CN113144535A - 一种可远程监控的手部康复训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可远程监控的手部康复训练系统，包括数据手套、外骨骼式辅助训练设备和软件系统。外骨骼式辅助训练设备可为手指运动增加阻力或辅助手指运动，配备于数据手套外部；数据手套用于采集手指运动时的手指弯曲程度和手部姿势数据，转化为电信号传输至单片机，单片机对该电信号进行处理，并通过通信模块传输至所述软件系统进行分析；软件系统包括云平台和游戏环境，云平台用于储存并实时反馈分析结果，游戏环境用于提供仿真训练场景。本系统可用于康复训练中心，便于医生掌握多名患者的恢复情况，大大提高了医疗资源的利用效率。

Description

一种可远程监控的手部康复训练系统
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体为一种可远程监控的手部康复训练系统。
背景技术
手部康复训练是针对手指、手腕等手部关节活动受困患者的每天必要的项目。经过一段时期的训练，患者的手部功能及力量能够得到有效恢复。而医生也需要及时了解患者的恢复状况，并制定针对性训练方案，决定是否需要提高训练强度。
针对这一情况，一款手部康复训练评估手套能够获取手部运动姿势的数据，从而及时反映手部的康复状态。它也可以配合康复训练器械，辅助患者关节运动或是给运动添加阻力，达到锻炼的效果。同时，手套采集的数据可经由通信模块上传至云平台，以便医生在远程实时掌握患者的康复状况。
现有的手部康复训练器械主要存在如下问题：医生无法得到患者手部关节弯曲角度的精确反馈，易造成患者在训练中受到二次损伤；此外，医护人员需要时刻监督患者的训练进度，造成一定程度上的医疗资源浪费。
申请公布号为CN 110559616 A的中国专利文件于2019.12.13公开了一种手部康复训练手套，通过患者将手穿戴在手套本体内，固定板与指部固定环组件之间通过弹性橡胶带连接，患者手指被弹性橡胶带拉住张开，患者通过手部用力握紧收缩手指及手掌，再缓慢卸力后被弹性橡胶带拉住张开，以达到锻炼手部肌肉的目的。该技术方案是通过患者本人的体验感受来进行判断和训练的，无法将手部训练的动作具体量化为参数提供给医生参考，且训练时需要患者和医生同时在场进行指导，不具有远程监控性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可远程监控的手部康复训练系统，旨在通过外骨骼式辅助训练系统进行手指的被动或主动运动辅助，同时通过数据手套采集数据并反馈给软件系统进行实时监测反馈，形成闭环。
一种可远程监控的手部康复训练系统，包括数据手套、外骨骼式辅助训练设备和软件系统，该数据手套的手指部外侧穿戴所述外骨骼式辅助训练设备，为手指运动增加阻力或辅助手指运动；所述数据手套用于采集手指运动时的手指弯曲程度和手部姿势数据，转化为电信号传输至单片机，单片机对该电信号进行处理，并通过通信模块传输至所述软件系统的云平台和游戏环境，云平台对该电信号进行存储和分析反馈，游戏环境提供仿真训练场景。
作为优选，数据手套包括手套本体，手套本体分为手指部和手背部，手指部内侧设有检测手指弯曲程度的弯曲传感器，手背部设有电路板，该电路板上设有检测手部姿势数据的惯性传感器，弯曲传感器与该电路板电性连接。
作为优选，电路板上还设有定值电阻，弯曲传感器串联该定值电阻，在该定值电阻两端连通电压，并将电压输出端依次连接射极跟随器和单片机，以获取手指弯曲程度的信号。
作为优选，数据手套手指部的指关节处设有固定弯曲传感器的第一固定装置，数据手套手指部的指节处设有限制弯曲传感器偏移的第二固定装置。
作为优选，外骨骼式辅助训练设备包括若干个起支撑作用的支撑板，相邻支撑板之间通过垂直转动结构连接，使外骨骼式辅助训练设备能够实现弯折与伸直动作；转动结构固定连接限位装置，以阻止关节过度弯曲；手背与手指之间的垂直转动结构固定连接水平转动结构，实现外骨骼手指的张开与闭合动作。
作为优选，垂直转动结构设于支撑板的一端，支撑板的另一端固定连接弹簧缸，弹簧缸内设有弹簧，实现外骨骼式辅助训练设备的弯折；该弹簧弹性连接弹簧复位装置，弹簧复位装置内设有双扭弹簧，能够在手指完全伸直的状态下提供弯曲力；弹簧复位装置与垂直转动结构固定连接。
作为优选，弹簧缸上方设有固定和连接拉线的拉线固定装置，最远端指关节上的拉线固定装置连接拉线的一端，拉线穿过其余各个指关节的拉线固定装置，另一端连在电机上，通过电机正转和反转实现拉线的收回和放松。
有益效果：
(1)本发明使用现代通信技术，利用数据手套实现患者康复训练数据的采集及实时上传，便于医生在远程进行监控并给出及时指导；
(2)本发明使用基于云服务器的远程监视系统，可设立一个康复训练中心，同时对不同地区的多名患者提供实时指导；
(3)本发明使用弹簧和拉线相结合的驱动装置，便于为患者提供辅助运动和增加阻力两种模式；
(4)本发明在手套内部关节处设计了固定装置，便于弯曲传感器更加贴合手指运动，有效增加了数据的精确度，进而提高了医生诊断的有效性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的整体系统工作原理框图；
图2为本发明一个实施例的数据手套整体示意图；
图3为本发明一个实施例的弯曲传感器安装结构示意图；
图4为本发明一个实施例的外骨骼式辅助训练设备机械结构示意图。
附图标记：1手套本体、2电路板、3弯曲传感器、4第一固定装置、5第二固定装置、6垂直转动结构、7水平转动结构、8拉线固定装置、9弹簧缸、10限位装置、11弹簧复位装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明集中从数据通信系统，机械运动装置，传感器安装结构三个方面进行优化，提供一种可远程监控的手部康复训练系统，包含数据手套、骨骼式辅助训练设备和软件系统，数据手套配备有弯曲传感器、惯性传感器、单片机、SD卡、4G模块等设备，能够实现手部姿态数据的采集及远程通信；外骨骼式辅助训练设备结合使用了电机牵拉机构及弹簧增力装置，能够辅助手指运动或是为手指运动增添阻力；软件系统包括基于云服务器的远程监视系统和游戏环境，能够帮助医生在远程实时监控患者的训练情况，从而有效提高患者的康复速率。同时，游戏环境能够增加康复训练的趣味性。
如图1所示，为本发明的整体系统工作原理框图。本发明提供了一种可远程监控的手部康复训练系统，包含数据手套，外骨骼式辅助训练设备和软件系统。患者进行康复训练时需佩戴数据手套，数据手套上装配了弯曲传感器和惯性传感器，可将患者手指弯曲程度和手部动作姿态数据通过调理电路转变为电信号并传输至单片机，单片机可对接收到的数据进行处理并上传至软件系统中的云服务器，医生从云服务器中接收数据，从而对患者进行远程监控，实时指导。同时，单片机可将接收到的数据上传至软件系统中的游戏环境中，实现人机交互。外骨骼式辅助训练设备可为患者提供主动、被动两种模式，被动模式用于患者康复前期，通过机械辅助手指运动，帮助患者度过手部损伤僵硬期；主动模式用于康复后期，为手指运动增添阻力，达到训练手部力量的目的。
其中，调理电路中，弯曲传感器应与定值电阻串联，两端接有5V电压，当弯曲传感器阻值发生变化，其电压随之变化，将电压输出端接入射极跟随器，再接入单片机，则可获得稳定的模拟电压信号。惯性传感器安装在手套背面的电路板上，用于检测手部整体的运动姿态。单片机使用STC12C5A60S2型号，用于实现数据采集及远程通信。
软件系统中，使用一款基于云服务器的远程监视系统，能够同时连接多个数据手套并将信息按编号分类显示在监控界面上，供医护人员远程观察并给出迅速而可靠的医学判断。同时，配套一款简单的游戏界面，患者使用数据手套可以在虚拟环境中进行抓取物品等一系列日常动作，在愉悦的心情中训练手指灵活度。
如图2所示，为本发明数据手套整体示意图。数据手套包括手套本体，手套本体1分为手指部和手背部，在手套本体1的手指部安装5片弯曲传感器3，弯曲传感器3连接至手套背面的电路板2，电路板2上装配有单片机、惯性传感器、4G模块、SD卡、电源及必要的电容、电阻、开关等元器件，具备采集信号和发送数据的功能。
如图3所示，为本发明弯曲传感器安装结构示意图。弯曲传感器3安装在数据手套的手套本体1内部，弯曲传感器3在指关节处穿过第一固定装置4，并被第一固定装置4固定于关节处，保证其贴合于手指。弯曲传感器3数据手套的手指部的指节处穿过第二固定装置5，并被第二固定装置5限制其偏移，但弯曲传感器3可在第二固定装置5中自由滑动，以便手指弯曲时传感器贴合手指跟随运动。
如图4所示，为外骨骼式辅助训练设备机械结构示意图。外骨骼式辅助训练设备包括若干个用于支撑手指的支撑板，相邻支撑板之间通过垂直转动结构6转动连接，手背与手指之间的垂直转动结构6连接水平转动结构7，用于实现外骨骼手指的张开与闭合动作。垂直转动结构6和水平转动结构7作为机械手的仿生指关节，使得机械运动轨迹符合人的手部动作。垂直转动结构6还固定连接限位结构10，以阻止指关节过度弯曲，从而降低患者训练时受到二次伤害的风险。垂直转动结构6设于支撑板的一端，支撑板的另一端固定连接弹簧缸9，利用弹簧缸9内部的弹簧弹力可驱动机械手指弯曲。弹簧缸9连接弹簧复位装置11，弹簧复位装置11固定连接垂直转动结构6。该弹簧复位装置11内设有双扭弹簧，可在手指完全伸直的状态下提供弯曲力。拉线固定装置8置于弹簧缸9上方，拉线由最远端指关节的拉线固定装置8引出，穿过其他固定装置后与电机相连，拉线两端分别连接电机和外骨骼机械手指关节，可通过电机正转收回拉线实现外骨骼式辅助训练设备的伸直。结合使用电机牵拉机构及弹簧增力装置，则可通过控制电机的输出功率，实现机械手指伸直及弯曲动作的转换。当电机反转时，拉线放松，弹簧弹力将迫使机械关节弯曲，从而辅助患者手部进行弯曲运动，主要用于患者康复前期，帮助患者度过手部损伤僵硬期。当电机正转时，电机牵引拉线并同时带动手指伸直，从而为手指弯曲添加阻力，用于患者康复后期。
本发明应用时驱动方式如下：当患者进行手部康复训练时，穿戴数据手套，然后穿戴上外骨骼式辅助训练设备并连通上位机；医生处也需配备一台上位机。康复训练过程中，患者与医生首先需要打开电脑并进行网络连接，确认连接正常后，医生与患者可直接进行语音交流。在医生指导下，患者佩戴数据手套并启动电源，同时打开上位机的信息接收端口，此时，数据手套将采集到的数据持续发送至上位机，上位机再通过网络将数据发送至医生处，医生的电脑端显示一个虚拟手部模型，通过接收到的数据，该模型应与患者手部做相同动作，以便医生进行观察。之后，医生指导患者启动外骨骼式辅助训练设备，患者在设定训练模式及训练强度后开始康复训练，患者康复前期，通过外骨骼辅助训练设备的电机反转，放松拉线并借助弹簧弹力辅助手指进行弯曲运动；患者康复后期，电机正转并带动拉线牵引拉线固定装置，为手指弯曲运动增添阻力，以提高训练强度。同时限位结构起到保护作用，防止手部康复时出现过度弯曲现象。数据手套内的弯曲传感器和惯性传感器实时监测手指的弯曲程度和手部动作姿态，并将数据上传给软件系统，软件系统反馈给医生实现闭环控制。同时，患者可在上位机启动游戏环境，在虚拟环境中进行抓取物品等一系列日常动作，提高康复训练的趣味性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可远程监控的手部康复训练系统，其特征在于：包括数据手套、外骨骼式辅助训练设备和软件系统，该数据手套的手指部外侧穿戴所述外骨骼式辅助训练设备，为手指运动增加阻力或辅助手指运动；所述数据手套用于采集手指运动时的手指弯曲程度和手部姿势数据，通过调理电路转化为电信号并传输至单片机，单片机对该电信号进行处理，并传输至所述软件系统的云平台和游戏环境，游戏环境中的虚拟手部模型能够根据采集到的电信号还原手部姿势；云平台能够分类收集多个手套信息并进行分析反馈。
2.根据权利要求1所述的可远程监控的手部康复训练系统，其特征在于：所述数据手套包括手套本体(1)，手套本体(1)分为手指部和手背部，所述手指部内侧设有检测手指弯曲程度的弯曲传感器(3)，所述手背部设有电路板(2)，该电路板(2)上设有检测手部姿势数据的惯性传感器，所述弯曲传感器(3)与该电路板(2)电性连接。
3.根据权利要求2所述的可远程监控的手部康复训练系统，其特征在于：所述电路板(2)上还设有定值电阻，所述弯曲传感器(3)串联该定值电阻，在该定值电阻两端连通电压，并将电压输出端依次连接射极跟随器和单片机，以获取手指弯曲程度的信号。
4.根据权利要求3所述的可远程监控的手部康复训练系统，其特征在于：所述数据手套手指部的指关节处设有固定弯曲传感器(3)的第一固定装置(4)，所述数据手套手指部的指节处设有限制弯曲传感器(3)偏移的第二固定装置(5)。
5.根据权利要求1或4所述的可远程监控的手部康复训练系统，其特征在于：所述外骨骼式辅助训练设备包括若干个起支撑作用的支撑板，相邻支撑板之间通过垂直转动结构(6)连接，使外骨骼式辅助训练设备能够实现弯折与伸直动作；所述转动结构(6)固定连接限位装置(10)，以阻止关节过度弯曲；手背与手指之间的垂直转动结构(6)固定连接水平转动结构(7)，实现外骨骼手指的张开与闭合动作。
6.根据权利要求5所述的可远程监控的手部康复训练系统，其特征在于：所述垂直转动结构(6)设于支撑板的一端，该支撑板的另一端固定连接弹簧缸(9)，所述弹簧缸(9)内设有弹簧，实现外骨骼式辅助训练设备的弯折；该弹簧弹性连接弹簧复位装置(11)，所述弹簧复位装置(11)内设有双扭弹簧，能够在手指完全伸直的状态下提供弯曲力；所述弹簧复位装置(11)与所述垂直转动结构(6)固定连接。
7.根据权利要求6所述的可远程监控的手部康复训练系统，其特征在于：所述弹簧缸(9)上方设有固定和连接拉线的拉线固定装置(8)，最远端指关节上的拉线固定装置(8)连接拉线的一端，拉线穿过其余各个指关节的拉线固定装置(8)，另一端连在电机上，通过电机正转和反转实现拉线的收回和放松。
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