[发明专利]一种穿戴式手功能康复机器人及其控制系统

说明书

技术领域

本发明属于康复机器人技术，具体一种穿戴式手功能康复机器人及其控制系统。该机器人采用气动肌肉驱动、能够辅助患者进行患手多关节复合运动功能训练。本发明采用基于生物肌电生物反馈的智能控制，可对康复效果进行定量评估，采用增强现实技术充分发挥患者的主观能动性。

背景技术

近年脊椎损伤、脑外伤和中风等中枢神经系统损伤患者显著增加，上肢和手功能障碍是最常见的主要问题之一，患手功能恢复关系到患者的预后和生活质量。研究显示，90％神经学上的恢复出现在脑卒中后三个月内，康复介入得越早，功能恢复的可能性就越大，预后也越好。中枢神经系统具有高度的可塑性，实验表明，特定的功能训练在此过程中必不可少。众多的康复训练一般是按照神经发育的规律，先从肩关节开始、逐渐过渡到肘关节、腕关节和手指功能训炼，等到肩、肘、腕的关节功能恢复后再进行手功能训练往往已错过最佳康复治疗时间。因此，手部康复的重复功能训练应与上肢同时进行，以便有效利用发病后早期这段最佳治疗时间。越复杂的功能越难恢复，而人手多进行精细运动，神经支配复杂，运动功能障碍患者最容易“废用”的是手的运动功能，因此早期诱发手指功能训练对于患者运动功能的最终恢复十分重要。

临床上肢残疾患者的手功能障碍往往表现为屈曲挛缩，手的屈肌张力占优势，指间关节和掌指关节伸展困难，丧失握持、侧捏、对掌及对指等精细运动功能，因此痉挛是早期手功能训练的主要问题，康复治疗主要采取被动抑制痉挛的方法。目前临床上治疗师为病人进行康复训练时，手把手地对患者进行一对一的训练，活动患手的各关节，不仅训练效率和训练强度难以保证，训练效果受到治疗师水平的影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。

中国专利200420019014.X公开一种智能手部康复训练器，用于手指运动功能有待恢复的患者进行康复训练，它包括控制系统、电机驱动装置、五根柔索、五对传动软轴和五套手指运动机构。该装置结构简单，操作方便，成本低廉，可供患者自主地进行康复训练。

该装置的缺点是没有充分考虑人类肢体的特殊复杂性，从而使康复运动形式单一，自由度少，机构缺乏柔顺性，而且不能实现训练效果评估，也没有引入增强现实技术。

中国专利200520020314.4公开一种脑血管病人用的气压式康复手套，主要由气囊、阀门、充气装置等组成，对气囊进行规律性的充气和放气，达到辅助手部多关节进行被动伸屈运动的目的。

这种气压式康复手套尽管柔顺适合穿戴，但没有引入机器人技术，不算是一个智能康复系统，不能获取康复过程中的参数，不仅不能实现康复效果的评估，而且病人只是被动的接受康复训练，训练过程枯燥。

中国专利200410009465.X公开一种手腕及手指关节运动康复训练机器人，包括上位机、机器人固定卡具、手托、调速驱动装置、角度检测机构和各种用途的训练手柄，可针对不同的目的，设计控制方案，辅助偏瘫患者进行腕手关节的康复训练。

该装置的缺点是驱动执行机构不具柔顺性，不适合穿戴，也未引入生物反馈和增强现实技术提高患者主动参与康复训练的积极性。

发明内容

本发明的目的在于提供穿戴式手功能康复机器人，该机器人可辅助患手完成抓握、对掌和对指等动作，有效减轻水肿，避免肢体痉挛及非麻痹性肌肉萎缩，使运动尽可能达到协调和随意，提高活动自由度，使肢体功能得到好的恢复，缩短康复疗程，降低治疗费用；本发明还提供了该机器人的控制系统。

本发明提供的穿戴式手功能康复机器人，其特征在于：第一、第二气动肌肉的进气端均与机械手臂后端相连；

机械手臂前部安装有支撑滑轮架，支撑滑轮和第一压轮安装在支撑滑轮架上，支撑滑轮架前方安装有掌指关节转动副；掌指关节转动副前上方安装换向滑轮和第二压轮，下方安装可旋转的指托支架，在指托支架上安装有拉杆和分指托；拉杆上固定有刚性细绳，细绳穿过换向滑轮和第二压轮的间隙再穿过支撑滑轮和第一压轮的间隙，与第一气动肌肉的封闭端连接；掌指关节转动副前下方安装有紧贴手指背部的手指压片；掌指关节转动副与手指压片之间安装滑轨；

机械手臂的前方一侧安装有第一拇指套和第二拇指套，拇指支架的一端与机械手臂相连，中部和第二气动肌肉的封闭端相连，另一端与第二拇指套相连。

本发明提供的手功能康复机器人的控制系统，包括控制器、A/D采集卡、信号预处理电路、力传感器、角度传感器和电磁比例阀；