CN111700773A - 一种手指康复训练装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种手指康复训练装置，包括康复手套、软体驱动器驱动的手指康复训练机械手及基于sEMG控制的手指康复训练系统；工作状态下，康复手套与手指康复训练机械手连接，基于sEMG控制的手指康复训练系统包括sEMG信号采集模块、信号处理模块和控制输出模块；手指康复训练机械手包括基座及固设于基座表面、分别与患者五指对应相接的五个手指康复训练组件，手指康复训练组件中的直线电机接收控制输出模块的控制指令，通过电机输出端子推动弹簧片动作，弹簧片变形弯曲进而带动软体驱动器动作，从而有效帮助患者手指进行自主康复训练，该装置的机构柔顺性、安全性以及佩戴的舒适性都有较大提升，对患者恢复更有助益。
Description
技术领域
本发明涉及康复训练装置技术领域，具体涉及一种手指康复训练装置。
背景技术
手功能是否健全是影响一个人能否独立生活的重要因素，丧失部分或全部手指运动能力将使人无法正常完成日常生活动作，降低患者的生活质量，中风后手指肌无力是手功能丧失的主要表现，导致手指无法伸展。研究表明，对中风患者进行持续高强度的重复训练有助于手部运动功能的康复。传统的中风康复治疗中，需要治疗师与患者进行一对一的手把手式康复治疗，这种方法不仅成本高、劳动量大，而且无法保证康复训练效果和强度，缺乏康复训练参数，导致无法通过对训练参数优化来获得最佳治疗方案。
近年来，机器人技术越来越多地应用于康复训练，人们期望机器人能够提供比人工治疗更好的训练和定量的评估恢复状态。研究表明，患者在机器人辅助下进行一定强度的重复康复训练可以显著改善手部运动功能。康复机器人装置除了是一种康复治疗辅助手段，还可为永久性失去手功能或手功能减弱的这一部分中风患者提供帮助。
但是，现有的手指康复训练机器人无论是在柔顺性、普适性、使用便捷性还是控制精准性方面均有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种手指康复训练装置，该训练装置由软体驱动器驱动，能够帮助患者手指进行自主康复训练。
为了实现上述技术目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：本发明提供
一种全新的手指康复训练装置，包括康复手套、软体驱动器驱动的手指康复训练机械手及基于sEMG控制的手指康复训练系统；
工作状态下，康复手套与手指康复训练机械手连接，基于sEMG控制的手指康复训练系统包括sEMG信号采集模块、信号处理模块和控制输出模块，sEMG信号采集模块通过穿戴在患者手臂上的sEMG信号采集装置中的电极贴片和肌电采集设备采集患者的肌电信号，信号处理模块用于对接收到的sEMG肌电信号进行分析以生成控制指令，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，控制手指康复训练机械手动作；
手指康复训练机械手包括基座及固设于基座表面、分别与患者五指对应相接的五个手指康复训练组件，分别是设于基座侧面的大拇指训练组件和设于基座上表面的食指训练组件、中指训练组件、无名指训练组件及小拇指训练组件；
五个手指康复训练组件的基本结构相同，均包括直线电机、电机输出端子、弹簧片、软体驱动器和弯曲传感器，直线电机的一端通过螺栓与固定在基座上的电机底座连接、另一端通过螺钉与电机输出端子连接，电机输出端子远离直线电机的一端与弹簧片的一端固定连接，弹簧片安装在软体驱动器中预设的弹簧片预设孔中，弹簧片的另一端与软体驱动器远离基座的一端固定连接；在软体驱动器内预设的传感器安装孔中设有弯曲传感器，在软体驱动器的底部沿其长度方向均布数个固定小孔，魔术贴子面通过固定小孔固定连接在软体驱动器的底部，在康复手套的指套背部与魔术贴子面对应的位置设有可与魔术贴子面对应相接的魔术贴母面。
进一步地，信息处理模块对sEMG肌电信号进行处理的过程中，包括对sEMG肌电信号的预处理、sEMG肌电信号的特征提取及对特征信号的分类。
进一步地，基于sEMG控制的手指康复训练系统中设有弯曲信号获取模块，弯曲传感器测量得到的软体驱动器的弯曲角度信息被弯曲信号获取模块获取并传递给信号处理模块，信号处理模块根据接收到的弯曲角度信息生成新的控制指令。
进一步地，在基座的两侧面上对应设有束缚绑带孔，其内穿套束缚绑带用于将患者手掌与该手指康复训练机械手绑定。
进一步地，在直线电机的内侧面上设有电机支架用于支撑电机，电机支架通过螺钉固设于基座表面。
进一步地，软体驱动器由弹性硅胶制作而成，软体驱动器整体为半圆柱体形，弹簧预设孔沿软体驱动器的长度方向延伸。
进一步地，在软体驱动器的上表面上对应指关节的位置均设有数个间隔槽。
进一步地，在基座上用于安装大拇指训练组件的侧面上纵向设有数个大拇指安装调节孔，大拇指训练组件中的电机支架选择性地与适当位置的大拇指安装调节孔连接。
本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的软体驱动器驱动的手指康复训练机械手，其软体驱动器采用弹性硅胶材料制成，单根软体驱动器外观为半圆柱体形，同时对应的手指各关节处有间隔，使得驱动机构更具柔顺性，可以避免运动过程中手指关节中心和传统连杆结构中心存在偏差的问题；
（2）本发明提供的软体驱动器驱动的手指康复训练机械手，采用软体驱动器驱动，使动力输出端更具柔顺性，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）本发明提供的软体驱动器驱动的手指康复训练机械手，软体驱动器通过魔术贴与康复手套粘贴，可以根据不同患者手掌尺寸，定制不同尺寸的软体驱动器，安装、拆卸比较方便；
（4）本发明提供的软体驱动器驱动的手指康复训练机械手，通过弯曲传感器来实时反馈机械手的运动信息，从而实现康复系统对机械手的精确控制；
（5）本发明提供的手指康复训练系统，通过采集、分析患者的sEMG肌电信号，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，从而有效的防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
图1是手指康复训练机械手的整体结构示意图；
图2是手指康复训练机械手中食指训练组件的结构示意图；
图3是图2中A部分的结构放大图；
图4是图2中B部分的结构放大图
图5是软体驱动器的剖面示意图；
图6是弯曲传感器的结构示意图；
图7是图1所示手指康复训练机械手的右视示意图；
图8是图1所示手指康复训练机械手的俯视示意图；
图9是sEMG信号采集装置的结构示意图；
图10是基于sEMG控制的手指康复训练系统组成图。
其中，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-直线电机、8-电机输出端子、9-弹簧片、10-软体驱动器、11-魔术贴子面、12-螺钉、13-弯曲传感器、14-驱动器固定小孔、15-弹簧片预设孔、16-弯曲传感器预设孔、17-螺栓、18-电机底座、19-电机支架、20-大拇指安装调节孔、21-束缚绑带孔、22-电极贴片、23-肌电采集设备、24-sEMG信号采集模块，25-信号处理模块，26-控制输出模块。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
目前而言，手指康复治疗大多还是需要在医院的康复治疗师的辅助下进行的，这种形式的康复训练的人力成本比较高，且不能及时进行康复数据的采集和恢复状态的评估，导致训练计划无法得到及时有效的调整，针对该问题，本发明提供了一种全新的手指康复训练装置，主要包括康复手套、软体驱动器驱动的手指康复训练机械手及基于sEMG控制的手指康复训练系统。
在工作中，患者佩戴康复手套后，将康复手套与手指康复训练机械手连接，基于sEMG控制的手指康复训练系统包括sEMG信号采集模块24、信号处理模块25和控制输出模块26，sEMG信号采集模块24通过穿戴在患者手臂上的sEMG信号采集装置中的电极贴片22和肌电采集设备23采集患者的肌电信号，其主要通过装置中的肌电传感器实现sEMG肌电信号的采集，信号处理模块25用于对接收到的sEMG肌电信号进行分析以生成控制指令，控制输出模块26用于将信号处理模块25生成的控制指令发送至手指康复训练机械手，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。
信息处理模块26对sEMG肌电信号进行处理的过程中，包括对sEMG肌电信号的预处理、sEMG肌电信号的特征提取及对特征信号的分类。
图1为软体驱动器驱动的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包括基座1及固设于基座1表面、分别与患者五指对应相接的五个手指康复训练组件，分别是设于基座1侧面的大拇指训练组件6和设于基座1的上表面的食指训练组件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，针对左手进行康复训练的机械手的大拇指训练组件6设于基座1由侧面上，针对右手进行康复训练的机械手的大拇指训练组件6设于基座的左侧面上，图1示出的为针对左手进行康复训练的机械手。
五个手指康复训练组件的基本结构相同，均包括直线电机7、电机输出端子8、弹簧片9、软体驱动器10和弯曲传感器13，直线电机7的一端通过螺栓17与固定在基座1上的电机底座18连接、另一端通过螺钉12与电机输出端子8连接，电机输出端子8远离直线电机7的一端与弹簧片9的一端固定连接，弹簧片9安装在软体驱动器10中预设的弹簧片预设孔15中，弹簧片9的另一端与软体驱动器10远离基座1的一端固定连接；在软体驱动器10内预设的传感器安装孔16中设有弯曲传感器13用于测量软体驱动器10的弯曲角度信息以实现对康复手的弯曲、伸展的精确控制，在软体驱动器10的底部沿其长度方向均布数个固定小孔14，魔术贴子面11通过固定小孔14固定连接在软体驱动器10的底部，在康复手套的指套背部与魔术贴子面11对应的位置设有可与魔术贴子面对应相接的魔术贴母面，使用时患者戴上康复手套并使指部的魔术贴母面与魔术贴子面11对应相接即可完成手指与手指康复训练组件之间的连接固定工作。
基于sEMG控制的手指康复训练系统中设有弯曲信号获取模块，弯曲传感器13测量得到的软体驱动器10的弯曲角度信息被弯曲信号获取模块获取并传递给信号处理模块，信号处理模块根据接收到的弯曲角度信息生成新的控制指令。
针对具体患者实际使用时，可以根据患者手型的不同，更换不同尺寸的软体驱动器10以提高使用时的舒适度，提升训练效果。
在基座1的两侧面上对应设有束缚绑带孔21，其内穿套束缚绑带，使用时，患者戴上康复手套并通过魔术贴完成手指部位与手指训练组件的连接后，束缚绑带用于将患者手掌与该手指康复训练机械手绑定，从而将患者五指相对稳定地置于相应的手指康复训练组件中，可以通过调节手掌束缚绑带的松紧程度来提高手部康复过程的舒适度。
在直线电机7的内侧面上设有电机支架19用于支撑电机，电机支架19通过螺钉12固设于基座1表面。
软体驱动器10由弹性硅胶制作而成，软体驱动器10整体为半圆柱体形，弹簧预设孔15沿软体驱动器的长度方向延伸，便于通过弹簧片9的动作带动软体驱动器10进行相应的伸缩动作。
在软体驱动器10的上表面上对应指关节的位置设有数个间隔槽，便于进行康复训练时软体驱动器10能随手指正常进行弯曲和伸展运动。
在基座1上用于安装大拇指训练组件6的侧面上纵向设有数个大拇指安装调节孔20，大拇指训练组件6中的电机支架19选择性地与适当位置的大拇指安装调节孔20连接，以此可以根据不同人手调节大拇指组件的安装位置。
具体操作使用流程：
患者接收人机交互界面的视觉刺激之后，通过穿戴在患者手臂的sEMG信号采集装置中的电极片22和肌电采集设备23采集患者的肌电信号；信号处理模块25用于对接收到的sEMG肌电信号进行分析生成控制指令；控制输出模块26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。
与此同时，患者穿戴好康复手套，之后将手套指部的魔术贴母面与相应的软体驱动器10底部的魔术贴子面11对应连接，用束缚绑带固定好手掌。
直线电机7接收控制输出模块26的控制指令后，通过电机输出端子8推动弹簧片9动作，进而带动软体驱动器10进行相应的弯曲和伸展运动以进行手指活动康复训练，具体地，直线电机7的推杆向外推出，推动弹簧片9发生形变，由于软体驱动器10与患者手指固定，所以软体驱动器10的外侧端相对固定，弹簧片9被压缩变形即会带动手指发生弯曲，当直线电机7的推杆后退时，软体驱动器10从拱起状态恢复为伸直状态，即会带动患者手指进行伸展运动，弯曲伸展过程中的弯曲角度信息将由弯曲传感器13采集，并通过弯曲信号获取模块获取弯曲角度信息后发送至信号处理模块25；以此信号处理模块25根据接收到的软体驱动器10的弯曲角度信息可生成新的控制指令，进行反馈控制。
在康复训练过程中，弯曲传感器13还可实时监控外骨骼康复训练机械手的运动信息，保证康复训练过程中的安全性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (8)
1.一种手指康复训练装置，其特征在于，包括康复手套、软体驱动器驱动的手指康复训练机械手及基于sEMG控制的手指康复训练系统；工作状态下，康复手套与手指康复训练机械手连接，基于sEMG控制的手指康复训练系统包括sEMG信号采集模块、信号处理模块和控制输出模块，sEMG信号采集模块通过穿戴在患者手臂上的sEMG信号采集装置中的电极贴片和肌电采集设备采集患者的肌电信号，信号处理模块用于对接收到的sEMG肌电信号进行分析以生成控制指令，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，控制手指康复训练机械手动作；手指康复训练机械手包括基座及固设于基座表面、分别与患者五指对应相接的五个手指康复训练组件，分别是设于基座侧面的大拇指训练组件和设于基座上表面的食指训练组件、中指训练组件、无名指训练组件及小拇指训练组件；五个手指康复训练组件的基本结构相同，均包括直线电机、电机输出端子、弹簧片、软体驱动器和弯曲传感器，直线电机的一端通过螺栓与固定在基座上的电机底座连接、另一端通过螺钉与电机输出端子连接，电机输出端子远离直线电机的一端与弹簧片的一端固定连接，弹簧片安装在软体驱动器中预设的弹簧片预设孔中，弹簧片的另一端与软体驱动器远离基座的一端固定连接；在软体驱动器内预设的传感器安装孔中设有弯曲传感器，在软体驱动器的底部沿其长度方向均布数个固定小孔，魔术贴子面通过固定小孔固定连接在软体驱动器的底部，在康复手套的指套背部与魔术贴子面对应的位置设有可与魔术贴子面对应相接的魔术贴母面。
2.如权利要求1所述的一种手指康复训练装置，其特征在于，信息处理模块对sEMG肌电信号进行处理的过程中，包括对sEMG肌电信号的预处理、sEMG肌电信号的特征提取及对特征信号的分类。
3.如权利要求1所述的一种手指康复训练装置，其特征在于，基于sEMG控制的手指康复训练系统中设有弯曲信号获取模块，弯曲传感器测量得到的软体驱动器的弯曲角度信息被弯曲信号获取模块获取并传递给信号处理模块，信号处理模块根据接收到的弯曲角度信息生成新的控制指令。
4.如权利要求1所述的一种手指康复训练装置，其特征在于，在基座的两侧面上对应设有束缚绑带孔，其内穿套束缚绑带用于将患者手掌与该手指康复训练机械手绑定。
5.如权利要求1所述的一种手指康复训练装置，其特征在于，在直线电机的内侧面上设有电机支架用于支撑电机，电机支架通过螺钉固设于基座表面。
6.如权利要求1所述的一种手指康复训练装置，其特征在于，软体驱动器由弹性硅胶制作而成，软体驱动器整体为半圆柱体形，弹簧预设孔沿软体驱动器的长度方向延伸。
7.如权利要求1所述的一种手指康复训练装置，其特征在于，在软体驱动器的上表面上对应指关节的位置均设有数个间隔槽。
8.如权利要求1所述的一种手指康复训练装置，其特征在于，在基座上用于安装大拇指训练组件的侧面上纵向设有数个大拇指安装调节孔，大拇指训练组件中的电机支架选择性地与适当位置的大拇指安装调节孔连接。
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