一種手指間協調性訓練康復裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種平臺式的手指間協調性訓練康復裝置，包含多個手指訓練結構，通過閉環控制系統控制電機和磁流變液阻尼器進行混合驅動；利用機器人自學習神經網絡和存儲數據庫幫助患者完成被動訓練；利用上位機內的虛擬場景和虛擬現實技術幫助患者完成主動訓練。使用本發明裝置時，患者的運動負擔小，且可以多個手指協調運動，根據患者傷情，選擇進行主/被動訓練，更加有針對性；結合趣味游戲，誘導患者積極主動參與康復訓練。
【專利說明】一種手指間協調性訓練康復裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種訓練康復裝置，特別是一種手指訓練康復裝置。
【背景技術】
[0002]手是人們探索和開發世界的重要工具，手功能的削弱和失效不但使患者不能參與社會勞動，甚至失去自理能力，給社會和家庭造成極大的負擔。研究表明，持續的一定強度重復性訓練能夠恢復手的功能，而手功能和技巧的恢復又能很大程度上促進大腦的再學習能力，否則，容易造成手的永久性殘疾。
[0003]在傳統的康復治療中，治療師手把手地對患者進行一對一的康復訓練，這種方式的訓練效率和訓練強度難以保證，訓練效果受到治療師水平的影響，而且缺乏評價訓練參數和康復效果關系的客觀數據，難以對訓練參數進行優化以獲得最佳治療方案。
[0004]為了減輕家庭和社會的經濟負擔，提高康復訓練效率，研究者們將機器人技術應用于康復領域，既可提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫療人員的負擔和衛生保健的成本。另外，機器人可以記錄詳實的治療數據及圖形，能提供客觀、準確的治療和評價參數，有助于機器人輔助治療偏癱研究的深入開展，具有改善康復效果和提高康復效率的潛力。隨著力觸覺交互技術的進步，針對肢體關節康復訓練的力覺交互設備得到了極大的發展，特別是用于下肢和上肢的康復訓練交互設備已逐漸步入商品化階段。但用于手指康復訓練的力覺交互設備發展較慢，主要是由于手指與肢體其它關節部位不同，具有較多的自由度并且活動空間很小，使得手指康復設備的開發難度很大。[0005]目前的手指康復裝置主要由數據手套外骨骼形式及平臺支撐式兩種。
[0006]數據手套外骨骼裝置，使用數據手套實現手姿態測量，使用外骨骼結構來實現力反饋，存在機械結構笨重，不容易穿戴，處在手指康復階段的病人穿戴外骨骼結構容易造成二次損傷，加重了病人手部康復訓練的負擔；而且，外骨骼式結構的力反饋驅動執行器主要由電機、氣動、液壓等主動型驅動設備，存在結構復雜、體積龐大、機構摩擦力大等缺點，并且其穩定性、安全性等方面存在問題；外骨骼式結構的康復裝置控制方式主要采用被動控制，訓練模式單一，不能根據患者的康復狀況進行適當的調節，不利于患者主觀能動性的發揮；數據手套多采用CyberGrasp進口設備，價格昂貴，不便于康復醫療實用。
[0007]現存的平臺支撐式康復裝置，可以將驅動器及傳感控制裝置安裝在一個平臺上，只需要將偏癱病人手指與力交互裝置連接，可以減少手部的壓迫感。但是現存的平臺支撐式康復裝置都為單指訓練，不能實現多手指協調運動訓練，使手指康復效果大打折扣。因此，能夠實現手指間協調性訓練，使用主被動混合驅動器，減少手指壓迫束縛的平臺支撐式康復裝置有很大應用前景。
[0008]磁流變液是一種新型的液體智能材料，在磁場作用下其流變學特性中的表觀粘度發生劇烈變化，由原來的牛頓流體狀態轉變為類似固體狀態，這種狀態的變化具有快速、可逆和連續的特點，該特性為被動力覺再現裝置的設計提供了新思路。磁流變液阻尼器結構示意如圖1所示，從圖中可以看出，主要包括轉子3、殼體2、線圈4、絕磁環5和軸1等，轉子通過軸固定于殼體內，與殼體內壁之間有一定的軸向間距，軸與殼體之間需要用密封圈密封，使殼體與絕磁環圍成一個封閉的空間，空間內充滿磁流變液液體7，轉子通過軸能夠在密封空間內轉動，殼體、轉子、線圈以及液體組成一個閉合的磁路6。
[0009]磁流變液在沒有施加磁場的情況下，表現為牛頓流體的特性，轉子通過軸能夠在密封空間內自由轉動。當給線圈施加電流時，其產生的磁場沿殼體通過一側工作間隙中的磁流變液、轉子、另一側工作間隙中的磁流變液體回殼體形成回路，磁力線垂直通過工作間隙中的磁流變液，轉子和殼體都是由磁導率很高的材料制成，而磁流變液是由導磁率極低的材料制成，所以大部分磁壓降到了磁流變液體上，在磁場的作用下，磁流變液的流變學特性發生了劇烈的變化，粘度在幾毫秒時間內就迅速增大，屈服應力增大，轉子相對殼體運動剪切磁流變液產生的力將傳遞到軸上，隨著電流強度的增大，磁流變液的粘度也不斷增大，屈服應力在磁流變液磁飽和前與電流呈現一定關系，這樣可以通過控制電流強度的大小精確控制轉子力矩的大小。

【發明內容】

[0010]要解決的技術問題:針對現有技術的不足，本發明提出一種手指尖協調性訓練康復裝置，一方面可以解決現有技術中數據手套外骨骼裝置不易穿戴加重病人手部負擔、體積龐大穩定安全性差、訓練模式單一、價格昂貴的技術問題；另一方面可以解決現有的平臺支撐式康復裝置無法實現多指協調訓練的技術問題。
[0011]技術方案:為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
[0012]一種手指間協調性訓練康復裝置，包括支架底座平臺、手指訓練機構和控制系統；所述手指訓練機構按照人手指分為拇指組、食指組、中指組、無名指組和小指組，每組手指訓練機構按照人手指的位置相應地布置于支架底座平臺上；每組手指訓練機構的結構相同，均包括手指活動裝置、混合驅動器和傳感裝置；
[0013]所述手指活動裝·置包括導軌、滑塊和光軸，所述滑塊置于導軌上，沿導軌方向在滑塊的一端活動地設有固定手指的手指支撐架，沿導軌方向在滑塊另一端設有軸承，所述軸承通過銷軸固定，且軸承的中線在支撐底座平臺上的投影與導軌方向平行，所述光軸套在軸承內；
[0014]所述混合驅動器包括電機和磁流變液阻尼器，所述電機與磁流變液阻尼器均套在一根中心軸上，中心軸上靠近磁流變液阻尼器的一端與光軸固定連接；
[0015]所述傳感裝置包括力傳感器和角度傳感器，所述力傳感器和角度傳感器均套在中心軸上，其中力傳感器套在中心軸上且靠近磁流變液阻尼器的一端處；
[0016]所述控制系統包括上位機和下位機，其中下位機內包括機器人自學習神經網絡、存儲數據庫和閉環控制系統，上位機內包括虛擬場景模塊和反饋力計算模塊；本發明中基于有源和無源混合控制系統的相關技術可參考2011年12月在《沈陽工業大學學報》的第33卷第6期中文章《基于有/無源混合執行器的力覺交互裝置》。
[0017]在被動訓練時，患者首先在醫生幫助下完成一個完整運動模式，在該過程中機器人自學習神經網絡時刻采集力傳感器檢測到的中心軸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進行學習訓練并將上述信息記錄在存儲數據庫中；學習完成后機器人自學習神經網絡調取存儲數據庫中的信息并計算出重復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，并通過閉環控制系統驅動電機和磁流變液阻尼器配合工作進而帶動患者進行被動訓練；
[0018]在主動訓練時，上位機內呈現虛擬場景，反饋力模塊根據虛擬場景實時計算出對應的虛擬反饋力，并通過閉環控制系統驅動電機和磁流變液阻尼器配合工作使力傳感器上檢測到的中心軸上的力經過機械部件的傳遞作用最終作用到患者手部的力等于虛擬反饋力。
[0019]在使用本發明裝置時，將手指指尖通過醫用膠布固定在手指支撐架上，當手指擺動的時候，會推動滑塊沿導軌滑動，進而帶動光軸在軸承內滑動，同時軸承繞著與滑塊之間的銷軸擺動。在光軸的帶動下力傳感器、磁流變液阻尼器、電機和角度傳感器均隨著中心軸進行旋轉運動。
[0020]進一步的，在本發明中，所述手指支撐架與滑塊通過銷軸連接。使得手指可以繞滑塊轉動。
[0021]進一步的，在本發明中，拇指組手指訓練機構的手指支撐架設置在相應滑塊遠離動力控制裝置的一面上；其余手指訓練機構中的手指支撐架設置在相應滑塊的上端面上。按照手指的生理位置合理設置各個手指支撐架的位置，保證各個手指在訓練過程的舒適度。采用指尖與手指支撐架固定，通過拉動指尖來帶動整個手指的運動，這樣不僅可以使手指在大范圍空間運動，同時還減少手指的約束感。
[0022]更為優選的，在本發明中，所述手指活動裝置和中心軸的材料為鋁合金。鋁合金材料質量輕，保證整個裝置的轉動慣量很小，病人在做被動訓練時，更加輕松自如。
[0023]有益效果:
[0024]本發明采用平臺支撐式的結構，手指訓練機構置于支架底座平臺上，而不用偏癱患者手部來承受，減輕了偏癱患者的運動負擔；
[0025]同時本發明通過將無源的磁流變液阻尼器與有源的電機相結合；主動訓練時通過控制系統接收力傳感器和角度傳感器發送的信號并存儲，通過閉環控制算法來驅動電機與磁流變液阻尼器配合產生精確的反饋力進而作用到人手指上，阻礙手指的運動；被動訓練時通過測量手指上的肌張力，將適合的反饋力作用到人手指上驅動手指運動。本發明裝置將主/被動訓練結合起來，使力覺交互裝置穩定性好、安全性高、保真度高，輸出更加平滑可靠，使其更適合手部康復訓練；
[0026]進一步的，本發明可以多個手指同時進行訓練，實現了手指間協調性的恢復；
[0027]本發明還可結合了虛擬現實中力反饋技術，利用趣味的虛擬現實游戲，可以誘導患者積極主動的參與康復訓練。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發明裝置中的磁流變液阻尼器的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明裝置的機械部分的結構示意圖；
[0030]圖3為本發明的帶反饋回路的力覺交互裝置的原理圖；
[0031]圖4為混合驅動力覺交互裝置的模型；
[0032]圖5為裝置頻域框圖；
[0033]圖6為PID控制方法對裝置進行控制，系統控制框圖；[0034]圖7為本發明中下位機與機械部分的信息流的傳遞示意圖；
[0035]圖8為本發明總的信息流傳遞示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0037]—種手指間協調性訓練康復裝置，包括支架底座平臺12、手指訓練機構和控制系統，其中支架底座平臺12和手指訓練機構為本裝置的機械部分；所述手指訓練機構按照人手指分為拇指組、食指組、中指組、無名指組和小指組，每組手指訓練機構按照人手指的位置相應地布置于支架底座平臺上。當患者某幾個手指需要進行康復訓練時可選取相對應的手指訓練機構，如圖2中從左到右分別顯示了拇指組、食指組和中指組的手指訓練機構，每組手指訓練機構的結構相同，均包括手指活動裝置、混合驅動器和傳感裝置，下面具體介紹姆指組的手指訓練機構:
[0038]手指活動裝置包括導軌8、滑塊9和光軸10，均由輕質的鋁合金材料制成。所述滑塊9置于導軌8上，沿導軌8的方向在滑塊9的一端活動地設有固定手指的手指支撐架11，所述手指支撐架11與滑塊9通過銷軸連接。具體到每組手指訓練機構來說，其中拇指組手指訓練機構的手指支撐架設置在相應滑塊遠離混合驅動器的一面上，其余手指訓練機構中的手指支撐架設置在相應滑塊的上端面上，這樣的設置符合人手的生理結構。在沿導軌8的方向，在滑塊9另一端設有軸承19，所述軸承19通過銷軸固定，且軸承19的中線在支架底座平臺12上的投影與導軌8方向平行；所述光軸10套在軸承19內，軸承19設置在滑塊9的側面，或者如圖2中所示，滑塊9中間為空心，軸承19設置在滑塊9中間，只要不影響光軸10的運 動即可，這樣軸承19可以繞著固定軸承19的銷軸旋轉，光軸10可以在軸承19內滑動。
[0039]所述混合驅動器包括電機13和磁流變液阻尼器14，所述電機13與磁流變液阻尼器14通過聯軸器18連接并套在一根鋁合金制的中心軸15上，中心軸15上靠近磁流變液阻尼器14的一端與光軸10固定連接，中心軸15與光軸10之間可以傳遞扭矩。
[0040]所述傳感裝置包括力傳感器16和角度傳感器17，所述力傳感器16和角度傳感器17均套在中心軸15上，其中力傳感器16套在中心軸15上且靠近磁流變液阻尼器14的一端處，用于檢測中心軸15上的扭矩。
[0041]滑塊9可以沿導軌8滑動，手指支撐架11通過銷軸固定在滑塊9上，可以繞滑塊9旋轉運動，固定在滑塊9上的軸承19也可以繞滑塊9旋轉，套在軸承19上的光軸10可以在軸承19中滑動；光軸10通過銷軸與中心軸15固定；力傳感器16的軸與磁流變液阻尼器14的軸通過銷軸固定；電機13與磁流變液阻尼器14之間通過聯軸器18固定；角度傳感器17固定在電機13軸的末端。因此當拇指指尖通過醫用膠布固定在手指支撐架11上，當手指擺動的時候，會推動滑塊9沿導軌8滑動，進而帶動光軸10和軸承19擺動，在光軸10的帶動下，力傳感器16、磁流變液阻尼器14、電機13和角度傳感器17進行旋轉運動。食指與中指的運動模式與拇指相仿。根據人手生物學特性，進行合理安置導軌的位置，可以實現三個手指的對指及伸張運動。
[0042]如圖8所示，所述控制系統包括上位機和下位機，其中下位機為ARM處理器，其內部包括機器人自學習神經網絡、存儲數據庫和閉環控制系統，上位機為PC，其內部包括虛擬場景模塊和虛擬現實反饋力模塊。ARM處理器與PC端通過USB接口進行連接，ARM處理器與機械部分通過各種模塊實現軟硬件連接，具體為:力傳感器16通過調理電路連接至ARM處理器中的ADC模塊，角度傳感器17通過硬件譯碼電路連接至ARM處理器，ARM處理中閉環控制系統由DAC模塊向電流控制模塊和電流源發出指令，控制磁流變液阻尼器14上阻尼力的大小，ARM處理中閉環控制系統由PWM模塊向電機驅動器發出指令控制電機轉速及電機扭力。
[0043]本發明裝置為帶反饋回路的力覺交互裝置，其原理如圖3所示。該原理圖中，左邊將目標作用力和力傳感器16上測到的中心桿15上的輸出力傳遞給控制系統中，控制系統分別控制電機13和磁流變液阻尼器14，二者配合工作得到輸出力，即為患者實際受力。
[0044]控制系統中的閉環控制系統用于控制電機13和磁流變液阻尼器14配合工作，屬于混合力覺交互裝置，其基本的模型如圖4所示。其中，fm、Jm、BjP ωπ分別為電機13的轉子受力、轉動慣量、粘滯系數和轉速，Kb為磁流變液阻尼器14的阻尼系數，fh和分別為裝置光軸10的受力和轉速。
[0045]圖4中的基本模型在頻域內的框圖如圖5所示。其中，F?、ω?、Fh(s)和?h(s)分別是fm、com、fh和C0h參數的頻域形式，Jm為電機轉動慣量，Bm為電機粘滯系數，Kb為磁流變液阻尼器14的阻尼系數。
[0046]采用PID控制方法對本裝置進行控制，得到控制框圖如圖6所示。這里主要包括前饋部分20、PID控制器21和裝置受控對象22，Fd為目標作用力，Kx, KP、KD分別為積分增益、比例增益和微分增益，其余字母代表的含義同前文介紹。為了提高系統的瞬態響應性能和減小操作者運動對輸出力的影響，針對目標作用力和光軸10轉動，分別采用基于逆動力學模型的前饋控制算法。
[0047]本發明裝置可以實現主動訓練、被動訓練兩種模式。當患者在完全失去運動能力時，可以采取被動訓練方式·進行康復訓練；當患者具有一定運動能力時，則可以采取主動訓練方式進行訓練。
[0048]在被動訓練的時候，首先需要醫生根據患者的傷情進行引導訓練，同時完成對機器人自學習神經網絡參數的自動獲取。具體過程是，當患者將手指在本裝置上擺放固定好后，醫生帶動患者的手指在適合他傷情的范圍內按照醫生設定好的運動模式進行協調運動，此時角度傳感器17實時記錄下中心桿15轉過的角度，這個信息可以反映當前患者手指的位置信息，力傳感器16實時記錄下當前中心桿15上的力，這個信息可以反映當前患者手指上的力，以上兩個傳感器記錄的信息輸入機器人自學習網絡進行訓練學習，最終存儲在存儲數據庫中成為機器人自學習神經網絡參數。當醫生幫助患者完成一組完整的運動模式之后，醫生可以不再幫助患者，而使用經訓練學習好的機器人自學習神經網絡來幫助患者實現后續的被動訓練。此時，機器人自學習神經網絡會根據存儲在存儲數據庫中的機器人自學習神經網絡參數來計算出按照醫生設定的訓練模式的每個時刻電機13和磁流變液阻尼器14需要提供的轉速和力來重現之前有醫生幫助訓練時的運動模式，進而傳遞信號給電機驅動器和電流源分別對電機13和磁流變液阻尼器14進行驅動，從而實現患者的被動訓練，該過程完全重現有醫生幫助時的整個運動模式，不斷重復。在重復的過程中，力傳感器16會實時檢測中心桿15上力的大小，如果在訓練過程中檢測到的力不符合醫生設定好的運動模式中的力的范圍，則證明出現了意外情況，如患者痙攣等，此時及時停止訓練，檢查情況，防止因力過大傷害患者手指。當患者不再適用當前設定的運動模式后，需要醫生設定新的運動模式，重復上述整個過程，即先進行引導訓練，然后再讓本裝置實現過程重復。
[0049]在主動訓練的時候，當患者將手指在本裝置上擺放固定好后，主動拖動裝置，此時通過角度傳感器17檢測中心軸15轉過的角度確定當前手的運動姿態，包括手指運動速度和位置信息，上位機中顯示虛擬場景，如拔蘿卜的3D游戲，結合虛擬現實的力反饋技術及3D游戲就可以通過上位機實時發送完成拔蘿卜3D游戲過程中實時需要的虛擬力的大小，來模擬現實環境中的手指抓取動作，將這個虛擬力作為反饋力，通過閉環控制算法來驅動電機13與磁流變液阻尼器14配合產生精確的反饋力進而作用到人手指上，阻礙手指的運動，實現患者的主動訓練。
[0050]因本發明裝置可以同時實現多手指的康復訓練，所以在進行多手指的被動訓練時，醫生幫助患者完成一次制定好的包含各手指的協調訓練模式，比如說按照拇指、中指、小指的先后順序進行抓取為一個完整的協調訓練模式，機器人自學習系統同時將每個手指的運動過程參數記錄下來，完成學習后，重現多手指協調訓練模式，幫助患者完成被動訓練；同理，主動訓練時，虛擬現實反饋力模塊也會計算出每個手指相對應的虛擬反饋力，然后分別傳遞給相應手指的閉環控制系統，完成反饋，幫助患者進行主動訓練。
[0051]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本【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 范圍。
【權利要求】
1.一種手指間協調性訓練康復裝置，其特征在于:包括支架底座平臺(12)、手指訓練機構和控制系統；所述手指訓練機構按照人手指分為拇指組、食指組、中指組、無名指組和小指組，每組手指訓練機構按照人手指的位置相應地布置于支架底座平臺上；每組手指訓練機構的結構相同，均包括手指活動裝置、混合驅動器和傳感裝置；所述手指活動裝置包括導軌(8)、滑塊(9)和光軸(10)，所述滑塊(9)置于導軌(8)上，沿導軌(8)方向在滑塊(9)的一端活動地設有固定手指的手指支撐架(11)，沿導軌(8)方向在滑塊(9)另一端設有軸承(19)，所述軸承(19)通過銷軸固定，且軸承(19)的中線在支撐底座平臺上的投影與導軌(8)方向平行，所述光軸(10)套在軸承(19)內；所述混合驅動器包括電機(13)和磁流變液阻尼器(14)，所述電機(13)與磁流變液阻尼器(14)均套在一根中心軸(15)上，中心軸(15)上靠近磁流變液阻尼器(14)的一端與光軸(10)固定連接；所述傳感裝置包括力傳感器(16)和角度傳感器(17)，所述力傳感器(16)和角度傳感器(17 )均套在中心軸(15 )上，其中力傳感器(16 )套在中心軸(15 )上且靠近磁流變液阻尼器(14)的一端處；所述控制系統包括上位機和下位機，其中下位機內包括機器人自學習神經網絡、存儲數據庫和閉環控制系統，上位機內包括虛擬場景模塊和虛擬現實反饋力模塊；在被動訓練時，患者首先在醫生幫助下完成一個完整運動模式，在該過程中機器人自學習神經網絡時刻采集力傳感器(16)檢測到的中心軸(15)上的力的信息和角度傳感器(17)檢測到中心軸(15)轉過的角度信息進行學習訓練并將上述信息記錄在存儲數據庫中；學習完成后機器人自學習神經網絡調取存儲數據庫中的信息并計算出重復該過程所需要的每個時刻電機(13)和磁流變液阻尼器(14)需要提供的轉速和力，并通過閉環控制系統驅動電機(13)和磁流變液阻尼器(14)配合工作進而帶動患者進行被動訓練；在主動訓練時，上位機內呈現虛擬場景，角度傳感器(17)檢測到當前中心軸(15)轉過的角度，虛擬現實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，并通過閉環控制系統驅動電機(13)和磁流變液阻尼器(14)配合工作產生精確的反饋力，進而作用到患者手部。
2.根據權利要求1所述的一種手指間協調性訓練康復裝置，其特征在于:所述手指支撐架(11)與滑塊(9)通過銷軸連接。
3.根據權利要求1所述的一種手指間協調性訓練康復裝置，其特征在于:拇指組手指訓練機構的手指支撐架(1 1)設置在相應滑塊(9)遠離動力控制裝置的一面上；其余手指訓練機構中的手指支撐架(11)設置在相應滑塊(9)的上端面上。
4.根據權利要求1所述的一種手指間協調性訓練康復裝置，其特征在于:所述手指活動裝置和中心軸(15)的材料為鋁合金。
【文檔編號】A63B23/16GK103735389SQ201410029312
【公開日】2014年4月23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, 王昌鵬, 王堅, 何有源, 王恒, 鄭波 申請人:東南大學