一种穿戴式手功能康复机器人及其控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种可穿戴式手功能康复机器人，主要用于辅助因脑中风、脑外伤、脊椎损伤以及周围神经损伤导致手运动功能障碍的患者在社区或者家庭中重复进行运动功能康复训练。该机器人系统通过检测患手多通道表面肌电信号提取患者主动运动意愿，并结合角度和力传感器测量的数据得到患肢状态，机器人在此基础上采用智能控制算法通过气动肌肉收缩辅助患手进行康复训练。本康复机器人具有多个自由度，辅助患手进行多关节复合运动，并且将康复过程中的多传感器数据信息融合用于康复效果评估，还通过使用计算机上的康复治疗虚拟环境来提高患者的主动性与训练兴趣。本实用新型专利技术结构简单，运动灵活，安全可靠，能够实现患手运动功能的康复训练，而且符合人手的生理结构特点，穿戴更加舒适。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于康复机器人技术，具体一种穿戴式手功能康复机器人及其控制系统。该机器人采用气动肌肉驱动、能够辅助患者进行患手多关节复合运动功能训练。本技术采用基于生物肌电生物反馈的智能控制，可对康复效果进行定量评估，采用增强现实技术充分发挥患者的主观能动性。
技术介绍
近年脊椎损伤、脑外伤和中风等中枢神经系统损伤患者显著增加，上肢和手功能障碍是最常见的主要问题之一，患手功能恢复关系到患者的预后和生活质量。研究显示，90％神经学上的恢复出现在脑卒中后三个月内，康复介入得越早，功能恢复的可能性就越大，预后也越好。中枢神经系统具有高度的可塑性，实验表明，特定的功能训练在此过程中必不可少。众多的康复训练一般是按照神经发育的规律，先从肩关节开始、逐渐过渡到肘关节、腕关节和手指功能训炼，等到肩、肘、腕的关节功能恢复后再进行手功能训练往往已错过最佳康复治疗时间。因此，手部康复的重复功能训练应与上肢同时进行，以便有效利用发病后早期这段最佳治疗时间。越复杂的功能越难恢复，而人手多进行精细运动，神经支配复杂，运动功能障碍患者最容易“废用”的是手的运动功能，因此早期诱发手指功能训练对于患者运动功能的最终恢复十分重要。临床上肢残疾患者的手功能障碍往往表现为屈曲挛缩，手的屈肌张力占优势，指间关节和掌指关节伸展困难，丧失握持、侧捏、对掌及对指等精细运动功能，因此痉挛是早期手功能训练的主要问题，康复治疗主要采取被动抑制痉挛的方法。目前临床上治疗师为病人进行康复训练时，手把手地对患者进行一对一的训练，活动患手的各关节，不仅训练效率和训练-->强度难以保证，训练效果受到治疗师水平的影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。中国专利200420019014.X公开一种智能手部康复训练器，用于手指运动功能有待恢复的患者进行康复训练，它包括控制系统、电机驱动装置、五根柔索、五对传动软轴和五套手指运动机构。该装置结构简单，操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。该装置的缺点是没有充分考虑人类肢体的特殊复杂性，从而使康复运动形式单一，自由度少，机构缺乏柔顺性，而且不能实现训练效果评估，也没有引入增强现实技术。中国专利200520020314.4公开一种脑血管病人用的气压式康复手套，主要由气囊、阀门、充气装置等组成，对气囊进行规律性的充气和放气，达到辅助手部多关节进行被动伸屈运动的目的。这种气压式康复手套尽管柔顺适合穿戴，但没有引入机器人技术，不算是一个智能康复系统，不能获取康复过程中的参数，不仅不能实现康复效果的评估，而且病人只是被动的接受康复训练，训练过程枯燥。中国专利200410009465.X公开一种手腕及手指关节运动康复训练机器人，包括上位机、机器人固定卡具、手托、调速驱动装置、角度检测机构和各种用途的训练手柄，可针对不同的目的，设计控制方案，辅助偏瘫患者进行腕手关节的康复训练。该装置的缺点是驱动执行机构不具柔顺性，不适合穿戴，也未引入生物反馈和增强现实技术提高患者主动参与康复训练的积极性。
技术实现思路
本技术的目的在于提供穿戴式手功能康复机器人，该机器人可辅助患手完成抓握、对掌和对指等动作，有效减轻水肿，避免肢体痉挛及非麻痹性肌肉萎缩，使运动尽可能达到协调和随意，提高活动自由度，使肢体功能得到好的恢复，缩短康复疗程，降低治疗费用；本技术还提供了该机器人的控制系统。-->本技术提供的穿戴式手功能康复机器人，其特征在于：第一、第二气动肌肉的进气端均与机械手臂后端相连；机械手臂前部安装有支撑滑轮架，支撑滑轮和第一压轮安装在支撑滑轮架上，支撑滑轮架前方安装有掌指关节转动副；掌指关节转动副前上方安装换向滑轮和第二压轮，下方安装可旋转的指托支架，在指托支架上安装有拉杆和分指托；拉杆上固定有刚性细绳，细绳穿过换向滑轮和第二压轮的间隙再穿过支撑滑轮和第一压轮的间隙，与第一气动肌肉的封闭端连接；掌指关节转动副前下方安装有紧贴手指背部的手指压片；掌指关节转动副与手指压片之间安装滑轨；机械手臂的前方一侧安装有第一拇指套和第二拇指套，拇指支架的一端与机械手臂相连，中部和第二气动肌肉的封闭端相连，另一端与第二拇指套相连。本技术提供的手功能康复机器人的控制系统，包括控制器、A/D采集卡、信号预处理电路、力传感器、角度传感器和电磁比例阀；力传感器包括第一力传感器和第二力传感器，第一力传感器的一端与固定在机械手臂后端，另一端连接第一气动肌肉的进气端，第二力传感器的一端也固定在机械手臂后端，另一端与第二气动肌肉的进气端相连；角度传感器包括第一角度传感器、第二角度传感器和第三角度传感器；第三角度传感器安装在拇指支架旋转轴处，第一角度传感器安装在掌指关节转动副的旋转轴处，第二角度传感器安装在指托支架旋转处；电磁比例阀与第一、第二气动肌肉的进气端相连；信号预处理电路与角度传感器和力传感器相连，将传感器信号进行放大滤波后，通过A/D采集卡与控制器相连。本技术将机器人技术应用于患者的手运动功能康复，提供一种穿戴式手功能康复机器人，采用气动肌肉驱动，其独特的仿生性和柔顺性使机器人的机械结构与人的肢体柔顺性更匹配，适于穿戴且安全舒适。具有多自由度，主要辅助手指的伸展，使患者最终完成手运动功能的重复训练。-->其轻便经济、易穿卸，尤其适于家庭和社区使用，既简化治疗师与患者“一对一”的繁重治疗过程，又可为患者提供有效的康复训练，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。本技术还包括控制系统，采用基于肌电信号的生物反馈技术，将多传感器数据融合用于机器人的智能控制和康复效果评估，辅助患者完成患手多关节复合运动的重复功能训练，并采用增强现实技术构建康复治疗虚拟环境，提高患者参与康复训练的主动性和兴趣。机器人可记录详实的治疗数据，能提供客观、准确的治疗和评价参数，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。附图说明图1为穿戴式手功能康复机器人主视图；图2为穿戴式手功能康复机器人俯视图；图3为穿戴式手功能康复机器人仰视图。图4为穿戴式手功能康复机器人控制系统的结构示意图；图5为穿戴式手功能康复机器人的智能控制算法流程图；图6为具有肌电生物反馈的穿戴式手功能康复机器人控制系统结构示意图；图7为由计算机提供康复治疗虚拟环境的康复机器人控制系统结构示意图；具体实施方式下面结合附图和实例对本技术作进一步详细的说明。如图1所示，穿戴式手功能康复机器人的结构为：机械手臂1用于固定患者手臂与手腕，第一、第二固定器7、8均安装在机械手臂1后端，第一力传感器9和第二力传感器10用于测量气动肌肉的拉力，第一力传感器9的一端与第一固定器7相连，另一端连接第一气动肌肉11的进气端，第二力传感器10的一端与第二固定器8相连，另一端与第二气动肌肉4的进气端相连。-->机械手臂1前部安装支撑滑轮架26，上面安装支撑滑轮13和第一压轮14，支撑滑轮架26前方安装掌指关节转动副18、19，其旋转轴处安装第一角度传感器20，测量掌指关节旋转角度；掌指关节转动副18、19前上方安装换向滑轮15和第二压轮16，下方安装可旋转的指托支架21，在指托支架21上安装拉杆17和分指托22，指托支架21旋转处安装第二角度传感器23，测量指间关节伸展角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种穿戴式手功能康复机器人，其特征在于：第一、第二气动肌肉（１１、４）的进气端均与机械手臂（１）后端相连；机械手臂（１）前部安装有支撑滑轮架（２６），支撑滑轮（１３）和第一压轮（１４）安装在支撑滑轮架（２６）上，支撑滑轮架（２６）前方安装有掌指关节转动副（１８、１９）；掌指关节转动副（１８、１９）前上方安装换向滑轮（１５）和第二压轮（１６），下方安装可旋转的指托支架（２１），在指托支架（２１）上安装有拉杆（１７）和分指托（２２）；拉杆（１７）上固定有刚性细绳（１２），细绳穿过换向滑轮（１５）和第二压轮（１６）的间隙再穿过支撑滑轮（１３）和第一压轮（１４）的间隙，与第一气动肌肉（１１）的封闭端连接；掌指关节转动副（１８、１９）前下方安装有紧贴手指背部的手指压片（２４）；掌指关节转动副（１８、１９）与手指压片（２４）之间安装滑轨（２５）；机械手臂（１）的前方一侧安装有第一拇指套（２）和第二拇指套（３），拇指支架（５）的一端与机械手臂相连，中部和第二气动肌肉（４）的封闭端相连，另一端与第二拇指套（３）相连。

【技术特征摘要】
1、一种穿戴式手功能康复机器人，其特征在于：第一、第二气动肌肉(11、4)的进气端均与机械手臂(1)后端相连；机械手臂(1)前部安装有支撑滑轮架(26)，支撑滑轮(13)和第一压轮(14)安装在支撑滑轮架(26)上，支撑滑轮架(26)前方安装有掌指关节转动副(18、19)；掌指关节转动副(18、19)前上方安装换向滑轮(15)和第二压轮(16)，下方安装可旋转的指托支架(21)，在指托支架(21)上安装有拉杆(17)和分指托(22)；拉杆(17)上固定有刚性细绳(12)，细绳穿过换向滑轮(15)和第二压轮(16)的间隙再穿过支撑滑轮(13)和第一压轮(14)的间隙，与第一气动肌肉(11)的封闭端连接；掌指关节转动副(18、19)前下方安装有紧贴手指背部的手指压片(24)；掌指关节转动副(18、19)与手指压片(24)之间安装滑轨(25)；机械手臂(1)的前方一侧安装有第一拇指套(2)和第二拇指套(3)，拇指支架(5)的一端与机械手臂相连，中部和第二气动肌肉(4)的封闭端相连，另一端与第二拇指套(3)相连。2、一种权利要求1所述手功能康复机器人的控制系统，其特征在于：它包括控制器(100)、A/D采集卡(200)、信号预处理电路(300)、力传感器(400)、角度传感器(500)和电磁比例阀(600)；力传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐琦，王永骥，何际平，邢科新，黄晓琳，刘中伟，周慧，王礼根，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：83[中国|武汉]