CN115444712A - 一种多自由度手功能康复装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供的多自由度手功能康复装置，所述通讯单元用于将所述主控单元的控制指令传输给双侧的所述传动单元，所述传动单元可控制所述手部执行单元运动，所述手部执行单元运动可获取对应的运动信息；所述通讯单元还用于将所述运动信息经所述传动单元传递给所述主控单元，所述主控单元可根据采集的运动信息进行评估，实现下一步的运动指令，所述运动信息包括双侧的所述手部执行单元的位置、速度及反馈的估计力，上述康复装置，在手部康复训练中，根据康复评估效果自动调节手部执行单元的运动信息权重，从而提高康复训练控制系统的工作效率。

Description

一种多自由度手功能康复装置
技术领域
本申请涉及医疗健康技术领域，特别涉及一种多自由度手功能康复装置。
背景技术
目前我国新发脑卒中患者每年200万人，且以每年8.7％的速度上升。
55％-75％的脑卒中患者可遗留肢体功能障碍，其中80％以上患者为手部功能障碍，而能使手功能完全恢复的患者不到30％。传统的康复师对患者进行一对一的治疗方法属于被动康复，存在价格昂贵、训练单一等缺点；现有的手功能康复系统具有缺乏触觉感知反馈、机械结构大、自由度少和制作成本高等缺点。
例如，专利申请CN201810575079.9中提出一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，包括：控制系统、光电编码器、PWM调速器、直线电机、外骨骼机械手本体、人机交互界面和压力传感器等部分，但是由于采用了五个压力传感器进行压力测量，增加了设备的研制成本，且无法实现权重调节和镜像反馈功能。专利申请CN201810571839.9提出一种五指独立运动的外骨骼康复机械手，通过压力传感器和位置传感器进行力位信息的测量，存在设备设计复杂，成本高的缺点。专利申请CN202020589468.X提供了一种五指抓握康复训练机器人，通过牵引绳进行患肢外骨骼的屈伸运动。但是缺少力反馈和双向加权控制的功能。
因此，现有技术存在训练单一、需要传感器、康复模式单一和评估手段单一等缺陷，没有将现有的康复评价手段与康复训练过程中权重力的变化进行有效的结合。到目前为止，尚未有一款手功能康复设备能够实现无传感器、可调权重、镜像力反馈及康复评估等功能。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种可以实现训练权重的调节，提高手功能康复效率的多自由度手功能康复装置。
为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
本申请提供了一种多自由度手功能康复装置，包括：上位机、主控单元、传动单元、手部执行单元和通讯单元，所述主控单元通过所述通讯单元信号连接所述上位机，所述主控单元通过所述通讯单元信号连接于双侧的所述传动单元，任意一所述传动单元还电性连接有对应的所述手部执行单元；
所述通讯单元用于将所述主控单元的控制指令传输给双侧的所述传动单元，所述传动单元可控制所述手部执行单元运动，所述手部执行单元运动可获取对应的运动信息；所述通讯单元还用于将所述运动信息经所述传动单元传递给所述主控单元，所述主控单元可根据采集的运动信息进行评估，实现下一步的运动指令，所述运动信息包括双侧的所述手部执行单元的位置、速度及反馈的估计力。
在其中一些实施例中，当患者进行手部康复训练时，用健康的手指对一侧的所述手部执行单元进行运动，所述传动单元通过通讯单元获取对应一侧的所述手部执行单元的运动信息，并通过所述通讯单元将所述运动信息传输至所述主控单元，所述主控单元根据所述运动信息驱动另一侧的所述手部执行单元进行康复训练。
在其中一些实施例中，任意一所述手部执行单元包括电机以及与所述电机连接的外骨骼结构，所述外骨骼结构共有6个自由度。
在其中一些实施例中，所述传动单元包括爆灯线，所述爆灯线分别与所述电机和所述外骨骼结构相连接，以实现对上述手部执行单元的推拉动作。
在其中一些实施例中，所述运动信息可通过设计所述电机的编码器和力反馈估计器得到，具体为：
对单个所述手部执行单元进行动力学建模，得到系统模型为：
Figure BDA0003832795940000021
式中，Mn i和Bn i分别为第i个自由度的电机的等效名义质量和等效名义阻尼；
Figure BDA0003832795940000022
代表所述电机的输出速度，u代表电机的输入电压即控制器的输出值，Fi代表健康的手部对主端康复装置的作用力和从端康复装置对患手的作用力；
构建如下力反馈估计器：
Figure BDA0003832795940000023
式中，
Figure BDA0003832795940000024
代表反馈的估计力，l是设计的力反馈估计器增益，
Figure BDA0003832795940000025
代表所述电机的输出速度；Vi代表力估计器中间变量；
基于所述力反馈估计器，设计如下所示的双向控制器：
Figure BDA0003832795940000031
式中，um是主端康复手的输入，m＝7,8,9…12；us为从端康复手的输入，s＝1,2,3…6；
Figure BDA0003832795940000032
为从端获取的反馈力，kp为比例增益，kd为微分增益；ep为qs-qm，
Figure BDA0003832795940000033
为ep的导数；
Figure BDA0003832795940000034
为从主端获取的反馈力。
在其中一些实施例中，所述主控单元包括权重参数调节模块，所述权重系数调节模块可根据手指的手指总主动活动度与所述手部执行单元的位置qi之间的关系得到线性表达式，所述线性表达式为TAM＝aqi+b，TAM为手指总主动活动度，a和b根据患肢的可接受程度进行辨识得到手指活动度与执行单元间的位置关系。
在其中一些实施例中，所述权重系数调节模块还可以根据患肢的徒手肌力评定与反馈力之间的关系建立非线性函数，所述非线性函数为
Figure BDA0003832795940000035
所述MMT为徒手肌力评定，其中：MMT与自调节的权重参数之间的关系式为：
Figure BDA0003832795940000036
式中，Wt为自调节的权重参数，η、μ和ν为常数，ex代表指数函数。
在其中一些实施例中，所述传动单元包括爆灯线，所述爆灯线分别与所述电机和所述手部执行单元的外骨骼结构相连接，实现对所述手部执行单元的推拉动作，实现双向传动功能。
在其中一些实施例中，所述通讯单元还用于将所述运动信息传递给所述上位机，所述上位机可实现上述运动信息的显示。
本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
本申请提供的多自由度手功能康复装置，所述通讯单元用于将所述主控单元的控制指令传输给双侧的所述传动单元，所述传动单元可控制所述手部执行单元运动，所述手部执行单元运动可获取对应的运动信息；所述通讯单元还用于将所述运动信息经所述传动单元传递给所述主控单元，所述主控单元可根据采集的运动信息进行评估，实现下一步的运动指令，所述运动信息包括双侧的所述手部执行单元的位置、速度及反馈的估计力，上述康复装置，在手部康复训练中，根据康复评估效果自动调节手部执行单元的运动信息权重，从而提高康复训练控制系统的工作效率。
此外，本申请提供的多自由度手功能康复装置，采用力反馈观测器和双向控制算法，可以实现无需传感器的力反馈感知功能；将MMT和TAM与康复训练权重联系在一起，根据患肢的康复情况实现力位混合的权重调节、双向推拉功能；在结构设计方面，通过将驱动电机安放在桌面上，利用爆灯线的传动方式，降低了设备的重量，同时也大大降低了设备研制成本、提高了工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1提供的多自由度手功能康复装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
实施例1
请参阅图1，为本实施例1提供的一种多自由度手功能康复装置的结构示意图，包括：上位机110、主控单元120、传动单元130、手部执行单元140和通讯单元150。所述主控单元120通过所述通讯单元150信号连接所述上位机110，所述主控单元120通过所述通讯单元150信号连接于双侧的所述传动单元130，任意一所述传动单元130还电性连接有对应的所述手部执行单元140。
以下详细说明各个部件的具体结构及其实现方式。
所述通讯单元150用于将所述主控单元120的控制指令传输给双侧的所述传动单元130，所述传动单元130可控制所述手部执行单元140的运动，所述手部执行单元140可获取对应的运动信息；所述通讯单元150还用于将所述运动信息经所述传动单元130传递给所述主控单元120，所述主控单元120可根据采集的运动信息进行评估，实现下一步的运动指令，所述运动信息包括双侧的所述手部执行单元140的位置、速度及反馈的估计力。
在其中一些实施例中，所述通讯单元150还用于将所述运动信息传递给所述上位机110，所述上位机110可实现上述运动信息的显示，从而克服了现有由于缺少直观的触觉反馈，导致无法进行双向镜像反馈，存在训练效率低、康复效果不理想的缺点。
可以理解，上位机110具备显示功能，可以将采集的信息进行显示。例如，上位机110可以为显示器。
进一步地，当患者进行手部康复训练时，用健康的手对一侧的手部执行单元140进行运动，所述传动单元130通过通讯单元150获取对应一侧的所述手部执行单元140的运动信息，并通过所述通讯单元150将所述运动信息传输至所述主控单元120，所述主控单元120根据所述运动信息驱动另一侧的所述手部执行单元140进行康复训练。
可以理解，主控单元120可根据康复者的镜像反馈的训练效果和力的反馈效果进行权重的调节，从而进行多次的康复训练达到事半功倍的训练效果。
在其中一些实施例中，任意一所述手部执行单元140包括电机141以及与所述电机141连接的外骨骼结构142，所述外骨骼结构142共有6个自由度。
请再参阅图1，图1中的143和144分别为拇指关节自由度和手掌自由度，从而能够实现双手的手指和手掌的训练；在此基础上，通过上位机110的显示作用，在线向患者展示患肢的康复运动情况，实现镜像传递，加快患肢的康复。
在其中一些实施例中，所述传动单元130包括爆灯线131，所述爆灯线131分别与所述电机141和所述外骨骼结构142相连接，以实现对上述手部执行单元的推拉动作，实现双向传动功能。
在其中一些实施例中，所述运动信息可通过设计所述电机141的编码器和力反馈估计器得到，具体为：
对单个手部执行单元140进行动力学建模，得到系统模型为：
Figure BDA0003832795940000051
式中，Mn i和Bn i分别为第i个自由度的电机的等效名义质量和等效名义阻尼；
Figure BDA0003832795940000052
代表所述电机的输出速度，u代表电机的输入电压即控制器的输出值，Fi代表健康的手部对主端康复装置的作用力和从端康复装置对患手的作用力。
当考虑外部力时，设计如下所示的力反馈估计器：
Figure BDA0003832795940000061
式中，
Figure BDA0003832795940000062
代表反馈的估计力，l是设计的力反馈估计器增益，
Figure BDA0003832795940000063
代表电机的输出速度；Vi代表力估计器中间变量。
基于力反馈估计器，设计如下所示的双向控制器：
Figure BDA0003832795940000064
式中，um是主端康复手的输入，m＝7,8,9…12；us为从端康复手的输入，s＝1,2,3…6；
Figure BDA0003832795940000065
为从端获取的反馈力，kp为比例增益，kd为微分增益；ep为qs-qm，
Figure BDA0003832795940000066
为ep的导数；
Figure BDA0003832795940000067
为从主端获取的反馈力。
通过对所述运动信息进行检验和评估，经过通讯单元150将信息显示在上位机110上；所述的运动信息主要包括双侧手部执行单元的位置qi、速度
Figure BDA0003832795940000068
及所受的力
Figure BDA0003832795940000069
等运动信息，以上信息可以通过电机的编码器和设计的力反馈估计器得到，避免了力反馈传感器的使用，节约了成本。
可以理解，本申请通过力反馈估计器和力/位混合权重可调、可量化双向控制方法，实现对手功能康复训练设备的控制。只需要设计相应的力反馈估计器便可实现对力的触觉感知，无需安装力传感器，从而节省了设备成本。
在其中一些实施例中，主控单元120还包含自调节的权重参数调节模块(图未示)；所述权重系数调节模块可根据手指的手指总主动活动度(TAM)与所述手部执行单元的位置qi之间的关系得到线性表达式，所述线性表达式为：
TAM＝aqi+b(4)；
其中：TAM为手指总主动活动度，a和b根据患肢的可接受程度进行辨识得到手指活动度与执行单元间的位置关系。
在其中一些实施例中，所述权重系数调节模块还可以根据患肢的徒手肌力评定(MMT)与反馈力之间的关系建立非线性函数，所述非线性函数为
Figure BDA00038327959400000610
MMT与自调节的权重参数之间的关系式为：
Figure BDA00038327959400000611
式中，式中，Wt为自调节的权重参数，η、μ和ν为常数，ex代表指数函数，，公式(6)表征MMT与自调节权重参数之间的非线性关系，实现MMT的值从小变大，训练的力反馈权重相应的从小变大再变小；在手部康复训练中，根据康复评估效果自动调节手部执行单元的运动信息权重，从而提高康复训练控制系统的工作效率。
可理解，本申请可根据患者的恢复情况，采用TAM和MMT进行机械手位置和反馈力的镜像反馈，可以实现训练权重的调节，提高手功能康复效率；克服了目前主要的手功能康复训练系统主要是通过机械设备对手部进行单一的被动训练，通过力传感器实现力的反馈，无法根据患者手部的康复情况进行训练权重的调节。
此外，主控单元120还包括系统的数据处理单元、存储单元、评估单元和电源单元，用于系统运行过程中产生的数据存储和处理，保证整个康复训练控制系统的可靠性运行。
本申请提供的多自由度手功能康复装置，所述通讯单元用于将所述主控单元的控制指令传输给双侧的所述传动单元，所述传动单元可控制所述手部执行单元运动，所述手部执行单元运动可获取对应的运动信息；所述通讯单元还用于将所述运动信息经所述传动单元传递给所述主控单元，所述主控单元可根据采集的运动信息进行评估，实现下一步的运动指令，所述运动信息包括双侧的所述手部执行单元的位置、速度及反馈的估计力，上述康复装置，在手部康复训练中，根据康复评估效果自动调节手部执行单元的运动信息权重，从而提高康复训练控制系统的工作效率。
可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多自由度手功能康复装置，其特征在于，包括：上位机、主控单元、传动单元、手部执行单元和通讯单元，所述主控单元通过所述通讯单元信号连接所述上位机，所述主控单元通过所述通讯单元信号连接于双侧的所述传动单元，任意一所述传动单元还电性连接有对应的所述手部执行单元；
所述通讯单元用于将所述主控单元的控制指令传输给双侧的所述传动单元，所述传动单元可控制所述手部执行单元的运动，所述手部执行单元可获取对应的运动信息；所述通讯单元还用于将所述运动信息经所述传动单元传递给所述主控单元，所述主控单元可根据采集的运动信息进行评估，实现下一步的运动指令，所述运动信息包括双侧的所述手部执行单元的位置、速度及反馈的估计力。
2.如权利要求1所述的多自由度手功能康复装置，其特征在于，当患者进行手部康复训练时，用健康的手指对一侧的所述手部执行单元进行运动，所述传动单元通过通讯单元获取对应一侧的所述手部执行单元的运动信息，并通过所述通讯单元将所述运动信息传输至所述主控单元，所述主控单元根据所述运动信息驱动另一侧的所述手部执行单元进行康复训练。
3.如权利要求2所述的多自由度手功能康复装置，其特征在于，任意一所述手部执行单元包括电机以及与所述电机连接的外骨骼结构，所述外骨骼结构共有6个自由度。
4.如权利要求3所述的多自由度手功能康复装置，其特征在于，所述传动单元包括爆灯线，所述爆灯线分别与所述电机和所述外骨骼结构相连接，以实现对上述手部执行单元的推拉动作。
5.如权利要求3所述的多自由度手功能康复装置，其特征在于，所述运动信息可通过设计所述电机的编码器和力反馈估计器得到，具体为：
对单个所述手部执行单元进行动力学建模，得到系统模型为：
Figure FDA0003832795930000011
式中，Mn i和Bn i分别为第i个自由度的电机的等效名义质量和等效名义阻尼；
Figure FDA0003832795930000012
代表所述电机的输出速度，u代表电机的输入电压即控制器的输出值，Fi代表健康的手部对主端康复装置的作用力和从端康复装置对患手的作用力；
构建如下力反馈估计器：
Figure FDA0003832795930000013
式中，
Figure FDA0003832795930000014
代表反馈的估计力，l是设计的力反馈估计器增益，
Figure FDA0003832795930000015
代表所述电机的输出速度；Vi代表力估计器中间变量；
基于所述力反馈估计器，设计如下所示的双向控制器：
Figure FDA0003832795930000021
式中，um是主端康复手的输入，m＝7,8,9…12；us为从端康复手的输入，s＝1,2,3…6；
Figure FDA0003832795930000022
为从端获取的反馈力，kp为比例增益，kd为微分增益；ep为qs-qm，
Figure FDA0003832795930000023
为ep的导数；
Figure FDA0003832795930000024
为从主端获取的反馈力。
6.如权利要求5所述的多自由度手功能康复装置，其特征在于，所述主控单元包括权重参数调节模块，所述权重系数调节模块可根据手指的手指总主动活动度与所述手部执行单元的位置qi之间的关系得到线性表达式，所述线性表达式为TAM＝aqi+b，TAM为手指总主动活动度，a和b根据患肢的可接受程度进行辨识得到手指活动度与执行单元间的位置关系。
7.如权利要求6所述的多自由度手功能康复装置，其特征在于，所述权重系数调节模块还可以根据患肢的徒手肌力评定与反馈力之间的关系建立非线性函数，所述非线性函数为
Figure FDA0003832795930000025
所述MMT为徒手肌力评定，其中：MMT与自调节的权重参数之间的关系式为：
Figure FDA0003832795930000026
式中，Wt为自调节的权重参数，η、μ和ν为常数，ex代表指数函数。
8.如权利要求1所述的多自由度手功能康复装置，其特征在于，所述通讯单元还用于将所述运动信息传递给所述上位机，所述上位机可实现上述运动信息的显示。
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