專利名稱：多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于康復(fù)機(jī)器人技術(shù)，具體為一種穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器 人。該康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)，能輔助患者患手進(jìn)行主被動(dòng)伸 屈及其它復(fù)雜模式的運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練。
背景技術(shù)：
目前，由于脊椎損傷、腦外傷、腦性癱瘓、中風(fēng)等中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷， 以及手外傷、手部肌肉損傷、軟組織損傷等周圍神經(jīng)肌肉系統(tǒng)損傷而引起 手功能障礙的患者顯著增加，手運(yùn)動(dòng)功能障礙是其常見(jiàn)的主要癥狀，而患 手的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)密切關(guān)系到患者預(yù)后以及日后的生活方式和生活質(zhì)量。 臨床研究表明，患者及時(shí)參與康復(fù)治療，進(jìn)行病殘功能訓(xùn)練、功能增強(qiáng)、 功能補(bǔ)償，可有效地發(fā)揮其自身潛力，避免因制動(dòng)而造成的并發(fā)癥或繼發(fā) 殘疾，從而改變無(wú)功能生命狀態(tài)，降低殘疾程度，預(yù)防因傷、病二級(jí)傷殘。 在臨床上，肢殘疾患者的手功能障礙往往表現(xiàn)為屈曲攣縮，手的屈肌 張力占優(yōu)勢(shì)，指間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)伸展困難，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的抓握功 能；同時(shí)手部周圍神經(jīng)損傷會(huì)引發(fā)生物電傳導(dǎo)異常，患者常因手外傷導(dǎo)致 肌無(wú)力，如若不能有效進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練將有可能引發(fā)手部肌肉萎縮、疼痛， 因此，痙攣和肌肉萎縮是手功能康復(fù)中需解決的首要問(wèn)題。
中國(guó)專利200710168725.1公開(kāi)一種可穿戴式手功能康復(fù)機(jī)器人。該機(jī) 器人系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)患手表面肌電信號(hào)提取患者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意愿，并結(jié)合角度 和力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)得到患肢狀態(tài)。本康復(fù)機(jī)器人能輔助患手進(jìn)行多關(guān) 節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并且將康復(fù)過(guò)程中的多傳感器數(shù)據(jù)信息融合用于康復(fù)效果評(píng) 估，還通過(guò)使用計(jì)算機(jī)上的康復(fù)治療虛擬環(huán)境來(lái)提高患者的主動(dòng)性與訓(xùn)練 興趣。
但該康復(fù)機(jī)器人的不足有食指、中指、無(wú)名指和小拇指共用一個(gè)指托支架運(yùn)動(dòng)，自由度少，無(wú)法輔助患手完成更精細(xì)復(fù)雜的功能訓(xùn)練，訓(xùn)練 模式單一，影響康復(fù)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器 人，分別為各手指提供輔助其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有多自由度，能有 效輔助患者完成手指多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的重復(fù)功能訓(xùn)練和較為復(fù)雜的分指運(yùn) 動(dòng)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸可調(diào)節(jié)，使用過(guò)程中患者感覺(jué)更加舒適。
本發(fā)明還提供一種用于上述機(jī)器人的控制系統(tǒng)，集成電刺激系統(tǒng)，減 輕患手的肌肉強(qiáng)痙，促進(jìn)患者手部運(yùn)動(dòng)功能的重建和恢復(fù)。
一種多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，包括機(jī)械手臂1和與 其相接的機(jī)械手指，機(jī)械手指由機(jī)械拇指、食指、中指、無(wú)名指和小拇指 構(gòu)成；
機(jī)械拇指包括進(jìn)氣端固定于機(jī)械手臂1后端的第一氣動(dòng)肌肉11，位于 機(jī)械手臂1前端的拇指支架7和第一拇指套2，拇指支架7通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷4與 拇指連桿5的一端相接，拇指連桿5的另一端與第二拇指套3相連，剛性 細(xì)繩12的一端與第二拇指套3相連，另一端與第一氣動(dòng)肌肉11的封閉端 相連；
機(jī)械食指、中指、無(wú)名指和小拇指結(jié)構(gòu)相同，機(jī)械食指包括進(jìn)氣端固 定于機(jī)械手臂1后端的第二氣動(dòng)肌肉15和安裝于機(jī)械手臂1前端的手指末 端支架17，手指末端支架17上設(shè)有末端壓線滑輪16、末端支撐滑輪19和 末端旋轉(zhuǎn)軸18;末端旋轉(zhuǎn)軸18通過(guò)連桿依次連接第一中間連接件22、手 指前端支架25，手指前端支架25上安裝有前端支撐滑輪26和前端旋轉(zhuǎn)軸 24，前端旋轉(zhuǎn)軸24通過(guò)連桿與第二中間連接件29相連；第二中間連接件 29的底部安裝有指托支架32，頂部固定有剛性細(xì)繩30，剛性細(xì)繩30穿過(guò) 前端支撐滑輪26，經(jīng)過(guò)末端支撐滑輪19的頂部和末端壓線滑輪16的底部， 與第二氣動(dòng)肌肉15的封閉端相接。
第一和第二中間連接件22， 29的內(nèi)側(cè)壁均勻分布有滾珠，在其內(nèi)部還設(shè)有壓縮彈簧，壓縮彈簧兩端與伸入連接件內(nèi)部的連桿面接觸。 作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)銷4上安放有扭力彈簧8。 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述末端旋轉(zhuǎn)軸18和前端旋轉(zhuǎn)軸24的外表
面分別套有扭力彈簧。
一種用于上述康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括A/D采集卡200、信號(hào)預(yù)處 理電路300、力傳感器400、角度傳感器500、電氣比例閥600、 sEMG電極700、 EMG放大器800、控制器900、電刺激器IOOO、刺激電極1100;
力傳感器400包括五個(gè)力傳感器，各力傳感器的一端固定在機(jī)械手臂l 后端，另一端分別與機(jī)械拇指、食指、中指、無(wú)名指和小拇指的氣動(dòng)肌肉 進(jìn)氣端相接；
角度傳感器500包括九個(gè)角度傳感器，其中一個(gè)角度傳感器安裝在機(jī)械 拇指的轉(zhuǎn)動(dòng)銷4上，其它八個(gè)角度傳感器分別安裝在機(jī)械食指、中指、無(wú)名 指和小拇指的末端旋轉(zhuǎn)軸和前端旋轉(zhuǎn)軸上；
電氣比例閥600與機(jī)械拇指、食指、中指、無(wú)名指和小拇指的氣動(dòng)肌肉 進(jìn)氣端相連；
sEMG電極700用于測(cè)量手部肌肉生物肌電信號(hào)；
EMG放大器800將手部肌肉生物肌電信號(hào)放大后傳送給信號(hào)預(yù)處理電 路300;
信號(hào)預(yù)處理電路300與角度傳感器500、力傳感器400和EMG放大器 800相連，將收到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，通過(guò)A/D采集卡200發(fā)送給控 制器900;
控制器900接收信號(hào)預(yù)處理電路300放大后的數(shù)據(jù)，采用智能控制策 略通過(guò)電磁比例閥600控制各氣動(dòng)肌肉的收縮，控制器900還通過(guò)電刺激 器1000連接刺激電極1100，控制器900產(chǎn)生控制信號(hào)，控制電刺激器1000 產(chǎn)生適宜的電刺激波，引起手部受損肌肉的運(yùn)動(dòng)。
控制器900還連接計(jì)算機(jī)1200 ，通過(guò)計(jì)算機(jī)1200進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人訓(xùn) 練參數(shù)的設(shè)定以及訓(xùn)練過(guò)程中的信息顯示，同時(shí)為患者提供虛擬游戲環(huán)境。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在
本發(fā)明采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)方式，以其獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)的多自由度、仿生 性和柔順性使機(jī)器人與人的手指肢體更適應(yīng)更匹配，適于穿戴且安全舒適。 該機(jī)器人特性具體體現(xiàn)如下(1)氣動(dòng)肌肉在力/長(zhǎng)度特性、伸縮率范圍和 響應(yīng)速度等方面與生物肌肉頗為相似，使得其具有很好的柔順性；(2)為 各手指提供一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有多自由度，有效輔助各手指的自由 伸屈，使患者最終完成手指多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)功能的重復(fù)訓(xùn)練和復(fù)雜的手部 動(dòng)作；(3)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸可調(diào)，使用過(guò)程中患者感覺(jué)更加舒適；(4)易穿 卸、輕便經(jīng)濟(jì)，尤其適于家庭和社區(qū)使用，既簡(jiǎn)化治療師與患者" 一對(duì)一" 的繁重治療過(guò)程，又可為患者提供有效的康復(fù)訓(xùn)練，具有改善康復(fù)效果和 提高康復(fù)效率的潛力。
本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建康復(fù)治療虛擬環(huán)境， 利用計(jì)算機(jī)游戲環(huán)境增加康復(fù)訓(xùn)練的趣味性，提高患者參與康復(fù)訓(xùn)練的主 動(dòng)性和積極性，實(shí)時(shí)反饋訓(xùn)練過(guò)程中的客觀數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息優(yōu)化訓(xùn)練 參數(shù)可優(yōu)化治療方案，具有改善康復(fù)效果和提高康復(fù)效率的潛力，同時(shí)集 成電刺激系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同病情的患者選擇不同的手部康復(fù)訓(xùn)練方式。


圖1為多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人主視圖2為多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人俯視圖3為多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人仰視圖4為多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人食指結(jié)構(gòu)示意圖5為多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖l、 2、 3、 4所示，穿戴式手功能康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)為 機(jī)械手臂1用于固定患者手臂與手腕，拇指部分的第一力傳感器10安 裝在機(jī)械手臂1后端的第一固定器9上，第一固定器9安放有第一力傳感器10，第一氣動(dòng)肌肉11的進(jìn)氣端與第一力傳感器10相接。機(jī)械手臂1的
前右方安裝拇指支架7和第一拇指套2，拇指支架7通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷4與拇指連 桿5相連，實(shí)現(xiàn)拇指的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)銷4上安有第一角度傳感器6，用于測(cè)量 拇指伸曲，拇指連桿5前端下方安裝有第二拇指套3，剛性細(xì)繩12的一端 與第二拇指套3相連，另一端與第一氣動(dòng)肌肉11的封閉端相連。
機(jī)械食指、中指、無(wú)名指和小拇指結(jié)構(gòu)相同，現(xiàn)以機(jī)械食指為例說(shuō)明 其結(jié)構(gòu)。參考圖1和圖2，第二固定器13安裝于機(jī)械手臂1的后端，第二 固定器13上還安放了第二力傳感器14，第二氣動(dòng)肌肉15的進(jìn)氣端與第二 力傳感器14相接。機(jī)械手臂1的前端安裝有手指末端支架17，手指末端支 架17上設(shè)有末端壓線滑輪16、末端支撐滑輪21和末端旋轉(zhuǎn)軸18，末端旋 轉(zhuǎn)軸18上設(shè)有第二角度傳感器20，用于測(cè)量手指掌指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。末 端旋轉(zhuǎn)軸18通過(guò)第一連桿21連接第一中間連接件22，第一中間連接件22 通過(guò)第二連桿23連接手指前端支架25，手指前端支架25上安裝有前端支 撐滑輪26和前端旋轉(zhuǎn)軸24，前端旋轉(zhuǎn)軸24上設(shè)有第三角度傳感器27。前 端旋轉(zhuǎn)軸24通過(guò)第三連桿28與第二中間連接件29相連；第二中間連接件 29的下端安裝有指托支架32，頂部端蓋31上固定有剛性細(xì)繩30，剛性細(xì) 繩30穿過(guò)前端支撐滑輪26，經(jīng)過(guò)末端支撐滑輪21的頂部和末端壓線滑輪 16的底部，與第二氣動(dòng)肌肉15的封閉端相接。
力傳感器共有五個(gè)，分別用于測(cè)量大拇指、食指、中指、無(wú)名指和小 拇指的氣動(dòng)肌肉產(chǎn)生的拉力，所測(cè)力值用于機(jī)器人的反饋控制。各力傳感 器的一端分別固定在手臂后端的各機(jī)械手指的固定器上，另一端分別連接 各機(jī)械手指的氣動(dòng)肌肉進(jìn)氣端。
角度傳感器一共有九個(gè)，第一角度傳感器6安裝在拇指支架轉(zhuǎn)動(dòng)銷4 處，用于測(cè)量大拇指的伸屈度；機(jī)械食指、中指、無(wú)名指和小指頭分別各 自對(duì)應(yīng)兩個(gè)角度傳感器，其中一個(gè)安放在末端旋轉(zhuǎn)軸處，用于測(cè)量食指掌 指關(guān)節(jié)的伸屈度，另外一個(gè)安放在前端旋轉(zhuǎn)軸處，用于測(cè)量食指指間關(guān)節(jié) 的伸屈度。
電氣比例閥與各機(jī)械指頭的氣動(dòng)肌肉進(jìn)氣端相連，通過(guò)向氣動(dòng)肌肉充 放氣來(lái)控制氣動(dòng)肌肉的拉力。第一氣動(dòng)肌肉11通過(guò)充氣帶動(dòng)剛性細(xì)繩12，剛性細(xì)繩12帶動(dòng)拇指連桿5外伸，拇指完成外伸動(dòng)作；而拇指內(nèi)收是通過(guò) 第一氣動(dòng)肌肉11放氣完成。本發(fā)明還在轉(zhuǎn)動(dòng)銷4上安放了扭簧8，放氣時(shí)， 扭簧8產(chǎn)生的扭力，與第一氣動(dòng)肌肉ll產(chǎn)生的拉力和患者拇指自身內(nèi)收力 共同完成拇指內(nèi)收。
因食指、中指、無(wú)名指和小拇指四指機(jī)械結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程均相似， 故以食指(參考圖1和圖4)為例介紹四指結(jié)構(gòu)以及其機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程。第二 氣動(dòng)肌肉15充氣，驅(qū)使剛性細(xì)繩30拉動(dòng)第二中間連接件29，從而帶動(dòng)患手 食指外伸運(yùn)動(dòng)。第二氣動(dòng)肌肉15放氣，剛性細(xì)繩30對(duì)第二中間連接件29的 拉力逐漸減小，患手食指作內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。但是當(dāng)?shù)诙鈩?dòng)肌肉15放氣完畢時(shí)， 患手食指并不能完全復(fù)位到其初始內(nèi)收狀態(tài)，因此在末端旋轉(zhuǎn)軸18和前端 旋轉(zhuǎn)軸24的外表面分別套有扭力彈簧33， 34 (簡(jiǎn)稱扭簧)，扭簧的扭力可輔 助食指最終完成被動(dòng)復(fù)位。如果患者能力足以實(shí)施主動(dòng)復(fù)位，可適當(dāng)調(diào)節(jié) 第二氣動(dòng)肌肉15放氣量，使得第二氣動(dòng)肌肉15通過(guò)細(xì)繩3產(chǎn)生的拉力與扭簧 扭力平衡，患者食指內(nèi)收，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)復(fù)位。在第一和第二中間連接件22， 29的內(nèi)側(cè)壁均勻分布有滾珠，通過(guò)連接件端蓋31可向其內(nèi)部放入壓縮彈簧 (簡(jiǎn)稱壓簧)，壓簧兩端與伸入連接件內(nèi)部的連桿面接觸，在食指的伸屈過(guò) 程中，連桿配合壓簧和連接件壁上的滾珠調(diào)節(jié)機(jī)器人食指長(zhǎng)度，達(dá)到康復(fù) 機(jī)器人指長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)可調(diào)的目的，患者在完成手指的伸屈動(dòng)作中更加舒適。其 中，滾珠的作用是為了使連桿在伸縮過(guò)程中與連接件壁滾動(dòng)摩擦，而非滑 動(dòng)摩擦，以最大程度的減少連桿與連接件之間的摩擦效果。
本發(fā)明用于上述機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，它包 括A/D采集卡200、信號(hào)預(yù)處理電路300、力傳感器400、角度傳感器500、 電氣比例閥600、 sEMG電極700、 EMG放大器800、控制器900、電刺激 器IOOO、刺激電極IIOO、計(jì)算機(jī)1200。 、
力傳感器400分別檢測(cè)五段氣動(dòng)肌肉的輔助拉力，不僅能避免在痙攣 狀態(tài)下輔助拉力過(guò)大致使患手肌肉損傷，而且還可以用于定量評(píng)價(jià)康復(fù)訓(xùn) 練中患手的主動(dòng)參與程度，盡可能減少外界輔助力，讓患者靠自己的肌肉 力主動(dòng)完成動(dòng)作。角度傳感器500分別測(cè)量拇指伸曲角度，食指、中指、無(wú)名指和小拇 指掌指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度以及食指、中指、無(wú)名指和小拇指指間關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度。
信號(hào)預(yù)處理電路300對(duì)角度傳感器500、力傳感器400的測(cè)量信號(hào)以及 通過(guò)sEMG電極700經(jīng)EMG放大器800處理的肌電信號(hào)進(jìn)行放大濾波，控 制器100通過(guò)A/D采集卡200采集處理后的各關(guān)節(jié)角度和氣動(dòng)肌肉輔助拉 力的測(cè)量值以及肌電信號(hào)，獲取人-機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)和患手狀態(tài)。
根據(jù)不同的患者可采用不同的康復(fù)訓(xùn)練手段，如氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)功能訓(xùn) 練和電刺激訓(xùn)練，如圖5所示，I和II表示兩種不同的康復(fù)訓(xùn)練手段。在 采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)功能訓(xùn)練方式時(shí)，采用智能控制策略，基于患者的剩余 主動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)施加外部氣動(dòng)肌肉輔助力，通過(guò)表面肌電sEMG (Surface Electromyogram)電極700、力傳感器400和角度傳感器500測(cè)量手部肌肉 生物肌電信號(hào)以及力、各關(guān)節(jié)角度傳感器數(shù)據(jù)，控制器900根據(jù)測(cè)量的數(shù) 據(jù)信息來(lái)控制電氣比例閥600進(jìn)行氣動(dòng)肌肉的收縮，從而控制給患者患手 的氣動(dòng)輔助力。在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)患手狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整氣動(dòng)肌肉的 輔助力大小，使機(jī)器人僅當(dāng)患手停止主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)提供完成訓(xùn)練動(dòng)作所必需 的最小輔助力，輔助患手完成多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練，同時(shí)避免在痙攣 狀態(tài)下氣動(dòng)肌肉拉力過(guò)大致使患手肌肉損傷；在采用低頻電刺激緩解痙攣 和訓(xùn)練肌肉時(shí)，根據(jù)測(cè)量的生物肌電信號(hào)以及力、各關(guān)節(jié)角度傳感器數(shù)據(jù)， 采用閉環(huán)反饋控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電剌激參數(shù)，通過(guò)控制器900控制電刺激 器1000產(chǎn)生適宜的電刺激信號(hào)，傳遞至表面刺激電極引起肌肉收縮，加強(qiáng) 肌肉血液循環(huán)及營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，促進(jìn)神經(jīng)興奮性及傳導(dǎo)功能恢復(fù)，緩解痙攣、 增強(qiáng)肌力，促進(jìn)手部受損運(yùn)動(dòng)功能的重建和恢復(fù)。
在結(jié)構(gòu)圖中，可通過(guò)計(jì)算機(jī)1200進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人訓(xùn)練參數(shù)(如訓(xùn) 練次數(shù)、訓(xùn)練時(shí)間、電刺激參數(shù)等)的設(shè)定以及訓(xùn)練過(guò)程中的信息顯示， 同時(shí)在計(jì)算機(jī)1200上結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為患者提供虛擬游戲環(huán)境，根據(jù) 患者患手的活動(dòng)能力情況，自動(dòng)調(diào)整游戲的難度等級(jí)，使患者在訓(xùn)練過(guò)程 中一直保持較高的積極性和興趣，從而提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。
主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意愿的存在對(duì)康復(fù)效果有著重要的積極影響，本發(fā)明以患者 為中心建立了閉環(huán)反饋環(huán)，基于sEMG信號(hào)進(jìn)一步研究和重視人腦主動(dòng)意愿的應(yīng)用，強(qiáng)化祌經(jīng)康復(fù)治療中對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的刺激和整合過(guò)程。通過(guò) 對(duì)患手運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練過(guò)程中起主要作用的主動(dòng)肌和拮抗肌如指伸肌、指屈
肌、掌長(zhǎng)肌、小指展肌等的多通道sEMG進(jìn)行時(shí)頻分析，提取主要特征參
數(shù)，對(duì)患者的手運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)如肌肉主動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間、運(yùn) 動(dòng)角度等，通過(guò)智能控制決策分析患手狀態(tài)參數(shù)最大限度地提供外界最小 輔助力輔助患者患手康復(fù)訓(xùn)練。
優(yōu)選的，本發(fā)明除采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人輔助患者進(jìn)行手功能康 復(fù)訓(xùn)練外，還集成電剌激系統(tǒng)緩解肌肉痙攣，治療手外傷或其他周圍神經(jīng)
損傷導(dǎo)致的手運(yùn)動(dòng)功能障礙，通過(guò)控制器900控制電刺激器1000輸出適宜 的電剌激信號(hào)，傳遞至表面刺激電極1100對(duì)手部肌肉實(shí)施低頻電刺激。使 用時(shí)，sEMG電極700粘貼在患者的手部或前臂，檢測(cè)患手運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn) 練過(guò)程中起主要作用肌肉的sEMG信號(hào)，經(jīng)EMG放大器800全波整流放大 后由A/D采集卡200輸入控制器900，提取患者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意愿和患手狀態(tài)， 用于調(diào)整電刺激參數(shù)。
在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，康復(fù)機(jī)器人輔助患者患手主、被動(dòng)地完成手功能 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，這種長(zhǎng)時(shí)間、重復(fù)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)患者而言，毫無(wú)疑問(wèn)是枯燥無(wú) 味的。為了提高患者的積極性，發(fā)揮患者的主觀能動(dòng)性，使其能夠在訓(xùn)練 過(guò)程中獲得愉快的成功情緒體驗(yàn)，從而促使其不間斷地練習(xí)，設(shè)計(jì)康復(fù)治 療虛擬游戲環(huán)境就顯得意義重大。
本發(fā)明還可采用計(jì)算機(jī)1200提供手功能康復(fù)治療虛擬環(huán)境界面，連接 于控制器900?？刂破?00將力傳感器400輸入的氣動(dòng)肌肉力、角度傳感器 500輸入的關(guān)節(jié)角度、以及設(shè)定的各關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度等參數(shù)傳給計(jì)算機(jī) 1200，計(jì)算機(jī)1200根據(jù)輸入?yún)?shù)實(shí)現(xiàn)患手運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程和康復(fù)效 果的定量評(píng)價(jià)，包括拇指和其余四指末端的當(dāng)前位置和運(yùn)動(dòng)軌跡、各關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)的速度和平穩(wěn)性、手指末端運(yùn)動(dòng)軌跡和目標(biāo)軌跡的偏差、機(jī)器人輔助 力的大小、功能訓(xùn)練任務(wù)是否成功完成等指標(biāo)的評(píng)定，并利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技 術(shù)反饋給患者，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景和提示信息疊加到真實(shí)場(chǎng)景中實(shí) 現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)，提供一種康復(fù)治療虛擬環(huán)境，使得患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程 及自身的康復(fù)效果有直觀的了解。機(jī)器人系統(tǒng)康復(fù)治療虛擬環(huán)境包括計(jì)算機(jī)虛擬游戲、訓(xùn)練開(kāi)始和結(jié)束的提示、訓(xùn)練效果的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋。這種 方式可以在機(jī)器人提供給患者機(jī)械幫助的同時(shí)，將康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程和康復(fù)效 果的定量評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)反饋給患者，并利用計(jì)算機(jī)游戲激發(fā)患者的訓(xùn)練興趣， 以克服當(dāng)前康復(fù)訓(xùn)練中患者主動(dòng)參與訓(xùn)練的積極性難以提高的問(wèn)題。另外 基于虛擬環(huán)境的康復(fù)訓(xùn)練還與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，具有遠(yuǎn)程康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的特 點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，包括機(jī)械手臂(1)和與其相接的機(jī)械手指，機(jī)械手指由機(jī)械拇指、食指、中指、無(wú)名指和小拇指構(gòu)成；機(jī)械拇指包括進(jìn)氣端固定于機(jī)械手臂(1)后端的第一氣動(dòng)肌肉(11)，位于機(jī)械手臂(1)前端的拇指支架(7)和第一拇指套(2)，拇指支架(7)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷(4)與拇指連桿(5)的一端相接，拇指連桿(5)、的另一端與第二拇指套(3)相連，第一剛性細(xì)繩(12)的一端與第二拇指套(3)相連，另一端與第一氣動(dòng)肌肉(11)的封閉端相連；其特征在于機(jī)械食指、中指、無(wú)名指和小拇指結(jié)構(gòu)相同，機(jī)械食指包括進(jìn)氣端固定于機(jī)械手臂(1)后端的第二氣動(dòng)肌肉(15)和安裝于機(jī)械手臂(1)前端的手指末端支架(17)，手指末端支架(17)上設(shè)有末端壓線滑輪(16)、末端支撐滑輪(19)和末端旋轉(zhuǎn)軸(18)；末端旋轉(zhuǎn)軸(18)通過(guò)連桿依次連接第一中間連接件(22)、手指前端支架(25)，手指前端支架(25)上安裝有前端支撐滑輪(26)和前端旋轉(zhuǎn)軸(24)，前端旋轉(zhuǎn)軸(24)通過(guò)連桿與第二中間連接件(29)相連；第二中間連接件(29)的底部安裝有指托支架(32)，頂部固定有第二剛性細(xì)繩(30)，第二剛性細(xì)繩(30)穿過(guò)前端支撐滑輪(26)，經(jīng)過(guò)末端支撐滑輪(19)的頂部和末端壓線滑輪(16)的底部，與第二氣動(dòng)肌肉(15)的封閉端相接；第一和第二中間連接件(22，29)的內(nèi)側(cè)壁均勻分布有滾珠，在其內(nèi)部還設(shè)有壓縮彈簧，壓縮彈簧兩端與伸入連接件內(nèi)部的連桿面接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人， 其特征在于，所述轉(zhuǎn)動(dòng)銷(4)上安放有扭力彈簧(8)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多自由度的穿戴式手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人， 其特征在于，在所述末端旋轉(zhuǎn)軸(18)和前端旋轉(zhuǎn)軸(24)的外表面分別 套有扭力彈簧。
4、 一種用于上述康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括A/D釆集卡(200)、信 號(hào)預(yù)處理電路(300)、力傳感器(400)、角度傳感器(500)、電氣比例閥 (600)、 sEMG電極(700)、 EMG放大器(800)、控制器(900)、電刺激器 (1000)、刺激電極(1100);力傳感器(400)包括五個(gè)力傳感器，各力傳感器的一端固定在機(jī)械手 臂(1)后端，另一端分別與機(jī)械拇指、食指、中指、無(wú)名指和小拇指的氣 動(dòng)肌肉進(jìn)氣端相接；角度傳感器(500)包括九個(gè)角度傳感器，其中一個(gè)角度傳感器安裝在 機(jī)械拇指的轉(zhuǎn)動(dòng)銷(4)上，其它八個(gè)角度傳感器分別安裝在機(jī)械食指、中 指、無(wú)名指和小拇指的末端旋轉(zhuǎn)軸和前端旋轉(zhuǎn)軸上；電氣比例閥(600)與機(jī)械拇指、食指、中指、無(wú)名指和小拇指的氣動(dòng) 肌肉進(jìn)氣端相連；sEMG電極(700)用于測(cè)量手部肌肉生物肌電信號(hào)；EMG放大器(800)將手部肌肉生物肌電信號(hào)放大后傳送給信號(hào)預(yù)處 理電路(300);信號(hào)預(yù)處理電路(300)與角度傳感器(500)、力傳感器(400)和EMG 放大器(800)相連，將收到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，通過(guò)A/D采集卡(200) 發(fā)送給控制器(900);控制器(900)接收信號(hào)預(yù)處理電路(300)放大后的數(shù)據(jù)，采用智能 控制策略通過(guò)電磁比例閥(600)控制各氣動(dòng)肌肉的收縮，控制器(卯0) 還通過(guò)電刺激器(1000)連接刺激電極(1100)，控制器(900)產(chǎn)生控制 信號(hào)，控制電剌激器(1000)產(chǎn)生適宜的電刺激波，引起手部受損肌肉的 運(yùn)動(dòng)；控制器(900)還連接計(jì)算機(jī)(1200)，通過(guò)計(jì)算機(jī)(1200)進(jìn)行康復(fù) 訓(xùn)練機(jī)器人訓(xùn)練參數(shù)的設(shè)定以及訓(xùn)練過(guò)程中的信息顯示，同時(shí)為患者提供 虛擬游戲環(huán)境。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多自由度的可穿戴式手功能康復(fù)機(jī)器人，包括機(jī)械手臂和機(jī)械手指，機(jī)械手指由機(jī)械拇指和結(jié)構(gòu)相同的食指、中指、無(wú)名指和小指構(gòu)成，機(jī)械食指主要包括通過(guò)連桿依次相接的氣動(dòng)肌肉、手指末端支架、第一中間連接件、手指前端支架和第二中間連接件，氣動(dòng)肌肉通過(guò)剛性細(xì)繩帶動(dòng)第二中間連接件運(yùn)動(dòng)，使得患者手指作外伸或內(nèi)收運(yùn)動(dòng)；兩連接件內(nèi)設(shè)有壓簧，在其內(nèi)側(cè)壁還分布有滾珠，用于減少連桿與連接件間的摩擦力。本發(fā)明還提供上述機(jī)器人的控制系統(tǒng)，集成電刺激系統(tǒng)，輔助患者肌肉功能重建。本發(fā)明分別為各手指提供輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有多自由度，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸可調(diào)節(jié)，能有效輔助患者完成手指多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的重復(fù)訓(xùn)練和復(fù)雜的分指運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)A61H1/02GK101433491SQ20081023668
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者何際平, 軍 吳, 琦 徐, 瑞 楊, 楊沛沛, 王永驥, 邢科新, 劍 黃 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)