[發明專利]基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統及工作方法

有效

• 申請號: 201310749588.6
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN103750975A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 郭書祥;魏巍;張帆;趙芳;趙鑫;郭健;吉月輝;馬旭;丁新會;任心怡
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A61B5/0482
• 代理公司: 天津天麓律師事務所 12212
• 代理人: 王里歌

1.一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于它包括工作站、電機控制單元、外骨骼手指康復機器人、腦電電極、腦肌電分析單元、傳感器單元和人機交互界面；其中，所述工作站接收腦肌電分析單元和傳感器單元的輸出信號，其輸出端連接電機控制器的輸入端；所述外骨骼手指康復機器人的輸入端連接電機控制單元的輸出端，其輸出端將信號傳遞給患者；所述傳感器單元的輸入端接收患者的病原信號，其輸出端與工作站的輸入端連接；所述腦電電極的輸入端測取患者的腦電波信號，其輸出端連接腦肌電分析單元的輸入端；所述人機交互界面輸出感官信號給患者。

2.根據權利要求1所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于所述傳感器單元由彎曲傳感器和力傳感器構成，安裝在外骨骼手指康復機器人上。

3.根據權利要求1所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于所述工作站是能夠模擬現實環境及狀態的虛擬系統。

4.根據權利要求1所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于所述外骨骼手指康復機器人是由電機、驅動軸、手掌部分、轉動軸I、手指MCP關節、轉動軸II、轉動軸III、螺紋軸、手指PIP關節、轉動軸IV、手指DIP關節、傳動輪I、傳動輪II、傳動輪III、傳動輪IV、傳動輪V、平行槽軸、連接桿；其中，所述電機安裝在手掌部分；所述驅動軸通過頂絲與電機軸連接；所述平行槽軸與驅動軸連接；所述傳動輪V通過轉動軸I連接在手掌部分；所述傳動輪IV和傳動輪III通過轉動軸II和轉動軸III與手指MCP關節連接；所述傳動輪I通過轉動軸IV連接在手指PIP關節上；所述螺紋軸與傳動輪III通過鋼絲繩形成微型鋼絲繩傳動結構；所述傳動輪II通過螺紋連接固定在轉動軸III上；所述手指PIP關節和手指DIP關節之間依螺紋通過連接桿連接；所述手指DIP關節通過螺紋頂絲固定在轉動軸IV上。

5.根據權利要求4所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于所述傳動輪I、傳動輪II、傳動輪III、傳動輪IV和傳動輪V上均有寬度為1.5-2mm的用來與鋼絲繩進行配合的平行槽；

6.根據權利要求4所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于所述傳動輪I、傳動輪II、傳動輪III、傳動輪IV和傳動輪V之間通過鋼絲繩連接，形成微型鋼絲繩傳動結構。

7.根據權利要求4所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于所述手指MCP關節、手指PIP關節和手指DIP關節關節上有MCP關節連接開槽、手指PIP關節連接開槽和手指DIP關節連接開槽；所述開槽與尼龍搭扣帶配合安裝，將患者手指和外骨骼手指康復機器人進行連接；

所述外骨骼手指康復機器人的手指PIP關節部分有可調節滑槽，所述滑槽與螺釘配合安裝，根據患者的手指尺寸通過螺釘進行調節。

8.根據權利要求1所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統，其特征在于所述外骨骼手指康復機器人采用鋁合金和不銹鋼材料；

所述外骨骼手指康復機器人與患者接觸的地方呈弧形，且弧度滿足人體工學的設計要求。

9.一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統的工作方法，其特征在于它包括以下步驟：

①患者接受人機界面的視覺刺激：

人機交互界面發送視覺刺激信號給患者，使患者的大腦產生腦電信號；

②腦電信號的采集和傳輸：

通過穿戴在患者大腦的腦電電極采集患者的腦電信號，并將其傳遞給腦肌電分析單元，由腦肌電分析單元對腦電電極產生的信號進行分析，并將分析結果輸出給工作站；

③外骨骼手指康復機器人的運動：

工作站接受到信號，工作站通過電機控制單元驅動安裝在外骨骼手指康復機器人上的電機運動，控制外骨骼手指康復機器人，提供一個驅動力矩輔助患者執行康復訓練，促使其完成彎曲和伸展運動；

④患者康復信息的反饋：

傳感器單元的彎曲傳感器和力傳感器實時監測外骨骼手指康復機器人的運動情況，不斷采集人體的骨骼信息，進行康復訓練并保證訓練過程中的安全性，同時將康復訓練過程中的信息傳遞給工作站；

⑤康復訓練方法的優化：

患者可以根據工作站的虛擬系統看到自己的運動情況，獲取自己的運動信息，促使改變自己的腦電信號，并優化自己的康復訓練方法。

10.根據權利要求9所述一種基于腦電控制的外骨骼手指康復機器人系統的工作方法，其特征在于所述步驟③中外骨骼手指康復機器人運動有以下幾個步驟構成：

⑴外骨骼手指康復機器人主要采用電機驅動，電機帶動平行槽軸，通過鋼絲繩使傳動輪V轉動實現機器人手指MCP關節的彎曲；

⑵傳動輪V通過鋼絲繩帶動傳動輪IV和傳動輪III轉動，傳動輪III和螺紋軸配合實現機器人手指PIP關節彎曲；

⑶轉動軸III帶動傳動輪II轉動并通過鋼絲繩將運動傳遞給傳動輪I，使得轉動軸IV產生運動實現機器人手指DIP關節的彎曲；

⑷上述步驟⑴、⑵和⑶的關節彎曲信號將作為驅動力矩傳遞給患者，輔助患者執行康復訓練，促使其完成彎曲和伸展運動。