专利名称：手指自动康复训练器的制作方法
技术领域：
一种手指自动康复训练器，用于手指运动功能有待恢复的患者进行康复训练，属医疗保健器械。
背景技术：
医学理论和实践证明，肢体损伤的患者为了防止肌肉“废用性”萎缩，必须要进行有效的肢体训练以恢复其功能。由于患者本身已存在功能障碍，不能独立完成训练；为了让其自主地进行康复训练，制作一种帮助其恢复运动功能的医疗保健器械是必要的。围绕这一课题，哈尔滨工程大学已申请过相关专利，但因均采用柔索牵引，指尖位置调整费时，结构不够紧凑，训练器体积较大。
发明内容
本实用新型利用三级串联四连杆机构，实现了正常人手指的机械仿生运动。结构简单，制作工艺性好，成本低，配以智能化的控制器，具有很高的康复训练功效。
一种手指自动康复训练器，它包括操控面板、驱动装置、位置检测装置、执行杆组、整机支架、执行杆座、电源、手臂固定带、机构底板、手臂垫板、控制系统和壳体。
作为手指自动康复训练器关键部件的执行杆组是一种框架式结构，由两套结构相同并借助固定在机构底板下表面两侧的两个执行杆座平行安装的三级串连四杆机构以及一套牵指器和一根长轴状压指器组成；牵指器的两端分别与两套三级串连四杆机构末端的矩形秆件垂直固接，而压指器的两端分别垂直插装在两套三级串连四杆机构中部的一个杆件上的轴承孔内。由于两套三级串连四杆机构都是通过第一级(靠近动力源端)四连杆机构中下边的两个铰接点固定在执行杆座上，故两套三级串连四杆机构必有一小部分需垂直穿过机构底板上、位于执行杆座内侧的两个矩形透孔。
以一套三级串连四杆机构为例，并说明其构成。一套三级串连四杆机构由10根广义杆件(直杆、曲杆、矩形块、三角形块均可)和9个铰接点组成；“串连”是指机构中有公共杆件和公共节点。第一级四杆机构(康复训练时与手背位置对应)与第二级四杆机构(康复训练时与手指的第一手指节对应)有一个公共的直杆和两个公共铰接点；第二级与第三级四杆机构(康复训练时与手指的第二手指节对应)有一个三角形公共杆(上面有三个铰接点，其中一个公用)；而手指的指尖(第三指节)在康复训练时正好位于与末端的矩形杆件(上面有两个铰接点)固接的牵指器中的曲形板下侧。
驱动装置由带减速器的伺服电机、曲柄连杆机构以及同步轴组成。伺服电机是整个系统的动力源，借助机构底板上表面上的立板水平固装。同步轴的轴线与伺服电机轴线平行，且为了确保两套三级串连四杆机构在一个动力源的带动下同步动作，同步轴的两端分别插装在第一级四连杆机构中外侧杆上端的孔中，同时将同步轴的一端与驱动装置中的曲柄连杆机构的往复端相连，以获得驱动力的来源。而曲柄连杆机构的另一端固装在伺服电机的轴头上，用于将伺服电机的转动转换成拖动执行杆组的往复运动。位置检测装置由位置传感器和摇杆组成。位置传感器也是借助机构底板上表面上的另一块立板水平固装，其轴线与伺服电机轴线平行。摇杆的一端与位置传感器的轴头固装，另一端与驱动装置中曲柄连杆机构往复运动端的活动铰链相连；目的在于，通过获得该活动铰链往复摆动的信息间接测得伺服电机的转角、转速，并作为单片机控制系统控制伺服电机正反转、行程以及运动速度的依据。
控制系统安装在机构底板上表面的一侧，主要包括AVR8535单片机，接口电路5，AC/DC稳压源，PWM驱动器。操控面板安装在壳体的一侧，其上装有调整速度、力、位置的推钮以及指示灯、LED显示器和电源开关，并用导线与控制系统和电源插头相连。调节相应的推钮可分别设定速度指令、力矩指令、运动范围指令，经接口电路送往单片机处理。根据所给指令，单片机发PWM信号给PWM驱动器，由电流取样接口电路反馈驱动电流大小以便控制驱动力矩的大小。
机构底板上侧的组件罩在壳体内。机构底板下表面铺设一层手臂垫板，中部装有两条手臂固定带，两端各装一个整机支架。
使用时，患者可自行或通过他人戴上特制手套，手心朝下置于手臂垫板下面；而特制手套的末端通过连接螺钉连接于牵指器的曲形板上，并将患者手调整到最舒服的位置后用手臂固定带固定。调整速度、力、位置设定推钮至最小位置，然后把电源插头插于市电AC220V插座上，按下电源开关，此时康复器开始按设定值带动患者手指进行往复弯伸的康复训练，训练过程中患者可随时调整速度、力、位置设定推钮的位置以适应不同患者的需要。指示灯亮，表示系统处于工作状态，否则灯灭。LED显示器所示数值为往返训练次数值。
本实用新型结构简单，美观大方、操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。
图1手指自动康复训练器结构示意图图图2手指自动康复训练器运动机构示意图图3三级串连四杆机构示意图图4手指自动康复训练器控制系统框图图5手指自动康复训练器操控面板图具体实施方式
下面给出本实用新型的优选实施方式，并结合附图加以说明。
如图1所示，一种手指自动康复训练器，它包括操控面板1、驱动装置2、位置检测装置3、执行杆组4、整机支架5、执行杆座6、电源7、手臂固定带8、机构底板9、手臂垫板10、控制系统11和壳体12。
如图3、图1所示，作为手指自动康复训练器关键部件的执行杆组4是一种框架式结构。它是由两套结构相同并借助固定在机构底板9下表面两侧的两个执行杆座6平行安装的三级串连四杆机构41、42以及一套牵指器44和一根长轴状压指器43组成。牵指器44包括曲形板4405及连接螺钉4401、4402、4403、4404。曲形板4405是按正常人手指末端轨迹拟合出来的弯曲薄板，上面间隔开有4个长槽，装有4个可连接特制手套指尖的连接螺钉4401、4402、4403、4404，并通过它们在长槽内的移动，适应指端的相对位置变化；其两端上弯，通过螺钉与末端矩形杆件4104、4204相连，移动弯板的前后位置以适应不同患者手指的长短。而压指器43的两端分别垂直插装在两套三级串连四杆机构中部的一个杆件4102、4202上的轴承孔内。由于两套三级串连四杆机构41、42是通过第一级(靠近动力源端)四连杆机构4101、4108、4109、4110和4201、4208、4209、4210中下边的两个铰接点固定在执行杆座6上，故两套三级串连四杆机构41、42必有一部分需垂直穿过机构底板9上、位于执行杆座6内侧的两个矩形透孔。
下面以一套三级串连四杆机构41为例，说明其构成及如何带动手指中的各节做弯曲运动的。一套三级串连四杆机构41由10根广义杆件(直杆、曲杆、矩形块、三角形块均可)和9个铰接点组成；“串联”是指机构中有公共杆件和公共节点。第一级四杆机构4101、4108、4109、4110(康复训练时与手背位置对应)与第二级四杆机构4102、4106、4107、4108(康复训练时与手指的第一指节对应)有一个公共的直杆4108和两个公共铰接点；第二级与第三级四杆机构4103、4104、4105、4106(康复训练时与手指的第二指节对应)有一个三角形公共杆4106(上面有三个铰接点，其中一个公用)；而手指的指尖(第三指节)在康复训练时正好位于与末端矩形杆件4104(上面有两个铰接点)固接的牵指器44中曲形板4405的下侧。
如图3所示，工作时，在驱动装置2中伺服电机21的带动下，连杆23推动杆件4110绕其端部固定铰链定轴转动，并推动杆件4109前移及杆件4108绕其端部固定铰链定轴转动，杆件4108再推动第二级、第三级四杆机构整个下弯；当杆件4102转过最大角度45°时(有位置锁定机构，图中未画出)，杆件4108继续推动杆件4107移动，并迫使三角形杆件4106绕下端铰链轴转动；接下来，推动第三级四杆机构整个下弯。机构设计时确保杆件4103相对于杆件4102的转角范围为0～90°；当杆件4103达到最大转角位置时，杆件4106继续推动杆件4105，并推动杆件4104绕其端部铰链轴转动；同样，机构设计时确保杆件4104相对于杆件4103的转角范围为0～45°；当杆件4104到达最大转角位置时，整个弯曲过程结束。当曲柄连杆机构返程时，手指各节开始依次伸直。压指器43可在康复训练中帮助患者的第一节手指下弯，并可在指面上滚动，防止擦伤。
如图2所示，驱动装置2由带减速器的伺服电机21、曲柄连杆机构22、23以及同步轴24组成。伺服电机21是整个系统的动力源，借助机构底板9上表面上的立板水平固装；同步轴24的轴线与伺服电机21轴线平行。为了确保两套三级串连四杆机构41、42在一个动力源的带动下同步动作，将同步轴24的两端分别插装在第一级四连杆机构中外侧杆4110、4210上端的孔中，同时将同步轴24的一端与驱动装置2中的曲柄连杆机构22、23的往复端相连，以获得动力来源；而曲柄连杆机构22、23的另一端固装在伺服电机的轴头上，用于将伺服电机21的转动转换成拖动执行杆组4运动的往复运动。位置检测装置3由位置传感器31和摇杆32、33组成。位置传感器31也是借助机构底板9上表面上的另一块立板水平固装；摇杆32、33的一端与位置传感器31的轴头固装，另一端与驱动装置2中的曲柄连杆机构22、23往复端的活动铰链相连；目的在于，通过获得该活动铰链往复摆动的信息间接测得伺服电机21的转角、转速，并作为单片机控制系统11控制伺服电机21正反转、行程以及运动速度的依据。
如图1所示，控制系统11安装在机构底板9上表面的一侧。又如图4所示，它主要包括AVR8535单片机1101，接口电路1103、1104、1105，AC/DC稳压源1106，PWM驱动器1102。如图1所示，操控面板1安装在壳体12的一侧。又如图6所示，其上装有调整速度、力、位置的推钮101、102、103、104以及指示灯106、LED显示器105和电源开关107，并用导线与控制系统11和电源7相连。调节相应的推钮可分别设定速度指令、力矩指令、运动范围指令，经接口电路1103、1104、1105送往单片机1101处理，根据所给指令，单片机1101发PWM信号给PWM驱动器1102，由电流取样接口电路反馈驱动电流大小以便控制驱动力矩的大小。
如图1所示，机构底板9上侧的组件罩在壳体12内。机构底板9下表面铺设一层手臂垫板10，中部装有两条手臂固定带8，两端各装一个整机支架5。
如图2所示，使用时，患者可自行或借助他人戴上特制手套，手心朝下置于手臂垫板10的下面；而特制手套指端通过连接螺钉4401、4402、4403、4404连接于牵指器44上，并将患者手调整到最舒服的位置后用两条手臂固定带8固定。调整速度、力、位置设定推钮101、102、103、104至最小位置，然后把电源插头7插于市电AC220V插座上，按下电源开关107，此时康复器开始按设定值带动患者手指进行往复弯伸的康复训练，训练过程中患者可随时调整速度、力、位置设定推钮的位置以适应不同患者的需要。指示灯106亮，表示系统处于工作状态，否则灯灭。LED显示器105所示数值为往返训练次数值。
本实用新型结构简单，美观大方、操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。
权利要求1.一种手指自动康复训练器，其特征在于它包括操控面板(1)、驱动装置(2)、位置检测装置(3)、执行杆组(4)、整机支架(5)、执行杆座(6)、电源(7)、手臂固定带(8)、机构底板(9)、手臂垫板(10)、控制系统(11)和壳体(12)；其中，执行杆组(4)是一种框架式结构，由两套结构相同并借助固定在机构底板(9)下表面两侧的两个执行杆座(6)平行安装的三级串连四杆机构(41，42)以及一套牵指器(44)和一根长轴状压指器(43)组成；牵指器(44)包括曲形板(4405)及连接螺钉(4401，4402，4403，4404)，曲形板(4405)上面间隔开有4个长槽，装有4个可连接特制手套指尖的连接螺钉(4401，4402，4403，4404)；而压指器(43)的两端分别垂直插装在两套三级串连四杆机构中部的一个杆件(4102，4202)上的轴承孔内；驱动装置(2)由带减速器的伺服电机(21)、曲柄连杆机构(22，23)以及同步轴(24)组成；伺服电机(21)是整个系统的动力源，借助机构底板(9)上表面上的立板水平固装；同步轴(24)的轴线与伺服电机(21)轴线平行，且同步轴(24)的两端分别插装在第一级四连杆机构中外侧杆(4110，4210)上端的孔中，同时将同步轴(24)的一端与驱动装置(2)中的曲柄连杆机构(22，23)的往复端相连，而曲柄连杆机构(22，23)的另一端固装在伺服电机(21)的轴头上；位置检测装置(3)由位置传感器(31)和摇杆(32，33)组成；位置传感器(31)也是借助机构底板(9)上表面上的另一块立板水平固装；摇杆(32，33)的一端与位置传感器(31)的轴头固连，另一端与驱动装置(2)中的曲柄连杆机构(22，23)往复端的活动铰链相连；控制系统(11)安装在机构底板(9)上表面的一侧；机构底板(9)上侧的组件罩在壳体(12)内；操控面板(1)安装在壳体(12)的一侧，并用导线与控制系统(11)和电源(7)相连；机构底板(9)下表面铺设一层手臂垫板(10)，中部装有两条手臂固定带(8)，两端各装一个整机支架(5)。
2.如权利要求1所述的手指自动康复训练器，其特征在于它的两套三级串连四杆机构(41，42)具有相同的连接方式和结构，都是通过靠近动力源端的第一级四连杆机构(4101，4108，4109，4110)和(4201，4208，4209，4210)中下边的两个铰接点固定在执行杆座(6)上，故两套三级串连四杆机构(41，42)必有一小部分需垂直穿过机构底板(9)上、位于执行杆座(6)内侧的两个矩形透孔；其中一套三级串连四杆机构(41)由10根广义杆件和9个铰接点组成；第一级四杆机构(4101，4108，4109，4110)与第二级四杆机构(4102，4106，4107，4108)有一个公共的直杆(4108)和两个公共铰接点；第二级与第三级四杆机构(4103，4104，4105，4106)有一个三角形公共杆(4106)，上面有三个铰接点，其中一个公用；而上面有两个铰接点的末端矩形杆件(4104)上固接牵指器(44)的曲形板(4405)的一端。
专利摘要一种手指自动康复训练器，用于手指运动功能有待恢复的患者进行康复训练，属医疗保健器械。本实用新型主要包括操控面板、驱动装置、位置检测装置、执行杆组、整机支架、执行杆座、电源、手臂固定带、机构底板、手臂垫板、控制系统、壳体。手指自动康复训练器关键部件的执行杆组是框架式结构，由两套结构相同、可模拟手指屈伸运动、平行安装的三级串连四杆机构以及一套牵指器和一根长轴状压指器组成。每套三级串连四杆机构均包括10根广义杆件和9个铰接点。本实用新型结构简单，美观大方、操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。
文档编号A61H1/00GK2746905SQ20042006343
公开日2005年12月21日 申请日期2004年9月17日 优先权日2004年9月17日
发明者张立勋, 王怀军 申请人:哈尔滨工程大学