一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置製造方法

2023-10-07 13:22:54 1

一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種平臺式的用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，包括手指訓練機構、混合驅動機構、傳感裝置和控制系統；混合驅動機構包括電機和磁流變液阻尼器，所述手指訓練機構包括曲柄滑塊機構和手指活動裝置，手指活動裝置可自由轉動，並在曲柄滑塊機構的帶動下前後滑動控制系統包括上位機和下位機，其中下位機內PID控制算法，上位機內包括虛擬場景模塊和虛擬實境反饋力模塊；患者利用本發明裝置實現主動訓練和被動訓練的結合，機械結構、混合驅動機構、傳感裝置以及控制系統之間相互配合，形成人機互動，嚴格控制訓練過程，同時結合遊戲畫面，增強訓練過程趣味性。
【專利說明】一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及康復訓練裝置，特別是一種用於病人偏癱手指康復訓練的輔助康復訓
練裝置。
【背景技術】
[0002]手在日常生活中的重要性不言而喻，但由於手部結構的特殊性，導致了手部容易受傷，引起手的功能障礙，給日常生活帶來了極大的不便。偏癱是指腦被損害後導致的一側上下肢、面肌和舌肌下部的運動障礙，常常會導致人手指的僵硬化，最典型的症狀是手指呈屈曲、蜷縮狀態，被動伸直手有僵硬抵抗感。積極開展早期康復訓練是有效減輕偏癱手指症狀，促進手指功能恢復，最大程度地恢復手指運動功能的重要環節。
[0003]目前醫院裡的康復訓練主要是醫師輔助患者進行康復鍛鍊，這種治療方法耗時費力，對治療效果的評判只能依靠醫師的經驗來判斷，勢必導致專家門診的預約困難，從而影響治療時間。另外訓練過程枯燥乏味，容易使患者訓練的積極性受到影響。
[0004]針對這種由於偏癱引起的手指關節僵硬化，國內外都已經對偏癱手指康復訓練裝置進行研究，如力反饋數據手套:包括Rutgers Master II力覺手套以及基於磁流變液的力反饋數據手套CyberGrasp。這些康復裝置對手的康復訓練起到了一定的作用，但也存在些問題:(1) 一些數據手套及外骨骼裝置穿戴不方便，且大小得適合人手，另外如果裝置的重量過重，會加重手部的負擔，造成二次損傷等負面影響；(2)這些裝置往往適合所有的手指一起訓練，但有時只需要對偏癱患指進行訓練，造成了其他機構的浪費；(3)手指的康復訓練往往需要主動訓練結合被動訓練才能取得較好的效果，而力覺數據手套基本上只能產生主動力或被動力其中一種，無法實現主被動訓練的結合；(4)這些裝置結構複雜，成本很高，對普通患者的經濟壓力 很大。
[0005]因此，為了偏癱患者手指的康復，開發出主被動訓練結合的、結構簡單且不用穿戴的手指康復訓練裝置意義重大。

【發明內容】

[0006]要解決的技術問題:針對現有技術的不足，本發明提供一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，解決現有技術中的數據手套和外骨骼裝置類的手指康復訓練裝置容易對病人造成二次損害，並且訓練時所有手指一起訓練、針對性低，無法實現主被動訓練結合的訓練模式，訓練效果不佳，同時裝置價格昂貴等技術問題。
[0007]技術方案:為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案:
[0008]一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，包括平臺、手指訓練機構、混合驅動機構、傳感裝置和控制系統，所述手指訓練機構和混合驅動機構均置於平臺上；
[0009]所述混合驅動機構包括電機和磁流變液阻尼器，且二者的中心軸相同；
[0010]所述手指訓練機構包括曲柄滑塊機構和手指活動裝置，其中曲柄滑塊機構的曲柄的一端固定在混合驅動機構的中心軸上，曲柄的另一端通過連杆連接至滑塊，所述滑塊置於導軌上；所述手指活動裝置通過長條形支柱固定於滑塊上並伸到滑塊外部，手指活動裝置包括手指支撐架和手指環，所述手指支撐架呈U形且手指支撐架U形的底部鉸接在滑塊上，所述手指環卡入手指支撐架U形的開口中且手指環的側壁與手指支撐架U形的兩個支腳分別鉸接；
[0011]所述傳感裝置包括力傳感器和角度傳感器，所述力傳感器設置在長條形支柱上，所述角度傳感器與混合驅動機構同軸設置；
[0012]所述控制系統包括上位機和下位機，其中下位機內設置有PID控制算法，上位機內包括虛擬場景模塊和虛擬實境反饋力模塊；
[0013]在被動訓練時，患者首先在醫生的幫助下完成推動滑塊一個來回的運動過程，在該過程中PID控制算法時刻採集力傳感器檢測到的長條形支柱上的力的信息和角度傳感器檢測到中心軸轉過的角度信息，並計算出重複該過程所需要的每個時刻電機和磁流變液阻尼器需要提供的轉速和力，之後患者在沒有醫生的幫助下，角度傳感器的隨時反饋當前的中心軸轉過的角度提供給PID控制算法計算出當前時刻電機和磁流變液阻尼器需要提供的轉速和力，控制磁流變液阻尼器和電機配合按照需要提供的轉速和力進行工作重現推動滑塊來回運動的過程；
[0014]在主動訓練時，上位機內呈現遊戲虛擬場景，通過角度傳感器檢測到當前中心軸轉過的角度並傳遞給上位機將虛擬場景實現與現實手指的運動位置一一對應，虛擬實境反饋力模塊根據虛擬場景實時計算出對應的虛擬反饋力模擬現實環境中手指抓取動作，並將需要的虛擬反饋力信息傳遞給PID控制算法，同時通過力傳感器向PID控制算法反饋實時檢測到的力進行協調控制，PID控制算法比較虛擬反饋力和力傳感器檢測到的力進行閉環控制調整，最終PID控制算法計算出當前時刻電機和磁流變液阻尼器需要提供的轉速和力，驅動電機 和磁流變液阻尼器配合工作產生精確的反饋力，使作用到患者手部的力等於虛擬反饋力。
[0015]進一步的，在本發明中，被動訓練時，患者在沒有醫生幫助下，力傳感器實時採集力的信息，一旦檢測到力的大小超過閾值，則判定出現意外情況，PID控制算法控制電機和磁流變液阻尼器停止工作。因為在被動訓練適合手指損傷較為嚴重的患者，他們的手指感覺較為遲鈍，若訓練過程中出現卡殼等意外情況導致作用於手上的力過大，患者本人無法感知則會造成二次損傷，利用力傳感器進行檢測，可以避免這一情況的發生。
[0016]作為優選的，在本發明中，所述滑塊和導軌為MR微型滾珠線性滑塊和導軌。MR微型滾珠線性滑塊和導軌在滑動過程中的摩擦阻力較小，使得電機和磁流變液阻尼器配合工作後作用到人手的力與PID控制算法的計算的結果基本相同，提高控制的準確度。
[0017]有益效果:
[0018]本發明採用了一個相對較為簡單的曲柄滑塊機構就實現了活動手指關節彎曲和伸展的複雜運動過程，滑塊導軌採用滾珠式的直線導軌，移動起來阻力小，並且機械加工成本低，適合大批量生產；本裝置主要滿足對受傷手指進行針對性訓練的需求，訓練過程其他未受傷的手指無需參與，並且手指支撐架和指環均為鉸接可轉動的形式，使得手指關節活動不受限制，結構簡單，佔用空間較小；
[0019]其次，控制系統、傳感裝置和混合驅動裝置相互配合，實現穩定準確的混合控制；並且利用PID控制算法使得主被動訓練均可實現；在被動訓練時，完全由本裝置帶動患者手指運動，並且設置監控，保證患者尚無知覺的手指處於安全的訓練狀態；在主動訓練時，結合上位機的遊戲，實現人際交互，使得康復訓練不再枯燥，增加了患者訓練的積極性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的結構示意圖；
[0021]圖2為本發明的控制系統框圖；
[0022]圖3為本發明的上位機與下位機之間的關係示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0024]如圖1所示，一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，包括平臺1、手指訓練機構、混合驅動機構、傳感裝置和控制系統，所述手指訓練機構和混合驅動機構均置於平臺上；
[0025]所述混合驅動機構包括電機2和磁流變液阻尼器3，且二者的中心軸相同且各自分別通過聯軸器4連接在中心軸5上；
[0026]所述手指訓練機構包括曲柄滑塊機構和手指活動裝置，其中曲柄滑塊機構的曲柄6的一端通過螺絲固定在混合驅動機構的中心軸上，曲柄6的另一端通過連杆7連接至滑塊8，曲柄6與連杆7之間通過軸承和銷連接，連杆7與滑塊8之間也通過軸承和銷連接；所述滑塊8置於導軌9上，所述滑塊8和導軌9為MR微型滾珠線性滑塊和導軌，導軌9兩端設有限位柱10防止滑塊8滑出導軌；所述手指活動裝置通過長條形支柱11固定於滑塊8上並伸到滑塊8的外部，手指活動裝置包括手指支撐架12和手指環13，所述手指支撐架12呈U形且手指支撐架12的U形的底部鉸接在滑塊8上，所述手指環13卡入手指支撐架12的U形的開口中且手指環13的側壁與手指支撐架12的U形的兩個支腳分別用銷釘鉸接。混合驅動機構帶動曲柄6的轉動，進而帶動連杆7運動，連杆7的運動又帶動滑塊8在導軌9上一起如後運動，當人的手指套在手指環13內時，實現了手指的如後拉動運動，另外手指環13和手指支撐架12的轉動恰好滿足了人手指關節和手腕關節的運動。
[0027]所述傳感裝置包括力傳感器14和角度傳感器15，所述力傳感器14設置在長條形支柱11上，所述角度傳感器15與混合驅動機構同軸設置；
[0028]如圖2和圖3所示，所述控制系統包括上位機16和下位機17，其中下位機17內安裝有ARM系統和PID控制算法，上位機17內包括虛擬場景模塊和虛擬實境反饋力模塊，上位機17和下位機16之間通過USB控制器進行數據傳輸；機械結構部分和控制系統之間配合實現了人機互動。
[0029]在被動訓練時，患者首先在醫生的幫助下完成推動滑塊一個來回的運動過程，在該過程中PID控制算法時刻採集力傳感器14檢測到的長條形支柱11上的力的信息和角度傳感器15檢測到中心軸5轉過的角度信息，其中力的信息通過調理電路和模數轉換模塊ADC傳遞給下位機，角度信息通過硬體解碼電路傳遞給下位機，下位機接收到這兩種信息後計算出重複該過程所需要的每個時刻電機2和磁流變液阻尼器3需要提供的轉速和力。之後患者在沒有醫生的幫助下，角度傳感器15隨時反饋當前的中心軸5轉過的角度提供給PID控制算法，用於計算出當前時刻電機2和磁流變液阻尼器3需要提供的轉速和力，控制磁流變液阻尼器3和電機2配合，按照需要提供的轉速和力進行工作重現推動滑塊來回運動的過程。
[0030]被動訓練的同時，患者在沒有醫生幫助下，力傳感器14實時採集力的信息，一但檢測到力的大小超過閾值，則判定出現意外情況，PID控制算法控制電機2和磁流變液阻尼器3停止工作。
[0031]在主動訓練時，上位機16內呈現遊戲虛擬場景，滑塊8的運動軌跡可通過角度傳感器15檢測到的當前中心軸5轉過的角度來記錄，角度傳感器15將記錄到的信息通過硬體解碼電路傳遞給下位機17，下位機17再將這個信息傳輸給上位機16，從而實現將虛擬場景與現實手指的運動位置一一對應的目的，患者的手指運動即可控制上位機內的遊戲，使得康復訓練不再枯燥，具體上位機中的遊戲可有潛艇遊戲、飛機遊戲、挖金子遊戲、汽車遊戲等，患者可根據自己的喜好通過登陸模塊選擇登陸某個遊戲界面。
[0032]在患者控制遊戲的過程中，虛擬實境反饋力模塊根據虛擬場景實時計算出對應的虛擬反饋力，來模擬現實環境中手指抓取動作並將這個虛擬反饋力的信息發送給PID控制算法；與此同時，力傳感器14也向PID控制算法反饋實時檢測到的力。在PID控制算法中，利用比例、積分、微分進行控制，通過比較力傳感器14檢測到的力和虛擬反饋力得到差值，然後經過PID控制算法的不斷調整協調控制，最終PID控制算法計算出當前時刻電機2和磁流變液阻尼器3需要提供的轉速和力；然後下位機17控制電機驅動電路來驅動電機2工作，同時下位機17也通過數模轉換模塊DAC控制電流源控制磁流變液阻尼器3工作，電機2和磁流變液阻尼器3 二者配合工作產生精確的反饋力，使作用到患者手部的力等於虛擬反饋力，整個控制系統處於準確、穩定的狀態。
[0033]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護 範圍。
【權利要求】
1.一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，其特徵在於:包括平臺(I)、手指訓練機構、混合驅動機構、傳感裝置和控制系統，所述手指訓練機構和混合驅動機構均置於平臺(1)上； 所述混合驅動機構包括電機(2 )和磁流變液阻尼器(3 )，且二者的中心軸(5 )相同；所述手指訓練機構包括曲柄滑塊機構和手指活動裝置，其中曲柄滑塊機構的曲柄(6)的一端固定在混合驅動機構的中心軸(5)上，曲柄(6)的另一端通過連杆(7)連接至滑塊(8)，所述滑塊(8)置於導軌(9)上；所述手指活動裝置通過長條形支柱(11)固定於滑塊(8)上並伸到滑塊(8)外部，手指活動裝置包括手指支撐架(12)和手指環(13)，所述手指支撐架(12)呈U形且手指支撐架(12)U形的底部鉸接在滑塊(8)上，所述手指環(13)卡入手指支撐架(12) U形的開口中且手指環(13)的側壁與手指支撐架(12) U形的兩個支腳分別鉸接； 所述傳感裝置包括力傳感器(14)和角度傳感器(15)，所述力傳感器(14)設置在長條形支柱(11)上，所述角度傳感器(15)與混合驅動機構同軸設置； 所述控制系統包括上位機(16 )和下位機(17 )，其中下位機(17 )內設置有PID控制算法，上位機(16)內包括虛擬場景模塊和虛擬實境反饋力模塊； 在被動訓練時，患者首先在醫生的幫助下完成推動滑塊(8)—個來回的運動過程，在該過程中PID控制算法時刻採集力傳感器(14)檢測到的長條形支柱(11)上的力的信息和角度傳感器(15)檢測到中心軸(5)轉過的角度信息，並計算出重複該過程所需要的每個時刻電機(2)和磁流變液阻尼器(3)需要提供的轉速和力；然後患者在沒有醫生的幫助下，角度傳感器(15)隨時反饋當前的中心軸(5)轉過的角度並提供給PID控制算法以計算出當前時刻電機(2 )和磁流變液阻尼器(3 )需要提供的轉速和力，控制磁流變液阻尼器(3 )和電機(2)配合按照需要提供的轉速和力進行工作來重現推動滑塊(8)來回運動的過程；` 在主動訓練時，上位機(16)內呈現遊戲虛擬場景，通過角度傳感器(15)檢測到當前中心軸(5)轉過的角度並傳遞給上位機(16)實現將虛擬場景與現實手指的運動位置一一對應，虛擬實境反饋力模塊根據虛擬場景實時計算出對應的虛擬反饋力來模擬現實環境中手指抓取動作，並將需要的虛擬反饋力信息傳遞給PID控制算法，同時通過力傳感器(14)向PID控制算法反饋實時檢測到的力進行協調控制，PID控制算法比較虛擬反饋力和力傳感器(14)檢測到的力進行閉環控制調整，最終PID控制算法計算出當前時刻電機(2)和磁流變液阻尼器(3 )需要提供的轉速和力，驅動電機(2 )和磁流變液阻尼器(3 )配合工作產生精確的反饋力，使作用到患者手部的力等於虛擬反饋力。
2.根據權利要求1所述的一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，其特徵在於:被動訓練時，患者在沒有醫生幫助下，力傳感器(14)實時採集力的信息，一但檢測到力的大小超過閾值，則判定出現意外情況，PID控制算法控制電機(2)和磁流變液阻尼器(3)停止工作。
3.根據權利要求1所述的一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，其特徵在於:所述滑塊(8)和導軌(9)為MR微型滾珠線性滑塊(8)和導軌(9)。
4.根據權利要求1所述的一種用於病人偏癱手指的輔助康復訓練裝置，其特徵在於:導軌(9)兩端設有限位柱(10)。
【文檔編號】A61H1/02GK103750980SQ201410030105
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】王愛民, 王堅, 陸小飛, 王恆, 何有源 申請人:東南大學