手指自動康復訓練器的製作方法

2023-10-07 04:43:34

專利名稱：手指自動康復訓練器的製作方法
技術領域：
一種手指自動康復訓練器，用於手指運動功能有待恢復的患者進行康復訓練，屬醫療保健器械。
背景技術：
醫學理論和實踐證明，肢體損傷的患者為了防止肌肉「廢用性」萎縮，必須要進行有效的肢體訓練以恢復其功能。由於患者本身已存在功能障礙，不能獨立完成訓練；為了讓其自主地進行康復訓練，製作一種幫助其恢復運動功能的醫療保健器械是必要的。圍繞這一課題，哈爾濱工程大學已申請過相關專利，但因均採用柔索牽引，指尖位置調整費時，結構不夠緊湊，訓練器體積較大。

發明內容
本實用新型利用三級串聯四連杆機構，實現了正常人手指的機械仿生運動。結構簡單，製作工藝性好，成本低，配以智能化的控制器，具有很高的康復訓練功效。
一種手指自動康復訓練器，它包括操控面板、驅動裝置、位置檢測裝置、執行杆組、整機支架、執行杆座、電源、手臂固定帶、機構底板、手臂墊板、控制系統和殼體。
作為手指自動康復訓練器關鍵部件的執行杆組是一種框架式結構，由兩套結構相同並藉助固定在機構底板下表面兩側的兩個執行杆座平行安裝的三級串連四桿機構以及一套牽指器和一根長軸狀壓指器組成；牽指器的兩端分別與兩套三級串連四桿機構末端的矩形稈件垂直固接，而壓指器的兩端分別垂直插裝在兩套三級串連四桿機構中部的一個杆件上的軸承孔內。由於兩套三級串連四桿機構都是通過第一級(靠近動力源端)四連杆機構中下邊的兩個鉸接點固定在執行杆座上，故兩套三級串連四桿機構必有一小部分需垂直穿過機構底板上、位於執行杆座內側的兩個矩形透孔。
以一套三級串連四桿機構為例，並說明其構成。一套三級串連四桿機構由10根廣義杆件(直杆、曲杆、矩形塊、三角形塊均可)和9個鉸接點組成；「串連」是指機構中有公共杆件和公共節點。第一級四桿機構(康復訓練時與手背位置對應)與第二級四桿機構(康復訓練時與手指的第一手指節對應)有一個公共的直杆和兩個公共鉸接點；第二級與第三級四桿機構(康復訓練時與手指的第二手指節對應)有一個三角形公共杆(上面有三個鉸接點，其中一個公用)；而手指的指尖(第三指節)在康復訓練時正好位於與末端的矩形杆件(上面有兩個鉸接點)固接的牽指器中的曲形板下側。
驅動裝置由帶減速器的伺服電機、曲柄連杆機構以及同步軸組成。伺服電機是整個系統的動力源，藉助機構底板上表面上的立板水平固裝。同步軸的軸線與伺服電機軸線平行，且為了確保兩套三級串連四桿機構在一個動力源的帶動下同步動作，同步軸的兩端分別插裝在第一級四連杆機構中外側杆上端的孔中，同時將同步軸的一端與驅動裝置中的曲柄連杆機構的往復端相連，以獲得驅動力的來源。而曲柄連杆機構的另一端固裝在伺服電機的軸頭上，用於將伺服電機的轉動轉換成拖動執行杆組的往復運動。位置檢測裝置由位置傳感器和搖杆組成。位置傳感器也是藉助機構底板上表面上的另一塊立板水平固裝，其軸線與伺服電機軸線平行。搖杆的一端與位置傳感器的軸頭固裝，另一端與驅動裝置中曲柄連杆機構往復運動端的活動鉸鏈相連；目的在於，通過獲得該活動鉸鏈往復擺動的信息間接測得伺服電機的轉角、轉速，並作為單片機控制系統控制伺服電機正反轉、行程以及運動速度的依據。
控制系統安裝在機構底板上表面的一側，主要包括AVR8535單片機，接口電路5，AC/DC穩壓源，PWM驅動器。操控面板安裝在殼體的一側，其上裝有調整速度、力、位置的推鈕以及指示燈、LED顯示器和電源開關，並用導線與控制系統和電源插頭相連。調節相應的推鈕可分別設定速度指令、力矩指令、運動範圍指令，經接口電路送往單片機處理。根據所給指令，單片機發PWM信號給PWM驅動器，由電流取樣接口電路反饋驅動電流大小以便控制驅動力矩的大小。
機構底板上側的組件罩在殼體內。機構底板下表面鋪設一層手臂墊板，中部裝有兩條手臂固定帶，兩端各裝一個整機支架。
使用時，患者可自行或通過他人戴上特製手套，手心朝下置於手臂墊板下面；而特製手套的末端通過連接螺釘連接於牽指器的曲形板上，並將患者手調整到最舒服的位置後用手臂固定帶固定。調整速度、力、位置設定推鈕至最小位置，然後把電源插頭插於市電AC220V插座上，按下電源開關，此時康復器開始按設定值帶動患者手指進行往復彎伸的康復訓練，訓練過程中患者可隨時調整速度、力、位置設定推鈕的位置以適應不同患者的需要。指示燈亮，表示系統處於工作狀態，否則燈滅。LED顯示器所示數值為往返訓練次數值。
本實用新型結構簡單，美觀大方、操作方便，成本低廉，可供患者自主地進行康復訓練。


圖1手指自動康復訓練器結構示意圖圖圖2手指自動康復訓練器運動機構示意圖圖3三級串連四桿機構示意圖圖4手指自動康復訓練器控制系統框圖圖5手指自動康復訓練器操控面板圖具體實施方式
下面給出本實用新型的優選實施方式，並結合附圖加以說明。
如圖1所示，一種手指自動康復訓練器，它包括操控面板1、驅動裝置2、位置檢測裝置3、執行杆組4、整機支架5、執行杆座6、電源7、手臂固定帶8、機構底板9、手臂墊板10、控制系統11和殼體12。
如圖3、圖1所示，作為手指自動康復訓練器關鍵部件的執行杆組4是一種框架式結構。它是由兩套結構相同並藉助固定在機構底板9下表面兩側的兩個執行杆座6平行安裝的三級串連四桿機構41、42以及一套牽指器44和一根長軸狀壓指器43組成。牽指器44包括曲形板4405及連接螺釘4401、4402、4403、4404。曲形板4405是按正常人手指末端軌跡擬合出來的彎曲薄板，上面間隔開有4個長槽，裝有4個可連接特製手套指尖的連接螺釘4401、4402、4403、4404，並通過它們在長槽內的移動，適應指端的相對位置變化；其兩端上彎，通過螺釘與末端矩形杆件4104、4204相連，移動彎板的前後位置以適應不同患者手指的長短。而壓指器43的兩端分別垂直插裝在兩套三級串連四桿機構中部的一個杆件4102、4202上的軸承孔內。由於兩套三級串連四桿機構41、42是通過第一級(靠近動力源端)四連杆機構4101、4108、4109、4110和4201、4208、4209、4210中下邊的兩個鉸接點固定在執行杆座6上，故兩套三級串連四桿機構41、42必有一部分需垂直穿過機構底板9上、位於執行杆座6內側的兩個矩形透孔。
下面以一套三級串連四桿機構41為例，說明其構成及如何帶動手指中的各節做彎曲運動的。一套三級串連四桿機構41由10根廣義杆件(直杆、曲杆、矩形塊、三角形塊均可)和9個鉸接點組成；「串聯」是指機構中有公共杆件和公共節點。第一級四桿機構4101、4108、4109、4110(康復訓練時與手背位置對應)與第二級四桿機構4102、4106、4107、4108(康復訓練時與手指的第一指節對應)有一個公共的直杆4108和兩個公共鉸接點；第二級與第三級四桿機構4103、4104、4105、4106(康復訓練時與手指的第二指節對應)有一個三角形公共杆4106(上面有三個鉸接點，其中一個公用)；而手指的指尖(第三指節)在康復訓練時正好位於與末端矩形杆件4104(上面有兩個鉸接點)固接的牽指器44中曲形板4405的下側。
如圖3所示，工作時，在驅動裝置2中伺服電機21的帶動下，連杆23推動杆件4110繞其端部固定鉸鏈定軸轉動，並推動杆件4109前移及杆件4108繞其端部固定鉸鏈定軸轉動，杆件4108再推動第二級、第三級四桿機構整個下彎；當杆件4102轉過最大角度45°時(有位置鎖定機構，圖中未畫出)，杆件4108繼續推動杆件4107移動，並迫使三角形杆件4106繞下端鉸鏈軸轉動；接下來，推動第三級四桿機構整個下彎。機構設計時確保杆件4103相對於杆件4102的轉角範圍為0～90°；當杆件4103達到最大轉角位置時，杆件4106繼續推動杆件4105，並推動杆件4104繞其端部鉸鏈軸轉動；同樣，機構設計時確保杆件4104相對於杆件4103的轉角範圍為0～45°；當杆件4104到達最大轉角位置時，整個彎曲過程結束。當曲柄連杆機構返程時，手指各節開始依次伸直。壓指器43可在康復訓練中幫助患者的第一節手指下彎，並可在指面上滾動，防止擦傷。
如圖2所示，驅動裝置2由帶減速器的伺服電機21、曲柄連杆機構22、23以及同步軸24組成。伺服電機21是整個系統的動力源，藉助機構底板9上表面上的立板水平固裝；同步軸24的軸線與伺服電機21軸線平行。為了確保兩套三級串連四桿機構41、42在一個動力源的帶動下同步動作，將同步軸24的兩端分別插裝在第一級四連杆機構中外側杆4110、4210上端的孔中，同時將同步軸24的一端與驅動裝置2中的曲柄連杆機構22、23的往復端相連，以獲得動力來源；而曲柄連杆機構22、23的另一端固裝在伺服電機的軸頭上，用於將伺服電機21的轉動轉換成拖動執行杆組4運動的往復運動。位置檢測裝置3由位置傳感器31和搖杆32、33組成。位置傳感器31也是藉助機構底板9上表面上的另一塊立板水平固裝；搖杆32、33的一端與位置傳感器31的軸頭固裝，另一端與驅動裝置2中的曲柄連杆機構22、23往復端的活動鉸鏈相連；目的在於，通過獲得該活動鉸鏈往復擺動的信息間接測得伺服電機21的轉角、轉速，並作為單片機控制系統11控制伺服電機21正反轉、行程以及運動速度的依據。
如圖1所示，控制系統11安裝在機構底板9上表面的一側。又如圖4所示，它主要包括AVR8535單片機1101，接口電路1103、1104、1105，AC/DC穩壓源1106，PWM驅動器1102。如圖1所示，操控面板1安裝在殼體12的一側。又如圖6所示，其上裝有調整速度、力、位置的推鈕101、102、103、104以及指示燈106、LED顯示器105和電源開關107，並用導線與控制系統11和電源7相連。調節相應的推鈕可分別設定速度指令、力矩指令、運動範圍指令，經接口電路1103、1104、1105送往單片機1101處理，根據所給指令，單片機1101發PWM信號給PWM驅動器1102，由電流取樣接口電路反饋驅動電流大小以便控制驅動力矩的大小。
如圖1所示，機構底板9上側的組件罩在殼體12內。機構底板9下表面鋪設一層手臂墊板10，中部裝有兩條手臂固定帶8，兩端各裝一個整機支架5。
如圖2所示，使用時，患者可自行或藉助他人戴上特製手套，手心朝下置於手臂墊板10的下面；而特製手套指端通過連接螺釘4401、4402、4403、4404連接於牽指器44上，並將患者手調整到最舒服的位置後用兩條手臂固定帶8固定。調整速度、力、位置設定推鈕101、102、103、104至最小位置，然後把電源插頭7插於市電AC220V插座上，按下電源開關107，此時康復器開始按設定值帶動患者手指進行往復彎伸的康復訓練，訓練過程中患者可隨時調整速度、力、位置設定推鈕的位置以適應不同患者的需要。指示燈106亮，表示系統處於工作狀態，否則燈滅。LED顯示器105所示數值為往返訓練次數值。
本實用新型結構簡單，美觀大方、操作方便，成本低廉，可供患者自主地進行康復訓練。
權利要求1.一種手指自動康復訓練器，其特徵在於它包括操控面板(1)、驅動裝置(2)、位置檢測裝置(3)、執行杆組(4)、整機支架(5)、執行杆座(6)、電源(7)、手臂固定帶(8)、機構底板(9)、手臂墊板(10)、控制系統(11)和殼體(12)；其中，執行杆組(4)是一種框架式結構，由兩套結構相同並藉助固定在機構底板(9)下表面兩側的兩個執行杆座(6)平行安裝的三級串連四桿機構(41，42)以及一套牽指器(44)和一根長軸狀壓指器(43)組成；牽指器(44)包括曲形板(4405)及連接螺釘(4401，4402，4403，4404)，曲形板(4405)上面間隔開有4個長槽，裝有4個可連接特製手套指尖的連接螺釘(4401，4402，4403，4404)；而壓指器(43)的兩端分別垂直插裝在兩套三級串連四桿機構中部的一個杆件(4102，4202)上的軸承孔內；驅動裝置(2)由帶減速器的伺服電機(21)、曲柄連杆機構(22，23)以及同步軸(24)組成；伺服電機(21)是整個系統的動力源，藉助機構底板(9)上表面上的立板水平固裝；同步軸(24)的軸線與伺服電機(21)軸線平行，且同步軸(24)的兩端分別插裝在第一級四連杆機構中外側杆(4110，4210)上端的孔中，同時將同步軸(24)的一端與驅動裝置(2)中的曲柄連杆機構(22，23)的往復端相連，而曲柄連杆機構(22，23)的另一端固裝在伺服電機(21)的軸頭上；位置檢測裝置(3)由位置傳感器(31)和搖杆(32，33)組成；位置傳感器(31)也是藉助機構底板(9)上表面上的另一塊立板水平固裝；搖杆(32，33)的一端與位置傳感器(31)的軸頭固連，另一端與驅動裝置(2)中的曲柄連杆機構(22，23)往復端的活動鉸鏈相連；控制系統(11)安裝在機構底板(9)上表面的一側；機構底板(9)上側的組件罩在殼體(12)內；操控面板(1)安裝在殼體(12)的一側，並用導線與控制系統(11)和電源(7)相連；機構底板(9)下表面鋪設一層手臂墊板(10)，中部裝有兩條手臂固定帶(8)，兩端各裝一個整機支架(5)。
2.如權利要求1所述的手指自動康復訓練器，其特徵在於它的兩套三級串連四桿機構(41，42)具有相同的連接方式和結構，都是通過靠近動力源端的第一級四連杆機構(4101，4108，4109，4110)和(4201，4208，4209，4210)中下邊的兩個鉸接點固定在執行杆座(6)上，故兩套三級串連四桿機構(41，42)必有一小部分需垂直穿過機構底板(9)上、位於執行杆座(6)內側的兩個矩形透孔；其中一套三級串連四桿機構(41)由10根廣義杆件和9個鉸接點組成；第一級四桿機構(4101，4108，4109，4110)與第二級四桿機構(4102，4106，4107，4108)有一個公共的直杆(4108)和兩個公共鉸接點；第二級與第三級四桿機構(4103，4104，4105，4106)有一個三角形公共杆(4106)，上面有三個鉸接點，其中一個公用；而上面有兩個鉸接點的末端矩形杆件(4104)上固接牽指器(44)的曲形板(4405)的一端。
專利摘要一種手指自動康復訓練器，用於手指運動功能有待恢復的患者進行康復訓練，屬醫療保健器械。本實用新型主要包括操控面板、驅動裝置、位置檢測裝置、執行杆組、整機支架、執行杆座、電源、手臂固定帶、機構底板、手臂墊板、控制系統、殼體。手指自動康復訓練器關鍵部件的執行杆組是框架式結構，由兩套結構相同、可模擬手指屈伸運動、平行安裝的三級串連四桿機構以及一套牽指器和一根長軸狀壓指器組成。每套三級串連四桿機構均包括10根廣義杆件和9個鉸接點。本實用新型結構簡單，美觀大方、操作方便，成本低廉，可供患者自主地進行康復訓練。
文檔編號A61H1/00GK2746905SQ20042006343
公開日2005年12月21日 申請日期2004年9月17日 優先權日2004年9月17日
發明者張立勳, 王懷軍 申請人:哈爾濱工程大學