一种双手跟踪式手指康复机器人系统技术方案

本发明专利技术公开了一种双手跟踪式手指康复机器人系统，包括正常手端的三指结构和恢复手端的三指结构，康复过程实现单元包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动；系统首先通过EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ对正常手动作结果进行测量，并输出给微控制系统进行分析、训练与学习，微控制系统根据判断结果控制恢复手端进行对称运动。本发明专利技术采用双手跟踪式康复设计，可以有效刺激患者大脑恢复并建立正常手与恢复手的对称联系，加快相关功能的恢复；且采用三指结构，重量轻、便于携带，适用于家庭康复。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于康复医疗器械领域，尤其是一种双手跟踪式手指康复机器人系统，特别适用于脑中风引起的偏瘫病人的手部康复训练。
技术介绍
脑卒中是一种急性脑血管疾病。随着我国逐渐进入老龄化社会，脑卒中的发病率逐年上升。偏瘫是脑卒中的常见后遗症，患者症状主要表现为一侧上下肢、面部和舌肌下部的运动障碍。偏瘫病人的上肢恢复多从肩部开始，至上臂、前臂，最后是手部。截至目前上肢康复装置中的研究大多是面向上臂和前臂的，手部作为恢复的最后阶段，直接影响患者康复的效果。现有的手部康复系统的设计以五指结构设计为主，而现实生活中，拇指、食指和中指这三指运动时往往连带其他两个手指运动，且依靠这三指几乎能够完成一只手的绝大部分日常动作。另外，手指康复存在运动精度高以及因人而异的运动模糊性问题，因而仅仅依靠单端的手指康复装置难以柔顺控制手指康复装置对手指进行康复训练，康复效果也受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述问题，提供一种双手跟踪式手指康复机器人系统，采用三指结构设计，通过患者自身正常一侧手指活动来引导病变侧手指活动，逐步达到康复的目的。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于：所述的双手跟踪式手指康复机器人系统由正常手的三指结构、恢复手的三指结构和微控制系统组成。所述的双手跟踪式手指康复机器人系统包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；所述的运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；所述的动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动。所述的运动感知单元包括EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅱ、手掌部分、手指MCP关节、手指PIP关节、手指DIP关节、手指MCP关节的固定槽、手指PIP关节的固定槽、手指DIP关节的固定槽；所述的训练学习单元包括微控制系统的硬件组成部分和机器学习算法实现的软件部分，其中微控制系统的硬件组成部分包括微控制器和电机驱动器；所述的动作执行与监测单元包括EMG传感器Ⅱ、三维角度传感器Ⅲ、三维角度传感器Ⅳ、电机驱动器、电机、手掌部分、手指MCP关节、转动轮、手指PIP关节、手指DIP关节；电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ分别安装在手掌部分；电机Ⅳ和电机Ⅴ分别安装在手指PIP关节；所述的手指MCP关节通过连接铰链固定在手掌部位；所述的手指PIP关节通过铰链与手指的MCP关节的可调节滑槽相连接；所述的手指DIP关节通过转动轴与手指PIP关节相连接；转动轮C、转动轮Ⅰ和转动轮Ⅱ分别通过螺纹连接分别固定在电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ上；转动轮Ⅲ、转动轮Ⅶ和转动轮B通过转动轴固定在手掌部位；转动轮Ⅳ和转动轮Ⅴ通过转动轴固定在拇指MCP关节处；转动轮Ⅵ通过转动轴与拇指的DIP关节相连接；转动轮Ⅷ通过转动轴与食指的MCP关节相连；转动轮Ⅸ和齿轮Ⅱ通过螺纹连接固定在电机Ⅳ；齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ相互啮合固定食指PIP关节；转动轮Ⅹ通过转动轴与食指的DIP关节相连接；转动轮A通过转动轴无名指的MCP关节相连；转动轮Ⅺ和齿轮Ⅳ通过螺纹连接固定在电机Ⅴ；齿轮Ⅲ与齿轮Ⅳ相互啮合固定无名指的PIP关节；转动轮Ⅻ通过转动轴与无名指的DIP关节相连接；所述的EMG传感器置于手臂来采集肌电信号；所述的三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息，三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息。所述的手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节上分别设有MCP关节的固定槽、PIP关节的固定槽和DIP关节的固定槽；固定槽将患者手指和双手跟踪式手指康复装置进行连接。一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于，其使用方法包括以下步骤：a)系统感知患者正常手的动作：患者正常手做出基本动作，EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ对动作结果进行测量、输出；b)样本的训练与学习：微控制系统通过EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ输出的信号进行分析、训练与学习；c)对恢复手的检测与识别：EMG传感器Ⅱ对患者恢复手产生的肌电信号进行测量与输出，微控制系统通过之前的学习结果判断患者的动作意图；d)恢复手端的运动：微控制系统根据判断结果控制恢复手端进行对称运动；e)患者运动信息的反馈：三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ对患者做出的动作进行测量与输出，并与学习结果进行对比；f)恢复训练的优化：通过对患者恢复手动作的对比与再学习，优化康复训练模型，进而达到更好的恢复效果。所述的康复训练模型从患者正常手的运动习惯中提取，而不通过医护工作者的主观判断建立。本专利技术的优势在于：1、恢复训练模型从患者正常手的运动习惯中提取，而不是以医护工作者的主观判断建立，可以在最大程度上确保康复过程的安全可靠；2、采用双手跟踪式康复设计，可以有效刺激患者大脑恢复并建立正常手与恢复手的对称联系，加快相关功能的恢复；3、在保证手能完成绝大部分日常动作的前提下，采用三指机构设计，有效减轻了康复系统重量，便于携带；4、康复过程同时也是模型的优化过程，不断地训练使康复运动更加准确与高效。附图说明图1为本专利技术所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的整体结构框图。图2为本专利技术所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的恢复手左侧结构示意图。图3为本专利技术所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的恢复手右侧结构示意图。图4为本专利技术所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的正常手左侧结构示意图。图5为本专利技术所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的正常手右侧结构示意图。图6位本专利技术所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的控制流程图。在图中，1为电机Ⅰ，2为电机Ⅱ，3为转动轮Ⅰ，4为手掌部分，5为电机Ⅲ，6为转动轮Ⅱ，7为转动轮Ⅲ，8为转动轮Ⅳ，9为转动轮Ⅴ，10为拇指MCP关节，11为转动轮Ⅵ，12拇指DIP关节，13为转动轮Ⅶ，14为转动轮Ⅷ，15食指MCP关节，16为食指MCP关节的固定槽，17为齿轮Ⅰ，18为转动轮Ⅸ，19为齿轮Ⅱ，20为食指PIP关节，21为转动轮Ⅹ，22为食指DIP关节，23为齿轮Ⅲ，24 为转动轮Ⅺ，25为齿轮Ⅳ，26为转动轮Ⅻ，27为食指MCP关节的调节槽，28为电机Ⅳ，29为食指DIP关节的固定槽，30为无名指DIP关节，31为无名指DIP关节的固定槽，32为无名指PIP关节，33为电机Ⅴ，34为无名指MCP关节，35为无名指MCP关节的固定槽，36为无名指MCP关节的调节槽，37为转动轮A，38为转动轮B，39为手掌部分固定槽，40为转动轮C。具体实施方式如图所示，一种双手跟踪式手指康复机器人系统，包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；所述的运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；所述的动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动。一种双手跟踪式手指康复机器人系统各手指结构类似，故这里以食指为例进行描述，其他手指类似：所述的运动感知单元包括EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅱ、手掌部分（4）、拇指MCP关节（10）本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于：所述的双手跟踪式手指康复机器人系统由正常手的三指结构、恢复手的三指结构和微控制系统组成；所述的双手跟踪式手指康复机器人系统包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；所述的运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；所述的动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动；所述的运动感知单元包括EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅱ、手掌部分、手指MCP关节、手指PIP关节、手指DIP关节、手指MCP关节的固定槽、手指PIP关节的固定槽、手指DIP关节的固定槽；所述的训练学习单元包括微控制系统的硬件组成部分和机器学习算法实现的软件部分，其中微控制系统的硬件组成部分包括微控制器和电机驱动器；所述的动作执行与监测单元包括EMG传感器Ⅱ、三维角度传感器Ⅲ、三维角度传感器Ⅳ、电机驱动器、电机、手掌部分、手指MCP关节、转动轮、手指PIP关节、手指DIP关节；电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ分别安装在手掌部分；电机Ⅳ和电机Ⅴ分别安装在手指PIP关节；所述的手指MCP关节通过连接铰链固定在手掌部位；所述的手指PIP关节通过铰链与手指的MCP关节的可调节滑槽相连接；所述的手指DIP关节通过转动轴与手指PIP关节相连接；转动轮C、转动轮Ⅰ和转动轮Ⅱ分别通过螺纹连接分别固定在电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ上；转动轮Ⅲ、转动轮Ⅶ和转动轮B通过转动轴固定在手掌部位；转动轮Ⅳ和转动轮Ⅴ通过转动轴固定在拇指MCP关节处；转动轮Ⅵ通过转动轴与拇指的DIP关节相连接；转动轮Ⅷ通过转动轴与食指的MCP关节相连；转动轮Ⅸ和齿轮Ⅱ通过螺纹连接固定在电机Ⅳ；齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ相互啮合固定食指PIP关节；转动轮Ⅹ通过转动轴与食指的DIP关节相连接；转动轮A通过转动轴无名指的MCP关节相连；转动轮Ⅺ和齿轮Ⅳ通过螺纹连接固定在电机Ⅴ；齿轮Ⅲ与齿轮Ⅳ相互啮合固定无名指的PIP关节；转动轮Ⅻ通过转动轴与无名指的DIP关节相连接；所述的EMG传感器置于手臂来采集肌电信号；所述的三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息，三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息；所述的手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节上分别设有MCP关节的固定槽、PIP关节的固定槽和DIP关节的固定槽；固定槽将患者手指和双手跟踪式手指康复装置进行连接。...

【技术特征摘要】
1.一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于：所述的双手跟踪式手指康复机器人系统由正常手的三指结构、恢复手的三指结构和微控制系统组成；所述的双手跟踪式手指康复机器人系统包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；所述的运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；所述的动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动；所述的运动感知单元包括EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅱ、手掌部分、手指MCP关节、手指PIP关节、手指DIP关节、手指MCP关节的固定槽、手指PIP关节的固定槽、手指DIP关节的固定槽；所述的训练学习单元包括微控制系统的硬件组成部分和机器学习算法实现的软件部分，其中微控制系统的硬件组成部分包括微控制器和电机驱动器；所述的动作执行与监测单元包括EMG传感器Ⅱ、三维角度传感器Ⅲ、三维角度传感器Ⅳ、电机驱动器、电机、手掌部分、手指MCP关节、转动轮、手指PIP关节、手指DIP关节；电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ分别安装在手掌部分；电机Ⅳ和电机Ⅴ分别安装在手指PIP关节；所述的手指MCP关节通过连接铰链固定在手掌部位；所述的手指PIP关节通过铰链与手指的MCP关节的可调节滑槽相连接；所述的手指DIP关节通过转动轴与手指PIP关节相连接；转动轮C、转动轮Ⅰ和转动轮Ⅱ分别通过螺纹连接分别固定在电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ上；转动轮Ⅲ、转动轮Ⅶ和转动轮B通过转动轴固定在手掌部位；转动轮Ⅳ和转动轮Ⅴ通过转动轴固定在拇指MCP关节处；转动轮Ⅵ通过转动轴与拇指的DIP关节相连接；转动轮Ⅷ通过转动轴与食指的MCP关节相连；转动轮Ⅸ和齿轮Ⅱ通过螺纹连接固定在电机Ⅳ；齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ相互啮合固定食指PIP...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊鹏文，高硕，廖波，杨大勇，胡凌燕，刘小平，熊根良，张华，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36