一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种平台式的用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，包括手指训练机构、混合驱动机构、传感装置和控制系统；混合驱动机构包括电机和磁流变液阻尼器，所述手指训练机构包括曲柄滑块机构和手指活动装置，手指活动装置可自由转动，并在曲柄滑块机构的带动下前后滑动控制系统包括上位机和下位机，其中下位机内PID控制算法，上位机内包括虚拟场景模块和虚拟现实反馈力模块；患者利用本发明装置实现主动训练和被动训练的结合，机械结构、混合驱动机构、传感装置以及控制系统之间相互配合，形成人机互动，严格控制训练过程，同时结合游戏画面，增强训练过程趣味性。
【专利说明】一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及康复训练装置，特别是一种用于病人偏瘫手指康复训练的辅助康复训
练装置。
【背景技术】
[0002]手在日常生活中的重要性不言而喻，但由于手部结构的特殊性，导致了手部容易受伤，引起手的功能障碍，给日常生活带来了极大的不便。偏瘫是指脑被损害后导致的一侧上下肢、面肌和舌肌下部的运动障碍，常常会导致人手指的僵硬化，最典型的症状是手指呈屈曲、蜷缩状态，被动伸直手有僵硬抵抗感。积极开展早期康复训练是有效减轻偏瘫手指症状，促进手指功能恢复，最大程度地恢复手指运动功能的重要环节。
[0003]目前医院里的康复训练主要是医师辅助患者进行康复锻炼，这种治疗方法耗时费力，对治疗效果的评判只能依靠医师的经验来判断，势必导致专家门诊的预约困难，从而影响治疗时间。另外训练过程枯燥乏味，容易使患者训练的积极性受到影响。
[0004]针对这种由于偏瘫引起的手指关节僵硬化，国内外都已经对偏瘫手指康复训练装置进行研究，如力反馈数据手套:包括Rutgers Master II力觉手套以及基于磁流变液的力反馈数据手套CyberGrasp。这些康复装置对手的康复训练起到了一定的作用，但也存在些问题:(1) 一些数据手套及外骨骼装置穿戴不方便，且大小得适合人手，另外如果装置的重量过重，会加重手部的负担，造成二次损伤等负面影响；(2)这些装置往往适合所有的手指一起训练，但有时只需要对偏瘫患指进行训练，造成了其他机构的浪费；(3)手指的康复训练往往需要主动训练结合被动训练才能取得较好的效果，而力觉数据手套基本上只能产生主动力或被动力其中一种，无法实现主被动训练的结合；(4)这些装置结构复杂，成本很高，对普通患者的经济压力 很大。
[0005]因此，为了偏瘫患者手指的康复，开发出主被动训练结合的、结构简单且不用穿戴的手指康复训练装置意义重大。
【发明内容】
[0006]要解决的技术问题:针对现有技术的不足，本发明提供一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，解决现有技术中的数据手套和外骨骼装置类的手指康复训练装置容易对病人造成二次损害，并且训练时所有手指一起训练、针对性低，无法实现主被动训练结合的训练模式，训练效果不佳，同时装置价格昂贵等技术问题。
[0007]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，包括平台、手指训练机构、混合驱动机构、传感装置和控制系统，所述手指训练机构和混合驱动机构均置于平台上；
[0009]所述混合驱动机构包括电机和磁流变液阻尼器，且二者的中心轴相同；
[0010]所述手指训练机构包括曲柄滑块机构和手指活动装置，其中曲柄滑块机构的曲柄的一端固定在混合驱动机构的中心轴上，曲柄的另一端通过连杆连接至滑块，所述滑块置于导轨上；所述手指活动装置通过长条形支柱固定于滑块上并伸到滑块外部，手指活动装置包括手指支撑架和手指环，所述手指支撑架呈U形且手指支撑架U形的底部铰接在滑块上，所述手指环卡入手指支撑架U形的开口中且手指环的侧壁与手指支撑架U形的两个支脚分别铰接；
[0011]所述传感装置包括力传感器和角度传感器，所述力传感器设置在长条形支柱上，所述角度传感器与混合驱动机构同轴设置；
[0012]所述控制系统包括上位机和下位机，其中下位机内设置有PID控制算法，上位机内包括虚拟场景模块和虚拟现实反馈力模块；
[0013]在被动训练时，患者首先在医生的帮助下完成推动滑块一个来回的运动过程，在该过程中PID控制算法时刻采集力传感器检测到的长条形支柱上的力的信息和角度传感器检测到中心轴转过的角度信息，并计算出重复该过程所需要的每个时刻电机和磁流变液阻尼器需要提供的转速和力，之后患者在没有医生的帮助下，角度传感器的随时反馈当前的中心轴转过的角度提供给PID控制算法计算出当前时刻电机和磁流变液阻尼器需要提供的转速和力，控制磁流变液阻尼器和电机配合按照需要提供的转速和力进行工作重现推动滑块来回运动的过程；
[0014]在主动训练时，上位机内呈现游戏虚拟场景，通过角度传感器检测到当前中心轴转过的角度并传递给上位机将虚拟场景实现与现实手指的运动位置一一对应，虚拟现实反馈力模块根据虚拟场景实时计算出对应的虚拟反馈力模拟现实环境中手指抓取动作，并将需要的虚拟反馈力信息传递给PID控制算法，同时通过力传感器向PID控制算法反馈实时检测到的力进行协调控制，PID控制算法比较虚拟反馈力和力传感器检测到的力进行闭环控制调整，最终PID控制算法计算出当前时刻电机和磁流变液阻尼器需要提供的转速和力，驱动电机 和磁流变液阻尼器配合工作产生精确的反馈力，使作用到患者手部的力等于虚拟反馈力。
[0015]进一步的，在本发明中，被动训练时，患者在没有医生帮助下，力传感器实时采集力的信息，一旦检测到力的大小超过阈值，则判定出现意外情况，PID控制算法控制电机和磁流变液阻尼器停止工作。因为在被动训练适合手指损伤较为严重的患者，他们的手指感觉较为迟钝，若训练过程中出现卡壳等意外情况导致作用于手上的力过大，患者本人无法感知则会造成二次损伤，利用力传感器进行检测，可以避免这一情况的发生。
[0016]作为优选的，在本发明中，所述滑块和导轨为MR微型滚珠线性滑块和导轨。MR微型滚珠线性滑块和导轨在滑动过程中的摩擦阻力较小，使得电机和磁流变液阻尼器配合工作后作用到人手的力与PID控制算法的计算的结果基本相同，提高控制的准确度。
[0017]有益效果:
[0018]本发明采用了一个相对较为简单的曲柄滑块机构就实现了活动手指关节弯曲和伸展的复杂运动过程，滑块导轨采用滚珠式的直线导轨，移动起来阻力小，并且机械加工成本低，适合大批量生产；本装置主要满足对受伤手指进行针对性训练的需求，训练过程其他未受伤的手指无需参与，并且手指支撑架和指环均为铰接可转动的形式，使得手指关节活动不受限制，结构简单，占用空间较小；
[0019]其次，控制系统、传感装置和混合驱动装置相互配合，实现稳定准确的混合控制；并且利用PID控制算法使得主被动训练均可实现；在被动训练时，完全由本装置带动患者手指运动，并且设置监控，保证患者尚无知觉的手指处于安全的训练状态；在主动训练时，结合上位机的游戏，实现人际交互，使得康复训练不再枯燥，增加了患者训练的积极性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构示意图；
[0021]图2为本发明的控制系统框图；
[0022]图3为本发明的上位机与下位机之间的关系示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0024]如图1所示，一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，包括平台1、手指训练机构、混合驱动机构、传感装置和控制系统，所述手指训练机构和混合驱动机构均置于平台上；
[0025]所述混合驱动机构包括电机2和磁流变液阻尼器3，且二者的中心轴相同且各自分别通过联轴器4连接在中心轴5上；
[0026]所述手指训练机构包括曲柄滑块机构和手指活动装置，其中曲柄滑块机构的曲柄6的一端通过螺丝固定在混合驱动机构的中心轴上，曲柄6的另一端通过连杆7连接至滑块8，曲柄6与连杆7之间通过轴承和销连接，连杆7与滑块8之间也通过轴承和销连接；所述滑块8置于导轨9上，所述滑块8和导轨9为MR微型滚珠线性滑块和导轨，导轨9两端设有限位柱10防止滑块8滑出导轨；所述手指活动装置通过长条形支柱11固定于滑块8上并伸到滑块8的外部，手指活动装置包括手指支撑架12和手指环13，所述手指支撑架12呈U形且手指支撑架12的U形的底部铰接在滑块8上，所述手指环13卡入手指支撑架12的U形的开口中且手指环13的侧壁与手指支撑架12的U形的两个支脚分别用销钉铰接。混合驱动机构带动曲柄6的转动，进而带动连杆7运动，连杆7的运动又带动滑块8在导轨9上一起如后运动，当人的手指套在手指环13内时，实现了手指的如后拉动运动，另外手指环13和手指支撑架12的转动恰好满足了人手指关节和手腕关节的运动。
[0027]所述传感装置包括力传感器14和角度传感器15，所述力传感器14设置在长条形支柱11上，所述角度传感器15与混合驱动机构同轴设置；
[0028]如图2和图3所示，所述控制系统包括上位机16和下位机17，其中下位机17内安装有ARM系统和PID控制算法，上位机17内包括虚拟场景模块和虚拟现实反馈力模块，上位机17和下位机16之间通过USB控制器进行数据传输；机械结构部分和控制系统之间配合实现了人机交互。
[0029]在被动训练时，患者首先在医生的帮助下完成推动滑块一个来回的运动过程，在该过程中PID控制算法时刻采集力传感器14检测到的长条形支柱11上的力的信息和角度传感器15检测到中心轴5转过的角度信息，其中力的信息通过调理电路和模数转换模块ADC传递给下位机，角度信息通过硬件译码电路传递给下位机，下位机接收到这两种信息后计算出重复该过程所需要的每个时刻电机2和磁流变液阻尼器3需要提供的转速和力。之后患者在没有医生的帮助下，角度传感器15随时反馈当前的中心轴5转过的角度提供给PID控制算法，用于计算出当前时刻电机2和磁流变液阻尼器3需要提供的转速和力，控制磁流变液阻尼器3和电机2配合，按照需要提供的转速和力进行工作重现推动滑块来回运动的过程。
[0030]被动训练的同时，患者在没有医生帮助下，力传感器14实时采集力的信息，一但检测到力的大小超过阈值，则判定出现意外情况，PID控制算法控制电机2和磁流变液阻尼器3停止工作。
[0031]在主动训练时，上位机16内呈现游戏虚拟场景，滑块8的运动轨迹可通过角度传感器15检测到的当前中心轴5转过的角度来记录，角度传感器15将记录到的信息通过硬件译码电路传递给下位机17，下位机17再将这个信息传输给上位机16，从而实现将虚拟场景与现实手指的运动位置一一对应的目的，患者的手指运动即可控制上位机内的游戏，使得康复训练不再枯燥，具体上位机中的游戏可有潜艇游戏、飞机游戏、挖金子游戏、汽车游戏等，患者可根据自己的喜好通过登陆模块选择登陆某个游戏界面。
[0032]在患者控制游戏的过程中，虚拟现实反馈力模块根据虚拟场景实时计算出对应的虚拟反馈力，来模拟现实环境中手指抓取动作并将这个虚拟反馈力的信息发送给PID控制算法；与此同时，力传感器14也向PID控制算法反馈实时检测到的力。在PID控制算法中，利用比例、积分、微分进行控制，通过比较力传感器14检测到的力和虚拟反馈力得到差值，然后经过PID控制算法的不断调整协调控制，最终PID控制算法计算出当前时刻电机2和磁流变液阻尼器3需要提供的转速和力；然后下位机17控制电机驱动电路来驱动电机2工作，同时下位机17也通过数模转换模块DAC控制电流源控制磁流变液阻尼器3工作，电机2和磁流变液阻尼器3 二者配合工作产生精确的反馈力，使作用到患者手部的力等于虚拟反馈力，整个控制系统处于准确、稳定的状态。
[0033]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护 范围。
【权利要求】
1.一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，其特征在于:包括平台(I)、手指训练机构、混合驱动机构、传感装置和控制系统，所述手指训练机构和混合驱动机构均置于平台(1)上； 所述混合驱动机构包括电机(2 )和磁流变液阻尼器(3 )，且二者的中心轴(5 )相同；所述手指训练机构包括曲柄滑块机构和手指活动装置，其中曲柄滑块机构的曲柄(6)的一端固定在混合驱动机构的中心轴(5)上，曲柄(6)的另一端通过连杆(7)连接至滑块(8)，所述滑块(8)置于导轨(9)上；所述手指活动装置通过长条形支柱(11)固定于滑块(8)上并伸到滑块(8)外部，手指活动装置包括手指支撑架(12)和手指环(13)，所述手指支撑架(12)呈U形且手指支撑架(12)U形的底部铰接在滑块(8)上，所述手指环(13)卡入手指支撑架(12) U形的开口中且手指环(13)的侧壁与手指支撑架(12) U形的两个支脚分别铰接； 所述传感装置包括力传感器(14)和角度传感器(15)，所述力传感器(14)设置在长条形支柱(11)上，所述角度传感器(15)与混合驱动机构同轴设置； 所述控制系统包括上位机(16 )和下位机(17 )，其中下位机(17 )内设置有PID控制算法，上位机(16)内包括虚拟场景模块和虚拟现实反馈力模块； 在被动训练时，患者首先在医生的帮助下完成推动滑块(8)—个来回的运动过程，在该过程中PID控制算法时刻采集力传感器(14)检测到的长条形支柱(11)上的力的信息和角度传感器(15)检测到中心轴(5)转过的角度信息，并计算出重复该过程所需要的每个时刻电机(2)和磁流变液阻尼器(3)需要提供的转速和力；然后患者在没有医生的帮助下，角度传感器(15)随时反馈当前的中心轴(5)转过的角度并提供给PID控制算法以计算出当前时刻电机(2 )和磁流变液阻尼器(3 )需要提供的转速和力，控制磁流变液阻尼器(3 )和电机(2)配合按照需要提供的转速和力进行工作来重现推动滑块(8)来回运动的过程；` 在主动训练时，上位机(16)内呈现游戏虚拟场景，通过角度传感器(15)检测到当前中心轴(5)转过的角度并传递给上位机(16)实现将虚拟场景与现实手指的运动位置一一对应，虚拟现实反馈力模块根据虚拟场景实时计算出对应的虚拟反馈力来模拟现实环境中手指抓取动作，并将需要的虚拟反馈力信息传递给PID控制算法，同时通过力传感器(14)向PID控制算法反馈实时检测到的力进行协调控制，PID控制算法比较虚拟反馈力和力传感器(14)检测到的力进行闭环控制调整，最终PID控制算法计算出当前时刻电机(2)和磁流变液阻尼器(3 )需要提供的转速和力，驱动电机(2 )和磁流变液阻尼器(3 )配合工作产生精确的反馈力，使作用到患者手部的力等于虚拟反馈力。
2.根据权利要求1所述的一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，其特征在于:被动训练时，患者在没有医生帮助下，力传感器(14)实时采集力的信息，一但检测到力的大小超过阈值，则判定出现意外情况，PID控制算法控制电机(2)和磁流变液阻尼器(3)停止工作。
3.根据权利要求1所述的一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，其特征在于:所述滑块(8)和导轨(9)为MR微型滚珠线性滑块(8)和导轨(9)。
4.根据权利要求1所述的一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，其特征在于:导轨(9)两端设有限位柱(10)。
【文档编号】A61H1/02GK103750980SQ201410030105
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】王爱民, 王坚, 陆小飞, 王恒, 何有源 申请人:东南大学