本發明涉及一種用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置，屬于醫療器械技術領域。

背景技術：

“腦卒中”(cerebralstroke)俗稱“中風”、“腦血管意外”(cerebralvascularaccident，cva)，是一種急性腦血管疾病。是由于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，是中國成年人殘疾的首要原因，嚴重者可引起死亡。通過調查各大醫院的“中風”患者就診記錄可以發現，即使患者能夠幸存，仍然有很大一部分留下殘疾，尤其是手部殘疾的后遺癥。手是人體構造復雜又非常靈活的一部分，日常生活中，手是人不可或缺的工具，一旦因為腦血管意外導致手部出現殘疾，將會喪失手部的運動和感覺技能，嚴重影響了患者的生活質量，更有甚者，患者將失去勞動能力和自理能力。這些病人都需要及時的和持久的恢復治療來重返健康，但對大多數病人而言，依靠少數的治療專家來獲得長期的康復訓練過程是不實際的。在機器人技術不斷創新與進步，其應用領域不斷擴展的今天，手指康復機器人應運而生，它的出現使得患者可以在醫生的指導下獨立進行手指恢復訓練，彌補了醫生數量不足、醫療水平層次不齊等問題。

手部和手指的康復系統相比于下肢更加少見，由于手部有各種多自由度運動的手勢，手部康復治療更加困難，而且與手部想接觸的輔助裝置必須非常精細。迄今為止，依托功能電刺激技術，出現許多手指功能的研究，手部康復設備，基于虛擬現實的中風康復，以及遠程治療技術。但是多數康復裝置對于手指施行的康復訓練動作有所限制，比如只有握和拍，尤其針對大拇指的運動，更是由于訓練機構的原因無法實現良好的訓練動作，大大影響了康復效果。普通人的大拇指有兩個關節來控制其動作，其中，掌指關節同時產生內屈外展和拇指對掌的動作，生活中很多靈巧的動作都需要拇指對掌動作的產生，然而現有的手指康復設備鮮有機構能輔助大拇指產生此動作。可以想象拇指對掌的動作軌跡類似與頂點位于手腕處的圓錐面，大拇指與圓錐中心軸所成的角度幾乎是恒定的，因此可以將掌指關節內收外展和彎曲伸直分別和圓錐形動作以及改變頂角動作相對應。從上面可以看出，裝置應輔助拇指腕掌關節實現“圓錐動作”。在通常的動作下，拇指的運動是需要彎曲伸直運動和對掌的運動協同完成的，如當前人們使用頻率最高的手機，人在使用時，拇指同時需要兩種動作配合。為了提高手損傷病人的生活質量，恢復手部以前的操作功能，亟需一種可以使病人實現一些諸如轉動門把手、持筷子，操作手機等動作的治療裝置。

技術實現要素：

發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置，該拇指康復訓練裝置既可以實現拇指的彎曲伸直運動又可以輔助拇指實現翻轉運動。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置，包括支撐底座以及固定在支撐底座上的驅動傳感機構i和驅動傳感機構ii，所述驅動傳感機構i和驅動傳感機構ii均依次由光電編碼器、直流力矩電機、聯軸器、磁流變液阻尼器以及力矩傳感器組成；其中，所述驅動傳感機構i的輸出端通過聯軸器i連接弧形導軌的一端，弧形導軌的另一端依次通過連接桿i、連接桿ii、連接桿iii固定在支撐板i上，弧形導軌、連接桿i、連接桿ii和連接桿iii依次轉動連接，連接桿iii通過軸承i固定在支撐板i上，支撐板i固定在支撐底座上；所述驅動傳感機構ii的輸出端通過聯軸器ii連接手機訓練機構的驅動軸，所述手指訓練機構包括訓練桿、位于訓練桿前端的前指套、可相對訓練桿滑動的后指套、驅動連接件以及驅動軸，驅動軸通過驅動連接件與訓練桿傳動連接，驅動連接件通過軸承ii固定在支撐底座上；訓練桿的前端部嵌入弧形導軌中沿著弧形導軌滑動。

其中，所述驅動軸一端與驅動傳感機構ii的輸出端通過聯軸器ii連接，驅動軸另一端與驅動連接件通過鉸鏈機構連接。

其中，所述鉸鏈機構包括軸承固定塊、第一軸承、第二軸承以及封蓋，所述軸承固定塊設置在封蓋內，所述軸承固定塊固定在所述驅動軸的一端，所述第一軸承設置在封蓋內，所述第二軸承設置在驅動連接件內，第一軸承和第二軸承的內圈固定在軸承固定塊上，所述封蓋與驅動連接件固定連接。

其中，所述后指套通過連接件與訓練桿連接，所述訓練桿中部設有導槽，在所述導槽內設有滾輪，連接件與滾輪固定連接，用于調節前后指套的相對位置，即通過移動滾輪在導槽中的位置來適應不同長度的拇指。

其中，所述前指套為環形指套，所述后指套為半封閉指套，在半封閉指套內設置有雙面魔術貼。

相比于現有技術，本發明技術方案的有益效果為：

在手部康復過程中，本發明用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置既輔助實現了拇指的彎曲和伸直，內收和外展等動作，又實現了拇指側向旋轉對掌等動作，通過提供科學的康復訓練動作，有助快速恢復患者手部以前的操作功能，從而提高了患者的恢復質量。

附圖說明

圖1為本發明用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置的結構示意圖；

圖2為本發明用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置的局部結構示意圖；

圖3為本發明用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置手指訓練機構的結構示意圖；

圖4為本發明用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置的硬件控制電路原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的技術方案做進一步說明，但是本發明要求保護的范圍并不局限于此。

如圖1～3所示，本發明用于偏癱患者的多自由度拇指康復訓練裝置，包括支撐底座23以及固定在支撐底座23上的驅動傳感機構i和驅動傳感機構ii，驅動傳感機構i和驅動傳感機構ii相互垂直排布，驅動傳感機構i和驅動傳感機構ii均依次由同軸設置的光電編碼器18、直流力矩電機19、聯軸器20、磁流變液阻尼器21以及力矩傳感器22組成；其中，直流力矩電機19一端與光電編碼器18連接，直流力矩電機19另一端通過聯軸器20與磁流變阻尼器21旋轉軸連接，磁流變阻尼器21旋轉軸另一端與力矩傳感器22固定連接，力矩傳感器22另一端通過聯軸器i10或聯軸器ii5與弧形導軌11的一端或手機訓練機構的驅動軸6連接；驅動傳感機構i的輸出端通過聯軸器i10連接弧形導軌11的一端，弧形導軌11的另一端依次通過連接桿i12、連接桿ii13、連接桿iii16固定在支撐板i15上，弧形導軌11、連接桿i12、連接桿ii13和連接桿iii16依次轉動連接，連接桿iii16通過軸承i14固定在支撐板i15上，支撐板i15固定在支撐底座23上；驅動傳感機構ii的輸出端通過聯軸器ii5連接手機訓練機構的驅動軸6，手指訓練機構包括訓練桿4、位于訓練桿4前端的前指套2、可相對訓練桿4滑動的后指套1、驅動連接件7以及驅動軸6，驅動軸6通過驅動連接件7與訓練桿4傳動連接，驅動連接件7通過軸承ii8固定在支撐底座23上，后指套1通過后指套連接件3與訓練桿4連接，訓練桿4中部設有導槽，在導槽內設有滾輪，后指套連接件3與滾輪固定連接，通過移動滾輪在導槽中的位置來適應不同長度的拇指，達到調節前后指套的相對位置；前指套2為環形指套，后指套1為半封閉指套，在半封閉指套內設置有雙面魔術貼；訓練桿4的前端部嵌入弧形導軌11中沿著弧形導軌11滑動，同時隨著弧形導軌11一起轉動。

驅動軸6一端與驅動傳感機構ii的輸出端通過聯軸器ii5連接，驅動軸6另一端與驅動連接件7通過鉸鏈機構連接；鉸鏈機構包括軸承固定塊、第一軸承、第二軸承以及封蓋，軸承固定塊設置在封蓋內，軸承固定塊固定在驅動軸6的一端，第一軸承設置在封蓋內，第二軸承設置在驅動連接件7內，第一軸承和第二軸承的內圈固定在軸承固定塊上，封蓋與驅動連接件7固定連接。

本發明拇指康復訓練裝置固定在支撐底座23上，驅動傳感機構i和驅動傳感機構ii分別通過多個支撐板固定在支撐底座23上，兩組支撐板組分別作為驅動傳感機構i(用于提供拇指側向翻轉對掌動作)和驅動傳感機構ii(用于提供拇指彎曲伸直動作)的支撐部分，每組驅動傳感機構都由光電編碼器18、直流力矩電機19、磁流變液阻尼器21和力矩傳感器22組成，光電編碼器18和力矩傳感器22用于采集患者使用康復裝置時手指的位置信息和患者手指所能提供的力量信息，磁流變液阻尼器21和直流力矩電機19分別為康復設備主動和被動模式的驅動設備。

由于人的拇指相較于其他手指在構造上有所不同，相應的運動靈活度也更高，因此對于患者的拇指康復訓練機構，需要設計多自由度滿足需要。本發明拇指康復訓練裝置輔助拇指實現彎曲伸直動作和翻轉對掌動作。使用本發明拇指康復訓練裝置時，拇指前端通過前指套2，后半部分通過半封閉的后指套1，并使用雙面魔術貼進行固定，前指套2直接固定在訓練桿4上半部，后指套1和后指套連接件3進行銷連接，后指套1可通過滾輪在訓練桿4上前后移動，從而通過調節滑輪在導槽中的位置來適應不同長度的拇指；訓練桿4的底端與驅動連接件7相連接，驅動連接件7另一端通過鉸鏈機構和驅動軸6相連接，驅動傳感機構ii提供驅動力或反饋力通過驅動軸6輔助拇指沿著弧形導軌11進行運動，實現拇指的彎曲伸直動作，另一方面，弧形導軌11本身通過聯軸器i10與驅動傳感機構i的輸出軸連接，驅動傳感機構i能夠使弧形導軌11以聯軸器i10所在直線為軸進行四分之一圓周轉動，從而實現拇指的翻轉對掌動作。

本發明拇指康復訓練裝置由基于lpc1700芯片的硬件電路驅動控制，硬件電路包含主控制器模塊，傳感器數據采集模塊，驅動控制模塊，通信接口模塊和電源管理模塊，主控制器模塊包含主控芯片lpc1700以及針對于該芯片的最小系統電路，傳感器數據采集模塊包括薄膜壓力傳感器，力矩傳感器，驅動控制模塊包括主動驅動設備直流力矩電機和被動驅動設備磁流變液阻尼器，通信接口模塊使用usb2.0和上位機進行通信，電源管理模塊負責產生驅動各個模塊工作的相應電源，包含5v，3.3v，12v的直流電源。

采集電路負責對編碼器和力矩、壓力傳感器的數據采集，目的是對患者在使用的過程中手部信息的獲取，是醫生進行康復評估的依據，同時，準確地獲取患者手指可以運動的位移等信息，也有利于在康復機器人主動模式下，電機帶動手指運動范圍的確定，更有針對性地帶動患者的手指進行動作。驅動電路實現對電機、阻尼器等驅動裝置的控制，用于在主動和被動訓練模式下，裝置能夠手指提供一定的驅動力和反饋力，在主動模式下，電機帶動手指輔助機構，使手指在電機的帶動下完成訓練動作。手指的運動速度，運動的位移，運動的方向都可以調節。被動模式下，要對患者的手指提供一定的反饋力，通過設定流過阻尼器線圈的電流，可以有效調節阻尼器的輸出。

傳感器數據采集模塊，包含光電編碼器信號分析電路，力矩傳感器數據處理電路，壓力傳感器數據處理電路。光電編碼器的處理電路主要對光電編碼器傳來的脈沖信號進行波形處理和解碼分離，得到的脈沖信號輸入到主控制器，通過分析和計數獲得軸轉動的角度和方向。力矩傳感器數據處理電路主要是對傳感器傳來的電信號進行放大和濾波處理，將處理后的信號傳送給微處理器的ad轉換通道，進而得到力矩信息。壓力傳感器數據處理電路主要是將壓力傳感器在有效面積內壓力變化造成的電阻的改變值轉換為電壓的改變值，之后通過二階電路濾波，將信號傳送給微處理器得到壓力信號。

電機在某時刻所轉到的位置以及電機當前的轉速和轉向是電機運動狀態的重要指標，需要精確準地對這三個指標的信息進行獲取，才能有效地對電機進行控制，對電機運動狀態的獲取依賴于光電編碼器，而對電機的控制是使用了自身集成h橋電路的mc33186芯片，通過pwm波，能夠方便地對電機的轉向和轉速進行精準的控制。

磁流變液阻尼器用于在患者自主動作時產生大小可調的阻力，在控制電路中，首先通過da轉換芯片將主控制器傳來的數字信號轉換為模擬電壓信號，再通過電流取樣電路，將相應的模擬電壓轉換為電流信號，最后通過低壓線性穩壓芯片對磁流變液阻尼器的電壓進行穩壓，并且通過并聯穩壓器增大輸入到阻尼器中的電流。

本發明拇指康復訓練機構可實現主被動集合的拇指康復訓練模式。

1、被動訓練模式的實現

對于處于康復治療早期的偏癱患者，手指活動范圍、力量小，手指相對脆弱，容易受到二次損傷，此時，患者在醫生的幫助下使用本發明拇指康復訓練裝置進行被動訓練。首先將患者拇指固定在前后指套當中，通過光電編碼器18采集患者手指可以活動的位置信息，進行記錄，之后設定直流力矩電機19在患者手指可以活動的范圍內帶動手機訓練機構進行轉動，從而帶動患者的手指進行運動周期往復運動實現康復治療，在此被動模式下，通過磁流變液阻尼器21進行“剎車”操作，大大改善了直流力矩電機19驅動手指訓練機構進行運動時的穩定性，提高了裝置的安全性。

在偏癱患者進行被動訓練時，醫生或者家人首先幫助患者手指完成一個周期的屈曲與伸展運動，在這個過程中，傳感裝置記錄患者手指所能運動的最大范圍并記錄在下位機中；隨后，控制器采用適合的控制策略來控制驅動裝置帶動患者手指在這個范圍內做平穩的屈曲與伸展運動。

2、主動訓練模式的實現

對于手指損傷不嚴重，手指有一定活動能力的患者，可以使用本發明拇指康復訓練裝置輔助患者在主動模式下進行治療，首先將患者的拇指固定在前后指套上，使用光電編碼器18采集患者手指可以運動的范圍，并使用力矩傳感器22采集患者手指的力量信息進行記錄，之后由磁流變液阻尼器21提供相應的阻力，患者主動活動手指，并通過和所記錄的手指力量信息相對比，避免因阻力過大對拇指造成二次損傷，另外，由于患者拇指處于不同位置時所能承受的力不同，可以通過直流力矩電機19輔助手指訓練機構進行運動，在混合驅動模式下，提高康復治療的效果。

在偏癱患者進行主動訓練時，傳感器用于測量患者手指的速度與受力情況，控制器控制電機與磁流變阻尼器輸出相應的反饋力，反饋力作用到患者手指上形成一個閉環的控制，提供的力包括助力或者阻力，使得不同康復時期患者的拇指都可以得到有效的主動訓練。

本發明裝置采用主被動相結合的康復治療模式，使得患者拇指的恢復治療更加科學和有效。

本發明康復訓練裝置采用外骨骼與平臺支撐相結合的方式，拇指運動機構采用外骨骼結構，且由支撐平臺來支撐，不但發揮了外骨骼結構對手指精確控制的優點，還克服了單純外骨骼結構需要手部進行支撐、給手指帶來壓迫與約束等缺點，使得手指不但能夠進行充分的屈曲與伸展，而且在運動過程中沒有負重和過多的約束；將外骨骼式機構與平臺支撐進行結合時可以更加方便有效地利用驅動傳感裝置，較之于純外骨骼的康復機構，可以更好地利用電機，阻尼器等外部驅動設備。為了實現主被動相結合的訓練模式，采用直流電機和磁流變液阻尼器混合驅動結合，在患者手指損傷嚴重無法自主運動時，采用被動訓練方式，此時直流電機提供驅動力，磁流變液阻尼器可以輔助電機進行剎車，且在檢測到手指超過安全運動范圍時可以快速提供阻尼力鎖住電機，防止手指受到二次傷害；當患者手指需要自主運動恢復手指功能時進行主動訓練，此時由磁流變液阻尼器提供一定的力反饋，電機在手指力量較小時，提供一定的輔助力幫助手指實現相應的動作，電機和磁流變液阻尼器組成的混合驅動裝置可以相互配合，同時電機的運動速度和阻尼器所提供的力反饋可以根據患者不同時期的手指康復情況進行調節，更加有效地幫助患者手指進行恢復，電機和磁流變液阻尼器相結合的混合驅動方式使得康復訓練裝置更加穩定、安全和有效；拇指康復訓練裝置選用鋁合金材料，在保證康復裝置安全性，穩定性的同時，使得裝置更加輕盈，各個部件之間的阻力相對較小，使得患者在使用裝置的過程中，更少地受到由于裝置本身重量所帶來的阻力的影響，更加精確地控制患者在使用康復訓練裝置時的阻尼器和電機；本發明拇指康復訓練裝置具有完善的患者康復信息傳感系統，在患者使用康復裝置的過程中能夠及時有效地采集患者拇指的位置信息和力量信息，在提高裝置安全性穩定性的同時也使得醫務人員準確地了解患者的康復狀況。

本發明拇指康復裝置能夠準確采集拇指康復信息，控制拇指的訓練動作，從而幫助患者在手指康復訓練中得到正確有效的訓練，進而有助于患者拇指的快速康復。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。