CN109481226A - 一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，包括正常手柔性外骨骼手套、恢复手柔性外骨骼手套、控制系统、驱动模块、运动感知单元和鲍登线，采用三指控制与驱动；运动感知单元包括分布在正常手和恢复手外骨骼手套的多组柔性角度传感器及对应手臂上的肌电信号传感器；恢复手柔性外骨骼手套每指上掌骨端与近节指骨端安装电机驱动；鲍登线将电机驱动与恢复手柔性外骨骼手套的关节端或指尖端连接。本发明还包括上述机器人使用方法。本发明采用了三指结构的双手跟踪式康复设计式柔性外骨骼手套，建立正常手与恢复手的对称联系，结合手套上的多组电机驱动可控制每根手指的多个关节，可控制6个自由度，提高功能性与舒适性同时节省成本。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域技术领域，具体涉及一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人及其使用方法。
背景技术
随着我国逐渐迈入老龄化社会，老年人中风成了困扰社会的一大问题。据有关数据显示：我国每年新增脑卒中患者达一千五百万，且患者在脑卒中后后大多会患有偏瘫、肢体运动功能障碍等问题。这些问题导致了老年人生活质量差、生活不能自理等问题。而手部运动功能因其支配神经复杂，因此恢复难度更大，而且还有很多外伤也会导致手运动功能的受损甚至丧失。医学理论和实践证明，为了防止肌肉废用性萎缩，必须要采取有效的手指康复训练来达到恢复手的功能，手指康复机器人可以帮助患者更好的达到恢复效果也可以减轻医护人员的负担以及可以减少治疗费用减轻家庭经济负担，而且采用多自由度和双踪式的手指康复机器人，能够达到更好的治疗效果。
中国专利申请CN105496728A公开了一种用于手部运动功能康复的软体机器人手套，该装置可以帮助患者进行手指的康复训练，但是还是存在一些不足，采用该装置进行康复训练时不能控制手指的多个关节自由活动，只能整根手指运动，降低康复训练的效果；手套的控制系统与手套分离，使用时不方便携带走动。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，包括正常手柔性外骨骼手套、恢复手柔性外骨骼手套、控制系统、驱动模块、运动感知单元和多组鲍登线。
其中，正常手柔性外骨骼手套与恢复手柔性外骨骼手套均采用三指控制与驱动，具体为大拇指、食指和中指；
所述运动感知单元分布在正常手和恢复手的外骨骼手套以及手套使用时对应的手臂上，由多组柔性角度传感器和肌电信号传感器构成；
其中，运动感知单元输出端均与控制系统相连接，通过无线方式将其发送给控制系统；控制系统的输出端连接驱动模块；
其中，控制系统包括硬件组成部分和机器学习算法实现的软件组成部分，用来接收和处理数据以控制所述驱动模块；
其中，驱动模块包括单片机和电机驱动，用来驱使所述鲍登线来控制手指的运动；驱动模块安装在所述恢复手柔性外骨骼手套上的手背处，电机驱动为六组，分别安装在恢复手柔性外骨骼手套三指的靠近手指的掌骨端以及近节指骨端；电机驱动包括直流电机、蜗轮蜗杆以及电机控制柜；
其中，鲍登线将电机驱动与恢复手柔性外骨骼手套的关节端或指尖端连接。
进一步地，恢复手柔性外骨骼手套每指上安装两组电机驱动，电机驱动包括分别安装在大拇指掌骨的电机驱动I和近节指骨端的电机驱动II、食指掌骨端的电机驱动III和近节指骨端的电机驱动IV、中指掌骨端的电机驱动V和近节指骨端的电机驱动VI。
进一步地，所述运动感知单元包括安装在正常手柔性外骨骼手套的柔性角度传感器I、恢复手柔性外骨骼手套上的柔性角度传感器II，和安装在正常手臂上的肌电信号传感器I与恢复手臂上的肌电信号传感器II，用来收集正常手和恢复手的肌电信号和角度信号。
进一步地，恢复手柔性外骨骼手套每个手指套上安装四组鲍登线。
进一步地，其中一组鲍登线的一端连接恢复手柔性外骨骼手套的手心测的手指指尖端、另一端连接对应手指近节指骨端的电机驱动的电机控制柜，其中一组鲍登线的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套的手背侧的手指指尖端、另一端连接对应手指近节指骨端的电机驱动的电机控制柜，上述两组鲍登线连接用来控制手指的第二关节运动；其中一组鲍登线的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套的手心测的手指第二关节端、另一端连接在对应手指掌骨端的电机驱动的电机控制柜中；其中一组鲍登线的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套的手背侧的手指第二关节端、另一端连接在对应手指掌骨端的电机驱动的电机控制柜中，上述两组鲍登线连接用来控制掌指关节。
进一步地，鲍登线上套有固定线管。
进一步地，肌电信号传感器采用环状结构。
本发明双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人的使用方法，包括以下步骤：
①系统收集正常手的动作信息，通过健康的手戴上正常手柔性外骨骼手套后做出基本动作，并在对应手臂上套上肌电信号传感器I，柔性角度传感器I和肌电信号传感器I对动作结果进行测量、输出；
②正常手动作信息的训练与学习，控制系统通过肌电信号传感器I和柔性角度传感器I输出的信号进行分析、训练与学习；
③对恢复手的检测与识别，肌电信号传感器II对患者恢复手产生的肌电信号进行测量与输出，控制系统通过之前的学习结果判断患者的动作意图；
④恢复手端的运动，控制系统根据判断结果做出回应，通过驱动模块与鲍登线控制恢复手柔性外骨骼手套的第二关节与掌骨节进行运动；
⑤收集恢复手的反馈信息：柔性角度传感器II对患者做出的动作进行测量与输出，并与学习结果进行对比；
⑥系统优化，通过对患者恢复手动作的对比与再学习，优化训练模型。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明结合刚性外骨骼手指康复机器人和柔性康复机器人的优点，使患者穿戴舒服而且能很好的控制手指的多个关节，能控制6个自由度；
(2)本发明柔性外骨骼手套采用的是三指结构控制与驱动，不仅能够完成所需的功能，而且还能节省成本减少不必要的费用；
(3)本发明中采用驱动模块和柔性外骨骼手套一体化的结构，能更好方便携带，适合多种场景下的康复训练；
(4)本发明恢复训练模型从患者正常手的运动习惯中提取，而不是以医护工作者的主观判断建立，可以在最大程度上确保康复过程的安全可靠；
(5)本发明采用双手跟踪式康复设计，可以有效刺激患者大脑恢复并建立正常手与恢复手的对称联系，帮助患者更好的恢复手指功能；
(6)本发明利用直流电机正转、反转和停止三种状态来更有效地牵引所述鲍登线控制手指的张和曲。
附图说明
图1为本发明中的正常手柔性外骨骼手套示意图；
图2为本发明中的恢复手柔性外骨骼手套手心面的结构示意图；
图3为本发明中的恢复手柔性外骨骼手套手掌面的结构示意图；
图4为本发明中的肌电信号传感器结构示意图；
图5为本发明中的电机驱动的结构示意图。
图示说明：1-正常手柔性外骨骼手套，2为柔性角度传感器I，3为恢复手柔性外骨骼手套，4为柔性角度传感器II，5为鲍登线，6为固定线管，7为电机驱动I，8为电机驱动II，9为电机驱动III，10为电机驱动IV，11为电机驱动V，12为电机驱动VI，13为单片机，14为肌电信号传感器，15为直流电机，16为电机控制柜，17为蜗轮蜗杆。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、发明特征、技术效果等易于明白了解，下面将结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本实施例中，掌骨是指手掌与手指相接的骨端，近节指骨是指靠近手指的一节骨端，掌指关节是指手掌与手指相连处的关节，第二关节是指手指近节与中节相连处的关节。
一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，包括正常手柔性外骨骼手套1、恢复手柔性外骨骼手套3、控制系统、驱动模块、运动感知单元和多组鲍登线5。
其中，正常手柔性外骨骼手套1穿戴在健康手上，采集健康手手指运动时的关节角度、运动肌肉信号；恢复手柔性外骨骼手套3穿戴在需康复的手上，以采集到的正常手柔性外骨骼手套1手指、手臂的信号为跟踪源，驱动手指关节活动；正常手柔性外骨骼手套1与恢复手柔性外骨骼手套3均采用三指控制与驱动，具体为大拇指、食指和中指。
其中，运动感知单元分布在正常手和恢复手的外骨骼手套以及手套使用时对应的手臂上，由多组柔性角度传感器和肌电信号传感器14构成；所述运动感知单元包括安装在正常手柔性外骨骼手套1的柔性角度传感器I2、恢复手柔性外骨骼手套3上的柔性角度传感器II4，和安装在正常手臂上的肌电信号传感器I与恢复手臂上的肌电信号传感器II，用来收集正常手和恢复手的角度信号，以及手指运动时手臂上肌肉的肌电信号。通过健康的手戴上正常手柔性外骨骼手套1后做出基本动作，并在对应手臂上套上肌电信号传感器I，柔性角度传感器I和肌电信号传感器I对动作结果进行测量、输出；肌电信号传感器II和柔性角度传感器II对恢复手做出的动作进行测量与输出，可将其结果进行分析优化。
其中，运动感知单元输出端均与控制系统相连接，通过无线方式将其发送给控制系统；控制系统的输出端连接驱动模块。
其中，控制系统包括硬件组成部分和机器学习算法实现的软件组成部分，用来接收和处理数据以控制所述驱动模块。
其中，驱动模块包括单片机13和电机驱动，用来驱使所述鲍登线5来控制手指的运动；其中，驱动模块安装在恢复手柔性外骨骼手套3的手背处，将驱动模块置于手背一面，这样就可以便于携带和使用多个康复环境；电机驱动为六组，分别安装在恢复手柔性外骨骼手套3三指的靠近手指的掌骨端以及近节指骨端，即恢复手柔性外骨骼手套3每指上安装两组电机驱动，电机驱动包括分别安装在大拇指掌骨的电机驱动I7和近节指骨端的电机驱动II8、食指掌骨端的电机驱动III9和近节指骨端的电机驱动IV10、中指掌骨端的电机驱动V11和近节指骨端的电机驱动VI12。
其中电机驱动包括直流电机15、蜗轮蜗杆17以及电机控制柜16，电机控制柜16还包括与鲍登线5连接的多个接线口。
其中，鲍登线5用于将电机驱动与恢复手柔性外骨骼手套3的关节端或指尖端连接，通过正常手的跟踪信息来牵引恢复手的手指康复运动。
其中，恢复手柔性外骨骼手套3每个手指套上安装四组鲍登线5。
其中一组鲍登线5的一端连接恢复手柔性外骨骼手套3的手心测的手指指尖端、另一端连接对应手指近节指骨端的电机驱动的电机控制柜16；其中一组鲍登线5的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套3的手背侧的手指指尖端、另一端连接另一端连接对应手指近节指骨端的电机驱动的电机控制柜16，上述两组鲍登线5连接用来控制手指的第二关节运动。
其中一组鲍登线5的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套3的手心测的手指第二关节端、另一端连接在对应手指掌骨端的电机驱动的电机控制柜16中；其中一组鲍登线5的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套3的手背侧的手指第二关节端、另一端连接在对应手指掌骨端的电机驱动的电机控制柜16中，上述两组鲍登线5连接用来控制掌指关节。
其中，鲍登线5上套有固定线管6，用于固定鲍登线5，防止其左右移动。
其中，肌电信号传感器采用环状结构，便于使用时固定套在手臂上，同时可全面采集手指运动时手臂肌肉运动信号。
在具体实施中，运动感知单元、控制系统与驱动模块之间信号传输均通过无线传输方式，包括但不限于蓝牙传输、无线网络传输等。
患者首先通过正常手柔性外骨骼手套1上的柔性角度传感器I2和手臂上的肌电信号传感器I来收集肌电信号和角度信号，将收集的数据通过无线传输方式输入到控制系统中进行分析、训练与学习，然后通过肌电信号传感器II对患者恢复手产生的肌电信号进行测量与输出，控制系统通过之前的学习结果判断患者的动作意图，控制系统做出判断，将处理好的数据输出到患者恢复手上的单片机13中，进而控制直流电机15通过正转、反转和停止来控制手指的运动。直流电机有三种状态可以正转、反转和停止，可更好的牵引鲍登线5以控制手指的张和曲。
本发明采用的是三指结构，当患者的第二指关节弯曲时电机驱动II8、电机驱动IV10、电机驱动VI12开始工作，掌心中指尖的鲍登线5开始收，手背上指尖的鲍登线5开始出，当患者的第二指关节张开时，掌心中指尖的鲍登线5开始出，手背上指尖的鲍登线5开始收，这样就张开了；当患者的掌指关节弯曲时电机驱动I7、电机驱动III9和电机驱动V11开始工作，掌心中第二指关节的鲍登线5开始收，手背上第二指关节的鲍登线5开始出，当患者第二指关节张开时，掌心中第二指关节的鲍登线5开始出，手背上第二指关节的鲍登线5开始收，这样第二指关节就张开了；当患者整根手指需要动时，控制一根手指上的直流电机15同时开始工作。恢复手上的柔性角度传感器II4，用来收集训练中恢复手上的动作角度信号，将恢复手上的数据和正常手上的数据对比过后再学习，优化训练模型。采用三指就可以帮助患者完成一系列的生活技能了减轻用费和材料费用并且减轻重量；采用电机驱动这样的安装结构可以更好的控制患者的多个关节，对恢复有更好的效果。通过每个手指上的两组电机驱动与四组鲍登线5，带动手指近节、中节和远节的弯曲活动，实现每个关节两个自由度的活动，进而每个手指可实现六个自由度弯曲自由活动。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，包括正常手柔性外骨骼手套(1)、恢复手柔性外骨骼手套(3)、控制系统、驱动模块、运动感知单元和多组鲍登线(5)；
其中，所述运动感知单元输出端均与控制系统相连接，通过无线方式将其发送给所述控制系统；所述控制系统的输出端连接所述驱动模块；所述控制系统包括硬件组成部分和机器学习算法实现的软件组成部分；所述驱动模块包括单片机(13)和电机驱动，所述电机驱动包括直流电机(15)、蜗轮蜗杆(17)以及电机控制柜(16)；
其特征在于：所述正常手柔性外骨骼手套(1)与所述恢复手柔性外骨骼手套(3)均采用三指控制与驱动，具体为大拇指、食指和中指；
所述运动感知单元分布在正常手和恢复手的外骨骼手套以及手套使用时对应的手臂上，由多组柔性角度传感器和肌电信号传感器(14)构成；
所述单片机(13)和电机驱动均安装在所述恢复手柔性外骨骼手套(3)上的手背处；
所述电机驱动为六组，分别安装在所述恢复手柔性外骨骼手套(3)三指的靠近手指的掌骨端以及近节指骨端；
所述鲍登线(5)将所述电机驱动与所述恢复手柔性外骨骼手套(3)的关节端或指尖端连接。
2.根据权利要求1所述的一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，其特征在于：所述运动感知单元包括安装在正常手柔性外骨骼手套1的柔性角度传感器I(2)、恢复手柔性外骨骼手套(3)上的柔性角度传感器II(4)，和安装在正常手臂上的肌电信号传感器I与恢复手臂上的肌电信号传感器II。
3.根据权利要求2所述的一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，其特征在于：所述恢复手柔性外骨骼手套(3)每指上安装两组电机驱动，电机驱动包括分别安装在大拇指掌骨的电机驱动I(7)和近节指骨端的电机驱动II(8)、食指掌骨端的电机驱动III(9)和近节指骨端的电机驱动IV(10)、中指掌骨端的电机驱动V(11)和近节指骨端的电机驱动VI(12)。
4.根据权利要求3所述的一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，其特征在于：所述恢复手柔性外骨骼手套(3)每个手指套上安装四组所述鲍登线(5)。
5.根据权利要求4所述的一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，其特征在于：其中一组所述鲍登线(5)的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套(3)的手心测的手指指尖端、另一端连接对应手指近节指骨端的所述电机驱动的电机控制柜(16)，其中一组所述鲍登线(5)的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套(3)的手背侧的手指指尖端、另一端连接对应手指近节指骨端的所述电机驱动的电机控制柜(16)，上述两组鲍登线(5)连接用来控制手指的第二关节运动；其中一组所述鲍登线(5)的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套(3)的手心测的手指第二关节端、另一端连接在对应手指掌骨端的所述电机驱动的电机控制柜(16)中；其中一组所述鲍登线(5)的一端连接所述恢复手柔性外骨骼手套(3)的手背侧的手指第二关节端、另一端连接在对应手指掌骨端的所述电机驱动的电机控制柜(16)中，上述两组鲍登线(5)连接用来控制掌指关节。
6.根据权利要求1所述的一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，其特征在于：所述鲍登线(5)上套有固定线管(6)。
7.根据权利要求1所述的一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人，其特征在于：所述肌电信号传感器(14)采用环状结构。
8.一种基于权利要求1-5任意所述的一种双手跟踪式多自由度软体手指康复机器人的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①系统收集正常手的动作信息，通过健康的手戴上正常手柔性外骨骼手套(1)后做出基本动作，并在对应手臂上套上肌电信号传感器I，柔性角度传感器I和肌电信号传感器I对动作结果进行测量、输出；
②正常手动作信息的训练与学习，控制系统通过肌电信号传感器I和柔性角度传感器I(2)输出的信号进行分析、训练与学习；
③对恢复手的检测与识别，肌电信号传感器II对患者恢复手产生的肌电信号进行测量与输出，控制系统通过之前的学习结果判断患者的动作意图；
④恢复手端的运动，控制系统根据判断结果做出回应，通过驱动模块与鲍登线(5)控制恢复手柔性外骨骼手套(3)的第二关节与掌骨节进行运动；
⑤收集恢复手的反馈信息，柔性角度传感器II(4)对患者做出的动作进行测量与输出，并与学习结果进行对比；
⑥系统优化，通过对患者恢复手动作的对比与再学习，优化训练模型。
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