基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，包括欠驱动仿人手指、磁耦合接口、康复助力连接器、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统；欠驱动仿人手指采用驱动连杆驱动和驱动腱驱动混合驱动的方式，充分实现活动患者手指关节的需求。同时提供了上述基于肌电控制的可穿戴式助力手指的控制方法。本发明专利技术结构简单，重量轻，可靠性好。力传感器和位置传感器连接在驱动腱上，通过驱动腱的伸缩获得驱动手指运动所需的力和位置，为康复进程提供量化参考。本发明专利技术具有机械结构简单，成本低，操作，穿戴方便，便携性，人机交互性能好，可有效克服肌肉和关节刚度带来的阻碍，使患者获得有效的康复治疗，在手指康复等领域具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法
本专利技术涉及手指康复领域的助力机器人，具体是一种具备康复和助力两种特性的基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法。
技术介绍
据统计，中风在全世界范围内每年造成数百万人死亡，而且在未来几十年还会有加重的趋势，因而中风的预防和治疗深切影响着人们的生活质量水平。在大多数情况下，中风症状只影响身体一侧，及时的发现和合理的治疗是患者康复的重要保障。对于大多数中风病人，物理治疗(PT)和职能治疗(OT)是康复过程的基石。通常中风康复应尽可能立即开始，持续时间由数天至一年以上。大部分的功能恢复是在头几天和几周内，合理的运动训练治疗是关键。传统的康复训练由康复理疗师来完成，工作单调，持续时间长，另外一些传统康复设备无法使患者实时获得康复的效果，且缺乏便携性，只能固定在特定场合如医院等，会对医疗成本和患者的康复过程产生额外负担。手作为人最灵巧的功能单元，其康复治疗对恢复正常大脑控制功能起着重要作用，单纯依赖患者自己的康复运动难以起到快速康复的效果，在某些情况下需要理疗师协助康复训练。为了使患者积极进行康复训练，并能正常发挥双手功能，同时减轻理疗师的工作负担，提高康复效率，使患者和理疗师都能实时掌握康复进度，快速恢复正常的身体功能，基于生物反馈的智能化可穿戴式康复机器人可有效解决这一问题经过对现有技术文献查询：美国专利技术专利公开号：US20120059290A1，名称：手指康复可穿戴设备。通过电活性聚合物来协助手指肌肉的运动，机械设计结构简单，重量轻，穿戴方便，控制系统简单，患者手部负载小，但是该系统缺少生物反馈功能，无法实时获得康复效果。同时该结构设计负载能力差，不利于双手协调共同完成日常任务。中国专利技术专利公开号：一种微智能外骨骼手指康复机器人。该康复机器人采用四指结构设计，每个手指有2个自由度，通过一个电机驱动，但是人手指的康复是通过五个手指的运动提供，因而该设计缺少康复必须的机械结构，同时缺少助力功能，会加重手的负担，很难满足助力，完成作业的功能。另外，还缺少必须的佩戴接口，兼容性不足。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术上的不足，提供一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法，该助力手指基于生物反馈协作，应用于康复训练。本专利技术是通过以下技术方案实现的。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，包括欠驱动仿人手指6、磁耦合接口、康复助力连接器1、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统5；其中：所述康复助力连接器1包括一体连接的助力板f10和手掌接触面f11，所述欠驱动仿人手指6设置与手掌接触面f11的自由端端部，所述伺服电机和控制系统5分别设置于助力板f10上；所述手掌接触面f11与欠驱动仿人手指6之间设有用于患者配戴的磁耦合接口，所述肌电采集阵列用于采集肌电信号，并与控制系统5通信连接，所述控制系统5与伺服电机控制连接；所述欠驱动仿人手指6采用驱动腱和驱动连杆与伺服电机驱动连接；所述伺服电机包括第一伺服电机2、第二伺服电机3和第三伺服电机4；所述欠驱动仿人手指6包括拇指和四指，其中，所述拇指与第一伺服电机2和第二伺服电机3驱动连接，形成差动传动结构；所述四指与第三伺服电机4驱动连接。优选地，所述拇指包括第一拇指关节连杆x6、第二拇指关节连杆x7、第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2、第三锥齿轮x3、第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5，其中，所述第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7串联连接，并分别通过第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5与第一伺服电机2和第二伺服电机3相连接，所述第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2和第三锥齿轮x3形成差动锥齿轮传动机构，所述第三锥齿轮x3上依次连接有第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7，所述第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7通过第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5实现拇指的弯曲和伸展两个自由度；所述第一拇指关节连杆x6通过第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2和第三锥齿轮x3的传动转向控制内收和弯曲两个自由度。优选地，所述第一拇指关节连杆x6、第二拇指关节连杆x7、第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5形成双摇杆结构。优选地，所述四指包括四根连杆结构和驱动腱a1，其中，每一根连杆结构均包括：第一四指关节连杆a3、第二四指关节连杆a9、第三四指关节连杆a8、第一四指驱动连杆a2、第二四指驱动连杆(包括第二四指驱动连杆Ia4和第二四指驱动连杆IIa5)和第三四指驱动连杆(第三四指驱动连杆Ia6和第三四指驱动连杆IIa7)，所述第一四指关节连杆a3、第二四指关节连杆a9和第三四指关节连杆a8依次串联连接，并分别通过第一四指驱动连杆a2、第二四指驱动连杆、第三四指驱动连杆以及驱动腱a1与第三伺服电机4驱动连接；所述驱动腱a1通过第一四指驱动连杆a2驱动第一四指关节连杆a3，形成曲柄摇杆机构；所述第一四指关节连杆a3上连接有用于驱动第二四指关节连杆a9的第二四指驱动连杆，形成双摇杆机构；所述第三四指驱动连杆用于驱动第三四指关节连杆a8运动，曲柄摇杆机构、双摇杆机构、第三四指关节连杆a8和第三四指驱动连杆串联形成四指的欠驱动机构；所述第三伺服电机4的转轴上连接有码盘和减速器，所述减速器设有滑轮结构，所述滑轮结构与曲柄摇杆机构驱动连接；所述驱动腱上连接有力传感器p16和位置传感器，力传感器p16和位置传感器分别通过驱动腱的伸缩获得欠驱动仿人手指6运动所需的力和位置，为康复进程提供量化参考。优选地，所述驱动腱a1包括第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3、第四丝杠p4、第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7、第四滑轮p8、第五滑轮p12、第六滑轮p13、第七滑轮p14、第一柔性绳p9、第二柔性绳p10和第三柔性绳p11，其中，所述第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3和第四丝杠p4分别与四根连杆机构的第一四指驱动连杆a2相连接，所述第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7和第四滑轮p8分别与第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3和第四丝杠p4相连接，所述第一柔性绳p9通过第一滑轮p5和第二滑轮p6的中心与第五滑轮p12连接，所述第二柔性绳p10通过第三滑轮p7和第四滑轮p8的中心与第六滑轮p13连接，所述第三柔性绳p11通过第五滑轮p12和第六滑轮p13的中心与第七滑轮p14连接，所述力传感器p16通过第四柔性绳p15连接于第七滑轮p14上。优选地，所述第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7、第四滑轮p8、第五滑轮p12、第六滑轮p13和第七滑轮p14形成差动滑轮机构，实现四指的欠握紧和伸展运动。优选地，所述康复助力连接器1设有拇指和四指连接接口；所述助力板f10上还设有用于接收肌电信号的无线数据发送接收器；所述助力板f10设有用于固定的尼龙绷带。优选地，所述磁耦合接口包括永磁端n1和患者手指接入端n2，所述永磁端n1与欠驱动仿人手指的关节连杆连接，所述患者手指接入端n2通过可伸缩性橡胶套与患者手指连接。优选地，所述欠驱动仿人手指的拇指和四指上均设有磁耦合接入口m1、相邻手指关节连杆接口(前手指关节连杆接口m3和后手指关节连杆接口m4)和驱动连杆接口m5。优选地，所述驱动连杆上设有相邻驱动连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，包括欠驱动仿人手指、磁耦合接口、康复助力连接器、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统；其中：所述康复助力连接器包括一体连接的助力板和手掌接触面，所述欠驱动仿人手指设置与手掌接触面的自由端端部，所述伺服电机和控制系统设置于助力板上；所述手掌接触面与欠驱动仿人手指之间设有用于患者配戴的磁耦合接口，所述肌电采集阵列用于采集肌电信号，并与控制系统通信连接，所述控制系统与伺服电机控制连接；所述欠驱动仿人手指采用驱动腱和驱动连杆与伺服电机驱动连接；所述伺服电机包括第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机；所述欠驱动仿人手指包括拇指和四指，其中，所述拇指与第一伺服电机和第二伺服电机驱动连接，形成差动传动结构；所述四指与第三伺服电机驱动连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，包括欠驱动仿人手指、磁耦合接口、康复助力连接器、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统；其中：所述康复助力连接器包括一体连接的助力板和手掌接触面，所述欠驱动仿人手指设置与手掌接触面的自由端端部，所述伺服电机和控制系统设置于助力板上；所述手掌接触面与欠驱动仿人手指之间设有用于患者配戴的磁耦合接口，所述肌电采集阵列用于采集肌电信号，并与控制系统通信连接，所述控制系统与伺服电机控制连接；所述欠驱动仿人手指采用驱动腱和驱动连杆与伺服电机驱动连接；所述伺服电机包括第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机；所述欠驱动仿人手指包括拇指和四指，其中，所述拇指与第一伺服电机和第二伺服电机驱动连接，形成差动传动结构；所述四指与第三伺服电机驱动连接；所述拇指包括第一拇指关节连杆、第二拇指关节连杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆，其中，所述第一拇指关节连杆和第二拇指关节连杆串联连接，并分别通过第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆与第一伺服电机和第二伺服电机相连接，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮形成差动锥齿轮传动机构，所述第三锥齿轮上依次连接有第一拇指关节连杆和第二拇指关节连杆，所述第一拇指关节连杆和第二拇指关节连杆通过第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆实现拇指的弯曲和伸展两个自由度；所述第一拇指关节连杆通过第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮的传动转向控制内收和弯曲两个自由度；所述第一拇指关节连杆、第二拇指关节连杆、第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆形成双摇杆结构。2.根据权利要求1所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，所述四指包括四根连杆结构和驱动腱，其中，每一根连杆结构均包括：第一四指关节连杆、第二四指关节连杆、第三四指关节连杆、第一四指驱动连杆、第二四指驱动连杆和第三四指驱动连杆，所述第一四指关节连杆、第二四指关节连杆和第三四指关节连杆依次串联连接，并分别通过第一四指驱动连杆、第二四指驱动连杆、第三四指驱动连杆以及驱动腱与第三伺服电机驱动连接；所述驱动腱通过第一四指驱动连杆驱动第一四指关节连杆，形成曲柄摇杆机构；所述第一四指关节连杆上连接有用于驱动第二四指关节连杆的第二四指驱动连杆，形成双摇杆机构；所述第三四指驱动连杆用于驱动第三四指关节连杆运动，曲柄摇杆机构、双摇杆机构、第三四指关节连杆和第三四指驱动连杆串联形成四指的欠驱动机构；所述第三伺服电机的转轴上连接有码盘和减速器，所述减速器设有滑轮结构，所述滑轮结构与曲柄摇杆机构驱动连接；所述驱动腱上连接有力传感器和位置传感器，力传感器和位置传感器分别通过驱动腱的伸缩获得欠驱动仿人手指运动所需的力和位置信息。3.根据权利要求2所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，所述驱动腱包括第一丝杠、第二丝杠、第三丝杠、第四...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辰光，梁培栋，李智军，苏春翌，陈文元，宋嵘，顾捷，张群峰，
申请(专利权)人：华南理工大学，南京升泰元机器人科技有限公司，上海交通大学，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44