一種雙手跟蹤式手指康復裝置的製作方法

2023-05-30 10:51:11 1

本實用新型屬於康復醫療器械領域，尤其是一種雙手跟蹤式手指康復裝置，特別適用於腦中風引起的偏癱病人的手部康復訓練。

背景技術：

腦卒中是一種急性腦血管疾病。隨著我國逐漸進入老齡化社會，腦卒中的發病率逐年上升。偏癱是腦卒中的常見後遺症，患者症狀主要表現為一側上下肢、面部和舌肌下部的運動障礙。

偏癱病人的上肢恢復多從肩部開始，至上臂、前臂，最後是手部。截至目前上肢康復裝置中的研究大多是面向上臂和前臂的，手部作為恢復的最後階段，直接影響患者康復的效果。現有的手部康復系統的設計以五指結構設計為主，而現實生活中，拇指、食指和中指這三指運動時往往連帶其他兩個手指運動，且依靠這三指幾乎能夠完成一隻手的絕大部分日常動作。另外，手指康復存在運動精度高以及因人而異的運動模糊性問題，因而僅僅依靠單端的手指康復裝置難以柔順控制手指康復裝置對手指進行康復訓練，康復效果也受到限制。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於針對上述問題，提出一種雙手跟蹤式手指康復裝置，採用三指結構設計，通過患者自身正常一側手指活動來引導病變側手指活動，逐步達到康復的目的。

為了達到上述目的，本實用新型的技術方案為：一種雙手跟蹤式手指康復裝置，其特徵在於：雙手跟蹤式手指康復裝置由正常手的三指結構、恢復手的三指結構和微控制系統組成。

所述的雙手跟蹤式手指康復裝置包括運動感知單元、訓練學習單元和動作執行與監測單元；所述的運動感知單元分別分布在正常手和恢復手，其輸出端均與訓練學習單元輸入端連接；所述的動作執行與監測單元的輸入端與恢復手的運動感知單元輸出端連接，通過正常手的動作習慣牽引患者手指進行運動。

所述的運動感知單元包括EMG傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅱ、手掌部分、手指MCP關節、手指PIP關節、手指DIP關節、手指MCP關節的固定槽、手指PIP關節的固定槽、手指DIP關節的固定槽；

所述的訓練學習單元包括微控制系統的硬體組成部分和機器學習算法實現的軟體部分，其中微控制系統的硬體組成部分包括微控制器和電機驅動器；

所述的動作執行與監測單元包括EMG傳感器Ⅱ、三維角度傳感器Ⅲ、三維角度傳感器Ⅳ、電機驅動器、電機、手掌部分、手指MCP關節、轉動輪、手指PIP關節、手指DIP關節；

所述的雙手跟蹤式手指康復裝置的電機Ⅰ、電機Ⅱ和電機Ⅲ分別安裝在手掌部分；電機Ⅳ和電機Ⅴ分別安裝在手指PIP關節；所述的手指MCP關節通過連接鉸鏈固定在手掌部位；所述的手指PIP關節通過鉸鏈與手指的MCP關節的可調節滑槽相連接；所述的手指DIP關節通過轉動軸與手指PIP關節相連接；轉動輪C、轉動輪Ⅰ和轉動輪Ⅱ分別通過螺紋連接分別固定在電機Ⅰ、電機Ⅱ和電機Ⅲ上；轉動輪Ⅲ、轉動輪Ⅶ和轉動輪B通過轉動軸固定在手掌部位；轉動輪Ⅳ和轉動輪Ⅴ通過轉動軸固定在拇指MCP關節處；轉動輪Ⅵ通過轉動軸與拇指的DIP關節相連接；轉動輪Ⅷ通過轉動軸與食指的MCP關節相連；轉動輪Ⅸ和齒輪Ⅱ通過螺紋連接固定在電機Ⅳ；齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ相互嚙合固定食指PIP關節；轉動輪Ⅹ通過轉動軸與食指的DIP關節相連接；轉動輪A通過轉動軸無名指的MCP關節相連；轉動輪Ⅺ和齒輪Ⅳ通過螺紋連接固定在電機Ⅴ；齒輪Ⅲ與齒輪Ⅳ相互嚙合固定無名指的PIP關節；轉動輪Ⅻ通過轉動軸與無名指的DIP關節相連接；

所述的EMG傳感器置於手臂來採集肌電信號；所述的三維角度傳感器Ⅰ和三維角度傳感器Ⅱ分別置於各手指MCP關節和各手指PIP關節來採集角度信息，三維角度傳感器Ⅲ和三維角度傳感器Ⅳ分別置於各手指MCP關節和各手指PIP關節來採集角度信息。

所述的手指MCP關節、手指PIP關節和手指DIP關節上分別設有MCP關節的固定槽、PIP關節的固定槽和DIP關節的固定槽；固定槽將患者手指和雙手跟蹤式手指康復裝置進行連接。

其使用方法包括以下步驟：

a)系統感知患者正常手的動作：

患者正常手做出基本動作，EMG傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅰ和三維角度傳感器Ⅱ對動作結果進行測量、輸出；

b)樣本的訓練與學習：

微控制系統通過EMG傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅰ和三維角度傳感器Ⅱ輸出的信號進行分析、訓練與學習；

c)對恢復手的檢測與識別：

EMG傳感器Ⅱ對患者恢復手產生的肌電信號進行測量與輸出，微控制系統通過之前的學習結果判斷患者的動作意圖；

d)恢復手端的運動：

微控制系統根據判斷結果做出回應，控制恢復手端進行對稱運動；

e)患者運動信息的反饋：

三維角度傳感器Ⅲ和三維角度傳感器Ⅳ對患者做出的動作進行測量與輸出，並與學習結果進行對比；

f)恢復訓練的優化：

通過對患者恢復手動作的對比與再學習，優化康復訓練模型，進而達到更好的恢復效果。

本實用新型的優勢在於：1、裝置使用時利用患者正常手的運動習慣中提取，而不是以醫護工作者的主觀判斷建立，可以在最大程度上確保康復過程的安全可靠；2、採用雙手跟蹤式康復設計，可以有效刺激患者大腦恢復並建立正常手與恢復手的對稱聯繫，加快相關功能的恢復；3、在保證手能完成絕大部分日常動作的前提下，採用三指機構設計，有效減輕了康復系統重量，便於攜帶；4、使用時康復過程可以使模型不斷優化過程，不斷地訓練使康復運動更加準確與高效。

附圖說明

圖1為本實用新型所涉一種雙手跟蹤式手指康復裝置的整體結構框圖。

圖2為本實用新型所涉一種雙手跟蹤式手指康復裝置的恢復手左側結構示意圖。

圖3為本實用新型所涉一種雙手跟蹤式手指康復裝置的恢復手右側結構示意圖。

圖4為本實用新型所涉一種雙手跟蹤式手指康復裝置的正常手左側結構示意圖。

圖5為本實用新型所涉一種雙手跟蹤式手指康復裝置的正常手右側結構示意圖。

圖6為本實用新型所涉一種雙手跟蹤式手指康復裝置的控制流程圖。

在圖中，1為電機Ⅰ，2為電機Ⅱ，3為轉動輪Ⅰ，4為手掌部分，5為電機Ⅲ，6為轉動輪Ⅱ，7為轉動輪Ⅲ，8為轉動輪Ⅳ，9為轉動輪Ⅴ，10為拇指MCP關節，11為轉動輪Ⅵ，12拇指DIP關節，13為轉動輪Ⅶ，14為轉動輪Ⅷ，15食指MCP關節，16為食指MCP關節的固定槽，17為齒輪Ⅰ，18為轉動輪Ⅸ，19為齒輪Ⅱ，20為食指PIP關節，21為轉動輪Ⅹ，22為食指DIP關節，23為齒輪Ⅲ，24 為轉動輪Ⅺ，25為齒輪Ⅳ，26為轉動輪Ⅻ，27為食指MCP關節的調節槽，28為電機Ⅳ，29為食指DIP關節的固定槽，30為無名指DIP關節，31為無名指DIP關節的固定槽，32為無名指PIP關節，33為電機Ⅴ，34為無名指MCP關節，35為無名指MCP關節的固定槽，36為無名指MCP關節的調節槽，37為轉動輪A，38為轉動輪B，39為手掌部分固定槽，40為轉動輪C。

具體實施方式

如圖所示，一種雙手跟蹤式手指康復裝置，包括運動感知單元、訓練學習單元和動作執行與監測單元；所述的運動感知單元分別分布在正常手和恢復手，其輸出端均與訓練學習單元輸入端連接；所述的動作執行與監測單元的輸入端與恢復手的運動感知單元輸出端連接，通過正常手的動作習慣牽引患者手指進行運動。

一種雙手跟蹤式手指康復裝置的各手指結構類似，故這裡以食指為例進行描述，其他手指類似：

所述的運動感知單元包括EMG傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅱ、手掌部分（4）、拇指MCP關節（10）、食指MCP關節（15）、無名指MCP關節（34）、食指PIP關節（20）、無名指PIP關節（32）、拇指DIP關節（12）、食指DIP關節（22）、無名指DIP關節（30）；所述的訓練學習單元包括微控制系統的硬體組成部分以及機器學習算法實現的軟體部分；所述的動作執行單元包括EMG傳感器Ⅱ、三維角度傳感器Ⅲ、三維角度傳感器Ⅳ、電機驅動器、電機Ⅰ（1）、電機Ⅱ（2）、電機Ⅲ（5）、電機Ⅳ（28）、電機Ⅴ（33）。

所述的食指MCP關節的控制單元包括電機Ⅱ（2）、轉動輪Ⅰ（3）、轉動輪Ⅶ（13）、轉動輪Ⅷ（14）、手指MCP關節（15）。

所述的食指PIP關節及食指DIP關節的控制單元包括電機Ⅳ（28）、齒輪Ⅰ（17）、齒輪Ⅱ（19）、轉動輪Ⅲ（18）、轉動輪Ⅹ（21）、食指PIP關節（20）、食指DIP關節（22）。

所述的雙手跟蹤式手指康復裝置的電機Ⅰ（1）、電機Ⅱ（2）和電機Ⅲ（5）分別安裝在手掌部分（4）；電機Ⅳ（28）和電機Ⅴ（33）分別安裝在食指PIP關節（20）、無名指PIP關節（32）；拇指MCP關節（10）、食指MCP關節（15）、無名指MCP關節（34）分別通過連接鉸鏈固定在手掌部分（4）；拇指DIP關節（12）、食指PIP關節（20）、無名指PIP關節（32）分別通過鉸鏈與拇指MCP關節（10）、食指MCP關節（15）、無名指MCP關節（34）的可調節滑槽相連接；食指DIP關節（22）、無名指DIP關節（30）分別通過轉動軸與食指PIP關節（20）、無名指PIP關節（32）相連接；轉動輪（40）、轉動輪Ⅰ（3）和轉動輪Ⅱ（6）分別通過螺紋連接分別固定在電機Ⅰ（1）、電機Ⅱ（2）和電機Ⅲ（5）上；轉動輪Ⅲ（7）、轉動輪Ⅶ（13）和轉動輪B（38）通過轉動軸固定在手掌部分（4）；轉動輪Ⅳ（8）和轉動輪Ⅴ（9）通過轉動軸固定在拇指MCP關節（10）處；轉動輪Ⅵ（11）通過轉動軸與拇指的DIP關節（12）相連接；轉動輪Ⅷ（14）通過轉動軸與食指的MCP關節（15）相連；轉動輪Ⅸ（18）和齒輪Ⅱ（19）通過螺紋連接固定在電機Ⅳ（28）；齒輪Ⅰ（17）與齒輪Ⅱ（19）相互嚙合固定食指PIP關節（20）；轉動輪Ⅹ（21）通過轉動軸與食指的DIP關節（22）相連接；轉動輪A（37）通過轉動軸與無名指的MCP關節（34）相連；轉動輪Ⅺ（24）和齒輪Ⅳ（25）通過螺紋連接固定在電機Ⅴ（33）；齒輪Ⅲ（23）與齒輪Ⅳ（25）相互嚙合固定無名指的PIP關節（30）；轉動輪Ⅻ（26）通過轉動軸與無名指的DIP關節（30）相連接。

所述的EMG傳感器置於手臂來採集肌電信號；所述的三維角度傳感器Ⅰ和三維角度傳感器Ⅱ分別置於食指MCP關節（15）和食指PIP關節（20）來採集角度信息，三維角度傳感器Ⅲ和三維角度傳感器Ⅳ分別置於食指MCP關節（15）和食指PIP關節（20）來採集角度信息。

其使用時，具體如下：

a)訓練信號的獲取：

雙手跟蹤式手指康復機器人中的正常手的食指機構通過食指MCP關節固定槽、食指PIP關節固定槽及食指DIP固定槽，固定在輔助患者訓練的正常手指上。康復手指機構通過食指MCP關節固定槽（16）、食指PIP關節固定槽及食指DIP固定槽（29）固定在患者的手指上。當輔助患者訓練的正常手指做出動作時，三維角度傳感器和EMG傳感器把檢測到的信號傳送到微控制器中，微控制器進行信號處理後通過驅動電機控制手指的動作，讓患者進行康復訓練。

b)食指MCP關節的動作：

電機Ⅱ(2)轉動帶動轉動輪Ⅰ（3）轉動，轉動輪Ⅰ（3）通過同步帶帶動轉動輪Ⅶ（13）和轉動輪Ⅷ（14）的轉動，轉動輪Ⅷ（14）的轉動帶動食指的MCP關節（15）做出相應動作。

c)食指PIP關節的動作：

電機Ⅳ（28）轉動帶動齒輪Ⅱ（19）的轉動，齒輪Ⅱ（19）和齒輪Ⅰ（17）之間通過齒輪傳動，齒輪Ⅰ（17）的轉動帶動食指的PIP關節（20）做出相應動作。

d)食指DIP關節的動作：

電機Ⅳ（28）帶動食指PIP關節（20）做出動作的同時帶動轉動輪Ⅲ（18）的轉動，轉動輪Ⅸ（18）通過同步帶帶動轉動輪Ⅹ（21）的轉動，轉動輪Ⅹ（21）的轉動帶動食指DIP關節（22）做出相應動作。

一種雙手跟蹤式手指康復裝置，為達到較好的康復效果，其康復過程的步驟為：

a)系統感知患者正常手的動作

患者正常手做出基本動作，EMG傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅰ和三維角度傳感器Ⅱ對動作結果進行測量、輸出；

b)樣本的訓練與學習

微控制系統通過EMG傳感器Ⅰ、三維角度傳感器Ⅰ和三維角度傳感器Ⅱ輸出的信號進行分析、訓練與學習；

c)對恢復手的檢測與識別

EMG傳感器Ⅱ對患者恢復手產生的肌電信號進行測量與輸出，微控制系統通過之前的學習結果判斷患者的動作意圖；

d)恢復手端的運動

微控制系統根據判斷結果控制恢復手端進行對稱運動；

e)患者運動信息的反饋

三維角度傳感器Ⅲ和三維角度傳感器Ⅳ對患者做出的動作進行測量與輸出，並與學習結果進行對比；

f)恢復訓練的優化

通過對患者恢復手動作的對比與再學習，優化康復訓練模型，進而達到更好的恢復效果，康復訓練模型從患者正常手的運動習慣中提取，而不通過醫護工作者的主觀判斷建立。