多问题：首先，大部分的康复过程是治疗师与病人一对一的，对人力物力的消耗比较大，且治疗费用昂贵，会对患者造成巨大的经济负担；其次，康复过程持续的时间较长，过程枯燥，导致患者缺乏主动性和积极性，使得恢复运动很难有效的刺激患者神经的恢复；最后，康复训练过程依赖于康复治疗师的经验和主观判断，不能精确控制训练参数并且缺乏康复过程的客观记录，难以对康复效果进行科学准确评定，不利于患者的恢复。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种手指康复训练装置及基于脑电控制的手指康复训练系统，能够帮助患者手指进行自主康复训练。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种手指康复训练装置，包括相互连接的外骨骼式的手指康复训练机械手及康复控制终端，所述康复控制终端发送指令控制手指康复训练机械手动作，从而带动患者手指动作；所述手指康复训练机械手中包括基座及固设于所述基座表面、分别与患者五指对应的五个手指康复训练组件；

每个所述手指康复训练组件中分别包括：直线电机、电机输出端子、弹簧、弹簧输出端子、手指骨架板、滑台及外骨骼机构；其中，所述直线电机一端固设于基座表面，另一端接电机输出端子；所述电机输出端子的另一端与弹簧的一端连接；所述弹簧的另一端接弹簧输出端子；所述接弹簧输出端子与所述外骨骼机构固定连接；所述滑台固设于所述手指骨架板表面，所述接弹簧输出端子滑动连接于所述滑台表面；所述手指骨架板固设于所述基座表面，且一端与直线电机连接，另一端与所述外骨骼机构连接；

所述直线电机接收所述康复控制终端的控制指令，通过电机输出端子推动所述弹簧动作，进而通过所述弹簧输出端子带动所述外骨骼机构动作。

进一步优选地，所述手指康复训练组件中还包括直线位移传感器和位移传感器连接杆，所述直线位移传感器设于所述手指骨架板表面，且通过所述位移传感器连接杆与所述弹簧输出端子连接；所述直线位移传感器通过检测所述弹簧输出端子的位置信息实现对弹簧位置信息的测量。

进一步优选地，所述外骨骼机构中包括：近指骨外壳、中指骨外壳、近指关节弧形角板、近指关节弧形推杆、中指关节弧形角板及中指关节弧形推杆，其中，所述近指关节弧形角板的前端与所述弹簧输出端子连接，底端与所述手指骨架板连接，后端与所述近指关节弧形推杆的一端连接；所述近指关节弧形推杆的另一端与所述中指关节弧形角板的前端连接；所述中指关节弧形角板的后端连接于所述近指骨外壳上，底端通过与所述中指关节弧形推杆的一端连接；所述中指关节弧形推杆另一端连接于所述中指骨外壳上；所述近指骨外壳的一端与所述手指骨架板铰接，另一端与所述中指骨外壳连接。

进一步优选地，所述近指关节弧形角板、中指关节弧形角板、近指关节弧形推杆及近指骨外壳组成四杆机构。

进一步优选地，所述近指骨外壳和中指骨外壳为适于放置患者手指的拱状结构，且所述中指关节弧形角板的后端连接于所述近指骨外壳的拱形顶端上，底端通过与所述中指关节弧形推杆的一端连接；所述中指关节弧形推杆另一端连接于所述中指骨外壳的拱形顶端上；所述近指骨外壳的拱形底端一侧与所述手指骨架板铰接，另一侧与所述中指骨外壳连接。

进一步优选地，所述手指康复训练机械手中五个手指康复训练组件分别为大拇指训练组件、食指训练组件、中指训练组件、无名指训练组件及小拇指训练组件，其中，大拇指训练组件设于基座的侧面，食指训练组件、中指训练组件、无名指训练组件及小拇指训练组件设于基座的上表面。

进一步优选地，所述基座、近指骨外壳及中指骨外壳下方设有用于固定患者手掌及五指的束缚绑带，将患者五指置于相应的手指康复训练组件中。

本发明还提供了一种基于脑电控制的手指康复训练系统，包括上述手指康复训练装置，还包括用于采集EEG脑电信号的EEG信号采集装置，与所述康复控制终端连接；

所述康复控制终端中包括相互连接的信号处理模块及控制输出模块，所述信号处理模块用于对接收到的EEG脑电信号进行分析生成控制指令；所述控制输出模块用于将信号处理模块生成的控制指令发送至手指康复训练机械手。

进一步优选地，当所述手指康复训练装置中包括直线位移传感器和位移传感器连接杆时，所述康复控制终端中还包括位移信号获取模块，用于接收直线位移传感器测量的弹簧位置信息并发送至信号处理模块；所述信号处理模块还用于根据接收到的弹簧位置信息生成新的控制指令。

在本发明提供的手指康复训练装置及基于脑电控制的手指康复训练系统，至少能够带来以下有益效果：

(1)本发明提供的外骨骼式手指康复训练机械手，其外骨骼在很大程度上都进行了弧度的优化设计，能够获得更好的压力角的同时，尽可能的获得更大的空间；同时仿人骨外形设计，使连杆(近指关节弧形角板、近指关节弧形推杆、中指关节弧形角板及中指关节弧形推杆)在连接的地方有更高的强度，整体的美观性和舒适性也得到了很大的提高；

(2)本发明提供的外骨骼式手指康复训练机械手，其驱动结构(直线电机)串联弹性元件，使动力输出端地更具柔顺性，弥补了电机驱动刚性的不足，使整个手指康复训练装置更具机构的柔顺、安全性以及佩戴的舒适性；

(3)本发明提供的外骨骼式手指康复训练机械手，通过位移传感器来反馈机械手的运动信息，从而实现对康复系统对机械手的精确控制；

(4)本发明提供的手指康复训练系统，通过采集、分析患者的EEG脑电信号，获取患者的主动动作意图，并根据该意图控制手指康复训练机械手动作，使患者可以自主式的进行康复训练，从而有效的阻止了患者的手指关节僵化，促进患者血液流通，刺激患者手部神经，帮助其恢复部分运动功能。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1是本发明的手指康复训练机械手的整体结构示意图；

图2是本发明的手指康复训练机械手中食指结构示意图；

图3是本发明的手指康复训练机械手的整体结构右视图；

图4是本发明的手指康复训练机械手中弹性连接局部放大图；

图5是本发明的手指康复训练机械手中的整体结构俯视图；

图6是本发明的基于脑电控制的手指康复训练系统组成图。

附图标记：

1-基座、2-小拇指训练组件、3-无名指训练组件、4-中指训练组件、5-食指训练组件、6-大拇指训练组件、7-螺栓、8-直线电机、9-电机输出端子、10-弹簧输出端子、11-近指关节弧形角板、12-近指关节弧形推杆、13-中指关节弧形角板、14-中指关节弧形推杆、15-电机支架、16-手指骨架板、17-直线位移传感器、18-位移传感器连接杆、19-移动滑台、20-近指骨外壳、21-中指骨外壳、22-大拇指安装调节孔、23-弹簧、24-导向块、25-螺钉、26-束缚绑带孔，27-EEG信号采集装置，28-信号处理模块，29-控制输出模块。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

针对现有手指康复治疗都需要在医院的康复治疗师的辅助下进行的技术问题，本发明提供了一种全新的手指康复训练装置，包括相互连接的外骨骼式的手指康复训练机械手及康复控制终端，在工作中，康复控制终端发送指令控制手指康复训练机械手动作，从而带动患者手指动作，帮助患者进行手指康复训练。

该手指康复训练机械手中包括驱动机构和执行结构，具体由康复控制终端实现对驱动结构和执行机构的控制，驱动机构为执行机构提供驱动从而完成手指的康复训练。如图1所示为手指康复训练机械手的整体结构示意图，从图中可以看出，该手指康复训练机械手中的执行结构包括包括基座1及固设于基座1表面、分别与患者五指对应的五个手指康复训练组件。五个手指康复训练组件分别为大拇指训练组件6、食指训练组件5、中指训练组件4、无名指训练组件3及小拇指训练组件2，其中，大拇指训练组件6设于基座1的侧面，食指训练组件5、中指训练组件4、无名指训练组件3及小拇指训练组件2设于基座1的上表面。驱动结构采用电机驱动的方式实现驱动的目的，具体，大拇指训练组通过电机支架15固定在基座1的侧面，其余4根手指的训练组件固定在基座1的上端面，各手指训练组件均由各自的直线电机8通过电机输出端子9推动压缩弹簧23和弹簧输出端子10，间接的将力作用在外骨骼机构上。

如图2-5所示，每个手指康复训练组件中分别包括：直线电机8、电机输出端子9、弹簧23(内部设有导向块24，弹簧朝向导向块24的方向压缩或弹开)、弹簧输出端子10、手指骨架板16、滑台19及外骨骼机构；其中，直线电机8的一端(尾端)通过螺栓7与电机支架15连接，进而通过电机支架15固设于基座1表面，另一端接电机输出端子9；电机输出端子9的另一端与弹簧23的一端连接；弹簧23的另一端接弹簧输出端子10；接弹簧输出端子10与外骨骼机构固定连接；滑台19(用于减少弹簧输出端子10运动过程中的阻力)通过螺钉25固设于手指骨架板16表面，弹簧输出端子10通过螺钉25与滑台19连接；手指骨架板16通过螺钉25固设于基座1表面，且一端与直线电机8连接(如与直线电机8的中间部分连接，以此直线电机8的中间部分由手指骨架板16支撑)，另一端与外骨骼机构连接。此外，手指康复训练组件中还包括直线位移传感器17和位移传感器连接杆18，用于测量弹簧23位置的直线位移传感器17通过专用胶水粘贴于手指骨架板16表面，且滑刷端由位移传感器连接杆18通过螺钉25与弹簧输出端子10连接；直线位移传感器17通过检测弹簧输出端子10的位置信息实现对弹簧23位置信息的测量。工作中，直线电机8接收康复控制终端的控制指令，通过电机输出端子9推动弹簧23动作，进而通过弹簧输出端子10带动外骨骼机构动作。

外骨骼机构中包括：近指骨外壳20、中指骨外壳21、近指关节弧形角板11、近指关节弧形推杆12、中指关节弧形角板13及中指关节弧形推杆14，其中，近指关节弧形角板11的前端通过螺钉25与弹簧输出端子10连接，底端通过螺钉25与手指骨架板16连接，后端通过螺钉25与近指关节弧形推杆12的一端连接；近指关节弧形推杆12的另一端与中指关节弧形角板13的前端连接；中指关节弧形角板13的后端通过螺钉25与近指骨外壳20连接，底端通过螺钉25与中指关节弧形推杆14的一端连接；中指关节弧形推杆14另一端通过螺钉25连接于中指骨外壳21上；近指骨外壳20通过带肩扣的铰链销与手指骨架板16连接，另一端与带肩扣的中指骨外壳21铰接；且近指关节弧形角板11、中指关节弧形角板13、近指关节弧形推杆12及近指骨外壳20组成四杆机构。

更进一步来说，如图2所示，近指骨外壳20和中指骨外壳21为适于放置患者手指的拱状结构，且中指关节弧形角板13的后端连接于近指骨外壳20的拱形顶端上，底端与中指关节弧形推杆14的一端连接；中指关节弧形推杆14另一端连接于中指骨外壳21的拱形顶端上；近指骨外壳20的拱形底端一侧与手指骨架板16铰接，另一侧与中指骨外壳21连接。

如图3和图4所示，当直线电机8接到命令开始往复运动时，其通过电机输出端子9推动压缩弹簧23和弹簧输出端子10，间接的将驱动力作用在由近指关节弧形角板11、近指关节弧形推杆12、中指关节弧形角板13、中指关节弧形推杆14、近指骨外壳20、中指骨外壳21组成的康复机械手执行机构上，完成手指的弯曲与伸展运动。直线位移传感器17通过传感器连接件与弹簧输出端子10连接，实现对弹簧23位置的测量，完成康复手的精确控制。

如图3和图5所示，基座1上设有大拇指安装调节孔22，以此可以根据不同人手调节大拇指组件的安装位置。基座1、近指骨外壳20及中指骨外壳21下方设有用于固定患者手掌及五指的束缚绑带，将患者五指置于相应的手指康复训练组件中。且基座1和近指骨外壳20、中指骨外壳21上的束缚绑带孔26也可以根据不同的手型调整绑带的松紧程度，提高手部康复过程的舒适度。

本发明还提供了一种基于脑电控制的手指康复训练系统，包括上述手指康复训练装置，还包括用于采集EEG脑电信号的EEG信号采集装置27，与康复控制终端连接。在工作过程中，患者接收人机交互界面的视觉刺激之后，通过穿戴在患者头部的EEG信号采集装置采集患者的EEG脑电信号，并发送至康复控制终端。具体，EEG信号采集装置通过设置的脑电传感器实现EEG脑电信号的采集。

康复控制终端中包括相互连接的信号处理模块28及控制输出模块29，信号处理模块用于对接收到的EEG脑电信号进行分析生成控制指令；控制输出模块用于将信号处理模块生成的控制指令发送至手指康复训练机械手。在信息处理模块对EEG脑电信号进行处理中，包括对EEG信号的预处理、脑电信号的特征提取及对特征信号的分类。控制输出模块将信号处理模块生成的控制指令发送至手指康复训练机械手之后，通过驱动机构驱动直线电机运动，进而控制外骨骼康复机械手动作，完成患者手指的弯曲与伸展运动。

康复控制终端中还包括位移信号获取模块，用于接收直线位移传感器测量的弹簧位置信息并发送至信号处理模块；以此信号处理模块根据接收到的弹簧位置信息生成新的控制指令，进行反馈控制。这一过程中，直线位移传感器实时监控外骨骼康复机械手的运动信息，保证康复训练过程中的安全性。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.一种手指康复训练装置，其特征在于，包括相互连接的外骨骼式的手指康复训练机械手及康复控制终端，所述康复控制终端发送指令控制手指康复训练机械手动作，从而带动患者手指动作；所述手指康复训练机械手中包括基座及固设于所述基座表面、分别与患者五指对应的五个手指康复训练组件；

每个所述手指康复训练组件中分别包括：直线电机、电机输出端子、弹簧、弹簧输出端子、手指骨架板、滑台及外骨骼机构；其中，所述直线电机一端固设于基座表面，另一端接电机输出端子；所述电机输出端子的另一端与弹簧的一端连接；所述弹簧的另一端接弹簧输出端子；所述接弹簧输出端子与所述外骨骼机构固定连接；所述滑台固设于所述手指骨架板表面，所述接弹簧输出端子滑动连接于所述滑台表面；所述手指骨架板固设于所述基座表面，且一端与直线电机连接，另一端与所述外骨骼机构连接；

所述直线电机接收所述康复控制终端的控制指令，通过电机输出端子推动所述弹簧动作，进而通过所述弹簧输出端子带动所述外骨骼机构动作。

2.如权利要求1所述的手指康复训练装置，其特征在于，所述手指康复训练组件中还包括直线位移传感器和位移传感器连接杆，所述直线位移传感器设于所述手指骨架板表面，且通过所述位移传感器连接杆与所述弹簧输出端子连接；所述直线位移传感器通过检测所述弹簧输出端子的位置信息实现对弹簧位置信息的测量。

3.如权利要求1或2所述的手指康复训练装置，其特征在于，所述外骨骼机构中包括：近指骨外壳、中指骨外壳、近指关节弧形角板、近指关节弧形推杆、中指关节弧形角板及中指关节弧形推杆，其中，所述近指关节弧形角板的前端与所述弹簧输出端子连接，底端与所述手指骨架板连接，后端与所述近指关节弧形推杆的一端连接；所述近指关节弧形推杆的另一端与所述中指关节弧形角板的前端连接；所述中指关节弧形角板的后端连接于所述近指骨外壳上，底端与所述中指关节弧形推杆的一端连接；所述中指关节弧形推杆另一端连接于所述中指骨外壳上；所述近指骨外壳的一端与所述手指骨架板铰接，另一端与所述中指骨外壳连接。

4.如权利要求3所述的手指康复训练装置，其特征在于，所述近指关节弧形角板、中指关节弧形角板、近指关节弧形推杆及近指骨外壳组成四杆机构。

5.如权利要求3所述的手指康复训练装置，其特征在于，所述近指骨外壳和中指骨外壳为适于放置患者手指的拱状结构，且所述中指关节弧形角板的后端连接于所述近指骨外壳的拱形顶端上，底端通过与所述中指关节弧形推杆的一端连接；所述中指关节弧形推杆另一端连接于所述中指骨外壳的拱形顶端上；所述近指骨外壳的拱形底端一侧与所述手指骨架板铰接，另一侧与所述中指骨外壳连接。

6.如权利要求1或2或4或5所述的手指康复训练装置，其特征在于，所述手指康复训练机械手中五个手指康复训练组件分别为大拇指训练组件、食指训练组件、中指训练组件、无名指训练组件及小拇指训练组件，其中，大拇指训练组件设于基座的侧面，食指训练组件、中指训练组件、无名指训练组件及小拇指训练组件设于基座的上表面。

7.如权利要求1或2或4或5所述的手指康复训练装置，其特征在于，所述基座、近指骨外壳及中指骨外壳下方设有用于固定患者手掌及五指的束缚绑带，将患者五指置于相应的手指康复训练组件中。

8.一种基于脑电控制的手指康复训练系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的手指康复训练装置，还包括用于采集EEG脑电信号的EEG信号采集装置，与所述康复控制终端连接；

所述康复控制终端中包括相互连接的信号处理模块及控制输出模块，所述信号处理模块用于对接收到的EEG脑电信号进行分析生成控制指令；所述控制输出模块用于将信号处理模块生成的控制指令发送至手指康复训练机械手。

9.如权利要求8所述的手指康复训练系统，其特征在于，当所述手指康复训练装置中包括直线位移传感器和位移传感器连接杆时，所述康复控制终端中还包括位移信号获取模块，用于接收直线位移传感器测量的弹簧位置信息并发送至信号处理模块；所述信号处理模块还用于根据接收到的弹簧位置信息生成新的控制指令。

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