CN115869591A - 一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于康复器械技术领域，涉及一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，包括传感系统以及用于放置传感系统的腕指按压机构，该腕指按压机构包括压力采集装置、压力装置阵列外壳和底座，所述底座位于腕指按压机构的底部，压力装置阵列外壳通过螺丝固定连接在底座的上方，所述压力采集装置嵌设于压力装置阵列外壳上。本发明的手功能康复设备操作简单、使用方便，患者使用后能够方便的进行消毒杀菌；以游戏训练为基础，使患者在训练任务中保持积极性，能够主动参与康复训练提高康复治疗效果，而且过程中所有数据均被记录，可为医生提供评估依据。

Description

一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备

技术领域

本发明属于康复器械技术领域，涉及一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备。

背景技术

手具有精细的结构以及灵敏的感觉系统并且能够灵活地运动，在每个人的生活中都起到了至关重要的作用。手功能障碍会导致患者缺失部分运动能力，其中手指无力还会导致精细动作（如持握工具、书写、按压等）无法完成。患者的劳动能力以及生存能力显著降低甚至缺失，对个人和家庭都会带来沉重的负担，因此康复医疗领域中，手功能的康复一直是亟待解决的难题。

现有常用的手功能康复设备包括：气动手套、上肢康复训练设备和指力器等。例如，气动手套，通过气泵来模仿人工肌肉驱使手指关节活动，促进康复，此类设备需要大面积包覆手部，由于消毒杀菌问题在医院的使用率不高；上肢康复训练设备，通过持握训练杆实现多维度的训练，然而该类设备通常主机庞大、价格昂贵，患者在住院期间使用频率低；指力器，通过反复按压重复训练来完成康复，然而该类设备功能单一，不能交互且无法直观获得手指评价数据。

可见，现有的康复方案或康复器械并不能很好得协同训练手腕和五指训练；传统指力器无法获得患者按压时的压力数据，对精细力量的训练存在不足。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，可以同步采集腕部运动数据及手指抓握压力数据，并将数据进行量化后在电脑端指导患者进行交互训练，在训练腕指协同能力的同时，也可以激发患者自主参康复训练的积极性，其具体技术方案如下：

一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，包括传感系统以及用于放置传感系统的腕指按压机构，该腕指按压机构包括压力采集装置、压力装置阵列外壳和底座，所述底座位于腕指按压机构的底部，压力装置阵列外壳通过螺丝固定连接在底座的上方，所述压力采集装置嵌设于压力装置阵列外壳上。

进一步的，所述传感系统安装在底座上，传感系统具体包括：集成电路板，焊接在集成电路板上的光流位移传感器，以及薄膜型压力传感器；其中集成电路板集成有信号处理模块、蓝牙传输模块和单片机模块，所述集成电路板通过螺丝安装固定在底座内侧，并以相同的方式与压力装置阵列外壳连接；所述薄膜型压力传感器设置在压力采集装置中，电气连接于集成电路板。

进一步的，所述压力装置阵列外壳包括：与底座尺寸适配且两者通过螺丝相连接固定的底座盖，以及垂直固定于底座盖外表面的中间区域的支架；所述支架整体呈长方体形状，支架内留设有腔体空间，支架的前侧设有4个用于安装压力采集装置的安装槽，后侧仅设有1个用于安装压力采集装置的安装槽。

进一步的，所述压力采集装置包括：基座、封盖、施力按钮；所述基座和封盖的外形大小相适配，通过4个螺丝进行固定，其中基座的一侧开设有安装孔并以凸出结构延伸，基座内部设有1个半圆形和长方形组合成型的凹槽；所述施力按钮设计为调节螺丝，所述封盖通过螺纹与施力按钮连接。

进一步的，所述薄膜型压力传感器的一端呈半圆形，中间为长方形，穿过安装孔平铺在基座内部的凹槽处，另一端为“凹”型的引脚，引脚随所述安装孔延伸露出至基座外，并和基座一侧的凸出结构嵌入在所述安装槽内。

进一步的，所述封盖的内部腔体中设有一层塑料形变片。

一种采用所述的手功能康复设备的人机交互训练方法，包括以下步骤：

S1.在PC端安装配置与所述的手功能康复设备对应人机交互系统并打开，使用者通过移动手臂以及手腕来控制手功能康复设备，控制所述的人机交互系统中所构建的虚拟场景物体的移动，过程中记录轨迹的移动信息和分数信息；

S2.使用者控制五指发力大小，控制虚拟场景中水瓶中的液面使其维持在预设位置上从而积累分数，同时记录过程中的发力信息和分数信息；

S3.使用者通过移动手臂以及手腕和控制手指发力，完成虚拟场景中的连点成线训练，同时记录各个传感器的数据和分数信息。

有益效果

本发明的设备可以针对性的训练手指力量以及手臂手腕的移动，以游戏训练为基础，让使用者在训练任务中保持积极性，能够主动参与康复训练提高康复治疗效果；能够在整个康复训练过程中将传感器数据以及训练数据记录到人机交互模块中，可为医生提供评估依据；且本发明的设备操作简单，使用方便，使用后能够方便的进行消毒杀菌，可以不必依赖于医护人员，在多个场景下训练。

附图说明

图1为本发明一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备的装配示意图；

图2为本发明的传感系统安装在底座上的结构图；

图3为本发明的压力采集装置的结构爆炸图；

图4为本发明的压力采集装置的封盖横截面图；

图5为本发明的压力装置阵列外壳的结构图

图6为本发明的用于训练腕指协同能力的手功能康复设备使用的人机交互示意图；

图7为本发明的一种用于康复训练的人机交互系统的操作流程图；

图8为本发明的人机交互系统的指力采集模式示意图；

图9为本发明的人机交互系统的虚拟训练游戏人机交互模块界面示意图；

图10为本发明的人机交互系统的轨迹训练模式及有实时视觉反馈示意图；

图11为本发明的人机交互系统的轨迹训练模式及无实时视觉反馈示意图；

图12为本发明的人机交互系统的指力训练模式示意图；

图13为本发明的人机交互系统的指力训练模式的拇指和难度等级选择示意图；

图14为本发明的人机交互系统的综合训练模式示意图；

图中，1-底座；2-压力装置阵列外壳；3-压力采集装置；4-集成电路板；5-光流位移传感器；6-薄膜型压力传感器；7-人机交互系统；8-手功能康复设备；21-安装槽；31-基座；32-封盖；33-施力按钮；321-塑料形变片。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备8，包括同步采集压力数据和腕部位置信息的传感系统以及用于放置传感系统的便于用户抓握的腕指按压机构。

如图1所示，为本发明腕指按压机构的装配示意图，该腕指按压机构包括压力采集装置3、压力装置阵列外壳2和底座1，所述底座1位于腕指按压机构的底部，压力装置阵列外壳2通过螺丝固定连接在底座1的上方，所述压力采集装置3嵌设固定于压力装置阵列外壳2上。

如图2所示，所述传感系统安装在底座1上，传感系统具体包括：集成电路板4，焊接在集成电路板4上的光流位移传感器5，设置在压力采集装置中的薄膜型压力传感器6；其中集成电路板4集成有信号处理模块、蓝牙传输模块和单片机模块；所述光流位移传感器5用于采集腕部位置信息，所述信号处理模块用于处理从光流位移传感器5和薄膜型压力传感器6获得的数据信息，所述蓝牙传输模块用于传输数据，所述单片机模块用于控制传感系统的工作状态。

其中，所述集成电路板4通过螺丝安装固定在底座1内侧，同时以相同的方式与压力装置阵列外壳2连接。

如图3所示为压力采集装置3的结构爆炸图，压力采集装置3包括：基座31、封盖32、施力按钮33。

所述基座31和封盖32的外形大小相适配，通过四个螺丝进行固定，其中基座31的一侧开设有安装孔并以凸出结构延伸；所述薄膜型压力传感器6安装于基座31内部的凹槽处，薄膜型压力传感器6的一端为半圆形，中间为长方形，另一端为“凹”型的引脚；所述基座31内部设置的尺寸需要与薄膜型压力传感器6的半圆形一端的结构相适配，故本实施例中，在基座31内部设计了1个半圆形和长方形组合成型的凹槽，使薄膜型压力传感器6能够穿过安装孔平铺在基座31内部；所述薄膜型压力传感器6用于采集各个手指发力信息。

为了能够调节施力按钮33按压在薄膜型压力传感器6的初始压力大小，故将施力按钮33设计为调节螺丝，所述封盖32通过螺纹与施力按钮33连接；只有通过按压薄膜型压力传感器6才能够得到压力信号，因此在封盖32的内部腔体中设计了一层塑料形变片321，如图4所示，通过按压能够使塑料形变片321产生一定的形变从而改变按压在薄膜型压力传感器6上力的大小。

如图5所示为压力装置阵列外壳2的结构图，压力装置阵列外壳2分上下两部分结构，其下部分结构为与底座1尺寸适配且两者通过螺丝相连接固定的底座盖；上部分结构为垂直固定于底座盖外表面的中间区域的支架，支架整体呈长方体形状，支架内留设有腔体空间，用于薄膜型压力传感器6的连接导线能够和集成电路板4电气连接；支架的前侧设有4个用于安装压力采集装置3的安装槽22，后侧仅设有1个用于安装压力采集装置3的安装槽22；单个压力采集装置3通过4个螺丝和所述支架相连接，同时薄膜型压力传感器6的引脚和基座31一侧的凸出结构嵌入在所述安装槽22内。

在本实施例中，蓝牙传输模块为HC-04蓝牙模块；光流位移传感器采用ADNS3080光流传感器；单片机模块采用STM32F103C8T6；薄膜型压力传感器6采用FSR400。

如图6所示，还提供一种用于康复训练的人机交互系统7，用于记录各个传感器的数据，并实时提供视觉交互和任务性指标，使用者根据视觉反馈和任务指标完成训练，从而激发使用者的主动性和训练兴趣；所述人机交互系统7的操作流程如图7所示。

具体的，使用者先进入指力采集模式，如图8所示，通过采集使用者五指最大的力来改变交互训练游戏的映射关系，完成个性化的设置，同时保留数据；如图9所示，人机交互系统训练方法包括轨迹训练模式、指力训练模式和综合训练模式：

S1. 轨迹训练，在PC端安装配置与所述的手功能康复设备对应人机交互系统7并打开，使用者需要通过移动手臂以及手腕来控制该设备，控制所述的人机交互系统中所构建的虚拟场景物体的移动，过程中记录轨迹的移动信息和分数信息。

本实施例中轨迹训练模式的工作过程为：使用者通过移动手臂和手腕带动带动手功能康复设备8移动，使虚拟场景中所构建的黑色圆球进行移动；在规定时间内沿着轨迹完成训练任务，轨迹越贴合分数越高，如图10所示；同时该训练还可以取消白线轨迹，如图11所示,从而研究实时视觉轨迹反馈对上肢运动学习的影响。

S2. 手指训练，使用者控制五指发力大小，控制虚拟场景中水瓶中的液面使其维持在预设位置上从而积累分数，同时记录过程中的发力信息和分数信息。

本实施例中指力训练模式的工作过程为：使用者通过五指分别按压压力采集装置施力按钮33，来控制虚拟场景中所构建的透明瓶子的液面，当液面达到黑色线条根据保持时间，即可获得分数，满足一定条件后，黑色线条位置发生变化，使用者需要在规定时间内不停的改变手指发力的大小，从而提高得分，如图12所示；通过上述相同方式可选择不同拇指和难度等级来训练手指的发力大小控制，如图13所示。

S3. 综合训练，使用者通过移动手臂以及手腕和控制手指发力，完成虚拟场景中的连点成线训练，同时记录各个传感器的数据和分数信息。

本实施例中综合训练模式的工作过程为：使用者控制手功能康复设备8来控制黄色圆点的移动，根据指示（绿色圆点或者是数字）移动到规定的位置（达到时，绿色圆点会变成红色圆点），并根据选择的手指发力，当压力达到一定程度时，退出按钮上方的进度条会增加；当进度条填满时，会连接两点之间的线条，如图14所示。

本发明将腕部运动与手指运动信息进行数字化采集，并通过交互界面指导患者进行腕指康复训练，提高康复效果，同时增加患者的依从性。

以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，其特征在于，包括传感系统以及用于放置传感系统的腕指按压机构，该腕指按压机构包括压力采集装置（3）、压力装置阵列外壳（2）和底座（1），所述底座（1）位于腕指按压机构的底部，压力装置阵列外壳（2）通过螺丝固定连接在底座（1）的上方，所述压力采集装置（3）嵌设于压力装置阵列外壳（2）上。

2.如权利要求1所述的一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，其特征在于，所述传感系统安装在底座（1）上，传感系统具体包括：集成电路板（4），焊接在集成电路板（4）上的光流位移传感器（5），以及薄膜型压力传感器（6）；其中集成电路板（4）集成有信号处理模块、蓝牙传输模块和单片机模块，所述集成电路板（4）通过螺丝安装固定在底座（1）内侧，并以相同的方式与压力装置阵列外壳（2）连接；所述薄膜型压力传感器（6）设置在压力采集装置（3）中，电气连接于集成电路板（4）。

3.如权利要求2所述的一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，其特征在于，所述压力装置阵列外壳（2）包括：与底座（1）尺寸适配且两者通过螺丝相连接固定的底座盖，以及垂直固定于底座盖外表面的中间区域的支架；所述支架整体呈长方体形状，支架内留设有腔体空间，支架的前侧设有4个用于安装压力采集装置（3）的安装槽（22），后侧仅设有1个用于安装压力采集装置（3）的安装槽（22）。

4.如权利要求3所述的一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，其特征在于，所述压力采集装置（3）包括：基座（31）、封盖（32）、施力按钮（33）；所述基座（31）和封盖（32）的外形大小相适配，通过4个螺丝进行固定，其中基座（31）的一侧开设有安装孔并以凸出结构延伸，基座（31）内部设有1个半圆形和长方形组合成型的凹槽；所述施力按钮（33）设计为调节螺丝，所述封盖（32）通过螺纹与施力按钮（33）连接。

5.如权利要求4所述的一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，其特征在于，所述薄膜型压力传感器（6）的一端呈半圆形，中间为长方形，穿过安装孔平铺在基座（31）内部的凹槽处，另一端为“凹”型的引脚，引脚随所述安装孔延伸露出至基座（31）外，并和基座（31）一侧的凸出结构嵌入在所述安装槽（22）内。

6.如权利要求4所述的一种用于训练腕指协同能力的手功能康复设备，其特征在于，所述封盖（32）的内部腔体中设有一层塑料形变片（321）。

7.一种采用权利要求1~6任一项所述的手功能康复设备的人机交互训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 在PC端安装配置与所述的手功能康复设备对应人机交互系统（7）并打开，使用者通过移动手臂以及手腕来控制手功能康复设备，控制所述的人机交互系统中所构建的虚拟场景物体的移动，过程中记录轨迹的移动信息和分数信息；

S2.使用者控制五指发力大小，控制虚拟场景中水瓶中的液面使其维持在预设位置上从而积累分数，同时记录过程中的发力信息和分数信息；

S3.使用者通过移动手臂以及手腕和控制手指发力，完成虚拟场景中的连点成线训练，同时记录各个传感器的数据和分数信息。

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