CN114681269B - 康复训练机器手及结合虚拟现实和运动想象的手功能康复训练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种康复训练机器手及结合虚拟现实和运动想象的手功能康复训练方法，康复训练机器手通过类似人体手掌的结构佩戴在人手上，带动人手进行康复训练，其特征在于，在该结构中设置有控制掌指关节和近端指关节的运动传动机构，其中，大拇指上一个，食指、中指、无名指和小拇指各两个，使得大拇指、食指、中指、无名指和小拇指绕掌指关节和近端指关节转动；所述运动机构包括位于底座上方的电机，在电机上连接有蜗杆，蜗杆连接扇形蜗轮，扇形蜗轮通过转动连杆和手指的近骨节或远骨节相连接，从而实现动力的传递。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，涉及机器手的设计，特别涉及一种康复训练机器手及结合虚拟现实和运动想象的手功能康复训练系统。
背景技术
脑卒中是一种由于脑部血管病变引发脑组织损伤的疾病，具有高发病率、高死亡率、高致残率以及高复发率等特点。近年来，脑卒中患病率呈上升趋势，该疾病已成为我国居民第一大死因。脑卒中所引起的手部运动功能障碍会严重影响患者的正常工作生活，给患者家庭及社会带来严重的生活、医疗和经济负担。目前，国内外通过大量研究表明，机器人辅助康复训练取得了较好的效果，但尚未出现治疗脑卒中后手功能的统一、规范方法。现有的康复治疗手段存在患者身体患侧活动不足、主动意识参与不充分、对康复治疗师依赖大等问题，患者往往静止、被动地接受外部给药或刺激，故造成康复周期长、康复效率低等问题。尽管常规康复训练机器人能起到一定的康复效果，但仍旧存在患者被动接受，依赖康复治疗师等问题。
康复训练机器人辅助系统早在上世纪90年代就被引入到脑卒中后上肢康复之中，不仅患侧肢体的肌肉得到了运动训练，避免了肌肉僵化萎缩，而且受损的运动控制神经通路也会得到恢复，大脑感觉运动皮质受到刺激，从而重塑整个神经中枢—外周神经—肌肉环路。根据神经可塑性理论，在康复过程中，患者恢复认知和运动功能的关键，在于将患者的主动意识引入康复治疗过程，运动想象（Motor Imagery，MI）是一种可引入患者主动运动意图的手段方法，进而实现变被动康复为主动康复，直接作用于中枢神经系统的刺激可以引起大脑皮质重塑。
针对上述问题，沉浸式虚拟现实（virtual reality，VR）技术作为近年来高速发展的新兴技术，可以提供一种充分激发用户兴趣和参与度的视觉反馈，用户置身于与现实世界隔离的三维虚拟场景之中，通过特定方式与场景进行交互，完成相应体验与任务，在训练过程中不断地尝试、调整动作以达到训练目的。
目前商用康复机器人的手功能康复训练系统，在设计与运用已经取得了一定的成就，但在具体应用中仍然存在一些问题：
（1）结构复杂，体积较大。
人的手部众多的自由度使得人手能够实现各种复杂的动作和配合，机械式外骨骼为了配合手的多个自由度，往往结构复杂。同时，手功能康复机器人结构设计的关键在于保证外部结构的旋转中心与手指关节的旋转中心在一条直线上，否则将会对患者的手部造成二次伤害，而现有的结构大多使用较为复杂的结构去实现精准辅助和配合。并且由于大部分机械手都是金属材质，重量一般较大，降低了整体结构的便携性以及舒适性。
（2）成本高昂且便携性差。
现有的商用康复机械手多数采用了成本昂贵的微型电机或者直线电机进行驱动，导致其价格居高不下，同时复杂的机械结构也提高了平时的维护成本，导致现有的康复机械手只能在大型医院康复科进行运用，无法进入社区或家庭。
（3）缺乏患者主动意识的参与。
目前大多数手功能康复机器人仅包括单独的手部康复训练装置，虽然能通过带动患者进行手部康复训练实现手部功能障碍的恢复。但仅能以被动的形式带动手指，没有引入患者的主动意识，只是单纯地通过机械运动带动患者的偏瘫侧肢体进行运动，仅仅能够起到防止患侧肌肉坏死、提高肢体活动力的作用，模式策略单调，无法深入康复患者因脑卒中受损的神经环路，无法为患者提供科学完整且生动的训练方案。患者的主动意识无法参与其中。
（4）训练过程枯燥无味。
运动功能障碍患者，尤其是手功能障碍患者，需要进行大量长时间、重复乏味的动作训练。这种机械式的康复训练会渐渐造成患者产生疲劳，反感，失去兴趣，进而导致康复效率的下降。
因此，研发出使用方便、价格亲民、功能丰富、生动有趣的手功能康复训练装置，能够解决目前手功能康复的诸多困境，并具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种康复训练机器手及结合虚拟现实和运动想象的手功能康复训练系统。
为了实现上述任务，本发明所采用如下的技术解决方案：
一种康复训练机器手，通过类似人体手掌的结构佩戴在人手上，带动人手进行康复训练，其特征在于，在该结构中设置有控制掌指关节和近端指关节的运动传动机构，其中，大拇指上一个，食指、中指、无名指和小拇指各两个，使得大拇指、食指、中指、无名指和小拇指绕掌指关节和近端指关节转动。
所述运动机构包括位于底座上方的电机，在电机上连接有蜗杆，蜗杆连接扇形蜗轮，扇形蜗轮通过转动连杆和手指的近骨节或远骨节相连接，从而实现动力的传递。
根据本发明，所述蜗杆和扇形蜗轮的模数和头数均为1；蜗杆的分度圆直径为8，扇形蜗轮的齿数为28。
优选地，所述转动连杆形状选择折线连杆以保证外部结构的旋转中心与手指关节的旋转中心在一条直线上，避免给患者造成二次伤害；所述电机选择直流减速电机。
进一步地，所述底座的设计在固定扇形蜗轮的同时可以支撑电机，所设计的突起结构可以保证扇形蜗杆不会转出。
上述康复训练机器手用于结合虚拟现实和运动想象的手功能康复训练方法，其特征在于，在进行手部动作训练时，加入运动想象的过程以激活镜像神经元，使得患者的主动意识参与其中，同时该过程在虚拟现实环境中进行；
训练主要针对日常生活中经常用到的运动想象场景手势，包括：
五指伸展—握拳；
五指伸展—OK手姿态，即拇指、食指回收；
五指伸展—胜利手姿态，即拇指、无名指、小指回收；
五指伸展—打电话手姿态，即食指、中指、无名指回收；
五指伸展—摇滚手姿态，即拇指、中指、无名指回收；
将上述手势制成虚拟训练控制系统，通过控制康复训练机器手上的相应电机的转动，实现用户手功能康复训练；用户可根据虚拟训练控制系统的提示和示意图，自由选择训练动作，训练完成后可返回菜单继续选择下一次训练。
所述用户手功能康复训练具体操作步骤如下：
（1）用户患侧手佩戴康复训练机器手，打开并运行虚拟训练控制系统，健侧手使用VR手柄射线对准按钮点击扳机或键盘点击进入训练，键盘点击Esc键关闭一级主界面；
（2）训练界面可以选择手势动作，主要包括双手的运动想象场景，用户可以选择患侧手的相应动作，健侧手使用VR左手柄射线对准按钮点击扳机或键盘点击按钮所示数字键进入对应场景；键盘点击Esc键返回一级主界面；
（3）进入相应训练场景后，界面上将出现虚拟手完成相应动作，同时患者可以在康复训练机器手的带动下完成相同的动作，一个动作的训练周期为10秒，训练完成后，用户可返回上一界面选择其他动作进行训练。
本发明的康复训练机器手与现有技术的机器手相比，所具有的有益效益在于：
1、在结构方面，康复训练机器手从驱动和传动两个角度出发进行了创新设计，在驱动上，选用直流减速电机降低了整体结构的成本；在传动结构中，通过自主设计的新型传动结构实现了手部运动所需的轴向转化，在不改变使用习惯和不影响康复效果的前提下提高了传动精度。同时，对结构整体通过3D打印技术进行快速成型，降低成本且减轻了整体重量，大幅简化了现有的同类型康复训练机器人复杂繁琐的结构，实现了康复训练机器手的便携性和实用性。
2、针对目前手功能康复机器人领域缺乏患者主动意识参与的问题，将康复训练机器手结合虚拟现实从而实现了运动想象的过程。通过沉浸式虚拟现实技术，高效地诱发患者的运动想象，在由康复训练机器手引导的康复训练过程中引入患者的主动意识，实现神经—肌肉环路的整体康复。
3、为解决长时间重复训练使得患者感到疲惫无聊，导致康复效率降低的问题，还内置了一款基于沉浸式虚拟现实技术的康复训练作业任务。通过虚拟现实场景中的作业任务，丰富训练过程的多样性，保持患者长时间的关注度和注意力，充分调动患者的康复积极性，使患者全身心投入整个康复过程。
附图说明
图1是康复训练机器手整体结构图；
图2是康复机器人食指上方结构图；
图3是康复机器人拇指上方结构图；
图4是虚拟训练控制系统结构框图；
图5是实施例的投掷飞镖康复训练游戏界面图；
图6是本发明的康复训练机器手的结构静力学仿真分析图；
图中的标记分别表示：1、食指掌骨，2、食指近节骨，3、食指中节骨，4、底座，5、电机，6、蜗杆，7、扇形蜗轮，8、转动连杆，9、近节骨指套，10、中节骨指套，11、拇指掌骨，12、拇指近节骨，13、手掌板，14、拇指指套。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。
具体实施方式
第一部分：
参见图1，本实施例给出一款针对手功能障碍患者的康复训练机器手，通过类似人体手掌的结构佩戴在人手上，带动人手进行康复训练，其特征在于，在该结构中设置有控制掌指关节和近端指关节的运动传动机构，其中，大拇指上一个，食指、中指、无名指和小拇指各两个，使得大拇指、食指、中指、无名指和小拇指绕掌指关节和近端指关节转动。
所述运动机构包括位于底座4上方的电机5，在电机5上连接有蜗杆6，蜗杆6连接扇形蜗轮7，扇形蜗轮7通过转动连杆8和手指的近骨节或远骨节相连接，从而实现动力的传递。
从结构角度看，康复训练机器手的运动机构主要包括驱动结构、传动结构以及执行结构，其中，驱动结构提供所需要的动力，传动结构将动力传递至执行机构，执行机构与人体的手指直接接触，带动手指进行相应的动作。不同手功能康复训练机器手之间的区别即运动机构的区别，因此对康复训练机器手的设计重点为传动机构的设计。
在本实施例中，考虑成本以及仿生性等因素，运动机构选用小型直流减速电机作为驱动，使用9个这样的电机实现了9个自由度，其中，大拇指的掌指关节一个，食指、中指、无名指和小指各两个，分别控制掌指关节和近端指关节。
图2和图3分别为食指及拇指上方结构示意图，由于食指、中指、无名指及小拇指的结构基本相同，因此仅给出食指的示意图，同时由于整体结构不考虑远端指关节，故不展示在图中。
图3所示的底座4与手掌板13为固定连接，手掌板13下方是大拇指掌骨11，手掌板13通过魔术贴与人体手掌相连，近节骨指套9、中节骨指套10以及拇指指套14分别通过连接孔用魔术贴与人手相应的骨节相连。
食指掌骨1位于手掌板13下方，食指、中指、无名指以及小拇指的掌指关节对应的底座与手掌板为固定连接。近节骨指套9与食指近节骨2通过魔术贴连接。电机5固定在底座4上，同时与蜗杆6固定连接；扇形蜗轮7与蜗杆6配合，同时通过转动销与底座4转动连接；转动连杆8的两端分别通过转动销与扇形蜗轮7和近节骨指套9转动连接。电机5转动带动蜗杆6转动，与之配合的扇形蜗轮7将转动力传递给转动连杆8，从而实现带动指节绕关节转动。
具体来看其中每一零件的设计，首先是蜗轮与蜗杆的尺寸选择，需要考虑配合精度以及空间位置局限性两个因素，由于控制近端指关节的结构要放置在手指近骨节上方，因此限制了其尺寸。
通过对比满足要求的不同尺寸类型的蜗轮与蜗杆的传动精度，本实施例中的康复训练机器手的蜗杆6与扇形蜗轮7采用了模数和头数均为1，分度圆直径为8的蜗杆6，并选择了齿数为28的扇形蜗轮7与之配对。同时采用扇形蜗轮7的设计也大大节省了手指骨节上方的空间位置，并且也不影响传动。在确定好蜗轮6蜗杆的尺寸之后，需要一个结构将蜗轮6固定在手指上方，因此设计了相应的底座4，该底座4固定在与手部连接的手掌板13上，固定蜗轮7的同时也能起到支撑电机5的作用，同时在底座4上设计了突起结构，保证扇形蜗轮7不会转出，并且能使蜗轮7转过最大角度。本实施例的运动传动机构设计，能实现的最大转动角度为55度，能基本满足日常生活中手部动作的需求。
康复机器手在设计过程中最重要的是要能保证外部结构的旋转中心与手指关节的旋转中心在同一直线上，这样不仅能使患者在训练时最大限度地还原手部的动作，同时也能避免给患者的手部造成二次伤害。在本实施例中，通过对转动连杆8尺寸的设计来保证了这一点。具体来看，首先调节底座4的位置使蜗轮7的旋转中心与手指关节的旋转中心在同一平面，然后以两个中心在竖直方向上的距离为半径，以对应的手指关节为圆心作圆，在下一骨节上找到对应的位置（除去下一骨节上底座和固定连杆部件的距离），该位置即为转动连杆8与下一骨节的配合位置。转动连杆8的另外一端与蜗轮7形成转动配合，连接位置需保证与蜗轮7的旋转中心在同一直线上，同时为保证转动角度尽可能大，经过对比竖直方向上不同位置的连接能实现的转动角度，发现距离与转动角度成正比的关系，同时考虑不影响蜗杆与蜗轮之间的配合，故选取了图2中所示的位置。除两个连接位置之外，转动连杆8的形状也是需要考虑的问题，主要有直线连杆、圆弧连杆以及折线连杆三种。经过验证，在转动过程中直线连杆会与蜗轮底座触碰而无法继续转动，圆弧连杆则会与同样在近骨节上方的另一个底座触碰而形成转动的阻力，折线连杆能避免上述两种情况，故转动连杆8的形状选用折线连杆。
在本实施例的康复机器手还有一个创新点，即蜗杆6与扇形蜗轮7的配合位置。在保证配合精度的条件下，扇形蜗杆7可通过斜向上、水平放置以及斜向下的方式与蜗轮6配合，考虑创新性以及扇形蜗杆7上连接的电机5的走线问题，选用扇形蜗杆7在蜗轮6上方水平配合的方式，并设计了上文所述的底座4放置电机5来与扇形蜗杆7配合。
需要说明的是，控制掌指关节的结构固定在一块类似手掌的板子上通过魔术贴与人体手背连接，控制近端指关节的结构设计了相应的卡套与手指近骨节通过魔术贴连接。同时，该结构考虑到人体手部不同手指之间的尺寸差异，针对手指不同骨节的结构设计了相对应的尺寸使整体结构的仿生性更好。
第二部分：
本实施例还提供了该康复训练机器手用于结合虚拟现实和运动想象的手功能康复训练方法，即在使用康复训练机器手进行手部动作训练时，加入运动想象的过程以激活镜像神经元，使得患者的主动意识参与其中，同时该过程在虚拟现实环境中进行，极大提高运动想象效果，提高康复效率。
该手功能康复训练方法主要针对日常生活中经常用到的手势，主要包括伸展（五指张开）—握拳（五指回收）、伸展（五指张开）—OK手姿态（拇指、食指回收）、伸展（五指张开）—胜利手姿态（拇指、无名指、小指回收）、伸展(（五指张开）—电话手姿态（食指、中指、无名指回收）和伸展（五指张开）—摇滚手姿态（拇指、中指、无名指回收）五种。用户可根据提示和示意图自由选择训练动作，训练完成后可返回菜单继续选择下一次训练。
训练系统的设计框图如图4所示，包括虚拟和现实两个模块，虚拟模块中的虚拟手完成上述相应手姿势动作，激发现实中的手完成运动想象过程，指导现实中佩戴康复训练机器手的患者完成相应的动作。
具体操作步骤如下：
（1）用户患侧手佩戴手功能康复训练机器手，该手功能康复训练机器手所连接的训练控制系统已经提前设计好，能够通过控制相应电机的转动情况来实现手功能康复训练机器手动作。
（2）用户佩戴沉浸式虚拟现实设备，打开并运行训练系统，健侧手使用VR手柄射线对准按钮点击扳机或键盘点击进入训练。键盘点击Esc键关闭一级主界面。
（3）训练界面可以选择手势动作，主要包括双手的十个运动想象场景，用户可以选择患侧手的相应动作。健侧手使用VR左手柄射线对准按钮点击扳机或键盘点击按钮所示数字键进入对应场景。键盘点击Esc键返回一级主界面。
（4）进入相应训练场景后，界面上将出现虚拟手完成相应动作，同时患者可以在康复机械手的带动下完成相同的动作。一个动作的训练周期为10秒，训练完成后，用户可返回上一界面选择其他动作进行训练。
第三部分：
为了配合康复训练机器手的训练，本实施例还设计了一款虚拟现实手功能康复训练小游戏，以娱乐游戏为形式的康复训练过程，可充分调动患者的康复兴趣和积极性，使患者高注意力专注于训练任务。康复小游戏与常规康复训练相辅相成，能最大限度地提升康复效率。
该款小游戏为投掷飞镖游戏，游戏界面如图5所示，包括左右手投掷，并分为难度1至难度4，可供患者选择，在游戏过程中，进行相应的手投掷飞镖的运动想象，
具体操作步骤如下：
（1）用户患侧手佩戴康复训练机器手，同时佩戴沉浸式虚拟现实设备，用户的手和虚拟现实中的虚拟手通过陀螺仪实现实时连接，即康复训练机器手带动患者进行的动作将实时同步到虚拟手。
（2）用户运行本游戏，出现游戏菜单主界面，用户可根据自身情况选择所需手及难度模式，点击相应按钮进入对应模式。
（3）进入游戏，目标靶上的准星线来回移动，用户通过健侧手操作手柄扳机使准星线停止，控制两条准星线相交至预想位置。随即患侧手在训练机器手的带动下完成投掷飞镖的动作。系统根据飞镖位置和目标靶心的距离来计算得分，距离越近得分越高。一轮游戏共计10次飞镖投掷，一轮游戏结束后记录用户总得分，用以评价用户表现和康复效果。
需要说明的是，康复训练机器手带动患侧手完成投掷飞镖的动作已提前在该结构的控制系统模块设计好，并且可通过不同动作完成飞镖投掷，比如用食指和拇指，用食指、拇指及中指等动作。
第四部分：
发明人对所本实施例设计的康复训练机器手的结构进行了静力学仿真分析，以验证所设计的康复训练机器手结构是否能满足强度要求。在康复训练机器手的整体结构中，很容易得知在蜗轮与底座连接处以及转动连杆与蜗轮连接处两个地方易产生应力集中现象，故针对这两个位置进行了静力学仿真分析。
在分析中，首先根据所选用电机的参数，即转速和扭矩，通过公式计算出蜗轮和蜗杆的扭矩、圆周力等参数，再根据计算出的参数在分析中添加载荷。需要说明的是，所使用的电机转速以及扭矩为其最大的转速和扭矩，这样能使得分析结果更有说服力。
采用的公式如下：
其中，T为电机的扭矩，
为蜗杆的转矩，i为蜗轮蜗杆的传动比，
为蜗轮蜗杆
的传动效率，
为蜗轮的转矩，d 2蜗轮分度圆的直径，m为模数，
为蜗轮的齿数。
上述两个位置的应力分布图以及最大的应力值见图6，结构整体均采用ABS材料，其屈服强度为50MPa。分别将两个个位置的最大应力值与屈服强度作对比，均未超过屈服强度，故所设计的康复训练机器手结构满足应力强度的要求。
Claims (4)
1.一种康复训练机器手，通过类似人体手掌的结构佩戴在人手上，带动人手进行康复训练，其特征在于，在该结构中设置有控制掌指关节和近端指关节的运动传动机构，其中，大拇指上一个，食指、中指、无名指和小拇指各两个，使得大拇指、食指、中指、无名指和小拇指绕掌指关节和近端指关节转动；
所述运动传动机构包括位于底座（4）上方的电机（5），在电机（5）上连接有蜗杆（6），蜗杆（6）连接扇形蜗轮（7），扇形蜗轮（7）通过转动连杆（8）和手指的近骨节或远骨节相连接，从而实现动力的传递；
所述蜗杆（6）和扇形蜗轮（7）的模数和头数均为1；蜗杆（6）的分度圆直径为8，扇形蜗轮（7）的齿数为28；
所述转动连杆（8）形状选择折线连杆；
所述底座（4）在固定扇形蜗轮（7）的同时能起到支撑电机（5）的作用，所设计的突起结构，能保证扇形蜗轮（7）不会转出。
2.如权利要求1所述的康复训练机器手，其特征在于，所述电机（5）选择直流减速电机。
3.一种结合虚拟现实和运动想象的虚拟训练控制系统，包括权利要求1或2所述的康复训练机器手，其特征在于，所述虚拟训练控制系统包括虚拟和现实两个模块，虚拟模块中的虚拟手完成相应手姿势动作，激发现实中的手完成运动想象过程；
在进行手部动作训练时，加入运动想象的过程以激活镜像神经元，使得患者的主动意识参与其中，同时该过程在虚拟现实环境中进行；
训练主要针对日常生活中经常用到的运动想象场景手势，包括：
五指伸展—握拳；
五指伸展—OK手姿态，即拇指、食指回收；
五指伸展—胜利手姿态，即拇指、无名指、小指回收；
五指伸展—打电话手姿态，即食指、中指、无名指回收；
五指伸展—摇滚手姿态，即拇指、中指、无名指回收；
将上述手势制成虚拟训练控制系统，通过控制康复训练机器手上的相应电机的转动，实现用户手功能康复训练；用户可根据虚拟训练控制系统的提示和示意图，自由选择训练动作，训练完成后可返回菜单继续选择下一次训练。
4.如权利要求3所述的结合虚拟现实和运动想象的虚拟训练控制系统，其特征在于，所述用户手功能康复训练的具体操作步骤如下：
（1）用户患侧手佩戴康复训练机器手，打开并运行虚拟训练控制系统，健侧手使用VR手柄射线对准按钮点击扳机或键盘点击进入训练，键盘点击Esc键关闭一级主界面；
（2）训练界面可以选择手势动作，主要包括双手的运动想象场景，用户可以选择患侧手的相应动作，健侧手使用VR左手柄射线对准按钮点击扳机或键盘点击按钮所示数字键进入对应场景；键盘点击Esc键返回一级主界面；
（3）进入相应训练场景后，界面上将出现虚拟手完成相应动作，同时患者手在康复训练机器手的带动下完成相同的动作，一个动作的训练周期为10秒，训练完成后，用户可返回上一界面选择其他动作进行训练。
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