一种穿戴式五手指康复机械手

摘要

一种穿戴式五手指康复机械手，包括手部机械结构和动力控制系统，手部机械结构为五组相同的结构适用于五指，手部机械结构主要是由弧形架、推杆、手指固定座和绷带组成，以终端牵拉的形式带动手指运动。其中弧形架将电机的直线位移转化为手指终端的弧形位移，推杆可以相对于弧形架旋转，通过自动调节可以缓解机构在辅助手指弯曲过程中存在的径向拉力，避免二次损伤，推杆上固定有限位螺钉，防止弧形架与推杆间机构卡死。本发明可以实现辅助人手部进行被动或主动模式的抓握、单根手指屈曲伸展、拇指食指两指对捏及拇指、食指和中指三指抓取的训练等多模式的训练，以实现全面康复。

权利要求

1.一种穿戴式五手指康复机械手，包括机械手底板(1)，其特征在于，机械手底板(1)上侧平面用于固定手部机械结构和动力控制系统，下侧面为弧形面以适应人手结构，通过绷带固定于手部；手部机械结构为五组相同的结构适用于五指，机械手底板(1)通过电机固定底座(2)固定直线推杆电机(3)，直线推杆电机(3)为机械手的屈曲和伸展提供动力，直线推杆电机(3)与电机固定底座(2)通过销钉链接并能够围绕电机固定底座(2)上的销钉进行旋转，直线推杆电机(3)端部通过销钉连接弧形架(5)的一端且能够相对转动，弧形架(5)的另一端与推杆(6)一端相连接；弧形架(5)上的孔和双侧位固定架(4)的孔同轴相连，推杆(6)另一端与手指固定座(9)相连，在手指固定座(9)上设置有绷带，在手指固定座(9)及绷带上还设置有检测手指伸展的手指端外侧压力传感器(10)和手指屈曲的手指端内侧压力传感器(11)；

动力控制系统包括与直线推杆电机(3)相连的主控器(12)，主控器(12)采用的是基于ARM-Cortex-M3架构下的STM32F107VC，STM32F107VC拥有全速USB接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100MAC模块，主控器(12)实现手指端外侧压力传感器(10)、手指端内侧压力传感器(11)及直线推杆电机(3)内嵌的直线位移传感器反馈的各信号的采集，并根据采集的信号驱动直线推杆电机(3)运动；主控器(12)内的信号调理单元用于手指端外侧压力传感器(10)、手指端内侧压力传感器(11)以及直线推杆电机(3)内嵌的直线位移传感器信号的处理，并将处理后信号送到采集板进行数据采集；

所述的弧形架(5)上设置有伸缩孔以便调节圆弧半径；

所述的手指端外侧压力传感器(10)和手指端内侧压力传感器(11)采用薄膜压阻式传感器。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式五手指康复机械手，其特征在于，所述的推杆(6)上设置有双向限位螺钉(7)。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式五手指康复机械手，其特征在于，所述的推杆(6)上设置不同位置的调节孔(8)。

说明书

一种穿戴式五手指康复机械手

技术领域

[0001] 本发明属于医疗保健器械康复机器人技术，特别涉及一种穿戴式五手指康复机械手。

背景技术

[0002] 脑损伤(脑卒中、脑瘫、脑外伤、脑肿瘤)是如今威胁人类健康的重大疾病，死亡率和致残率很高。据统计我国现有肢体残疾人约2422万，脑卒中约有1000万人，每年新增400万人。运动功能障碍一般表现为肢体障碍，由于上肢负责从事大量精细动作，所以其功能受损后恢复难度较大，容易导致终身残疾，对患者日常生活造成严重影响。临床研究表明，康复训练可以防止肌肉痉挛，增强关节活动度。目前针对中风病人康复治疗采用的物理疗法(如针灸、电刺激、按摩)比较多，有一定疗效，在治疗过程中患者只是被动的接受治疗，其主动参与性得不到保证。同样还有药物治疗，但是治疗比较单一，而且会有副作用。因此为了患者被动或者主动康复，需要一种用于手指运动的器械。但目前的训练机器人都是患者的大关节(如肩关节、肘关节、腕关节)的运动，并非每个重要关节都在运动，特别是手部的运动，而且手部负责日常生活中许多精细的动作，关节更多更加灵活，因此恢复手部是必不可少的，但大部分的上肢康复器械都忽略了这一点，而且缺乏五指协调的康复训练。有专利采用四连杆机构牵拉手指端部，但其在驱动手指弯曲的同时还会使手指承受径向拉压力，容易损伤手指。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种穿戴式五手指康复机械手，采用直线电机驱动、能够辅助患者进行五手指主被动屈曲伸展，拇指食指对捏，拇指、食指和中指三指的抓取等康复训练，多模式训练可以帮助患者进行手部功能康复训练。

[0004] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

[0005] 一种穿戴式五手指康复机械手，包括机械手底板1，机械手底板1上侧平面用于固定手部机械结构和动力控制系统，下侧面为弧形面以适应人手结构，通过绷带固定于手部；手部机械结构为五组相同的结构适用于五指，其结构为：机械手底板上1上通过电机固定底座2固定直线推杆电机3，直线推杆电机3为机械手的屈曲和伸展提供动力，直线推杆电机3与电机固定底座2通过销钉链接并能够围绕电机固定底座2上的销钉进行旋转，直线推杆电机3端部通过销钉连接弧形架5的一端且能够相对转动，弧形架5的另一端与推杆
6一端相连接，弧形架5上设置有伸缩孔以便调节圆弧半径；弧形架5上的孔和双侧位固定架4的孔同轴相连，推杆6另一端与手指固定座9相连，推杆6上设置有双向限位螺钉7和用于长度调节的调节孔8，在手指固定座9上设置有绷带，在手指固定座9及绷带上还设置有检测手指外展的传感器10和手指屈曲的传感器11。

[0006] 动力控制系统包括与直线推杆电机3相连的主控器12、主控器12采用的是基于ARM-Cortex-M3架构下的STM32F107VC，STM32F107拥有全速USB（OTG）接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100MAC模块，主控器12实现手指外侧力传感器10和手指内侧力传感器11的数据采集，并根据采集的信号驱动直线推杆电机3；主控器12内的信号调理单元用于处理手指外侧力传感器10、手指内侧力传感器11以及驱动直线推杆电机3反馈的位移信号，对传感器信号进行相应的放大滤波，送到采集板进行数据采集。

[0007] 所述的用于检测手指外展的传感器10和手指屈曲的传感器11采用压阻式薄膜压力传感器。

[0008] 所述的推杆6上设置有双向限位螺钉7。

[0009] 所述的推杆6上设置不同位置的调节孔8。

[0010] 所述的弧形架5上设置有伸缩孔以便调节圆弧半径。

[0011] 本发明所提供的五手指康复器械，由机械手底板1、直线推杆电机3和手部机械结构构成，符合人体手部关节结构，并且设有固定手指和手腕的绷带，采用电机驱动，可以实现位置的精确控制，限位螺钉和调节孔有效地控制了手部关节的运动范围。设计了多模式训练方式，可以实现辅助患者手部进行主被动抓握，拇指、食指捏取以及拇指、食指、中指抓取的动作。

附图说明

[0012] 图1为穿戴式五手指康复机械手的结构图。

[0013] 图2为穿戴式五手指康复机械手的控制系统结构示意图。

[0014] 图3为穿戴式五手指康复机械手控制主流程图。

[0015] 图4为穿戴式五手指康复机械手的控制被动模式流程图。

[0016] 图5为穿戴式五手指康复机械手的控制主动模式流程图。

[0017] 图中：1.机械手底板，2.电机固定底座，3.直线推杆电机，4.双侧位固定架，5.弧形架，6.推杆，7.调节孔，8.限位螺钉，9.手指固定底座，10.检测手指外展力传感器，11.检测手指屈曲力传感器，12.主控器。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图及实施例进行详细说明。

[0019] 参照图1，一种穿戴式五手指康复机械手，包括机械手底板1，机械手底板1上侧平面用于固定手部机械结构和动力控制系统，下侧面为弧形面以适应人手背部结构，通过绷带固定于手部；手部机械结构为五组相同的结构适用于五指，其结构为：机械手底板上1上通过电机固定底座2固定直线推杆电机3，直线推杆电机为机械手的屈曲和伸展提供动力，直线推杆电机3与电机固定底座2通过销钉链接并能够围绕电机固定底座2上的销钉进行旋转，直线推杆电机3端部通过销钉连接弧形架5的一端且能够相对转动，弧形架5的另一端与推杆6一端相连接，弧形架5上设置有伸缩孔，用于便调节圆弧半径以适应不同人手的尺寸；弧形架5上的孔和双侧位固定架4的孔同轴相连，推杆6另一端与手指固定座9相连，在手指固定座9上设置有绷带，通过绷带手指指进行固定，在手指固定座9及绷带上还设置有检测手指伸展的压力传感器10和检测手指屈曲的压力传感器11，用于检测患者手指运动意图及相应力的大小；

[0020] 所述的推杆6上设置有双向限位孔7，双向限位孔7防止运动过程中出现机构卡死。

[0021] 所述的推杆6上设置不同位置的调节孔8，用于调节指部固定座9的高度，用于不同大小的手进行训练。

[0022] 所述的弧形架5上设置有可调节长度的伸缩孔，用于调节弧形架前端圆弧半径，以便适应不同人手部尺寸大小。

[0023] 参照图2，动力控制系统包括与直线推杆电机3相连的主控器12、主控器12采用的是基于ARM-Cortex-M3架构下的STM32F107VC，STM32F107拥有全速USB（OTG）接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100MAC模块，因此采用该芯片可以为以后康复机械手走进家庭/社区构建远程控制提供了硬件基础。主控器12内的信号调理单元用于处理手指端压力传感器10、压力传感器11以及直线推杆电机3内嵌位移传感器的反馈信号，对传感器信号进行相应的放大滤波，送到采集板进行数据采集。直线推杆电机3内嵌的直线位移传感器所反馈的位移信号为模拟信号，能够用于感知直线电机推杆的位置，进行可以计算出当前人手指弯曲的角度。用于检测手指外伸展的传感器10和手指屈曲的传感器11采用薄膜压力传感器，该传感器为压阻式，机械手包含指内侧传感器和指外侧传感器，指内侧传感器固定于绷带与手指内侧接触的地方，而指外侧传感器则固定于手指背侧与手指固定座接触的地方。五个手指分别有两个压力传感器，因此该机械手共需要十个薄膜压力传感器。手指内侧传感器11检测手指屈曲时手指内侧表面压力，用于检测患者手指主动屈曲的运动意图。手指外侧传感器10检测手指伸展时手指外侧表面压力，用于检测患者手指主动伸展的运动意图。

[0024] 在被动康复训练模式下，主控器12依据预先设定的运动范围及直线推杆电机3内内嵌的直线位移传感器信号，带动手部进行运动。在主动康复训练模式下，主控器12实现手指端部压力传感器10和压力传感器11的数据采集，并根据采集的信号判断手指的运动意图，进而驱动直线推杆电机3作出相应的伸出或缩回动作。

[0025] 本发明的工作原理：

[0026] 五手指康复机械手的控制模式如图3所示，其工作方式分为两种模式：被动模式和主动助/阻力模式。两种模式流程图分别如图4、5所示。

[0027] 被动模式适用于中风初期患者肌无力状态下，由机械手带动手指进行屈曲伸展的训练。患者佩戴上机械手，通过判断直线电机内置的直线位移传感器判断手是否达到设定的目标角度，从而确定是否运动换向。在患者手部运动过程中，如果出现痉挛，则电机反向运动缓解痉挛。而且还可以通过控制器内部的定时器计时，监测训练时间。

[0028] 主动助/阻力适用于中风恢复期的患者，患者有一定的肌力。当患者进行手指自主屈曲运动时，通过检测手指端内侧压力传感器输出信号判断是否达到设定力，若达到则电机内推杆伸出一定距离，患者需要持续屈曲才可以保证手指内侧力传感器输出信号达到所设定的阈值，这样才能完成手指屈曲的动作；当患者进行手指自首伸展训练时，通过检测手指端外侧压力传感器输出，进行上述类似的的控制以完成自主伸展动作。

[0029] 由于所设计的五指康复机械手包含了五套手指康复训练结构，且各配有一个直线推杆电机作为动力，故将上述被动或主动模式下的控制方式分别用于各个电机，即不同手指采用不同的运动范围或速度，即可实现抓握、两指对捏或三指抓取的动作。

[0030] 机械部分的工作原理：由于本发明采用的是终端牵拉式结构，因此其正常工作过程需要在人手佩戴后才能实现。完成佩戴后，固定架4位于手背测掌指关节处，手指固定座9套于远端指关节附近。电机3与电机固定底座2及弧形架5间均用铰链连接，当电机3伸出时，电机3会推动弧形架5绕固定架4转动，弧形架的转动通过拉杆6及手指固定座9的传递作用转化为手指端绕掌指关节的转动。由于人手指关节在转动过程中伴随着转动半径的变化，因此手指端绕掌指关节的转动轨迹并非规则的圆弧。由于推杆6与弧形架5及固定座9间均通过铰链连接，推杆6与弧形架5及手指固定座9间可相互转动，因此在手指屈曲过程中推杆6会自动调整与弧形架5及固定座9间的夹角，从而实现自动调节转动半径。
当电机回缩时，上述过程反向即可。