一種柔性手功能康復訓練裝置的製作方法
2023-05-12 00:49:34
本發明屬於康復醫療器械技術領域，涉及一種柔性手功能康復訓練裝置，尤其是涉及一種應用於腦卒中病人不同情況的柔性手功能康復訓練裝置。
背景技術：
「腦卒中」(cerebralstroke)又稱「中風」、「腦血管意外」(cerebralvascularaccident，cva)，是一種急性腦血管疾病，是由於腦部血管突然破裂或因血管阻塞導致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性卒中的發病率高於出血性卒中，佔腦卒中總數的60％～70％。頸內動脈和椎動脈閉塞和狹窄可引起缺血性腦卒中，年齡多在40歲以上，男性較女性多，嚴重者可引起死亡。出血性卒中的死亡率較高。目前，在我國，腦卒中標化患病率約為1.82％，40歲以上罹患腦卒中的人數高達1036萬人，其中85％患者有上肢功能缺陷，在康復治療中，手以其關節數量多、動作精細程度高的因素，導致了手功能康復治療最為困難。
國內外已經得到臨床應用的外骨骼式手功能康復訓練機器人基本都是走中大型設備的路線，例如，技術比較成熟的三個產品義大利idrogenet公司的gloreha機器人、德國festo的exohand機器人和香港理工大學的emg驅動機械手機器人。現有產品明顯增大了患者視野範圍內的設備體積，會不同程度的增加病人的心理壓力。
與此同時，只有大型醫院或康復中心才會購買這類價格較高的中大型設備，這樣的設備特性就限制病人必須在規定時間地點做間斷性的幾組康復訓練動作，訓練量達不到病人最佳康復需求。在小型醫院，病人必須依靠專業理療師才能進行手部的定時定點康復訓練。
授權公告號為cn104784005b的中國專利公開了一種柔性牽引式手指康復訓練裝置，其結構包括：電機驅動裝置、機構支撐臺和柔性牽引裝置。所述的電機驅動裝置包括電機支架、直流驅動電機、旋轉軸以及聯接它們的聯軸器和軸承。所述的機構支撐臺由聯接旋轉軸的左右側面板、聯接柔性彈簧的前端面板和支撐手部的上端面板組成。所述的柔性牽引裝置包括指尖固定裝置、聯接指尖固定裝置和前端面板的柔性彈簧以及聯接指尖固定裝置和旋轉軸的柔性鋼絲。上述專利公布的技術方案只能進行四指訓練，而且各指間距離不可調整，且無左、右手互換相關說明，在動力傳送方面只有一級傳動，其在智能及體感控制方面存在局限性。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可實現左、右互換，實現輕便結構下拇指掌指關節、四指掌指關節和近端指間關節的獨立運動，安全可靠，經濟實用，可有效改善手部運動功能康復效果的柔性手功能康復訓練裝置。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種柔性手功能康復訓練裝置，該裝置包括雙軸輸出減速器、一對對稱設置在減速器兩側且分別與減速器傳動連接的第一級同步帶傳動機構、與第一級同步帶傳動機構傳動連接的第二級行星同步帶傳動機構、通過齒輪組與第二級行星同步帶傳動機構傳動連接的自適應調節託架以及設置在自適應調節託架上的手指柔性驅動模塊。
所述的第一級同步帶傳動機構包括安裝外殼、設置在安裝外殼中且與減速器傳動連接的第一主動輪以及通過第一傳動皮帶與第一主動輪傳動連接的第一從動輪，兩第一級同步帶傳動機構的第一從動輪通過被動輪主軸固定連接在一起。
所述的第二級行星同步帶傳動機構包括旋轉外殼、位於旋轉外殼中且套設在被動輪主軸上並與相應一側的第一從動輪同軸設置的第二主動輪、通過第二傳動皮帶與第二主動輪傳動連接的第二從動輪，所述的第二主動輪與安裝外殼固定連接，所述的第二從動輪的轉軸與旋轉外殼固定連接，在工作狀態下，所述的第二從動輪的轉軸在旋轉外殼的帶動下，驅動第二從動輪繞第二主動輪轉動，並產生自轉，實現行星運動模式。
所述的旋轉外殼通過法蘭與被動輪主軸固定連接，所述的旋轉外殼在被動輪主軸的帶動下做旋轉運動，為第二級行星同步帶傳動機構提供動力。
所述的旋轉外殼的內側壁上開設有一對半弧形的旋轉限位槽，該旋轉限位槽中設有限位螺釘。
所述的被動輪主軸上設有與安裝外殼、第二主動輪及旋轉外殼配合使用的推力軸承，所述的安裝外殼及第二主動輪的沉孔內各安裝有一個推力軸承端蓋，所述的旋轉外殼的中心孔處安裝有兩個推力軸承端蓋。
所述的齒輪組包括與自適應調節託架傳動連接的主動齒輪、與主動齒輪相適配且與第二從動輪固定連接的被動齒輪，所述的主動齒輪與被動齒輪通過過盈配合形成同軸轉動。
所述的自適應調節託架為設有陣列式定位半球槽的託架，所述的手指柔性驅動模塊共設有5個，並通過自適應調節託架串聯在一起。
所述的手指柔性驅動模塊包括通過彈簧球頭柱塞與自適應調節託架固定連接的快速定位器、與快速定位器固定連接的方向微調器、通過鉸鏈依次與方向微調器柔性連接的長度調節角度限位器及遠節指骨固定套。
所述的裝置還包括與雙軸輸出減速器電連接的下位機控制器、向下位機控制器傳送指令的計算機或移動終端以及與計算機或移動終端電連接的視覺採集器。
在實際使用時，制定訓練計劃方案，通過上位機(計算機或移動終端)軟體的編寫訓練計劃，生成指令發給下位機控制器，控制雙軸輸出減速器的轉速大小；體感手勢控制方案，通過視覺採集器來採集健側手部或者醫工輔助來運動來控制患側手做相似的康復運動。
利用運行在計算機或者移動終端上的上位機軟體來實現手功能康復訓練裝置的控制，分為點動控制和制定康復訓練計劃兩種方式，用戶可以在點動控制界面點擊控制按鈕或者編寫康復訓練計劃並導入軟體來生成控制指令，下位機在接收到控制指令後輸出控制信號給驅動器以此控制電機運行的速度和力矩。對於患者來說，軟癱期患側肌電信號比較微弱，採用上位機軟體控制屬於被動訓練，有助於防止肌肉萎縮。
體感手勢控制方案，軟癱期可以通過採集健側手部或者醫工輔助手勢圖像，將預處理的手勢與深度學習的手勢庫進行比對，調用設計好的手指控制指令，帶動患側手做相似的康復運動。恢復期可以通過圖像識別患側手部運動意圖，輔助患者進行主動漸進訓練、肌力和心肺能力，提高患者肌力。
本發明模塊化、易調整的柔性手功能康復訓練裝置中，在傳動機構方面，由雙軸輸出減速器輸出動力到第一級同步帶傳動機構，第二級行星同步帶傳動機構中，將第二主動輪與第一級同步帶傳動機構的安裝外殼固定，第二從動輪的轉軸通過旋轉外殼的帶動與第二主動輪形成行星運動模式，即第二主動輪固定，第二從動輪繞第二主動輪轉動並自轉一定角度，將動力傳遞給齒輪組來獲得所需運動方向、速度和驅動力，將用於固定手指柔性驅動模塊的自適應調節託架與齒輪組中的主動齒輪固定連接，進而實現了自適應調節託架繞被動輪主軸的迴轉運動和與自轉運動。
本發明中，由於主、從帶輪的齒數不同，第二級行星同步帶傳動機構的第二從動輪和與其同軸的動力學參數調整用齒輪組的主動齒輪同時獲得一個自轉運動；動力學參數調整用齒輪組用於調整固定在其被動齒輪上的含有陣列式定位半球槽的託架運動方向、速度和驅動力。
本發明中，每個手指柔性驅動模塊包括快速定位器、方向微調器、長度調節角度限位器及遠節指骨固定套，並由含有陣列式定位半球槽的自適應調節託架將五個手指柔性驅動模塊串聯起來，促使手指柔性驅動模塊帶動遠節指骨運動，從而實現了手指的伸展和抓握運動的康復訓練。根據不同病人的手部情況可以快速實現左、右手互換，調整手指柔性驅動模塊的長短和模塊之間的距離。
在實際設計過程中，手指柔性驅動模塊為了滿足五指的不同情況，針對拇指和其他四指分別設計了不同的快速定位器，其中拇指的快速定位器根據人的拇指運動方向做出了具有仿形結構的空間角度調整；而長度調節角度限位器可以調整每個手指柔性驅動模塊的長度，又通過旋轉限位來控制柔性鏈的彎曲極限，從而使手指柔性驅動模塊在極限位置成為剛性鏈，從而使固定在遠節指骨固定套的遠節指骨獲得足夠的力進行運動。
本實施例裝置利用雙軸輸出減速器實現了用於固定手指柔性驅動模塊的自適應調節託架與被動齒輪的間接固定連接，實現了自適應調節託架圍繞被動輪主軸的迴轉運動和與自轉運動，從而使五指或者對應某特定需要訓練的手指完成伸展和抓握訓練，模塊化的手指柔性驅動的結構設計可以快速實現左右手互換，適應不同病人的手指長短、手指間距調整。
與現有技術相比，本發明具有以下特點：
1)只採用一個雙軸輸出減速器結合行星同步帶傳動機構和動力學參數調整用齒輪組實現了含有陣列式定位半球槽的託架繞主軸的旋轉和自轉運動，並且可以調整動力的輸出方向、速度和大小；
2)手指柔性驅動模塊和含有陣列式定位半球槽的託架的設計，實現了左、右手互換，驅動模塊長度、模塊間隔距離的快速調節，其中，拇指柔性驅動模塊的仿形結構空間角度設計，滿足了拇指康復訓練的需求，從而實現了五個手指的聯動，同時又可以指定某幾個手指做康復訓練；
3)採用上位機(計算機和移動終端)軟體控制包含點動控制和制定訓練計劃方案，通過編寫、導入康復訓練計劃，生成指令發給下位機控制器，控制電機轉動；並採用體感手勢控制方案，通過採集健側手部或者醫工輔助來運動來控制患側手做相似的康復運動；這種應用軟體和體感進行混合控制的方法，可以實現被動與主動康復訓練；
4)整體結構緊湊，操作更加方便，安全可靠，經濟實用，可有效解決腦卒中病人手部康復難和只能依賴專業醫師才能進行手部訓練的問題，打破了現有手部康復設備欠適應性的現狀，且可以實現左、右互換，驅動模塊長度，模塊間隔距離的快速調節，能實現輕便結構下拇指掌指關節、四指掌指關節和近端指間關節的獨立運動，具有很好的應用前景。
附圖說明
圖1是本發明的結構立體示意圖；
圖2是本發明的內部整體結構示意圖；
圖3是本發明在工作狀態下五指運動示意圖；
圖4是第二級行星同步帶傳動機構；
圖5是旋轉內殼安裝結構示意圖；
圖6是手指柔性驅動模塊的側面結構示意圖；
圖7是手指柔性驅動模塊的軸側結構示意圖(省略彈簧球頭柱塞)；
圖8是含有陣列式定位半球槽的託架及快速調節示意圖；
圖9是上位機軟體控制的功能方框圖；
圖10是體感控制的功能方框圖；
圖中標記說明：
1—雙軸輸出減速器、2—第一級同步帶傳動機構、21—安裝外殼、22—第一主動輪、23—第一從動輪、24—第一傳動皮帶、25—被動輪主軸、3—第二級行星同步帶傳動機構、31—旋轉外殼、32—第二主動輪、33—第二從動輪、34—第二傳動皮帶、35—法蘭、36—旋轉限位槽、37—限位螺釘、4—推力軸承、5—推力軸承端蓋、6—主動齒輪、7—被動齒輪、8—自適應調節託架、9—手指柔性驅動模塊、91—快速定位器、92—方向微調器、93—長度調節角度限位器、94—遠節指骨固定套、95—彈簧球頭柱塞。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例：
如圖1-8所示，一種柔性手功能康復訓練裝置，該裝置包括雙軸輸出減速器1、一對對稱設置在雙軸輸出減速器1兩側且分別與雙軸輸出減速器1傳動連接的第一級同步帶傳動機構2、與第一級同步帶傳動機構2傳動連接的第二級行星同步帶傳動機構3、通過齒輪組與第二級行星同步帶傳動機構3傳動連接的自適應調節託架8以及設置在自適應調節託架8上的手指柔性驅動模塊9。
其中，第一級同步帶傳動機構2包括安裝外殼21、設置在安裝外殼21中且與雙軸輸出減速器1傳動連接的第一主動輪22以及通過第一傳動皮帶24與第一主動輪22傳動連接的第一從動輪23，兩第一級同步帶傳動機構2的第一從動輪23通過被動輪主軸25固定連接在一起。
第二級行星同步帶傳動機構3包括旋轉外殼31、位於旋轉外殼31中且套設在被動輪主軸25上並與相應一側的第一從動輪23同軸設置的第二主動輪32、通過第二傳動皮帶34與第二主動輪32傳動連接的第二從動輪33，第二主動輪32與安裝外殼21固定連接，第二從動輪33的轉軸與旋轉外殼31固定連接，在工作狀態下，第二從動輪33的轉軸在旋轉外殼31的帶動下，驅動第二從動輪33繞第二主動輪32轉動，並產生自轉，實現行星運動模式。
旋轉外殼31通過法蘭35與被動輪主軸25固定連接，旋轉外殼31在被動輪主軸25的帶動下做旋轉運動，為第二級行星同步帶傳動機構3提供動力。旋轉外殼31的內側壁上開設有一對半弧形的旋轉限位槽36，該旋轉限位槽36中設有限位螺釘37。被動輪主軸25上設有與安裝外殼21、第二主動輪32及旋轉外殼31配合使用的推力軸承4，安裝外殼21及第二主動輪32的沉孔內各安裝有一個推力軸承端蓋5，旋轉外殼31的中心孔處安裝有兩個推力軸承端蓋5。
齒輪組包括與自適應調節託架8傳動連接的主動齒輪6、與主動齒輪6相適配且與第二從動輪33固定連接的被動齒輪7，主動齒輪6與被動齒輪7通過過盈配合形成同軸轉動。
同步帶傳動機構均採用深溝球軸承提高各旋轉運動的精度並較小摩擦；第一級同步帶傳動機構2採用規格相同的同步帶輪作為第一級的動力輸出，第二級行星同步帶傳動機構3中為了實現第二從動輪33繞第一級同步帶傳動機構2的被動輪主軸25做行星運動。動力學參數調整用齒輪組中的主動齒輪6和被動齒輪7通過過盈配合形成同軸轉動。
自適應調節託架8為設有陣列式定位半球槽的託架，手指柔性驅動模塊9共設有5個，並通過自適應調節託架8串聯在一起。
手指柔性驅動模塊9包括通過彈簧球頭柱塞95與自適應調節託架8固定連接的快速定位器91、與快速定位器91固定連接的方向微調器92、通過鉸鏈依次與方向微調器92柔性連接的長度調節角度限位器93及遠節指骨固定套94。
如圖3所示，本實施例裝置通過一個雙軸輸出減速器1，實現了拇指遠節指骨和其他四指遠節指骨在自適應方向的抓握、伸展運動。
本實施例中，每個手指柔性驅動模塊9包括快速定位器91、方向微調器92、長度調節角度限位器93及遠節指骨固定套94，並由含有陣列式定位半球槽的自適應調節託架8將五個手指柔性驅動模塊9串聯起來，促使手指柔性驅動模塊9帶動遠節指骨運動，從而實現了手指的伸展和抓握運動的康復訓練。根據不同病人的手部情況可以快速實現左、右手互換，調整手指柔性驅動模塊9的長短和模塊之間的距離。
在實際設計過程中，手指柔性驅動模塊9為了滿足五指的不同情況，針對拇指和其他四指分別設計了不同的快速定位器91，其中拇指的快速定位器91根據人的拇指運動方向做出了具有仿形結構的空間角度調整；而長度調節角度限位器93可以調整每個手指柔性驅動模塊9的長度，又通過旋轉限位來控制柔性鏈的彎曲極限，從而使手指柔性驅動模塊9在極限位置成為剛性鏈，從而使固定在遠節指骨固定套94的遠節指骨獲得足夠的力進行運動。根據病人需要進行康復訓練的手部差異，左、右手形式，調整手指柔性驅動模塊9的長短和模塊之間的距離都需要進行調節。如圖6所示，彈簧球頭柱塞95嵌入快速定位器91中在配合含有陣列式定位半球槽的自適應調節託架8上，球頭在彈簧的支撐下可以實現模塊的快速推拉和定位，擰開一端的螺母后，可以更換、調整手指柔性驅動模塊9的排列順序和間隔距離。
如圖4所示，第二級行星同步帶傳動機構3，在旋轉內殼31上開有旋轉限位槽36，第二主動輪32通過定位螺栓與第一級同步帶傳動機構2的安裝外殼21固定連接，旋轉外殼31通過法蘭35和第一級同步帶傳動機構2的被動輪主軸25的軸端扁位固定連接，從而可以在主動軸的帶動下做旋轉運動。
本實施例裝置還包括與雙軸輸出減速器1電連接的下位機控制器、向下位機控制器傳送指令的計算機或移動終端以及與計算機或移動終端電連接的視覺採集器。
在實際使用時，制定訓練計劃方案，通過上位機(計算機或移動終端)軟體的編寫訓練計劃，生成指令發給下位機控制器，控制雙軸輸出減速器1的轉速大小；體感手勢控制方案，通過視覺採集器來採集健側手部或者醫工輔助來運動來控制患側手做相似的康復運動。
如圖9所示，利用運行在計算機或者移動終端上的上位機軟體來實現手功能康復訓練裝置的控制，分為點動控制和制定康復訓練計劃兩種方式，用戶可以在點動控制界面點擊控制按鈕或者編寫康復訓練計劃並導入軟體來生成控制指令，下位機在接收到控制指令後輸出控制信號給驅動器以此控制電機運行的速度和力矩。對於患者來說，軟癱期患側肌電信號比較微弱，採用上位機軟體控制屬於被動訓練，有助於防止肌肉萎縮。
如圖10所示，體感手勢控制方案，軟癱期可以通過採集健側手部或者醫工輔助手勢圖像，將預處理的手勢與深度學習的手勢庫進行比對，調用設計好的手指控制指令，帶動患側手做相似的康復運動。恢復期可以通過圖像識別患側手部運動意圖，輔助患者進行主動漸進訓練、肌力和心肺能力，提高患者肌力。
本實施例模塊化、易調整的柔性手功能康復訓練裝置中，在傳動機構方面，由雙軸輸出減速器1輸出動力到第一級同步帶傳動機構2，第二級行星同步帶傳動機構3中，將第二主動輪32與第一級同步帶傳動機構2的安裝外殼21固定，第二從動輪33的轉軸通過旋轉外殼31的帶動與第二主動輪32形成行星運動模式，即第二主動輪32固定，第二從動輪33繞第二主動輪32轉動並自轉一定角度，將動力傳遞給齒輪組來獲得所需運動方向、速度和驅動力，將用於固定手指柔性驅動模塊9的自適應調節託架8與齒輪組中的主動齒輪6固定連接，進而實現了自適應調節託架8繞被動輪主軸25的迴轉運動和與自轉運動。由於主、從帶輪的齒數不同，第二級行星同步帶傳動機構3的第二從動輪33和與其同軸的動力學參數調整用齒輪組的主動齒輪6同時獲得一個自轉運動；動力學參數調整用齒輪組用於調整固定在其被動齒輪7上的含有陣列式定位半球槽的自適應調節託架8運動方向、速度和驅動力。
本實施例裝置利用雙軸輸出減速器1實現了用於固定手指柔性驅動模塊9的自適應調節託架8與被動齒輪7的間接固定連接，實現了自適應調節託架8圍繞被動輪主軸25的迴轉運動和與自轉運動，從而使五指或者對應某特定需要訓練的手指完成伸展和抓握訓練，模塊化的手指柔性驅動的結構設計可以快速實現左右手互換，適應不同病人的手指長短、手指間距調整。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。