一种新型外骨骼手指康复机器人的制作方法

本实用新型属于机器人领域，尤其是涉及一种新型外骨骼手指康复机器人，主要适用于由于中风疾病引起的手指功能障碍的患者进行康复训练。

(二)

背景技术：
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脑卒中，也称脑中风，是严重威胁中老年人身体健康的疾病之一，多数情况下可引起偏瘫，该病近年来发病率呈明显的上升趋势。偏瘫患者一侧肢体运动功能丧失，给日常生活带来很大不便。据不完全统计，我国现有的脑中风患者多达500万以上；美国的脑中风患者数量也超过450万。临床上对偏瘫患者的康复绝大多数采用治疗师和患者间一对一治疗的方法。虽然现有的医疗水平可以治愈60-70％的中风患者，但大多数的幸存患者均存在上肢或下肢运动功能缺陷。其中，手是人体中最为精细的机构之一，血管分布错综复杂，细小肌肉遍布全手，导致手部损伤的治疗难度增大，且治疗周期时间长。通常医学上把手指的康复作为上肢康复的关键难题。

根据科学研究，大脑中枢神经具有可塑性，科学有效的运动方式有助于刺激大脑神经的恢复，这就为运动康复疗法带来了理论基础。目前的运动康复治疗主要是通过康复治疗师用针灸、按摩等方法或者借助一些简易的医疗器械帮助患者恢复运动功能。首先，这使得康复训练对人力和物力的要求比较高，昂贵的医疗费用对患者造成了沉重的经济负担；其次，康复效果主要依靠医疗师的经验和主观判断，缺少客观量化的评价；最后，康复训练过程中，缺少舒适的支撑结构，这使得偏瘫肢体在训练中容易造成二次的伤害。

在满足人体工学的基础上，外骨骼手指康复机器人为脑中风偏瘫患者提供了一种新型的外“骨骼”，用来帮助患者进行手指康复训练动作，同时，高效传感器的应用使得外骨骼手指康复机器人在辅助患者进行康复训练时更加高效可靠，并为患者康复程度提供了准确可靠的评价方法。目前，市面上的外骨骼手指康复机器人都比较庞大，运输起来比较困难，而且不能应用于家庭里使用。此外，现有的外骨骼手指康复机器人的工作方法多采用提取人体脑电信号或肌电信号的方式控制机器人的方法，但由于脑电信号或肌电信号在提取过程中经常出现偏差导致机器人出现误操作的情况，对患者造成一定的损伤。

(三)

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于设计一种新型外骨骼手指康复机器人，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单，对患者无伤害，操作方便的康复机器人，使患者可以随时地进行康复训练以刺激患者大脑运动神经，达到最终恢复其手指运动机能的目的。

本实用新型的技术方案：一种新型外骨骼手指康复机器人，其特征在于它包括控制单元、电机驱动单元、传动单元和执行单元；其中，所述控制单元的输入端接收附在患者健侧手指上的弯曲传感器产生的弯曲信号，其输出端与电机驱动单元的输入端连接；所述传动单元的输入端与电机驱动单元的输出端连接，其输出端与执行单元的输入端连接；所述执行单元的输出端与患者患侧手指接触，通过传递力使患者患侧手指进行动作。

所述控制单元包括弯曲传感器、AD(Analog to Digital——模拟数字)转换模块、单片机、LCD(Liquid Crystal Display——液晶显示)数显模块、电机驱动模块；其中，所述弯曲传感器的输入端接收患者健侧手指的弯曲角度信息，其输出端与AD转换模块连接；所述单片机的输入端接收AD转换模块的输出信号，其输出端与电机驱动模块及LCD数显模块的输入端连接。

所述电机驱动单元由电机座、驱动电机和电机驱动轴构成；所述驱动电机的输入端与电机座连接，输出端与电机驱动轴连接；所述驱动电机安装在电机座上；所述驱动电机驱动轴安装在驱动电机上；所述电机座位于手掌背面部位；所述电机驱动轴与驱动电机之间呈过盈配合连接。

所述驱动电机是步进驱动电机，且安装在手掌背部，减小了整体机器人的尺寸。

所述驱动电机采用欠驱动方式，以实现对手指MCP(Metacarpophalangeal——掌指)关节、手指PIP(Proximal interphalangeal——近端指间)关节和DIP(Distal Interphalangeal——远端指间)关节的弯曲和伸展运动。

所述传动单元是由传动丝绳、转动轴I、连杆I、中关节座、齿轮I、齿轮II、转动轴II、连杆II和端点支撑座构成；所述执行单元是由手指MCP关节、手指PIP关节、手指MCP关节连接开槽及手指PIP关节连接开槽构成；其中，所述转动轴I与电机驱动轴通过传动丝绳形成微型钢丝绳传动结构；所述转动轴I、连杆I、中关节座与手指MCP关节形成四连杆机构；所述转动轴II、连杆II、端点支撑座与手指PIP关节形成第二个四连杆机构；所述齿轮I和齿轮II形成齿轮传动机构；所述手指MCP关节连接开槽与中关节座固定连接；所述手指PIP关节连接开槽与端点支撑座固定连接。

所述外骨骼手指康复机器人采用光敏树脂和硅胶材料。

所述外骨骼手指康复机器人采用钢丝绳传动方式，可适用于远距离传动。

所述外骨骼手指康复机器人与患者接触的地方采用弧形设计要求。

所述外骨骼手指康复机器人与患者手指接触的地方均有硅胶垫，减小对手指的损伤。

本实用新型的工作方法：

①电机驱动输入：

外骨骼手指康复机器人通过手指MCP关节连接开槽和手指PIP关节连接开槽穿戴在患者的患侧手指上；附在患者健侧手指上的弯曲传感器随着手指弯曲时发出的弯曲角度信号经过AD转换模块传递给单片机，单片机接收到经过AD转换的弯曲角度信号后，输出控制信号给电机驱动模块，电机驱动模块根据单片机输出的控制信号带动驱动电机执行相应的动作；

②手指MCP关节运动：

驱动电机转动后，与驱动电机紧密配合连接的电机驱动轴会进行相应的转动，同时，与电机驱动轴连接的两根传动丝绳会带动转动轴I进行相应的转动运动；由于转动轴I、连杆I、中关节座与手指MCP关节形成四连杆机构，当转动轴I转动时，手指MCP关节也就进行相应的转动，从而使得手指MCP关节进行康复训练动作；

③手指PIP关节运动：

当连杆I运动时，会带动齿轮I进行转动，从而带动与齿轮I齿轮啮合的齿轮II转动，齿轮II带动与其固接的转动轴II转动；由于转动轴II、连杆II、端点支撑座与手指PIP关节形成四连杆机构，当转动轴II转动时，手指PIP关节也就进行相应的转动，从而使得手指PIP关节进行康复训练动作；

④运动参数的调节：

在外骨骼手指康复机器人对患者进行康复训练的过程中，附在患者健侧手指上的弯曲传感器会对患者的运动信息进行实时采集，并经过AD转换模块转换为数字信号传输到单片机，根据患者的运动情况实时调节外骨骼手指康复机器人的运动参数，以针对不同程度的患者制定不同的康复训练方案。

本实用新型的优越性在于：1、采用钢丝绳传动方式，改变以往的外骨骼手指康复机器人的传动方式，实现了远程传动，大大减小了外骨骼手指康复机器人的自身的重量；2、该外骨骼手指康复机器人可实现五个患侧手指的单独动作，大大提高了康复效率；3、外骨骼手指康复机器人主要采用光敏树脂和硅胶材料，在减轻机器人自重的同时，又保证了机器人自身的刚度要求；4、在外骨骼手指康复机器人与患者手指接触的地方应用了硅胶软垫，保护了患者手指，防止患者手指的二次伤害。

(四)附图说明：

图1为本实用新型所涉一种外骨骼式手指康复机器人的整体结构框图。

图2为本实用新型所涉一种外骨骼式手指康复机器人控制单元部分的连接示意图。

图3为本实用新型所涉一种外骨骼式左手手指康复机器人的左侧结构示意图。

图4为本实用新型所涉一种外骨骼式左手手指康复机器人的右侧结构示意图。

图5为本实用新型所涉一种外骨骼式手指康复机器人中传动单元和执行单元的结构示意图。

其中，1为电机座；2为驱动电机；3为电机驱动轴；4为传动丝绳；5为转动轴I；6为连杆I；7为中关节座；8为手指MCP关节；9为齿轮I；10为齿轮II；11为转动轴II、12为连杆II；13为端点支撑座；14为手指MCP关节连接开槽；15为手指PIP关节；16为手指PIP关节连接开槽。

(五)具体实施方式：

实施例：一种新型外骨骼手指康复机器人(见图1)，其特征在于它包括控制单元、电机驱动单元、传动单元和执行单元；其中，所述控制单元的输入端接收附在患者健侧手指上的弯曲传感器产生的弯曲信号，其输出端与电机驱动单元的输入端连接；所述传动单元的输入端与电机驱动单元的输出端连接，其输出端与执行单元的输入端连接；所述执行单元的输出端与患者患侧手指接触，通过传递力使患者患侧手指进行动作。

所述控制单元(见图2)包括弯曲传感器、AD转换模块、单片机、LCD数显模块、电机驱动模块；其中，所述弯曲传感器的输入端接收健侧手指的弯曲角度信号，其输出端与AD转换模块连接；所述单片机的输入端接收AD转换模块的输出信号，其输出端与电机驱动模块及LCD数显模块的输入端连接。

所述电机驱动单元(见图3、图4)由电机座1、驱动电机2和电机驱动轴3构成；所述驱动电机的输入端与电机座连接，输出端与电机驱动轴连接；所述驱动电机安装在电机座上；所述驱动电机驱动轴安装在驱动电机上；所述电机座位于手掌背面部位；所述电机驱动轴与驱动电机之间呈过盈配合连接。

所述驱动电机是步进驱动电机，且安装在手掌背部，减小了整体机器人的尺寸。

所述驱动电机采用欠驱动方式，以实现对手指MCP关节、手指PIP关节和DIP关节的弯曲和伸展运动。

所述传动单元(见图4、图5)是由传动丝绳4、转动轴I5、连杆I6、中关节座7、齿轮I9、齿轮II10、转动轴II11、连杆II12和端点支撑座13构成；所述执行单元是由手指MCP关节8、手指PIP关节15、手指MCP关节连接开槽14及手指PIP关节连接开槽16构成；其中，所述转动轴I5与电机驱动轴3通过传动丝绳4形成微型钢丝绳传动结构；所述转动轴I5、连杆I6、中关节座7与手指MCP关节8形成四连杆机构；所述转动轴II11、连杆II12、端点支撑座13与手指PIP关节15形成第二个四连杆机构；所述齿轮I9和齿轮II10形成齿轮传动机构；所述手指MCP关节连接开槽14与中关节座7固定连接；所述手指PIP关节连接开槽16与端点支撑座13固定连接。

所述外骨骼手指康复机器人采用光敏树脂和硅胶材料。

所述外骨骼手指康复机器人采用钢丝绳传动方式，可适用于远距离传动。

所述外骨骼手指康复机器人与患者接触的地方采用弧形设计要求。

所述外骨骼手指康复机器人与患者手指接触的地方均有硅胶垫，减小对手指的损伤。