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CN106074089A - 一种双手跟踪式手指康复机器人系统 - Google Patents

一种双手跟踪式手指康复机器人系统 Download PDF

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CN106074089A CN201610553123.7A CN201610553123A CN106074089A CN 106074089 A CN106074089 A CN 106074089A CN 201610553123 A CN201610553123 A CN 201610553123A CN 106074089 A CN106074089 A CN 106074089A
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Abstract

本发明公开了一种双手跟踪式手指康复机器人系统，包括正常手端的三指结构和恢复手端的三指结构，康复过程实现单元包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动；系统首先通过EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ对正常手动作结果进行测量，并输出给微控制系统进行分析、训练与学习，微控制系统根据判断结果控制恢复手端进行对称运动。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，加快相关功能的恢复；且采用三指结构，重量轻、便于携带，适用于家庭康复。

Description

一种双手跟踪式手指康复机器人系统
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，尤其是一种双手跟踪式手指康复机器人系统，特别适用于脑中风引起的偏瘫病人的手部康复训练。
背景技术
脑卒中是一种急性脑血管疾病。随着我国逐渐进入老龄化社会，脑卒中的发病率逐年上升。偏瘫是脑卒中的常见后遗症，患者症状主要表现为一侧上下肢、面部和舌肌下部的运动障碍。
偏瘫病人的上肢恢复多从肩部开始，至上臂、前臂，最后是手部。截至目前上肢康复装置中的研究大多是面向上臂和前臂的，手部作为恢复的最后阶段，直接影响患者康复的效果。现有的手部康复系统的设计以五指结构设计为主，而现实生活中，拇指、食指和中指这三指运动时往往连带其他两个手指运动，且依靠这三指几乎能够完成一只手的绝大部分日常动作。另外，手指康复存在运动精度高以及因人而异的运动模糊性问题，因而仅仅依靠单端的手指康复装置难以柔顺控制手指康复装置对手指进行康复训练，康复效果也受到限制。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种双手跟踪式手指康复机器人系统，采用三指结构设计，通过患者自身正常一侧手指活动来引导病变侧手指活动，逐步达到康复的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于：所述的双手跟踪式手指康复机器人系统由正常手的三指结构、恢复手的三指结构和微控制系统组成。
所述的双手跟踪式手指康复机器人系统包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；所述的运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；所述的动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动。
所述的运动感知单元包括EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅱ、手掌部分、手指MCP关节、手指PIP关节、手指DIP关节、手指MCP关节的固定槽、手指PIP关节的固定槽、手指DIP关节的固定槽；
所述的训练学习单元包括微控制系统的硬件组成部分和机器学习算法实现的软件部分，其中微控制系统的硬件组成部分包括微控制器和电机驱动器；
所述的动作执行与监测单元包括EMG传感器Ⅱ、三维角度传感器Ⅲ、三维角度传感器Ⅳ、电机驱动器、电机、手掌部分、手指MCP关节、转动轮、手指PIP关节、手指DIP关节；
电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ分别安装在手掌部分；电机Ⅳ和电机Ⅴ分别安装在手指PIP关节；所述的手指MCP关节通过连接铰链固定在手掌部位；所述的手指PIP关节通过铰链与手指的MCP关节的可调节滑槽相连接；所述的手指DIP关节通过转动轴与手指PIP关节相连接；转动轮C、转动轮Ⅰ和转动轮Ⅱ分别通过螺纹连接分别固定在电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ上；转动轮Ⅲ、转动轮Ⅶ和转动轮B通过转动轴固定在手掌部位；转动轮Ⅳ和转动轮Ⅴ通过转动轴固定在拇指MCP关节处；转动轮Ⅵ通过转动轴与拇指的DIP关节相连接；转动轮Ⅷ通过转动轴与食指的MCP关节相连；转动轮Ⅸ和齿轮Ⅱ通过螺纹连接固定在电机Ⅳ；齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ相互啮合固定食指PIP关节；转动轮Ⅹ通过转动轴与食指的DIP关节相连接；转动轮A通过转动轴无名指的MCP关节相连；转动轮Ⅺ和齿轮Ⅳ通过螺纹连接固定在电机Ⅴ；齿轮Ⅲ与齿轮Ⅳ相互啮合固定无名指的PIP关节；转动轮Ⅻ通过转动轴与无名指的DIP关节相连接；
所述的EMG传感器置于手臂来采集肌电信号；所述的三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息，三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息。
所述的手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节上分别设有MCP关节的固定槽、PIP关节的固定槽和DIP关节的固定槽；固定槽将患者手指和双手跟踪式手指康复装置进行连接。
一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于，其使用方法包括以下步骤：
a)系统感知患者正常手的动作：
患者正常手做出基本动作，EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ对动作结果进行测量、输出；
b)样本的训练与学习：
微控制系统通过EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ输出的信号进行分析、训练与学习；
c)对恢复手的检测与识别：
EMG传感器Ⅱ对患者恢复手产生的肌电信号进行测量与输出，微控制系统通过之前的学习结果判断患者的动作意图；
d)恢复手端的运动：
微控制系统根据判断结果控制恢复手端进行对称运动；
e)患者运动信息的反馈：
三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ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；
f)恢复训练的优化：
通过对患者恢复手动作的对比与再学习，优化康复训练模型，进而达到更好的恢复效果。
所述的康复训练模型从患者正常手的运动习惯中提取，而不通过医护工作者的主观判断建立。
本发明的优势在于：1、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；2、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，加快相关功能的恢复；3、在保证手能完成绝大部分日常动作的前提下，采用三指机构设计，有效减轻了康复系统重量，便于携带；4、康复过程同时也是模型的优化过程，不断地训练使康复运动更加准确与高效。
附图说明
图1为本发明所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的整体结构框图。
图2为本发明所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的恢复手左侧结构示意图。
图3为本发明所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的恢复手右侧结构示意图。
图4为本发明所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的正常手左侧结构示意图。
图5为本发明所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的正常手右侧结构示意图。
图6位本发明所涉一种双手跟踪式手指康复机器人系统的控制流程图。
在图中，1为电机Ⅰ，2为电机Ⅱ，3为转动轮Ⅰ，4为手掌部分，5为电机Ⅲ，6为转动轮Ⅱ，7为转动轮Ⅲ，8为转动轮Ⅳ，9为转动轮Ⅴ，10为拇指MCP关节，11为转动轮Ⅵ，12拇指DIP关节，13为转动轮Ⅶ，14为转动轮Ⅷ，15食指MCP关节，16为食指MCP关节的固定槽，17为齿轮Ⅰ，18为转动轮Ⅸ，19为齿轮Ⅱ，20为食指PIP关节，21为转动轮Ⅹ，22为食指DIP关节，23为齿轮Ⅲ，24 为转动轮Ⅺ，25为齿轮Ⅳ，26为转动轮Ⅻ，27为食指MCP关节的调节槽，28为电机Ⅳ，29为食指DIP关节的固定槽，30为无名指DIP关节，31为无名指DIP关节的固定槽，32为无名指PIP关节，33为电机Ⅴ，34为无名指MCP关节，35为无名指MCP关节的固定槽，36为无名指MCP关节的调节槽，37为转动轮A，38为转动轮B，39为手掌部分固定槽，40为转动轮C。
具体实施方式
如图所示，一种双手跟踪式手指康复机器人系统，包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；所述的运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；所述的动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动。
一种双手跟踪式手指康复机器人系统各手指结构类似，故这里以食指为例进行描述，其他手指类似：
所述的运动感知单元包括EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅱ、手掌部分（4）、拇指MCP关节（10）、食指MCP关节（15）、无名指MCP关节（34）、食指PIP关节（20）、无名指PIP关节（32）、拇指DIP关节（12）、食指DIP关节（22）、无名指DIP关节（30）；所述的训练学习单元包括微控制系统的硬件组成部分以及机器学习算法实现的软件部分；所述的动作执行单元包括EMG传感器Ⅱ、三维角度传感器Ⅲ、三维角度传感器Ⅳ、电机驱动器、电机Ⅰ（1）、电机Ⅱ（2）、电机Ⅲ（5）、电机Ⅳ（28）、电机Ⅴ（33）。
所述的食指MCP关节的控制单元包括电机Ⅱ（2）、转动轮Ⅰ（3）、转动轮Ⅶ（13）、转动轮Ⅷ（14）、手指MCP关节（15）。
所述的食指PIP关节及食指DIP关节的控制单元包括电机Ⅳ（28）、齿轮Ⅰ（17）、齿轮Ⅱ（19）、转动轮Ⅲ（18）、转动轮Ⅹ（21）、食指PIP关节（20）、食指DIP关节（22）。
所述的双手跟踪式手指康复装置的电机Ⅰ（1）、电机Ⅱ（2）和电机Ⅲ（5）分别安装在手掌部分（4）；电机Ⅳ（28）和电机Ⅴ（33）分别安装在食指PIP关节（20）、无名指PIP关节（32）；拇指MCP关节（10）、食指MCP关节（15）、无名指MCP关节（34）分别通过连接铰链固定在手掌部分（4）；拇指DIP关节（12）、食指PIP关节（20）、无名指PIP关节（32）分别通过铰链与拇指MCP关节（10）、食指MCP关节（15）、无名指MCP关节（34）的可调节滑槽相连接；食指DIP关节（22）、无名指DIP关节（30）分别通过转动轴与食指PIP关节（20）、无名指PIP关节（32）相连接；转动轮（40）、转动轮Ⅰ（3）和转动轮Ⅱ（6）分别通过螺纹连接分别固定在电机Ⅰ（1）、电机Ⅱ（2）和电机Ⅲ（5）上；转动轮Ⅲ（7）、转动轮Ⅶ（13）和转动轮B（38）通过转动轴固定在手掌部分（4）；转动轮Ⅳ（8）和转动轮Ⅴ（9）通过转动轴固定在拇指MCP关节（10）处；转动轮Ⅵ（11）通过转动轴与拇指的DIP关节（12）相连接；转动轮Ⅷ（14）通过转动轴与食指的MCP关节（15）相连；转动轮Ⅸ（18）和齿轮Ⅱ（19）通过螺纹连接固定在电机Ⅳ（28）；齿轮Ⅰ（17）与齿轮Ⅱ（19）相互啮合固定食指PIP关节（20）；转动轮Ⅹ（21）通过转动轴与食指的DIP关节（22）相连接；转动轮A（37）通过转动轴与无名指的MCP关节（34）相连；转动轮Ⅺ（24）和齿轮Ⅳ（25）通过螺纹连接固定在电机Ⅴ（33）；齿轮Ⅲ（23）与齿轮Ⅳ（25）相互啮合固定无名指的PIP关节（30）；转动轮Ⅻ（26）通过转动轴与无名指的DIP关节（30）相连接。
所述的EMG传感器置于手臂来采集肌电信号；所述的三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ分别置于食指MCP关节（15）和食指PIP关节（20）来采集角度信息，三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ分别置于食指MCP关节（15）和食指PIP关节（20）来采集角度信息。
一种双手跟踪式手指康复机器人系统，使用时，具体如下：
a)训练信号的获取：
双手跟踪式手指康复机器人中的正常手的食指机构通过食指MCP关节固定槽、食指PIP关节固定槽及食指DIP固定槽，固定在辅助患者训练的正常手指上。康复手指机构通过食指MCP关节固定槽（16）、食指PIP关节固定槽及食指DIP固定槽（29）固定在患者的手指上。当辅助患者训练的正常手指做出动作时，三维角度传感器和EMG传感器把检测到的信号传送到微控制器中，微控制器进行信号处理后通过驱动电机控制手指的动作，让患者进行康复训练。
b)食指MCP关节的动作：
电机Ⅱ(2)转动带动转动轮Ⅰ（3）转动，转动轮Ⅰ（3）通过同步带带动转动轮Ⅶ（13）和转动轮Ⅷ（14）的转动，转动轮Ⅷ（14）的转动带动食指的MCP关节（15）做出相应动作。
c)食指PIP关节的动作：
电机Ⅳ（28）转动带动齿轮Ⅱ（19）的转动，齿轮Ⅱ（19）和齿轮Ⅰ（17）之间通过齿轮传动，齿轮Ⅰ（17）的转动带动食指的PIP关节（20）做出相应动作。
d)食指DIP关节的动作：
电机Ⅳ（28）带动食指PIP关节（20）做出动作的同时带动转动轮Ⅲ（18）的转动，转动轮Ⅸ（18）通过同步带带动转动轮Ⅹ（21）的转动，转动轮Ⅹ（21）的转动带动食指DIP关节（22）做出相应动作。
一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于，其使用方法包括以下步骤：
a)系统感知患者正常手的动作
患者正常手做出基本动作，EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ对动作结果进行测量、输出；
b)样本的训练与学习
微控制系统通过EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ输出的信号进行分析、训练与学习；
c)对恢复手的检测与识别
EMG传感器Ⅱ对患者恢复手产生的肌电信号进行测量与输出，微控制系统通过之前的学习结果判断患者的动作意图；
d)恢复手端的运动
微控制系统根据判断结果控制恢复手端进行对称运动；
e)患者运动信息的反馈
三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ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；
f)恢复训练的优化
通过对患者恢复手动作的对比与再学习，优化康复训练模型，进而达到更好的恢复效果，康复训练模型从患者正常手的运动习惯中提取，而不通过医护工作者的主观判断建立。

Claims (3)

1.一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于：所述的双手跟踪式手指康复机器人系统由正常手的三指结构、恢复手的三指结构和微控制系统组成；
所述的双手跟踪式手指康复机器人系统包括运动感知单元、训练学习单元和动作执行与监测单元；所述的运动感知单元分别分布在正常手和恢复手，其输出端均与训练学习单元输入端连接；所述的动作执行与监测单元的输入端与恢复手的运动感知单元输出端连接，通过正常手的动作习惯牵引患者手指进行运动；
所述的运动感知单元包括EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅱ、手掌部分、手指MCP关节、手指PIP关节、手指DIP关节、手指MCP关节的固定槽、手指PIP关节的固定槽、手指DIP关节的固定槽；
所述的训练学习单元包括微控制系统的硬件组成部分和机器学习算法实现的软件部分，其中微控制系统的硬件组成部分包括微控制器和电机驱动器；
所述的动作执行与监测单元包括EMG传感器Ⅱ、三维角度传感器Ⅲ、三维角度传感器Ⅳ、电机驱动器、电机、手掌部分、手指MCP关节、转动轮、手指PIP关节、手指DIP关节；
电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ分别安装在手掌部分；电机Ⅳ和电机Ⅴ分别安装在手指PIP关节；所述的手指MCP关节通过连接铰链固定在手掌部位；所述的手指PIP关节通过铰链与手指的MCP关节的可调节滑槽相连接；所述的手指DIP关节通过转动轴与手指PIP关节相连接；转动轮C、转动轮Ⅰ和转动轮Ⅱ分别通过螺纹连接分别固定在电机Ⅰ、电机Ⅱ和电机Ⅲ上；转动轮Ⅲ、转动轮Ⅶ和转动轮B通过转动轴固定在手掌部位；转动轮Ⅳ和转动轮Ⅴ通过转动轴固定在拇指MCP关节处；转动轮Ⅵ通过转动轴与拇指的DIP关节相连接；转动轮Ⅷ通过转动轴与食指的MCP关节相连；转动轮Ⅸ和齿轮Ⅱ通过螺纹连接固定在电机Ⅳ；齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ相互啮合固定食指PIP关节；转动轮Ⅹ通过转动轴与食指的DIP关节相连接；转动轮A通过转动轴无名指的MCP关节相连；转动轮Ⅺ和齿轮Ⅳ通过螺纹连接固定在电机Ⅴ；齿轮Ⅲ与齿轮Ⅳ相互啮合固定无名指的PIP关节；转动轮Ⅻ通过转动轴与无名指的DIP关节相连接；
所述的EMG传感器置于手臂来采集肌电信号；所述的三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息，三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ分别置于各手指MCP关节和各手指PIP关节来采集角度信息；
所述的手指MCP关节、手指PIP关节和手指DIP关节上分别设有MCP关节的固定槽、PIP关节的固定槽和DIP关节的固定槽；固定槽将患者手指和双手跟踪式手指康复装置进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于，其使用方法包括以下步骤：
（1）系统感知患者正常手的动作：
患者正常手做出基本动作，EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ对动作结果进行测量、输出；
（2）样本的训练与学习：
微控制系统通过EMG传感器Ⅰ、三维角度传感器Ⅰ和三维角度传感器Ⅱ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：
EMG传感器Ⅱ对患者恢复手产生的肌电信号进行测量与输出，微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：
微控制系统根据判断结果控制恢复手端进行对称运动；
（5）患者运动信息的反馈：
三维角度传感器Ⅲ和三维角度传感器Ⅳ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）恢复训练的优化：
通过对患者恢复手动作的对比与再学习，优化康复训练模型，进而达到更好的恢复效果。
3.根据权利要求2所述的一种双手跟踪式手指康复机器人系统，其特征在于，所述的康复训练模型从患者正常手的运动习惯中提取。
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