一種微智能外骨骼手指康復機器人的製作方法
2023-06-07 20:08:16 1
一種微智能外骨骼手指康復機器人的製作方法
【專利摘要】一種微智能外骨骼手指康復機器人，包括：手背部分、手指部分、鋼絲傳動機構、齒輪傳動機構、電機、連接軸、驅動軸、被動軸、彎曲傳感器。外骨骼手指康復機器人主要提供2個自由度在掌指關節（MCP關節）和近端指間關節（PIP關節），通過電機驅動方式帶動鋼絲傳動機構和齒輪傳動機構運動，以實現偏癱患者手指的彎曲和伸展運動,並且彎曲傳感器實時反饋手指的彎曲角度。該康復機器人採用網絡通信連接，具有技術含量高，能安全輔助患者完成康復訓練，並通過科學的往返運動有效刺激大腦神經促進手部的康復。除此之外，該機器人具有便攜性，可穿戴性，且適於家庭康復等優點。
【專利說明】一種微智能外骨骼手指康復機器人
【技術領域】
[0001]本發明屬於康復醫療領域，特別將機器人技術與康復醫療技術進行結合，該系統具有智能、高效、便攜輕便等特點。
【背景技術】
[0002]傳統的康複方法雖然能幫助患者恢復肢體功能，但其對人力物力消耗過大，且沒有客觀科學的評價方法，而外骨骼康復機器人系統提供了解決方案。外骨骼康復機器人可用於輔助偏癱患者進行康復訓練，幫助患者恢復肢體功能，準確高效地評價患者的康復情況。
[0003]外骨骼康復機器人是根據人體工學的特點進行設計，相當於患者的外置骨骼，患者可以將其穿戴在肢體上輔助患側肢體進行康復訓練，根據設備配套的相關傳感器對患者的康復情況進行客觀 評價，提高患者的康復效果。而現有的外骨骼康復機器人大多體積較大，不具有便攜性和實現家庭康復的能力。除此之外，大多數上肢康復機器人缺少上肢和手指的結合。因此，本發明意在解決上述問題而設立。
【發明內容】
[0004]本發明目的是解決偏癱患者的手指運動功能的康復問題，提供一種微智能外骨骼手指康復機器人。
[0005]本發明提供的微智能外骨骼手指康復機器人包括，手背、手指第一節、手指第二節、滑輪、彎曲傳感器、電機、驅動軸、被動軸、軸套、傳動齒輪組、調節滑槽、連接軸、螺紋軸、鋼絲傳動機構。手背和手指第一節通過螺紋軸進行連接，手指第一節和手指第二節的背面分別設置有一個調節滑槽，調節滑槽內通過軸套分別安裝有驅動軸和被動軸，驅動軸和被動軸的一端各安裝有一個齒輪，兩個齒輪相互哨合構成傳動齒輪組，在驅動軸上同時安裝有一個滑輪，該滑輪通過鋼絲與手背上安裝的電機軸連接，構成鋼絲傳動機構，彎曲傳感器通過螺紋連接方式安裝在手指關節上。
[0006]本發明設計的外骨骼手指康復機器人採用鋁合金和尼龍材料，通過機器人手背和手指部分的開槽，用尼龍搭扣帶將機器人和患者的手部進行連接。根據不同人的手指尺寸，在機器人的手指部分設計調節滑槽，並用螺釘根據患者的手指尺寸進行調節。
[0007]外骨骼手指康復機器人主要採用電機驅動，主要為了實現手指掌指關節(MCP關節)和近端指間關節(PIP關節)的彎曲和伸展運動，安裝在手背上的電機通過鋼絲傳動的方式帶動驅動軸進行轉動,驅動軸通過傳動齒輪組帶動被動軸進行轉動實現PIP關節的彎曲。連接軸將外骨骼手指結構與外骨骼上肢康復機器人(其他設備)進行連接以實現掌指關節(MCP關節)的運動。外骨骼的手指康復機器人的MCP和PIP關節分別與患者的關節相對應。
[0008]除此之外，安裝在外骨骼的彎曲傳感器為了測量手指的彎曲角度，而系統中配備的力傳感器為了保證訓練過程中的安全性，腦肌電分析系統用於有效刺激患者的大腦的神經促進康復，表面肌電分析系統為了評價手指的康復情況。
[0009]本發明的優點和有益效果:
1.本發明外骨骼手指康復機器人採用康復醫療技術與機器人技術結合，為了減輕外骨骼機器人的重量，主要採用鋁合金和尼龍材料，根據人體結構尺寸進行零件設計。在機器人的運動關節處設計尺寸調節裝置以滿足不同患者的穿戴需求。
[0010]2.在驅動裝置的設計上，本發明 申請人:進過考慮選擇電機驅動方式，並採用鋼絲傳動結構和齒輪傳動結構傳遞轉速以控制手指結構進行彎曲和伸展運動。
[0011]3.為了實現機器人的便攜性和穿戴性，本發明將驅動裝置和機器人相結合，改變了過往的外骨骼手指結構的驅動裝置和運動裝置相分離的缺點，大大減小了手指結構的尺寸。與此同時，手指結構上設計有開槽，患者手指關節可以通過尼龍搭扣帶與機器人相互連接。
[0012]4.採用傳感器技術，實時客觀的反饋系統的運動信息，為患者制定高效科學的康復訓練方法。
[0013]5.該機器人將外骨骼機器人技術與康復醫學相結合，科學證明高效的運動刺激有助於偏癱患者的神經再塑，因此該機器人主要使用電機驅動的方式提供人手掌指關節(MCP 關節)和近端指間關節(PIP關節)的兩個自由度的屈伸運動，刺激患者神經，幫助其恢復運動功能。
[0014]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是外骨骼手指康復機器人系統框圖。
[0016]圖2是外骨骼手指康復機器人結構正面示意圖。
[0017]圖3是外骨骼手指康復機器人結構背面示意圖。
[0018]圖中，1.手背，2.手指第一節，3.PIP關節，4.手指第二節，5.滑輪，6.彎曲傳感器，7.MCP關節，8.電機，9.驅動軸，10.被動軸，11.軸套，12.傳動齒輪組，13.調節滑槽， 14.連接軸，15.螺紋軸，16.鋼絲傳動機構。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]實施例1:
一、微智能外骨骼手指康復機器人系統組成
如圖1所示，本發明提供的外骨骼手指康復機器人是外骨骼手指康復機器人系統的重要組成組成部分。外骨骼手指康復機器人系統包括，系統主端和系統從端。系統主端有主端虛擬實境系統、六自由度觸覺感受器；系統從端有從端虛擬實境系統、電機控制單元、外骨骼機構、表面肌電分析系統、力傳感器、彎曲傳感器和腦肌電分析系統。
[0021]如圖2和圖3所示，外骨骼機構即指本發明的微智能外骨骼手指康復機器人，包括1.手背，2.手指第一節，3.PIP關節，4.手指第二節，5.滑輪，6.彎曲傳感器，7MCP關節，8.電機，9.驅動軸，10.被動軸，11.軸套，12.傳動齒輪組，13.調節滑槽，14.連接軸，15.螺紋軸，16.鋼絲傳動機構。手背和手指第一節通過螺紋軸進行連接，手指第一節和手指第二節的背面分別設置有一個調節滑槽，調節滑槽內通過軸套分別安裝有驅動軸和被動軸，驅動軸和被動軸的一端各安裝有一個齒輪，兩個齒輪相互哨合構成傳動齒輪組，在驅動軸上同時安裝有一個滑輪，該滑輪通過鋼絲與手背上安裝的電機軸連接，構成鋼絲傳動機構，彎曲傳感器通過螺紋連接方式安裝在手指關節上
外骨骼手指康復機器人採用電機驅動方式，主要在MCP關節和PIP關節提供兩個自由度的運動，從而實現四指的旋轉和伸展運動，手背上的電機拉動鋼絲繩帶動驅動軸上的滑輪帶動驅動軸轉動，同時驅動軸上的齒輪與被動軸上的齒輪配合帶動轉動，實現PIP關節的彎曲運動；連接軸與外骨骼上肢康復機器人(其他設備)連接實現MCP關節的彎曲運動， 手指內側的彎曲傳感器用於測量手指的彎曲角度。
[0022]二、康復訓練的工作流程階段一:六自由度觸覺感受器狀態改變
患者(健側手)或者治療師改變六自由度觸覺感受器的運動狀態，根據指定的運動軌跡控制觸覺感受器進行運動。
[0023]階段二:控制信息的傳遞
六自由度觸覺感受器將通過自帶傳感器將信息傳遞給工作站中設定好的虛擬實境系統，並進過OpenGL、VC++等編程軟體將運動信息傳遞給電機控制單元。
[0024]階段三:外骨骼手指康復機器人的運動
電機控制單元驅動安裝在外骨骼手指康復機器人上的電機運動，促使其完成彎曲和伸展。
[0025]階段四:患者康覆信息的評估和監測
彎曲傳感器和力傳感器用於監測設備的運動情況，並保證訓練過程中的安全性，表面肌電分析系統於評價患者的康復情況，腦肌電分析系統用於刺激患者大腦使其恢復自我運動調節的能力。
[0026]階段五:康復訓練方法的優化
治療師根據患者的康覆信息優`化訓練的方法，並進行新一輪的康復訓練。
[0027]三、本發明所涉及的重要技術簡介
1.外骨骼技術
2007年，加拿大醫療研究機構(CIHR)發明的康復機器人MEDARM，運用特殊的機械結構可以主要為肩部提供五個自由度的運動。2007年由華盛頓大學研製的CADEN-7機器人是一款外骨骼式機器人，具有7個自由度，可以輔助患肢的肩、肘、腕等進行多關節的複合運動。
[0028]2010年，國立臺灣大學發明的Rehab-robot上肢康復機器人,在肩部有6個自由度，肘部I個自由度以及腕部的2個自由度，通過利用表面肌電信號和力學傳感器指導患者完成指定的康復運動，保證訓練的安全性。2011年上海交通大學研究的上肢康復訓練機器人的目的在於提供一種具有重力平衡功能的(患者)主動運動訓練系統，可供肌力在2級~5 級的不完全癱瘓或輕癱患者使用。
[0029]2.傳感器技術
系統中採用智能傳感器技術，其中彎曲傳感器測量手指彎曲角度，而力傳感器用於保證康復訓練的安全性防止手指受力過渡；腦肌電分析系統用於刺激患者大腦，實現患者的自我訓練調節；表面肌電分析系統用於評價患者的康復狀態並制定合適的康複方法。
[0030]3.六自由度觸覺感受器
六自由度觸覺感受器採用虛擬實境技術與工作站進行連接，實現信息的交互並控制外骨骼手指康復機器 人進行運動，同時工作站輸出觸覺感受器的運動信息。
【權利要求】
1. 一種微智能外骨骼手指康復機器人，其特徵在於該機器人包括手背，手指第一節，手指第二節，滑輪，彎曲傳感器，電機，驅動軸，被動軸，軸套，傳動齒輪組，調節滑槽，連接軸，螺紋軸和鋼絲傳動機構；手背和手指第一節通過螺紋軸進行連接，手指第一節和手指第二節的背面分別設置有一個調節滑槽，調節滑槽內通過軸套分別安裝有驅動軸和被動軸，驅動軸和被動軸的一端各安裝有一個齒輪，兩個齒輪相互哨合構成傳動齒輪組，在驅動軸上同時安裝有一個滑輪，該滑輪通過鋼絲與手背上安裝的電機軸連接，構成鋼絲傳動機構，彎曲傳感器通過螺紋連接的方式安裝在手指關節上。
【文檔編號】A61H1/02GK103519970SQ201310474052
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月12日 優先權日:2013年10月12日
【發明者】魏巍, 張帆, 張武, 吉月輝, 李世遠, 宋長寶, 丁新會, 郭健 申請人:天津理工大學