CN213099143U - 一种五指抓握康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种五指抓握康复训练机器人，属于医疗康复器械领域，包括基座、控制模块和执行模块，执行模块包括电机、驱动轴、牵引绳和患肢外骨骼，基座支撑患肢外骨骼，驱动轴与电机连接，牵引绳一端连接驱动轴、另一端连接患肢外骨骼，患肢外骨骼高度模拟患者手部结构的骨骼，通过牵引绳使电机的旋转带动患肢外骨骼的屈伸运动，通过输入参数控制电机旋转的速度从而控制屈伸运动的角度和速度。本实用新型结构简单、操作方便、快捷，并且可根据患者情况进行康复力度的调节、成本低廉。

Description

一种五指抓握康复训练机器人

技术领域

本实用新型属于医疗康复器械领域，具体涉及一种五指抓握康复训练机器人。

背景技术

手指关节是人手指骨骼的骨块之间的连接点，骨与软骨之间的接合处，也是在手部运动中其关键作用的环节。由于手指关节特殊的位置和结构，其在日常锻炼和运动中易产生损伤，导致五指失去抓握能力或者抓握能力方面有缺陷，这需要通过康复训练来恢复。

随着科技的发展和医疗体系的日趋完善，现代医疗已经发展出可以帮助患者恢复抓握能力的康复疗法。然而，医院和社区康复科室手部康复仪器的训练机构总体结构复杂，对人手抓握规律的还原度不理想，极易在运动时产生运动干涉的现象，影响康复训练的正常进行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种五指抓握康复训练机器人，结构简单且易操作，对人手关节模拟度高，具有较好的自由度，给患肢舒适体验。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种五指抓握康复训练机器人，包括基座、控制模块和执行模块，控制模块和执行模块皆安装在基座上，执行模块包括电机、驱动轴、牵引绳和患肢外骨骼，患肢外骨骼包括五指套板、手背面板和拇指掌骨套板，手背面板固定在基座上且用于包裹人体手背，五指套板包括转动连接在拇指掌骨套板前端的拇指套板以及转动连接在手背面板前端的食指套板、中指套板、无名指套板和小指套板，拇指套板具有对应人体拇指两节指骨的近节指骨套板和远节指骨套板，食指套板、中指套板、无名指套板和小指套板中的每一个具有对应相应手指三节指骨的近节指骨套板、中节指骨套板和远节指骨套板，相邻的指骨套板转动连接在一起，并在转动连接处设有扭簧，在初始状态，扭簧使各手指套板呈弯曲收拢状态；

驱动轴连接电机的输出轴,驱动轴上绕有五根相互隔离的牵引绳，五根牵引绳分别牵引五指套板，一牵引绳沿拇指掌骨套板背面延伸至拇指套板末端背面，其余四根牵引绳由手背面板背面分别延伸至相应的手指套板末端背面，通过驱动轴的转动，各牵引绳同时牵引各手指套板伸直；

控制模块包括LCD显示屏和电路主控板，电路主控板控制电机，电机将实际转速反馈给电路主控板，LCD显示屏与电路主控板通信，根据患者实际情况通过LCD显示屏输入参数以调节电机的转速，从而控制患肢外骨骼的屈伸运动的速度和范围。

进一步的，驱动轴上设有五个相互隔离的线槽，五根牵引绳分别绕在五个线槽中，五个线槽的直径大小不一以适应人体五指的牵引范围。

进一步的，所述患肢外骨骼是根据人体手指生物学特征以及正常人的手指长度来进行设计，用3D打印仿生光敏树脂将每个关节度分别制作出来，然后将每一部分连接起来，从而形成一个整体。

进一步的，五指套板中的每一节指骨套板背面对应人指关节处设有穿线孔，拇指掌骨套板上靠近人体腕关节处设有一个穿线孔，手背面板上对应人体四指与掌骨的连接处设有四个穿线孔，且手背面板在靠近人体腕关节处设有四个穿线孔，五根牵引绳分别穿过对应的穿线孔而互不干涉。

进一步的，所述手背面板的前端延伸出的用于连接四指套板的长度依据人体手指长短构造而各不相同。

进一步的，手背面板的左右两侧设有传感器，用以检测伸入的手掌关节两侧是否到达合适位置，传感器反馈信号给电路主控板。

进一步的，患肢外骨骼配置有一柔性患肢手套用于包裹患者手部。

进一步的，相邻指骨套板的转动连接处两侧皆设有扭簧。

进一步的，所述牵引绳为尼龙绳。

进一步的，所述电机为一体式步进电机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)患肢外骨骼的每个指节独立制造再进行整体连接，每个指节可移动一定的角度，使指节运动的范围增大，更类似于人手运动，提供了多个自由度的运动，还原真实拇指弯曲时的动作，提高舒适度和动作流畅度，可以完成更多更灵巧的康复训练动作。

2)本实用新型体积小、灵巧、智能化、操作性能好，通过电机驱动获得动力，一个电机驱动五指套板同时运动，结构简单,且易于实现，手部外骨骼通过手背面板承担重量,不会对患者构成负担。

3)采用一个电机驱动控制五个手指运动，减少耗能，降低成本，能根据患者实际情况，输入手指屈伸运动的范围和速度，更加人性化；操作简单，易上手。

4)通过牵引绳牵引的方式带动受伤手指进行康复运动，减少了对受伤手指的伤害，并使其可以更加平滑的进行往复运动，绳牵引的方式具备一定的柔性，不易伤手。

附图说明

图1是五指抓握康复训练机器人的立体示意图；

图2是患肢外骨骼的立体示意图之一；

图3是患肢外骨骼的立体示意图之二；

图4是食指套板伸直状态示意图；

图5是食指套板弯曲状态示意图；

图6是五指抓握康复训练机器人的电气连接示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

请参阅图1至图6，本实施例揭示一种五指抓握康复训练机器人，包括基座1、控制模块和执行模块，控制模块和执行模块皆安装在基座1上。

如图6所示，执行模块包括电机、驱动轴2、牵引绳3和患肢外骨骼4。请参阅图2和图3，患肢外骨骼4包括五指套板、手背面板5和拇指掌骨套板6，五指套板包括转动连接在拇指掌骨套板6前端的拇指套板7以及转动连接在手背面板5前端的食指套板8、中指套板9、无名指套板10和小指套板11，拇指套板7具有对应人体拇指两节指骨的近节指骨套板12和远节指骨套板14，食指套板8、中指套板9、无名指套板10和小指套板11中的每一个具有对应相应手指三节指骨的近节指骨套板12、中节指骨套板13和远节指骨套板14。

请参阅图2和图3，相邻的指骨套板转动连接在一起，并在转动连接处两侧设有扭簧16，每一节指骨套板背面对应指关节处设有穿线孔15。手背面板5上对应人体四指与掌骨的连接处设有四个穿线孔15，且手背面板5在靠近人体腕关节处设有四个穿线孔15，拇指掌骨套板6上靠近人体腕关节处设有一个穿线孔15。

如图6，驱动轴2通过联轴器连接电机的输出轴,驱动轴2上固定有五根牵引绳3，五根牵引绳3根据人体手掌骨骼的走向穿过对应的穿线孔15连接至各手指套板的末端，通过驱动轴2的转动，牵引绳3牵引患肢外骨骼4运动，各手指套板实现同步伸直。牵引绳3将患者的手拉直，而恢复力则靠患肢外骨骼4对应人手各关节处的扭簧16，通过直接控制电机拉动5根牵引绳3，从而带动手指的动作。

在具体的结构中，驱动轴2上对应五根牵引绳3设有五个相互分离的线槽17，以避免各牵引绳3在运动过程中相互纠缠而造成不良后果。由于五指运动行程不一致，驱动轴2上的五个线槽17直径大小不一以调整牵引绳3拉动五指的范围。

控制模块包括LCD显示屏和电路主控板，电路主控板控制电机，电机将实际转速反馈给电路主控板，LCD显示屏与电路主控板通信，通过LCD显示屏输入参数以调节电机的转速，从而控制患肢外骨骼4的屈伸运动的速度和范围。

电路主控板以STM32F407ZET6单片机为核心，加上电机驱动模块、电源模块、无线通信模块、LCD显示模块等共同组成。

电机优选地为一体化步进电机，进一步优选采用北京立迈胜控制技术有限责任公司出售的STM57系列485总线电机。

患肢外骨骼4是根据人体手指生物学特征，以及正常人的手指长度来进行设计，用3D打印仿生光敏树脂将每个关节度分别制作出来，然后将每一部分连接起来，从而形成一个整体。五指套板的零件通过两侧的转轴结构相连，既保证了结构的稳定性，又不会使结构摩擦力过大导致零件间难以做相对运动。由于不是一体化设计，所以每个指节都可以移动一定的角度，这样就可以使手指进行往复的抓握运动。

基座1包括底座和上盖，电机和驱动轴2位于底座和上盖组合成的空间内，上盖上设有五个通孔供五根弹性穿线绳分别穿过，以免各弹性穿线绳互相干涉。手背面板5固定在上盖上方，上盖将患肢外骨骼4与电机和驱动轴2隔离开，以增强安全性。

手背面板5佩戴在患者手背，其安装固定在基座1的上盖上，使患者在上盖上能够进行康复运动，并且用于与各手指指节外骨骼相连接。人体掌骨与各近节指骨的交界处的关节，当手指弯曲或伸直时，此处关节活动微小且近似同步，故本实例中将其构建为一块手背面板5。

在设计中，手背面板5中设计好每个手指外骨骼的之间的距离，这些距离贴合于正常人手指之间的距离，手背面板5与手指套板连接后，便可将手指套板位置固定，组成一个完整的患肢外骨骼4。依据人体手指长短构造，四指在此关节处不处于同一水平线上，因此手背面板5往前延伸出的用于连接四指套板的长度也各不相同，以适应人体此处关节，与中指套板9连接处最长，与无名指套板10连接处第二，与食指套板8连接处略低于与无名指套板10连接处，与小拇指套板7连接处最短，增加舒适度。

大拇指掌骨与其他四指掌骨不同，当拇指弯曲时，拇指掌骨也随之运动，故需要给予一定的自由度，以还原真实拇指弯曲时的动作。拇指掌骨套板6起到将手背面板5与拇指套板7相连接的作用，同时拇指掌骨套板6背部的穿线孔15用于供穿线绳通过。拇指套板7起限制大拇指活动空间和保护其不受伤害的作用，拇指套板7上对应人体拇指的关节处设有穿线孔15用于插入牵引绳3，牵引绳3拉拽大拇指以锻炼大拇指关节。

由于采用的是以绳牵引的方式来带动手指进行往复运动，所以在每个手指指节外骨骼的背后都会附着一个牵引绳3，本实施例中的牵引绳3为尼龙绳，尼龙绳本身具有摩擦力小、强度高、密度小、回弹性好、抗疲劳性好、热稳定性好、耐磨等优点，因为3D打印材料本身比较脆弱，采用尼龙绳来牵引手指运动，可以减小材料损坏的危险。

手背面板5的左右两侧设有传感器，用以检测伸入的手掌关节两侧是否到达合适位置，传感器反馈信号给电路主控板，若未到达则电机无法运行，以起到保护患者的目的。为了给患者更舒适的体验，配置有一柔性患肢手套用于包裹患者手部，柔性患肢手套形成隔离层，避免对患肢造成二次损伤。

本实用新型借鉴了现有的手指康复训练机器人，集众家之所长，又创造性地将一体化电机应用于关节驱动，仅用一个电机即可能完成五个手指的康复训练要求，大大降低了机器人自身的重量，克服了现有手指康复机器人体积重量较大的问题。软件部分在嵌入式系统中写入程序，使得患者可以根据自身的需求设定参数，采用了闭环控制回路和数据采集系统，使医生能够根据反馈数据更准确地把握治疗效果。同时为了最大限度地消除隐患，在控制程序里写入保护程序，结合患肢手套的使用，达到软、硬件双重保护的效果。

本实用新型体积小、灵巧、智能化、操作性能好，通过电机驱动获得动力，一个电机驱动五指套板同时运动，结构简单,且易于实现，手部外骨骼通过手背面板5承担重量,不会对患者构成负担，本实用新型提供了多个自由度的运动，可以完成更多更灵巧的康复训练动作。

本实用新型还具有以下优点：

1)将对应人体手掌部位的外骨骼分成手背面板5和拇指掌骨套板6，由拇指掌骨套板6连接拇指套板7和手背面板5，使患者拇指具有较好的自由度，还原真实拇指弯曲时的动作，提高舒适度和动作流畅度；

2)采用光敏树脂材料进行3D打印，提高患者康复体验的舒适性和适用性，采用各指节分开制造再整体连接的工艺，使维护更加简单、方便，价格亲民；重量轻巧，方便携带；

3)患肢外骨骼4的每个指节独立制造再进行整体连接，每个指节可移动一定的角度，使指节运动的范围增大，更类似于人手运动，结构简单灵活；

4)采用一个电机驱动控制五个手指运动，减少耗能，降低成本，能根据患者实际情况，输入手指屈伸运动的范围和速度，更加人性化；操作简单，易上手；

5)通过牵引绳3牵引的方式带动受伤手指进行康复运动，减少了对受伤手指的伤害，并使其可以更加平滑的进行往复运动，绳牵引的方式具备一定的柔性，不易伤手。

6)采用牵引绳3来牵引手指运动，减小患肢外骨骼4材料损坏的危险。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种五指抓握康复训练机器人，其特征在于:包括基座、控制模块和执行模块，控制模块和执行模块皆安装在基座上，

执行模块包括电机、驱动轴、牵引绳和患肢外骨骼，患肢外骨骼包括五指套板、手背面板和拇指掌骨套板，手背面板固定在基座上且用于包裹人体手背，五指套板包括转动连接在拇指掌骨套板前端的拇指套板以及转动连接在手背面板前端的食指套板、中指套板、无名指套板和小指套板，拇指套板具有对应人体拇指两节指骨的近节指骨套板和远节指骨套板，食指套板、中指套板、无名指套板和小指套板中的每一个具有对应相应手指三节指骨的近节指骨套板、中节指骨套板和远节指骨套板，相邻的指骨套板转动连接在一起，并在转动连接处设有扭簧，在初始状态，扭簧使各手指套板呈弯曲收拢状态；

驱动轴连接电机的输出轴,驱动轴上绕有五根相互隔离的牵引绳，五根牵引绳分别牵引五指套板，一牵引绳沿拇指掌骨套板背面延伸至拇指套板末端背面，其余四根牵引绳由手背面板背面分别延伸至相应的手指套板末端背面，通过驱动轴的转动，各牵引绳同时牵引各手指套板伸直；

控制模块包括LCD显示屏和电路主控板，电路主控板控制电机，电机将实际转速反馈给电路主控板，LCD显示屏与电路主控板通信，根据患者实际情况通过LCD显示屏输入参数以调节电机的转速，从而控制患肢外骨骼的屈伸运动的速度和范围。

2.根据权利要求1所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于:驱动轴上设有五个相互隔离的线槽，五根牵引绳分别绕在五个线槽中，五个线槽的直径大小不一以适应人体五指的牵引范围。

3.根据权利要求1所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于:所述患肢外骨骼是根据人体手指生物学特征以及正常人的手指长度来进行设计，用3D打印仿生光敏树脂将每个关节度分别制作出来，然后将每一部分连接起来，从而形成一个整体。

4.根据权利要求1所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于:五指套板中的每一节指骨套板背面对应人指关节处设有穿线孔，拇指掌骨套板上靠近人体腕关节处设有一个穿线孔，手背面板上对应人体四指与掌骨的连接处设有四个穿线孔，且手背面板在靠近人体腕关节处设有四个穿线孔，五根牵引绳分别穿过对应的穿线孔而互不干涉。

5.根据权利要求1所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于:所述手背面板的前端延伸出的用于连接四指套板的长度依据人体手指长短构造而各不相同。

6.根据权利要求1所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于:手背面板的左右两侧设有传感器，用以检测伸入的手掌关节两侧是否到达合适位置，传感器反馈信号给电路主控板。

7.根据权利要求1至6任一项所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于:患肢外骨骼配置有一柔性患肢手套用于包裹患者手部。

8.根据权利要求7所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于：相邻指骨套板的转动连接处两侧皆设有扭簧。

9.根据权利要求1所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于：所述牵引绳为尼龙绳。

10.根据权利要求1所述五指抓握康复训练机器人，其特征在于：所述电机为一体式步进电机。

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