形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置及方法与流程

本发明涉及手指康复训练装置领域，具体是一种形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置及方法。

背景技术：

随着我国人口的老龄化，脑卒中、偏瘫等疾病的患者逐渐增多，这类疾病会导致手部肌肉萎缩，若不及时治疗，便会影响手指功能的使用。工人们在从事各种各样的作业时，需要手指频繁的抓取东西，倘若出现意外状况，便会对手指造成伤害。手指是人体重要的部位，一旦出现损伤，对生活和工作的影响非常大，从而给家庭和社会带来负担。

在传统的手指康复训练中，大多是医生一对一的辅导患者进行康复训练，这样的康复训练方式既增加了患者的成本，也浪费了医生的时间。其治疗效果与医生的经验和水平有很大关系，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，无法对训练参数进行优化以获得最佳的治疗方案。况且在人口老龄化的今天，没有更多的医生来对患者进行一对一的辅导。因此，开发辅助手指损伤患者运动功能的康复训练装置具有巨大的实际应用价值。

公开号为cn103735389b的中国专利申请公开了一种手指间协调性训练康复装置，公开号为cn103750980b的中国专利申请公开了一种用于病人偏瘫手指的辅助康复训练装置，这些装置对手指的康复训练起到了一定的作用，但仍存在一些问题：（1）上述两种装置都是利用电机驱动，稳定性和安全性较差，一旦出现故障，容易对手指造成二次伤害；（2）上述两种装置都没有对人的全部手指进行康复训练，而是仅仅对一根或三根手指进行康复训练，训练效果并不充分。因此，有必要发明一种手指康复训练装置，使其既能够满足单根手指的康复训练，又能满足五根手指协调康复训练，同时将主动训练与被动训练有机结合，提高康复训练的效率与效果，并且保障康复训练的安全性。

技术实现要素：
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置及方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置，其特征在于：包括立向设置的框架，框架中设有水平的隔板，以该隔板作为支撑手掌的固定平台，框架内顶部向前超出固定平台前侧位置转动安装有五个第一滑轮，五个第一滑轮分别与手掌五指一一对应，其中对应于拇指的第一滑轮位置位于对应于四指的四个第一滑轮后方，框架内底部向前超出固定平台前侧位置转动安装有五个第二滑轮，五个第二滑轮分别与手掌五指一一对应，其中对应于拇指的第二滑轮位置位于对应于四指的四个第二滑轮后方，所述框架内顶部位于每个第一滑轮后方还分别转动安装有第三滑轮，框架内顶部位于五个第三滑轮后方左、右侧分别连接有导向环，导向环数量共五个，框架内位于固定平台下方转动安装有中心轴沿左右水平方向设置的旋转轴；

还包括分别套在手掌五指的指套，指套上端连接有上钢丝绳，指套下端连接有下钢丝绳，每个指套上端连接的上钢丝绳分别向上绕过手指对应的第一滑轮再向后绕过对应的第三滑轮，五个绕过第三滑轮的上钢丝绳再一一对应穿过导向环后继续向下延伸并固定在旋转轴上，由导向环将五个上钢丝绳导向左右侧以避开手臂，并使五个上钢丝绳分别固定在旋转轴上左、右侧；每个指套下端连接的下钢丝绳分别向下绕过手指对应的第二滑轮后，再分别向后延伸并固定在旋转轴中间；

所述框架一侧设有磁流变阻尼器和带轮，磁流变阻尼器通过内部转子与旋转轴连接，旋转轴与带轮通过键连接，带轮上缠绕有钢丝绳，钢丝绳一端通过竖直的形状记忆合金丝与框架底部连接，钢丝绳另一端通过竖直的形状记忆合金弹簧与框架底部连接。

所述的形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置，其特征在于：还包括计算机、数据采集板卡、d/a转换器、电流控制器、角度传感器和a/d转换器，其中角度传感器安装在旋转轴上，角度传感器的信号输出端与a/d转换器的输入端连接，a/d转换器的输出端与数据采集板卡连接，数据采集板卡与计算机连接，数据采集板卡还与d/a转换器的输入端连接，d/a转换器的输出端与电流控制器连接，电流控制器的输出端分别与磁流变阻尼器、形状记忆合金丝、形状记忆合金弹簧连接。

所述的形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置，其特征在于：固定平台前侧对应拇指放置位置设有一挖空的矩形槽，以防止阻碍拇指康复训练。

所述的形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置，其特征在于：与五指对应的第一滑轮安装在当五指伸展为水平时，每个手指上指套正上方的框架内顶部位置。

所述的形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置，其特征在于：与五指对应的第二滑轮安装在当五指抓握处于最低位置时，每个手指上指套下方的框架内底部位置。

所述的形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置，其特征在于：旋转轴上有十个开口槽，每个上钢丝绳、下钢丝绳在空间上都与旋转轴的中心轴线垂直，上、下钢丝绳一一对应绕进并固定在旋转轴的开口槽内，且上钢丝绳、下钢丝绳缠绕进开口槽的长度大于手指抓握和伸展行程的长度。

一种形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置的训练方法，其特征在于：包括被动训练方法和主动训练方法，其中：

被动训练方法包括如下步骤：

步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器、形状记忆合金丝和形状记忆合金弹簧均处于失电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；

步骤二：由计算机发出指令向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器的输出电流，控制电流控制器向形状记忆合金丝通电使其达到相变温度，形状记忆合金丝开始收缩拉动钢丝绳，带动带轮逆时针转动，带轮带动旋转轴逆时针转动，从而下钢丝绳绕进旋转轴上的开口槽，上钢丝绳绕出旋转轴上的开口槽，下钢丝绳带动手指开始向下作抓握动作，同时角度传感器采集旋转轴转动的角度信号；

步骤三：所采集的角度信号经a/d转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得磁流变阻尼器中需要输入的电流值，调整旋转轴的转速；

步骤四：根据步骤三求得的磁流变阻尼器控制电流值，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器向磁流变阻尼器的输出电流，磁流变阻尼器向旋转轴提供阻尼力，以保证旋转轴以恒定的角速度转动；

步骤五：重复步骤三和步骤四使得手指抓握过程以稳定的速度进行直至抓握动作结束；

步骤六：由计算机发出指令向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器，停止电流控制器向形状记忆合金丝通入电流，形状记忆合金丝开始冷却，逐渐恢复原状，此时形状记忆合金弹簧起偏置弹簧的作用，形状记忆合金弹簧拉动钢丝绳，带动带轮作顺时针转动，带轮带动旋转轴顺时针转动，从而下钢丝绳绕出旋转轴上的开口槽，上钢丝绳绕进旋转轴上的开口槽，上钢丝绳带动手指开始向上作伸展动作，同时角度传感器采集旋转轴转动的角度信号；

步骤七：重复步骤三和步骤四使得手指伸展过程以稳定的速度进行直至伸展动作结束；

步骤八：重复步骤二～步骤七，直至被动训练结束，由计算机发出停机指令，关闭传感与控制系统，停止信号采集与数据处理；

主动训练方法包括如下步骤：

步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器、形状记忆合金丝和形状记忆合金弹簧均处于失电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；

步骤二：由计算机发出指令，向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器，控制电流控制器向形状记忆合金弹簧通电使其达到相变温度，形状记忆合金弹簧开始伸长，此时形状记忆合金丝、钢丝绳和形状记忆合金弹簧三者的连接整体处于松弛状态，在主动训练阶段，手指驱动机构不起作用；

步骤三：患者手指开始主动向下作抓握动作，手指带动上钢丝绳从旋转轴上绕出，带动旋转轴作逆时针转动，从而带动下钢丝绳从旋转轴上绕进，角度传感器采集旋转轴转动的角度信号；

步骤四：所采集的角度信号经a/d转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得磁流变阻尼器中需要输入的电流值，使得手指在抓握过程中感受到阻尼力，根据手指康复效果，调整通入电流大小直至手指抓握行程结束；

步骤五：患者手指开始主动向上作伸展动作，手指带动下钢丝绳从旋转轴上绕出，带动旋转轴作顺时针转动，从而带动上钢丝绳从旋转轴上绕进，角度传感器采集旋转轴转动的角度信号；

步骤六：所采集的角度信号经a/d转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得磁流变阻尼器中需要输入的电流值，使得手指在抓握过程中感受到阻尼力，根据手指康复效果，调整通入电流大小直至手指伸展行程结束；

步骤七：重复步骤二～步骤六，直至主动训练结束，由计算机发出停机指令，关闭传感与控制系统，停止信号采集与数据处理。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置及方法，适用于手指偏瘫患者或手指损伤患者五指主/被动协调康复训练。具有以下有益效果：

（1）形状记忆合金具有“记忆”功能，定位精度高，手指抓握和伸展的行程不会因训练时间的长久而发生改变，有效的保证了手指康复训练的效果；

（2）形状记忆合金具有单位重量的输出力大、动作无噪声、抗疲劳性能好、寿命长以及易于控制等优点，用其制成的驱动器，结构简单、控制灵活、动作连续柔和，从而有效保障了手指康复训练的效率与安全性；

（3）磁流变阻尼器具有功耗少、阻尼力大、响应速度快、结构简单等优点。在被动康复训练时，由磁流变阻尼器为旋转轴实时提供阻尼力，同时结合角度传感器实时测量旋转轴转动的角度，为旋转轴提供一个稳定的角速度，从而带动手指平稳的进行抓握和伸展动作，这样有利于手指更好的康复训练；在主动康复训练时，由磁流变阻尼器为手指主动运动提供合适的阻尼力，训练手指的肌力强度，有利于提高手指康复训练效果；

（4）绳索具有柔顺性，采用钢丝绳牵引手指进行康复训练，相比较外骨骼式的手指康复训练装置，其惯性小、结构简单、重量轻，更具有安全性；

（5）该装置可以满足五指同时进行协调性康复训练的要求，提高了康复训练效率，缩短了康复周期。

附图说明

图1是本发明手指康复训练装置结构图。

图2是本发明手指康复训练装置主视图。

图3是本发明去除框架右支撑板的手指康复训练装置结构图。

图4是本发明手指康复训练控制原理框图。

图5是本发明手指被动康复训练流程图。

图6是本发明手指主动康复训练流程图。

具体实施方式

本发明实施例包括：

如图1所示，一种形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练装置，包括立向设置的框架1、用于支撑手掌的固定平台15、手指驱动机构、手指康复训练机构以及传感与控制系统，其中：框架1固定在工作台面上，固定平台15用于支撑手掌，固定平台15放置拇指的地方有一挖空的矩形槽，以防止阻碍拇指康复训练。

如图1和如图2所示，手指驱动机构包括一个带轮13、一根钢丝绳5、一根形状记忆合金丝11、一根形状记忆合金弹簧12。带轮13装在旋转轴14上，钢丝绳5绕过带轮13的槽，形状记忆合金丝11一端连接钢丝绳5，形状记忆合金丝11另一端固定在框架1的底部，形状记忆合金弹簧12一端连接钢丝绳5，形状记忆合金弹簧12另一端固定在框架1的底部，形状记忆合金弹簧12开始处于原长；

如图1和如图3所示，手指康复训练机构包括上钢丝绳5-1、下钢丝绳5-2、用于绑定手指的指套7（上下两端有连接绳子的小孔）、第一滑轮2、第二滑轮3、第三滑轮4、导向环17、旋转轴14以及磁流变阻尼器10。其中：上钢丝绳5-1、下钢丝绳5-2、第一滑轮2、第二滑轮3、第三滑轮4、导向环17、指套7的数量均为五个，旋转轴14一个，磁流变阻尼器10一个；所述各手指6对应的第一滑轮2安装在当手指6伸展为水平时，各指套7正上方的框架1顶部；所述各手指6对应的第二滑轮3安装在当手指6抓握为最低位置时对应的框架1的底部；所述导向环17固定在框架1的顶部，用于将拉动各手指6的上钢丝绳5-1导向框架1的两侧，防止与手臂19触碰；各手指6对应的第三滑轮4安装在框架1的顶部，处于第一滑轮2和导向环17之间；旋转轴14通过滚子轴承8安装在框架1上，旋转轴14上有十个开口槽9，每个上钢丝绳5-1、下钢丝绳5-2在空间上都与旋转轴14的轴线垂直，且能正确的绕进和绕出对应的开口槽9，这样确保了上钢丝绳5-1、下钢丝绳5-2能够自然的绕进和绕出开口槽9；所述上钢丝绳5-1一端连接在指套7上面的小孔处，上钢丝绳5-1依次穿过第一滑轮2、第三滑轮4和导向环17上面的小孔，上钢丝绳5-1的另一端顺时针缠绕在旋转轴14上的开口槽9里；下钢丝绳5-2的一端连接在指套7下面的小孔处，下钢丝绳5-2穿过第二滑轮3上面的小孔逆时针缠绕在旋转轴14上的开口槽9里；上钢丝绳5-1、下钢丝绳5-2均处于张紧状态，且上钢丝绳5-1、下钢丝绳5-2缠绕进开口槽9的长度大于手指6抓握和伸展行程的长度；磁流变阻尼器10装在旋转轴14上。

如图2和如图4所示，传感与控制系统包括角度传感器18、电流控制器、d/a转换器、a/d转换器、数据采集板卡和计算机。角度传感器18装在旋转轴14的一端。

一种形状记忆合金驱动的绳牵引式手指康复训练方法，包括被动训练方法和主动训练方法。其中：

如图5所示，所述被动训练方法，具体实施步骤如下：

步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器10、形状记忆合金丝11和形状记忆合金弹簧12均处于失电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；

步骤二：由计算机发出指令向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器的输出电流，控制电流控制器向形状记忆合金丝11通电使其达到相变温度，形状记忆合金丝11开始收缩拉动钢丝绳5，带动带轮13逆时针转动，带轮13带动旋转轴14逆时针转动，从而下钢丝绳5-2绕进旋转轴14上的开口槽9，上钢丝绳5-1绕出旋转轴14上的开口槽9，下钢丝绳5-2带动手指6开始向下作抓握动作，同时角度传感器18采集旋转轴14转动的角度信号；

步骤三：所采集的角度信号经a/d转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得磁流变阻尼器10中需要输入的电流值，调整旋转轴14的转速；

步骤四：根据步骤三求得的磁流变阻尼器10控制电流值，由计算机向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器向磁流变阻尼器10的输出电流，磁流变阻尼器10向旋转轴14提供阻尼力，以保证旋转轴14以恒定的角速度转动；

步骤五：重复步骤三和步骤四使得手指6抓握过程以稳定的速度进行直至抓握动作结束；

步骤六：由计算机发出指令向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器，停止电流控制器向形状记忆合金丝11通入电流，形状记忆合金丝11开始冷却，逐渐恢复原状，此时形状记忆合金弹簧12起偏置弹簧的作用，形状记忆合金弹簧12拉动钢丝绳5，带动带轮13作顺时针转动，带轮13带动旋转轴14顺时针转动，从而下钢丝绳5-2绕出旋转轴14上的开口槽9，上钢丝绳5-1绕进旋转轴14上的开口槽9，上钢丝绳5-1带动手指6开始向上作伸展动作，同时角度传感器18采集旋转轴14转动的角度信号；

步骤七：重复步骤三和步骤四使得手指6伸展过程以稳定的速度进行直至伸展动作结束；

步骤八：重复步骤二～步骤七，直至被动训练结束，由计算机发出停机指令，关闭传感与控制系统，停止信号采集与数据处理。

如图6所示，所述主动训练方法，具体实施步骤如下：

步骤一：进行系统初始化，磁流变阻尼器10、形状记忆合金丝11和形状记忆合金弹簧12均处于失电状态，同时由计算机发出指令开启传感与控制系统；

步骤二：由计算机发出指令，向数据采集板卡输出控制信号，经d/a转化器后控制电流控制器，控制电流控制器向形状记忆合金弹簧12通电使其达到相变温度，形状记忆合金弹簧12开始伸长，此时形状记忆合金丝11、钢丝绳5和形状记忆合金弹簧12三者的连接整体处于松弛状态，在主动训练阶段，手指驱动机构不起作用；

步骤三：患者手指6开始主动向下作抓握动作，手指6带动上钢丝绳5-1从旋转轴14上绕出，带动旋转轴14作逆时针转动，从而带动下钢丝绳5-2从旋转轴14上绕进，角度传感器18采集旋转轴14转动的角度信号；

步骤四：所采集的角度信号经a/d转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得磁流变阻尼器10中需要输入的电流值，使得手指6在抓握过程中感受到阻尼力，根据手指康复效果，调整通入电流大小直至手指抓握行程结束；

步骤五：患者手指6开始主动向上作伸展动作，手指6带动下钢丝绳5-2从旋转轴14上绕出，带动旋转轴14作顺时针转动，从而带动上钢丝绳5-1从旋转轴14上绕进，角度传感器18采集旋转轴14转动的角度信号；

步骤六：所采集的角度信号经a/d转换器后输入数据采集板卡，由计算机求得磁流变阻尼器10中需要输入的电流值，使得手指6在抓握过程中感受到阻尼力，根据手指康复效果，调整通入电流大小直至手指伸展行程结束；

步骤七：重复步骤二～步骤六，直至主动训练结束，由计算机发出停机指令，关闭传感与控制系统，停止信号采集与数据处理。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。