一种手功能康复训练机器人的制作方法

本发明涉及康复机器人技术领域，特别是涉及一种手功能康复训练机器人。

背景技术：

手是使人能够具有高度智慧的三大重要器官之一，也是人体中最为活跃的运动器官，在日常生活中，一个健康完整的手对于我们意义非凡。手部运动障碍主要包括脑卒中引起的上肢偏瘫、运动损伤以及意外损伤，且伴随着我国人口老龄化的加剧，脑卒中的发病率越开越高，造成大多数患者上肢偏瘫，主要表现为患侧呈屈曲姿势且手指保持握拳状态，严重影响了患者日常的生活。然而，在日常生活工作中手的关节、骨骼及神经也很容易受到伤害，严重的甚至导致手的功能性基本衰退，不能完成简单的抓取动作，对日常生活及工作造成很大的不便。

相关科学论证，大脑中枢神经具有可塑性，科学高效的运动方式有助于刺激大脑神经的恢复，这就提供了运动康复疗法的理论基础，而且康复科学也曾表明，重复的肢体运动可建立新的神经通道，患者可重获丧失的功能。目前现有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，这需要耗费大量的人力和物力，而且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。

根据英国南安普敦手评估协议，临床研究表明进行日常生活活动时，1个自由度的手腕的22个自由度的手是在功能上等同于1个自由度的手和2个自由度的手腕，而且有研究表明手的康复训练中打开和闭合最为重要，即抓取动作最为关键，其次才是各个手指关节的训练。

申请号为201310474052.8的专利，一种微智能外骨骼手指康复机器人，包括：手背部分、手指部分、钢丝传动机构、齿轮传动机构电机、连接轴、驱动轴、被动轴和弯曲传感器，在掌指关节(mcp关节)和近端指间关节(pip关节)处提供2个自由度，通过电机驱动方式带动钢丝传动机构和齿轮传动机构运动，以实现偏瘫患者手指的弯曲和伸展运动，并且弯曲传感器实时反馈手指的弯曲角度。其不足之处在于：1)不能用于拇指的康复，相关研究曾表明拇指对于日常生活手部的动作的重要性比例最大；2)机构复杂，智能硬件较多，成本较高；3)整个机构采用的都是刚性材料，自重较大，会给患者带来负担。

申请号为201510448216.9的专利，一种手指抓握康复训练装置，主要针对除拇指外四个手指的抓握训练，包括检测手指在作抓握训练时力矩的位置扭矩传感器和安装于电机上用于检测手指在作抓握训练时力矩的编码器，集成了康复训练及患者运动状态检测，能有效地评定康复训练的进度和效果，可实现手指抓握的主动训练和被动训练，不足之处在于：1、抓取动作没有拇指，即没有拇指驱动；2、对于电机或者控制故障，没有保护措施，对患者可能会造成伤害。

现有的手部康复机器人大多结构复杂，注重单根手指的自由度康复训练，驱动源多，自重较大，对于多自由度的手康复机器人，患者难以佩戴，而且对于手抓握动作来说，一般不涉及拇指的康复训练。

因此，如何改变现有技术中，手指康复装置无法用于拇指的康复训练的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种手功能康复训练机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使手指康复装置能够对拇指和其它手指同时进行康复训练。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种手功能康复训练机器人，包括：

腕部传动机构，所述腕部传动机构包括肘部保护套、腕部支撑壳体、腕部旋转轴、第一驱动电机，所述肘部保护套与所述腕部支撑壳体滑动连接，所述腕部旋转轴和所述第一驱动电机均设置于所述腕部支撑壳体内，所述腕部旋转轴与所述腕部支撑壳体转动连接，所述第一驱动电机能够驱动所述腕部旋转轴转动，所述腕部旋转轴与所述第一驱动电机传动相连，所述腕部旋转轴的轴线与所述肘部保护套和所述腕部支撑壳体的相对滑动方向相垂直；

手指驱动机构，所述手指驱动机构包括手指驱动支撑壳体、手部旋转轴、第二驱动电机，所述手部旋转轴和所述第二驱动电机均设置于所述手指驱动支撑壳体内，所述手部旋转轴与所述第二驱动电机转动相连，所述第二驱动电机能够驱动所述手部旋转轴转动，所述手部旋转轴的轴线与所述腕部旋转轴的轴线相平行；

所述腕部旋转轴与所述第一驱动电机之间、所述手部旋转轴与所述第二驱动电机之间均设置弹性件；

四连杆机构，所述四连杆机构包括支撑板、拇指连杆、四指连杆、中间连杆，所述拇指连杆上设置拇指护套，所述四指连杆上设置四指护套，所述拇指连杆与所述支撑板转动连接，所述中间连杆的一端与所述拇指连杆滑动连接，所述中间连杆的另一端与所述四指连杆转动相连，所述支撑板与所述腕部旋转轴相连，所述手部旋转轴穿过所述支撑板与所述四指连杆相连。

优选地，所述肘部保护套的底部设置滑块，所述腕部支撑壳体上设置滑轨，所述滑块可滑动地设置于所述滑轨上，所述滑块上连接有把手，转动所述把手能够固定所述滑块与所述滑轨的相对位置。

优选地，所述腕部旋转轴的一端设置上固定板，所述腕部旋转轴的另一端设置下固定板，所述上固定板和所述下固定板分别与所述腕部支撑壳体相连，所述上固定板和所述下固定板与所述腕部旋转轴之间均设置第一轴承座组件；所述腕部传动机构还包括第一外盖，所述第一外盖与所述腕部支撑壳体可拆卸连接。

优选地，所述腕部旋转轴的顶部伸出所述腕部支撑壳体并通过螺钉与所述支撑板相连，所述腕部旋转轴的底部连接有第一带轮，所述第一驱动电机的输出端连接有第二带轮，所述第一带轮和所述第二带轮通过第一线缆相连，所述第一线缆与所述弹性件相连；所述第一线缆分为两段，两段所述第一线缆的两端分别由所述弹性件相连，所述弹性件为两个并列设置的第一弹簧，所述弹性件位于所述第一带轮和所述第二带轮之间。

优选地，所述手部旋转轴的一端设置手部上固定板，所述手部旋转轴的另一端设置手部下固定板，所述手部上固定板和所述手部下固定板分别与所述手指驱动支撑壳体相连，所述手部上固定板和所述手部下固定板与所述手部旋转轴之间均设置第二轴承座组件；所述手指驱动机构还包括第二外盖，所述第二外盖与所述手指驱动支撑壳体可拆卸连接。

优选地，所述手部旋转轴的顶部伸出所述手指驱动支撑壳体并与所述四指连杆相连，所述手部旋转轴的底部连接有第三带轮，所述第二驱动电机的输出端连接有第四带轮，所述第三带轮和所述第四带轮通过第二线缆相连，所述第二线缆与所述弹性件相连；所述第二线缆分为两段，两段所述第二线缆的两端分别由所述弹性件相连，所述弹性件为两个并列设置的第二弹簧，所述弹性件位于所述第三带轮和所述第四带轮之间。

优选地，所述手指驱动机构还包括扭矩传感器，所述手部旋转轴包括手部上旋转轴和手部下旋转轴，所述手部上旋转轴和所述手部下旋转轴分别与所述扭矩传感器的顶部和底部相连，所述扭矩传感器位于所述手部上固定板和所述手部下固定板之间。

优选地，所述拇指连杆设置滑杆，所述中间连杆设置长孔，所述滑杆可滑动地设置于所述长孔中，所述支撑板上设置限位槽，所述滑杆穿过所述长孔伸入所述限位槽中。

优选地，所述拇指护套设置于所述拇指连杆上远离所述肘部保护套的一端，所述四指护套设置于所述四指连杆上远离所述肘部保护套的一端，所述肘部保护套、所述拇指护套和所述四指护套的横截面均为u形。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的手功能康复训练机器人，包括腕部传动机构、手指驱动机构和四连杆机构，四连杆机构分别与腕部传动机构和手指驱动机构相连，腕部传动机构能够驱动手指驱动机构和四连杆机构运动，手指驱动机构能够驱动四连杆机构运动，腕部传动机构设置肘部保护套，其中四连杆机构包括拇指连杆和四指连杆，拇指连杆上设置拇指护套，四指连杆上设置四指护套，使用者将手肘放置于肘部保护套位置，将拇指和其他手指放置于拇指护套和四指护套上，可以让使用者进行手腕的屈曲和伸展训练，通过四连杆机构实现手部抓握动作的康复训练，通过调节中间连杆与拇指连杆和四指连杆之间的相对位置改变手张开和闭合的角度；与此同时，本发明的手功能康复训练机器人，在腕部旋转轴和第一驱动电机之间、手部旋转轴和第二驱动电机之间均设置弹性件，在电机故障或控制错误的情况下可通过产生的阻尼对使用者手部提供保护，弹性件也进一步提高了人体手部康复的舒适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的手功能康复训练机器人的结构示意图；

图2为本发明的手功能康复训练机器人的腕部传动机构的剖切结构示意图；

图3为本发明的手功能康复训练机器人的腕部传动机构的俯视构示意图；

图4为本发明的手功能康复训练机器人的手指驱动机构的剖切结构示意图；

图5为本发明的手功能康复训练机器人的四连杆机构的结构示意图；

其中，1为腕部传动机构，2为四连杆机构，3为手指驱动机构，4为腕部支撑壳体，5为第一线缆，6为第一弹簧，7为肘部保护套，8为把手，9为上固定板，91为下固定板，10为第一轴承座组件，11为腕部旋转轴，12为第一带轮，13为第一外盖，14为平键，15为第一驱动电机，151为第一电机固定板，16为滑块，17为支撑板，18为四指连杆，19为四指护套，20为中间连杆，21为拇指护套，22为拇指连杆，23为手指驱动支撑壳体，24为第二驱动电机，25为第二电机固定板，26为第二外盖，27为第三地阿伦，28为第二线缆，29为第二弹簧，30为手部下旋转轴，31为第二轴承座组件，32为扭矩传感器，33为手部上旋转轴，34为手部上固定板，35为手部下固定板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种手功能康复训练机器人，以解决上述现有技术存在的问题，使手指康复装置能够对拇指和其它手指同时进行康复训练。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-5，其中，图1为本发明的手功能康复训练机器人的结构示意图，图2为本发明的手功能康复训练机器人的腕部传动机构的剖切结构示意图，图3为本发明的手功能康复训练机器人的腕部传动机构的俯视构示意图，图4为本发明的手功能康复训练机器人的手指驱动机构的剖切结构示意图，图5为本发明的手功能康复训练机器人的四连杆机构的结构示意图。

本发明提供一种手功能康复训练机器人，包括：

腕部传动机构1，腕部传动机构1包括肘部保护套7、腕部支撑壳体4、腕部旋转轴11、第一驱动电机15，肘部保护套7与腕部支撑壳体4滑动连接，腕部旋转轴11和第一驱动电机15均设置于腕部支撑壳体4内，腕部旋转轴11与腕部支撑壳体4转动连接，第一驱动电机15能够驱动腕部旋转轴11转动，腕部旋转轴11与第一驱动电机15传动相连，腕部旋转轴11的轴线与肘部保护套7和腕部支撑壳体4的相对滑动方向相垂直；肘部保护套7与腕部支撑壳体4滑动连接，便于使用者根据自身情况调整肘部保护套7与手指驱动机构3之间的距离，第一驱动电机15能够驱动腕部旋转轴11转动。

手指驱动机构3，手指驱动机构3包括手指驱动支撑壳体23、手部旋转轴、第二驱动电机24，手部旋转轴和第二驱动电机24均设置于手指驱动支撑壳体23内，手部旋转轴与第二驱动电机24转动相连，第二驱动电机24能够驱动手部旋转轴转动，手部旋转轴的轴线与腕部旋转轴11的轴线相平行；第二驱动电机24能够驱动手部旋转轴转动。

腕部旋转轴11与第一驱动电机15之间、手部旋转轴与第二驱动电机24之间均设置弹性件；相当于在驱动源和执行件之间加入弹性致动器，在电机故障或控制错误的情况下可通过产生的阻尼对使用者手部提供保护，弹性件也进一步提高了人体手部康复的舒适性。

四连杆机构2，四连杆机构2包括支撑板17、拇指连杆22、四指连杆18、中间连杆20，拇指连杆22上设置拇指护套21，四指连杆18上设置四指护套19，拇指连杆22与支撑板17转动连接，中间连杆20的一端与拇指连杆22滑动连接，中间连杆20的另一端与四指连杆18转动相连，支撑板17与腕部旋转轴11相连，手部旋转轴穿过支撑板17与四指连杆18相连。手部旋转轴能够带动四指连杆18运动，进而驱动四连杆机构2，实现手部抓握动作的康复训练，通过调节中间连杆20与拇指连杆22和四指连杆18之间的相对位置改变手张开和闭合的角度，且连杆机构结构简单，运动稳定。

其中，肘部保护套7的底部设置滑块16，腕部支撑壳体4上设置滑轨，滑块16可滑动地设置于滑轨上，便于调整肘部保护套7的位置，以适应不同患者的臂长，滑块16上连接有把手8，转动把手8能够固定滑块16与滑轨的相对位置，通过把手8可便捷地调整肘部保护套7的位置，调整到合适位置后，可利用把手8固定肘部保护套7。

具体地，腕部旋转轴11的一端设置上固定板9，腕部旋转轴11的另一端设置下固定板91，上固定板9和下固定板91分别与腕部支撑壳体4相连，上固定板9和下固定板91与腕部旋转轴11之间均设置第一轴承座组件10；腕部传动机构1还包括第一外盖13，第一外盖13与腕部支撑壳体4可拆卸连接，便于拆装以及后期维护。第一驱动电机15与腕部支撑壳体4之间设置第一电机固定板151，第一电机固定板151能够支撑第一驱动电机15，提高第一驱动电机15的稳定性。

另外，腕部旋转轴11的顶部伸出腕部支撑壳体4并通过螺钉与支撑板17相连，腕部旋转轴11的底部连接有第一带轮12，腕部旋转轴11通过平键14与第一带轮12相连，第一驱动电机15的输出端连接有第二带轮，第一带轮12和第二带轮通过第一线缆5相连，第一线缆5与弹性件相连；在本具体实施方式中，第一线缆5分为两段，两段第一线缆5的两端分别由弹性件相连，弹性件为两个并列设置的第一弹簧6，弹性件位于第一带轮12和第二带轮之间。

更具体地，手部旋转轴的一端设置手部上固定板34，手部旋转轴的另一端设置手部下固定板35，手部上固定板34和手部下固定板35分别与手指驱动支撑壳体23相连，手部上固定板34和手部下固定板35与手部旋转轴之间均设置第二轴承座组件31；手指驱动机构3还包括第二外盖26，第二外盖26与手指驱动支撑壳体23可拆卸连接，便于拆装以及后期设备维修养护。

进一步地，手部旋转轴的顶部伸出手指驱动支撑壳体23并与四指连杆18相连，手部旋转轴的底部连接有第三带轮27，第二驱动电机24的输出端连接有第四带轮，第三带轮27和第四带轮通过第二线缆28相连，第二线缆28与弹性件相连；在本具体实施方式中，第二线缆28分为两段，两段第二线缆28的两端分别由弹性件相连，弹性件为两个并列设置的第二弹簧29，弹性件位于第三带轮27和第四带轮之间。第二驱动电机24与手指驱动支撑壳体23之间还设置第二电机固定板25，用于支撑第二驱动电机24。

为了精确测量手关节张合力，手指驱动机构3还设置了扭矩传感器32，手部旋转轴包括手部上旋转轴33和手部下旋转轴30，手部上旋转轴33和手部下旋转轴30分别与扭矩传感器32的顶部和底部相连，扭矩传感器32位于手部上固定板34和手部下固定板35之间。本发明的手功能康复训练机器人，为了便于测量手关节张合力设置了扭矩传感器32，实际应用中，为了便于接收扭矩传感器32以及对其进行控制，需要设置编码器、控制器等相关装置，因设置相关装置属于本领域技术人员的常用技术手段，且本发明并不涉及对于控制部分所作改进，因此不再赘述。

本发明为了限制拇指连杆22与四指连杆18的相对极限位置，拇指连杆22设置滑杆，中间连杆20设置长孔，滑杆可滑动地设置于长孔中，便于控制手部张开闭合的极限角度；另外，在支撑板17上设置限位槽，滑杆穿过长孔伸入限位槽中，限制了拇指连杆22和四指连杆18相对于支撑板17的极限位置，进一步提高了手功能康复训练的安全性。

更进一步地，拇指护套21设置于拇指连杆22上远离肘部保护套7的一端，四指护套19设置于四指连杆18上远离肘部保护套7的一端，肘部保护套7、拇指护套21和四指护套19的横截面均为u形，为人体肘部以及手部提供保护，在实际应用中，还可以在肘部保护套7、拇指护套21和四指护套19的内侧面设置柔性防护层，提高舒适性，提升用户体验。

本发明的手功能康复训练机器人，使用时，首先将患者的手臂和手指分别固定在肘部护套，四指护套19以及拇指护套21上，其中肘部护套相对于腕部的位置可以根据患者的手臂长短进行调节；然后手指驱动机构3和腕部驱动机构分别用于驱动手指的张合和腕部的屈曲和伸展。手指驱动机构3通过第二驱动电机24、第二线缆28、第二弹簧29和第三带轮27驱使四连杆机构2产生运动，从而可以锻炼患者进行手指张合康复训练；其中四连杆机构2的中间连杆20相对于四指连杆18和拇指连杆22的位置可调，来改变不同患者的锻炼难度。同时，手指驱动机构3中扭矩传感器32可以检测手指张合的强度，以便于评估和调整患者康复训练的策略。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。