CN111773031A - 结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
一种结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，包括：各自带有形状记忆合金驱动器的刚性拇指关节和柔性腕指连接端，其中：刚性拇指关节上设有视觉追踪标记点并通过视觉追踪系统实时监测外展角，通过闭环反馈实现对形状记忆合金驱动器的精确控制。本发明能够随时随地的进行康复训练；采用形状记忆合金作为驱动器，相较于电机、气缸具有更大的功重比，并且由于体积和质量小，则对人手的负担小；采用柔性结构能够良好贴合人手；结合计算机视觉追踪，实现了闭环反馈控制，提高了控制精度，保证了外展角度受到实时监测，提升了外骨骼的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种康复训练设备领域的技术，具体是一种结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置。
背景技术
对于痉挛性脑瘫引起的拇指内收，利用矫正器治疗是通过拉伸或固定的方式来实现患者拇指的外展，由于其采用静态而非动态帮助患者进行拇指外展运动，而无法实现良好的治疗效果。随着机器人技术的快速发展，现有的康复机器人通常采用电机或舵机作为驱动器，不仅结构复杂，体积较大，不便于患者佩戴，而且为刚性运动，与患者肌肉的柔性运动有较大差异，从而影响康复训练效果。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，采用形状记忆合金作为驱动器，通过在人手拇指P1和P2关节的外骨骼部分采用刚性结构，在手腕与拇指连接的外骨骼部分采用柔性结构，柔性运动带动患者拇指进行外展康复训练，并且结合计算机视觉追踪作为反馈控制手段，提高了外骨骼的运动精度，实现了外骨骼在人手拇指的可穿戴性，进一步改善了康复训练效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，包括：各自带有形状记忆合金驱动器的刚性拇指关节和柔性腕指连接端，其中：刚性拇指关节上设有视觉追踪标记点并通过视觉追踪系统实时监测外展角，通过闭环反馈实现对形状记忆合金驱动器的精确控制。
所述的刚性拇指关节包括：通过转动关节相铰接的尖端指节外骨骼和中间指节外骨骼，视觉追踪标记点具体设置于尖端指节外骨骼、中间指节外骨骼和转动关节表面设置视觉追踪标记点以实时监测外展角。
所述的柔性腕指连接端包括：柔性带和位于其上的手表锁扣。
所述的尖端指节外骨骼包括：用于容纳人手拇指P1指节的腔体、分别设置在腔体两侧的转动组件以及位于二者之间的连接杆。
所述的转动组件包括：扭矩弹簧、转动内轴和带有第一扭矩弹簧槽的转动外轴，其中：转动内轴与转动外轴同轴设置，扭矩弹簧缠绕在转动内轴外侧且一端固定于第一扭矩弹簧槽内。
所述的中间指节外骨骼包括：用于容纳人手拇指P2指节的腔体和分别设置在腔体两侧、与尖端指节外骨骼的转动组件配合的带有第二扭矩弹簧槽的半开放式转动轴套。
所述的转动组件的第一扭矩弹簧的另一端设置于第二扭矩弹簧槽内。
所述的形状记忆合金驱动器包括：设置于左右对称的壳体内的导线、导片、形状记忆合金弹簧和软绳，其中：导线与形状记忆合金弹簧的两端相连，导片与形状记忆合金弹簧固定连接，软绳的一端与形状记忆合金弹簧相连并由壳体的输出孔输出以与尖端指节外骨骼的连接杆以及中间指节外骨骼的连接孔连接。
所述的壳体的底部设有隔热腔以减小驱动器的传导热的速度。
所述的中间指节外骨骼在与掌部肌肉的交接处设有缺口以便于穿戴。
技术效果
本发明整体解决矫正器治疗等不能良好治疗拇指内收的问题；与现有技术相比，本发明能帮助患者做拇指外展运动，具有便携性，能够随时随地的进行康复训练；采用形状记忆合金作为驱动器，相较于电机、气缸具有更大的功重比，并且由于体积和质量小，则对人手的负担小；采用柔性结构能够良好贴合人手；结合计算机视觉追踪，实现了闭环反馈控制，提高了控制精度，同时保证了外展角度受到实时监测，提升了外骨骼的安全性。
附图说明
图1为本实施例应用时的示意图；
图2为尖端指节的结构示意图；
图3为中间指节的结构示意图；
图4为腕指连接结构的示意图；
图5为驱动器的结构示意图；
图中：刚性拇指关节1、腕指连接端2、驱动器3、尖端指节外骨骼4、中间指节外骨骼5、转动关节6、软绳7、第一标记点8、扭矩弹簧9、螺纹孔10、转动内轴11、转动外轴12、第一扭矩弹簧槽13、尖端指节腔体14、连接杆15、隔热层16、第一驱动器连接板17、倒圆孔18、梯形凸台19、中间指节腔体20、第二扭矩弹簧槽21、转动轴套22、轴承孔23、轴承24、第二标记点25、连接孔26、支撑板27、带状孔28、形状记忆合金弹簧29、第二驱动器连接板30、螺丝连接杆31、柔性带32、手表锁扣33、内腔34、紧固臂35、导线孔36、输出孔37、导片38、带孔凸台39、隔热腔40、导片腔41、导线42。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，包括：带有视觉追踪标记点的刚性拇指关节1和柔性腕指连接端2，以及分别与二者连接的两个驱动器3。
所述的刚性拇指关节1包括：通过转动关节6相铰接的尖端指节外骨骼4和中间指节外骨骼5。
所述的尖端指节外骨骼4包括：用于容纳人手拇指P1指节的腔体14、分别设置在腔体两侧的转动组件以及位于二者之间的连接杆15。
所述的转动组件包括：扭矩弹簧9、转动内轴11和带有第一扭矩弹簧槽13的转动外轴12，其中：转动内轴11与转动外轴12同轴设置，扭矩弹簧9缠绕在转动内轴11外侧且一端固定于第一扭矩弹簧槽13内。
所述的中间指节外骨骼5包括：用于容纳人手拇指P2指节的腔体20和分别设置在腔体两侧与转动组件配合的带有第二扭矩弹簧槽21的半开放式转动轴套22，以及位于二者之间的带有倒圆孔18的梯形凸台19，其中：转动组件的扭矩弹簧9的另一端在尖端指节外骨骼4与中间指节外骨骼5呈垂直状态时插入第二扭矩弹簧槽21。
所述的转动关节6为相互配合的滚珠轴承24与螺钉，其中：滚珠轴承24与转动轴套22的轴承孔23过盈配合，螺钉穿过滚珠轴承24与转动内轴11的螺纹孔10相连。
所述的中间指节外骨骼5在与掌部肌肉的交接处设有缺口以便于穿戴。
所述的柔性腕指连接端2包括：柔性带32和位于其上的手表锁扣33。
所述的形状记忆合金驱动器3包括：由螺栓紧固的左右对称的外壳体、带孔凸台39、导线42、导片38、形状记忆合金弹簧29和软绳7，其中：带孔凸台39设置于外壳体底部，导线42设置于外壳体的导线孔36中，导片38设置于外壳体的导片腔41中，形状记忆合金弹簧29位于外壳体的内腔34，导片38与形状记忆合金弹簧29通过锡焊连接，软绳7的一端与形状记忆合金弹簧29相连并由外壳体的输出孔37输出，软绳7的两端分别与连接杆15和中间指节外骨骼5的连接孔26连接。
所述的倒圆孔18为软绳7提供导向。
所述的外壳体的底部设有隔热腔40以减小驱动器3的传导热的速度并起隔热作用。
所述的外壳体的两侧各设有两个紧固臂35以保证驱动器3左右两部分紧密连接。
所述的带孔凸台39分别通过第一驱动器连接板17和第二驱动器连接板30与对应的中间指节外骨骼5和柔性带32连接，该带孔凸台39为减小了驱动器3与驱动连接板的接触面积以降低传热，该孔用于实现螺栓连接。
所述的第一驱动器连接板17通过支撑板27与中间指节外骨骼5连接，且该连接板上设有带状孔28。
所述的第二驱动器连接板30通过螺丝连接杆31与柔性带32连接。
所述的驱动器3与驱动器连接板之间设有隔热层16。
所述的视觉追踪标记点设置于尖端指节外骨骼4的第一标记点8、中间指节外骨骼5的第二标记点25和转动关节6的表面，具体是将这三处位置粘贴或喷涂圆形彩色标记，分别为红绿蓝三色。通过视觉追踪系统追踪这三点在运动过程中的实时运动位置，通过实时计算第一标记点8到转动关节6的连线与第二标记点25到转动关节6的连线所成的夹角。
所述的视觉追踪系统包括：支持OpenMV的智能摄像头和识别模块，其中：智能摄像头获取图像，通过识别模块对图像进行处理，通过设置色域的阈值，识别出图像中标记点在图像中的像素坐标，通过坐标矩阵变换，获得标记点的实时位置，进一步计算得到尖端指节外骨骼4和中间指节外骨骼5实时所成的角度。
所述的内腔34、导线孔36、输出孔37和软绳7保证驱动器3能够输出方向稳定的拉力。
所述的软绳7均采用软钢丝绳。
所述的形状记忆合金弹簧29为镍钛单程记忆形状记忆合金，在常温下处于自然伸长状态，在通电升温时处于收缩状态，当导线42在形状记忆合金弹簧29的两端施加电流，形状记忆合金弹簧29将缩短至记忆状态，通过脉冲宽度变调控制电路，可以控制形状记忆合金弹簧29两端的电流，进而控制形状记忆合金弹簧29变形与否以及变形快慢。由于形状记忆合金具有高温奥氏体相以及低温马氏体相，同时具有应力诱发马氏体相；在患者拇指内收症状以及扭矩弹簧9的作用下，形状记忆合金弹簧29将处于伸长变形状态，即形状记忆合金为马氏体体相，在拇指需要进行外展运动时，对形状记忆合金弹簧29施加电流，根据焦耳定律，弹簧将升温，使形状记忆合金由马氏体相变为奥氏体相，即形状记忆合金弹簧29从伸长状态回复到收缩状态，在形状记忆合金弹簧29收缩过程中，可以输出拉伸力，便可以把拇指由内收状态拉伸到外展状态；外展运动结束后只需要停止对形状记忆合金通电，温度下降，形状记忆合金弹簧29重新变为马氏体相，形状记忆合金弹簧29便重新在患者拇指内收症状以及扭矩弹簧9的作用下变为伸长状态。
当患者拇指需要进行外展康复训练时，通过设置要对患者进行拇指外展康复运动的角度与速度，脉冲宽度变调电路控制系统将对驱动器3输出电流，腕指连接端2与中间指节外骨骼5上的驱动器3带动外骨骼进行运动，外骨骼带动患者拇指进行外展康复训练，通过引入计算机视觉反馈的实时追踪，实现了闭环反馈控制；并且由于引入了视觉追踪系统，保证了外展角度受到实时监测，提升了外骨骼的安全性。具体地，外展康复包括：中间指节外骨骼5与尖端指节外骨骼4通过转动由垂直状态变为水平状态，带动人手拇指的指间关节由弯曲内收状态运动为外展状态；在驱动器3的带动下，中间指节外骨骼5在腕指连接端2上的驱动器3拉伸下做外展运动，带动人手拇指的掌指关节及第一腕掌关节做外展运动；在扭矩弹簧9的带动下，尖端指节外骨骼4和中间指节外骨骼5由拉伸水平状态回复到弯曲垂直状态。
综上，本发明能够帮助患者做拇指外展运动，具有便携性，能够随时随地的进行康复训练；本发明采用了混合式结构形式，相较于纯刚性外骨骼难以紧密佩戴在拇指上的缺陷，本发明易于穿戴；采用形状记忆合金作为驱动器，相较于电机、气缸具有更大的功重比，并且由于体积和质量小，则对人手的负担小；现有的采用形状记忆合金作为驱动器的装置，由于形状记忆合金具有迟滞性，且在柔性驱动器中无法采用角度传感器作为反馈，控制精度低，本发明结合计算机视觉追踪，实现了闭环反馈控制，提高了控制精度，同时保证了外展角度受到实时监测，提升了外骨骼的安全性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征在于，包括：各自带有形状记忆合金驱动器的刚性拇指关节和柔性腕指连接端，其中：刚性拇指关节上设有视觉追踪标记点并通过视觉追踪系统实时监测外展角，通过闭环反馈实现对形状记忆合金驱动器的精确控制；
所述的刚性拇指关节包括：通过转动关节相铰接的尖端指节外骨骼和中间指节外骨骼，视觉追踪标记点具体设置于尖端指节外骨骼、中间指节外骨骼和转动关节表面设置视觉追踪标记点以实时监测外展角。
2.根据权利要求1所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的柔性腕指连接端包括：柔性带和位于其上的手表锁扣。
3.根据权利要求1所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的尖端指节外骨骼包括：用于容纳人手拇指P1指节的腔体、分别设置在腔体两侧的转动组件以及位于二者之间的连接杆；中间指节外骨骼包括：用于容纳人手拇指P2指节的腔体和分别设置在腔体两侧、与尖端指节外骨骼的转动组件配合的带有第二扭矩弹簧槽的半开放式转动轴套。
4.根据权利要求3所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的形状记忆合金驱动器包括：设置于左右对称的壳体内的导线、导片、形状记忆合金弹簧和软绳，其中：导线与形状记忆合金弹簧的两端相连，导片与形状记忆合金弹簧固定连接，软绳的一端与形状记忆合金弹簧相连并由壳体的输出孔输出以与尖端指节外骨骼的连接杆以及中间指节外骨骼的连接孔连接。
5.根据权利要求1所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的视觉追踪标记点设置于尖端指节外骨骼的第一标记点、中间指节外骨骼的第二标记点和转动关节的表面，即将这三处位置粘贴或喷涂圆形彩色标记，通过视觉追踪系统追踪这三点在运动过程中的实时运动位置，通过实时计算第一标记点到转动关节的连线与第二标记点到转动关节的连线所成的夹角。
6.根据权利要求1所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的视觉追踪系统包括：支持OpenMV的智能摄像头和识别模块，其中：智能摄像头获取图像，通过识别模块对图像进行处理，通过设置色域的阈值，识别出图像中标记点在图像中的像素坐标，通过坐标矩阵变换，获得标记点的实时位置，进一步计算得到尖端指节外骨骼和中间指节外骨骼实时所成的角度。
7.根据权利要求1所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的壳体的底部设有隔热腔以减小驱动器的传导热的速度。
8.根据权利要求1所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的壳体的底部设有带孔凸台，该带孔凸台通过驱动器连接板与中间指节外骨骼和柔性腕指连接端连接。
9.根据权利要求8所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的驱动器与驱动器连接板之间设有隔热层。
10.根据权利要求1～9所述的结合视觉反馈系统的人手拇指内收康复用外骨骼装置，其特征是，所述的中间指节外骨骼在与掌部肌肉的交接处设有缺口以便于穿戴。
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