手外骨骼
阅读：786发布：2020-05-11
专利汇可以提供手外骨骼专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种具有至少三个自动单元的手 外骨骼 装置。一者用于与拇指附接，并且具有用于与远节指骨和近节指骨附接的两个元件。其他两者每一个具有三个元件，用于与食指和中指的远节指骨、中节指骨和近节指骨附接。每个自动单元的元件通过合适的 硬件 互相连接，产生元件的相对 角 度运动，该运动的旋 转轴 基本与使用者的指间关节运动的 旋转轴 吻合。驱动机构与交互的硬件相关联，以能够在两个相对的方向中的任一个方向上调整两个元件。 传感器 感测每对元件中的一个元件相对于另一个元件的角度 定位 或者 力 。计算机 控制器 通过相关联的驱动机构来控制每对元件的运动。，下面是手外骨骼专利的具体信息内容。
1.一种手外骨骼装置，其包括，
至少三个自动单元，各用于与使用者手的拇指、食指和中指中的每一者附接，并且其中用于附接至拇指的自动单元具有至少两个元件，这两个元件用于附接至拇指的远节指骨和近节指骨，并且用于附接至食指和中指的两个自动单元中的每一个都具有三个元件，这三个元件用于附接至相关手指的远节指骨、中节指骨和近节指骨，其中每个自动单元的元件通过合适的硬件与下一个相邻的元件互相连接，产生元件的相对角度运动，该运动的旋转轴基本与患者的相关指间关节运动的旋转轴吻合；
驱动机构，其与每一对互相连接的元件的交互硬件相关联，因而能够通过操作驱动机构而在两个相对方向上的每一者上调整一个元件相对另一个元件的角度定位；
传感器，所述传感器与每对元件之间交互相关，用于感测那对元件中的一个元件相对于另一个元件的角度定位或者力；以及
计算机控制器，以控制器从相关数据库接收的预定输入信息为依据，并以从传感器接收的输入信息为基础，所述计算机控制器通过相关联的驱动机构来控制每对元件的运动。
2.如权利要求1所述的手外骨骼装置，其中，每一自动单元的每一元件具有拱形横截面，用于将相关的手指或者拇指的背面与带形式的附接件接合，所述附接件用于牢固附接每一元件和与其相关的手指的指骨部分或者拇指的指骨部分。
3.如权利要求1或2任一项所述的手外骨骼装置，其中，互相连接相邻元件的所述合适的硬件为刚性连接系。
4.如权利要求3所述的手外骨骼装置，其中，一个所述刚性连接系具有四个连杆，从而使得驱动机构的运动产生手指指骨或者拇指指骨的角度运动，所述角度运动基本绕特定关节的旋转轴。
5.如上述权利要求中任一项所述的手外骨骼装置，其中，所述传感器为角度传感器。
6.如上述权利要求中任一项所述的手外骨骼装置，其中，所述传感器为基于分压器形式的电阻式传感器。
7.如上述权利要求中任一项所述的手外骨骼装置，其中，所述装置配置为具有使用能力，以形成手写康复所需要的驱动的三角支架握型。
8.如上述权利要求中任一项所述的手外骨骼装置，其中，所述装置力图控制和辅助三角支架手写活动所需要的在拇指、食指和中指处的五个驱动自由度的动作。
9.如上述权利要求中任一项所述的手外骨骼装置，其中，能够向自动单元增加附加的元件，用作与拇指、食指和中指的指骨关节和掌骨关节的匹配件。
10.如上述权利要求中任一项所述的手外骨骼装置，其中，设置一个或者两个附加的自动单元，用于无名指以及手腕(建模为一个两自由度单元)。
11.如权利要求10所述的手外骨骼装置，其中，用于无名指的自动单元配置为，支持四脚支架手写握持形式、筒形抓取形式或者指状握持形式。
手外骨骼
技术领域
[0001] 本发明涉及手外骨骼装置，其尤其用于辅助中风患者和手指动作控制受限或者受损的其他人的手写恢复。本发明更特别地涉及这样一种手外骨骼装置，其被自动控制而指导或者辅助用于多种目的的手指动作，尤其是手写或者操作键盘。
背景技术
[0002] 已经开发了几种手外骨骼装置，其提供有限的用于简单抓取和释放任务的功能。这些手外骨骼装置具有不高的精准度，并且其已经被用于评估在人体治疗上使用手外骨骼装置的临床意义。已经开展了几项使用自动机械控制的手外骨骼装置的研究，该研究应用神经重连接(大脑重映射和重组织)功能帮助中风患者重获失去的良好的手运动技能。
[0003] 申请人不知晓任何市场上能买到的、用于中风幸存者的专用的手写辅助康复装置。手写康复一般由受过训练的治疗专家指导，辅助患者的手完成手写任务，纠正手指动作。在这个过程中辅以简单的夹板装置和字符模板。然而，治疗专家的疲劳程度限制了可实施的训练时间量。
[0004] 可选的手写康复技术包括触觉装置，其通过向使用者施加力、振动或者动作而利用触感，这种触觉装置主要被设计用于远程外科手术和电脑游戏应用。能够根据商品名称Phantom Premium Haptic Device而从市场上买到这样一种装置。
[0005] 已经将这种触觉装置应用在手写康复上。然而，研究表明没有能实施长期康复的临床证据。该装置不是很适合运动技能受限的患者(例如中风幸存者)的手写康复。现有的手写触觉装置在单点对象(钢笔或者铅笔)上重复手写的连贯动作，这不能够充分模拟存在于人手的自然的手写过程。
[0006] 国际专利申请WO 95/10396公开描述了一种手外骨骼装置，该手外骨骼装置作为人类操作者与机器或者电脑之间的高级对接装置，能够被操作而向使用其的生理单元提供力反馈。能够操作上述装置而向机器传递操作者的末端生理单元的构造信息，并且向操作者身体的至少一个部分提供力反馈的感觉。该装置通过电缆和带轮并采用电动马达驱动，并且仅仅提供不可扩展的弯曲，也就是说，该装置仅仅在要求使用者的动作对抗使装置恢复常规状态的一个方向上施力。该装置允许具有相似的手尺码的多位使用者使用同一装置，而不进行人工调整，并且该装置很适合对触觉反馈装置的设计应用，该触觉反馈装置向使用者提供额外的信息。这种弯曲约束妨碍了良好的手运动动作。由于产生的辅助力不足以辅助患者变弱的手部肌肉力量，因此所描述的装置不适合用于康复。对于手写康复，该装置不能提供要求的感应精度和动作精度或者手写任务所需的高操作速度。
[0007] 相反地，康复装置需要提供辅助，并且在一些情况下，需要执行大量的预期的动作。
[0008] 专利US20120059291公开描述了一种装置，其通过配置“推拉”肌腱而提供单个指骨的独立动作。这种驱动机制不适用于复杂的动作，比如在调整远侧指间关节或者近侧指间关节时，不由于驱动机构减速或者剧烈反应而导致更近侧关节的动作。例如，由于除了双向推拉的线缆/肌腱之外没有支撑机构，因此调整远节指骨位置将导致掌骨关节角度和近侧指间关节角度变化。还存在关节角度感应器，通过线缆长度的变化或者运动位置的变化在驱动机构处测得传感反馈，该传感反馈是对实际手指关节角度的不准确表现。
[0009] 由于手写是如此复杂的一项任务，因此对于一个成功的康复性的手外骨骼来说，机械动作的高精度是必不可少的。
[0010] 因而，申请人意识到对手外骨骼的需求，这种手外骨骼能够对那些需要其的人们产生帮助。
发明内容
[0011] 根据本发明的一方面，提供一种手外骨骼装置，其包括至少三个自动单元，各用于与使用者手的拇指、食指和中指中的每一者附接，并且其中用于附接至拇指的自动单元具有至少两个元件，这两个元件用于附接至拇指的远节指骨和近节指骨，并且用于附接至食指和中指的两个自动单元中的每一个具有三个元件，这三个元件用于附接至相关手指的远节指骨、中节指骨和近节指骨，其中每个自动单元的元件通过合适的硬件与下一个相邻的元件互相连接，产生元件的相对角度运动，该运动的旋转轴基本与患者的相关指间关节运动的旋转轴吻合；驱动机构，其与每一对互相连接的元件的交互硬件(interconnecting hardware)相关联，因而能够通过操作驱动机构而在两个相对方向上的每一者上调整一个元件相对另一个元件的角度定位；与每对元件之间的交互相关的传感器，该传感器用于感测那对元件中的一个元件相对于另一个元件的角度定位或者力；以及计算机控制器，以控制器从相关数据库接收的预定输入信息为依据，并以从传感器接收的输入信息为基础，计算机控制器通过相关的驱动机构，来控制每对元件的运动。
[0012] 本发明的进一步的特征提将每一自动单元的每一元件设置为拱形横截面，用于接合相关手指的背面与附接件，所述附接件牢固地将每一元件附接到与其相关的手指的指骨TM部分或者拇指的指骨部分，例如，上述附接件为环状固紧带(例如根据商品名称VELCRO 出售的)；互相连接相邻元件的合适的硬件为刚性连接系，便利地，一个刚性连接系具有四个连杆，从而使得驱动机构的动作产生手指指骨或者拇指指骨的角度运动，该角度运动基本绕特定关节的旋转轴；传感器为角度传感器，例如基于分压器形式的传感器的电阻式传感器；元件、连接件和其他组件为轻重量的，方便地，元件和连接件由合适的塑料材料形成。
[0013] 因而，手外骨骼将具有至少五个驱动的手指关节，其具有使用能力，以形成手写康复所需要的驱动的三角支架握型。本发明的装置力图控制和辅助下述动作，即三角支架手写活动所需要的在拇指、食指和中指处的五个驱动自由度的动作。
[0014] 当然，这也属于本发明的范围，即可以增加附加的手关节，而成为与上文具体提到的自动单元配合的手关节。具体地，可以使用附加的自动单元的相关元件，以类似的方式控制拇指、食指和中指的指骨关节和掌骨关节。更进一步地，可以对无名指构造类似的自动单元，还可以驱动并感测手腕(建模为一个两自由度单元)。以无名指为例，该装置可以支持四脚支架手写握持形式，并且很可能构造成与用于中指和食指的自动单元相同的形式。然而，包含有手腕能够改变整个系统的自由度，并且需要对此加以考虑。额外地，或者可选地，该装置可以支持筒形抓取形式或者指状握持形式。
[0015] 因而，本发明的装置能够通过允许患者在家实施训练而不需要专业治疗专家来改进传统的手写治疗。该装置辅助患者完成重复的手写任务，并且在康复的恢复阶段，提供对失去的良好的手活动技能的训练方式。
[0016] 以装置可以感测手指的相关指骨关节的特定手写活动次序为整体前提，从而在每一关节位置处提供充分的驱动自由度和动作范围的情况下，能够不需要帮助地重复该次序。
附图说明
[0018] 在附图中：
[0019] 图1是整体装配示意图，其示出人手与本发明的装置原型配合；
[0020] 图2是人手骨和手腕骨的图解视图，用于清楚理解本发明的应用；
[0021] 图3是从与食指或者中指中的一者附接的自动单元上方观察的三维视图；
[0022] 图4是从图3中示出的自动单元的相对侧、从其下方观察的三维视图；
[0023] 图5是从图3中示出的自动单元的一侧观察的侧视图；
[0024] 图6是从图3中示出的自动单元的另一侧观察的侧视图；
[0025] 图7是从与使用者的拇指附接的自动单元上方观察的三维视图；
[0026] 图8是从图7中示出的自动单元的相对侧、从其下方观察的三维视图；
[0027] 图9是从图7中示出的自动单元的一侧观察的侧视图；
[0028] 图10是从图7中示出的自动单元的另一侧观察的侧视图；
[0029] 图11是自动单元的单个元件的一种形式的三维视图；
[0030] 图12是控制自动单元的计算机控制器的壳体的一种形式的三维视图；
[0031] 图13是本文描述的装置的实施方式的控制回路的框图；以及
[0032] 图14是标会图，其示出在追踪等边三角形时形成的五个记录的传感器设定点矢量。
具体实施方式
[0033] 在后文的描述中，将详细讨论根据本发明的手外骨骼装置的一种实施方式，并展开讨论本发明的不同方面。
[0034] 如图1所示，手外骨骼装置包括三个自动单元(1、2、3)，其中与手(4)的拇指附接的以数字(1)标记、与食指附接的以数字(2)标记而与中指附接以数字(3)标记。
[0035] 与拇指附接的自动单元(1)具有两个元件(6、7)，这两个元件用于与拇指的远节指骨(106)和近节指骨(107)附接(见图2)。与食指和中指附接的自动单元(2、3)中的每一者具有三个元件(11、12、13)，这三个元件用于与手指的相关远节指骨(111)、中节指骨(112)和近节指骨(113)附接。
[0036] 每一个元件都具有如图11所示的基本形式，其具有与手指或者拇指的相应部位的背面接合的拱形跨越部分(14)，并且该拱形跨越部分在手指或者拇指的两侧截止于用于附接另外元件的一对杆状成型件(15)处。在元件附接至驱动机构的实施例中，设置有操纵杆成型件(16)，因而能够通过下文描述的驱动机构来调节元件相对于与其连接的其它元件TM的角度定位。每一元件具有环状固紧带(17)(例如根据商品名称VELCRO 出售的)(见图
5)形式的附接件，其用于稳固地将每一元件附接至关联的手指指骨部分。虽然元件也能够采用轻重量金属，但是方便地，其由合适的塑料材料制成。
5)形式的附接件，其用于稳固地将每一元件附接至关联的手指指骨部分。虽然元件也能够采用轻重量金属，但是方便地，其由合适的塑料材料制成。
[0038] 每一个自动单元的元件通过合适的硬件与下一个相邻的元件互相连接，以形成元件相对于旋转轴的相对角度运动，该旋转轴基本与相关的患者指间关节的动作的旋转轴相符合。在本发明的该实施方式中，合适的硬件的形式为刚性连接系(21)，便利地，一个刚性连接系具有四个连杆，从而使得单个驱动机构(其形式为微型直流电机22)的动作产生手指指骨的角度运动、或者拇指指骨的角度运动，该角度运动基本绕特定关节的旋转轴。微型直流电机可以为任何合适的类型，例如伺服电动机。
[0039] 可替换地，也可以远离对应元件设置其它功能上等同的工艺件(例如形状记忆合金)，而使用可选的、例如为线缆的力传递系连接。
[0040] 连接系包括臂部(23)和拱形连接件(24)，臂部(23)由直流电机驱动，拱形连接件(24)在一个元件处或者在两个元件之间与连接系连接。该布置形式使得对于每一对元件来说，与交互的硬件相关联的驱动机构能够被施加动力而使臂部(23)在两个可能的方向中的任一方向上做角运动，从而调整一个元件相对于另一个元件的相对于关节旋转中心的角度定位。当然，这发生在预定的运动范围内，这将在下文中进一步讨论。
[0041] 连接系的设计目标为一种紧凑的连接系，其在手写任务中尽可能少地妨碍使用者，并且其加强驱动机构和传感器的精准水平。优选地，连接系应该保持基本为线性的输入输出关系，以简化控制器的设计。该系也应该允许对直流电机的转轴功率进行有效利用。单个连接系应该不干涉邻近组件，与手外骨骼良好配合。
[0042] 实验发现，在多级连杆系统(例如该连接系)中，区区毫米级的变化能够导致大幅的性能改进。这种改进其表现在以下方面：线性曲线、关节的运动范围和增加的可用的作业空间。
[0043] 为了能够感测到一个元件相对于另一个元件的角度定位，将传感器(31)关联到每个自动单元上，以用于感测一个元件相对于该对元件中的相邻元件的角度定位和/或力。在本发明的该实施方式中，这些传感器是基于分压器形式的电阻式传感器。
[0044] 直流电机由计算机控制器(32)控制，根据控制器从相关联的数据库(33)接收的预定输入信息，并且以从传感器(31)接收的输入信息为基础，来控制每对元件的运动。计算机控制器能够方便地容纳在基本平坦的壳体(34)内，该壳体(34)的整体特性在图12中示意。由于所有的输入参数和输出参数已经形成数字化形式，因此数字化控制策略最适合微型控制器的使用。基础控制系统理论将相当着重地设计最简单的控制器，以改进系统响应。
[0045] 因而，以上描述的手外骨骼将具有至少五个能够使用的、被驱动的手指关节，以形成手写康复所需要的驱动的三角支架握形，如下文中明确描述。如上文所阐述的，以装置可以感测相关手指指骨关节的特定手写活动次序为整体前提，从而在每一关节位置处提供充分的驱动自由度和动作范围的情况下，其应该能够不需要帮助地重复该次序。
[0046] 注意到，应该采取适当的手段来防止设备对严重痉挛的患者的肌肉造成损害的可能。这可以通过一些机械安全结构和电子安全结构来解决。基本的安全结构可以用来限制装置的关键部件的机械长度，从而使得部件响应痉挛形成的额外力而整体减弱(physically break)。此外，电子力传感器可以用于监视，从而考虑到最大力的界限。
[0047] 手写模式识别和分析是十分宽泛的领域。由于这个原因，使用闭合的环圈形状(例如，圆形、三角形或者其他规则的多边形)作为手写任务来评估本发明的该实施方式。
[0048] 计算机控制器以与手的不同手指的动作相符合的数据来编程，这些动作发生在要书写字母表的每个字母和数字时，或者在要完成相应的基本“子构成项”(例如形成大写的A的上部的三角形)时。这可以通过记录完全健康的手为完成不同的字母和数字的动作而凭经验完成。计算机控制器与来自不同传感器的输入信息之间的关联使得，沿着形成特定字母或者数字的相关路径来推动使用者的手指。并且，能够对电脑编程，以识别使用者要写的内容并辅助完成该字母或者数字。单个手指的关节和肌肉通过在指定目标活动中重复正确的手的动作而以正确的次序活动，而视觉反馈为有效地完成所述环圈，形成良好的手运动技能的神经重映射。
[0049] 理想的康复控制模式应该包括多种手写任务，从而开发不同的空间上的次序、以不同的速度重新实施次序的能力和对活动目标与实际完成的次序的视觉展示。通过重复由治疗专家实施的动作，或者可选地，由患者的未患病的手(例如，在中风的情况下)实施的动作，自动手外骨骼装置能够允许患者更为频繁地进行手写活动，从而提高在日常生活的有意义的活动中的全部机能获益。
[0050] 为了实现预期的恢复控制模式，驱动机构(直流电机)要求以零稳态误差跟踪闭合环圈的定位。此外，当遭受外部干扰时，整个系统优选为具有快速的响应时间，并维持内部系统稳定。
[0051] 当构造根据本发明的装置时，需要考虑多种因素，这些因素包括这样的实际情况，即为了防止可能对肌肉、韧带、肌腱、骨头、血管或者皮肤造成的组织损伤，附接在不同手指指骨上的元件必须跟随自然运动。元件和固紧带不应该干扰手的血液循环。因此，即使设想到可能会产生更为一般化的装置，但是根据患者的手的尺码和整体特征，妥当、准确地为每个特定患者确定手的单个关节的旋转轴被认为是很重要的。
[0052] 自动单元互相连接的元件相对于彼此的拱形运动基本上绕旋转轴发生，这是很重要的。为了达成指间关节的自然运动范围，旋转轴需要相当精准。基于机械组件要求的精准度，对人手建模是机械设计中的重要因素。由于原始的组成部分具有相对低的输出分辨率，因此驱动机构和传感器的设置需要包括一种“精度放大”的形式。
[0053] 一种用于建模人手轮廓的方法包括这样一个复杂的过程，即在手上构造线框，随后在二维的、比例为1:1的坐标方格上测量每一条线的横截轨迹。
[0054] 就此而言，可以采用任何适当的技术来确定旋转中心，并且简单地采用该技术以向解决者指导可能的确定关节每一侧的旋转中心的方法，从而可以通过在不同关节角度处，对特定的指间关节(采用已知比例)拍摄中间的照片和侧向的照片来测量关节每一侧的旋转轴和定点。这些参考定点设在基本指骨段上，以保证测量的定点在特定的指间关节的弯曲和伸展过程中跟随实际的手指轨迹。这提供了用以获得确定旋转中心所需的数据的媒介。在指骨上固定的参考定点能够形成有效的、与旋转中心定位具有直接关系的轨迹跟踪。确定所述中心和最终的旋转轴的方法是解决工程问题的简单几何应用。
[0055] 为了制作原型，从中间方位和侧向方位在六个不同的弯曲角度上对关节拍照，并且保持与参考标记平行的平面，也就是说，使相机所在的平面与在指骨外骨骼上的参考平面保持平行。对形成的12张照片进行编辑，用不同的颜色标记用于图像处理的参考坐标方格行。使用专用的图像处理软件，提取用彩色标记的参考定点的(x，y)坐标，并且将提取的数据重新调整为公制单位。出于验证的目的，将获取的数据与原始照片进行对比。
[0056] 由于动作良好、流畅，并且多数部分自然连贯(草书风格的手写)，因而要求手写任务具有低速度(即平滑的、小值的一阶导数)的定位设定点的次序。定位跟踪将仅仅通过控制系统实现，然而在非线性系统(几乎所有的真实系统)对不同大小的阶跃输入产生不同响应时，定位矢量的速度范围能够影响控制器设计。定位设定点矢量变化的速率(即速度)将识别输入步长的范围，其能够减少控制器的指标。
[0057] 词语“设定点矢量”指的是在进行重复手写任务时记录的(在固定的采样时间段内，比如说5毫秒)传感器读值的矢量。以这五个设定点矢量输入到控制系统为控制前提，将有效地驱使手外骨骼以正确的时间次序输出为这些值，重新进行预录任务。此外，关节角度定位表示为数字量，例如10位模数转换器量值。由于在微型控制器的运作中支持基于整数的数字运算，因而从数字量(整数)到角度数(浮点)的映射不是必要的转换。然而完成和显示/记录这种转换，能够为治疗专家所用，以公制单位(度数)检查完成的动作的角度范围。
[0058] 图14示出在三角形手写测试中产生的设定点矢量的变化，其中数字(41)指示的曲线涉及中指的远侧指间关节；数字(42)指示的曲线涉及中指的近侧指间关节；数字(43)指示的曲线涉及食指的远侧指间关节；数字(44)指示的曲线涉及食指的近侧指间关节；并且数字(45)指示的曲线涉及拇指的指间关节。
[0059] 同时，可以使用其他形式的控制器，在给定的设计要求下，PI控制器是申请人了解到的，并且对固定输入产生零稳态差错的最简单的控制器。这种控制器使用数字根轨迹设计方法，设计相对简单。经过几处修正后，通过以如下方式给出的离散传递函数确定合适的控制器：
[0060] 其中Ts＝5ms
[0061] 使用直接编程方法，以下的数字控制规律以公式表示为：
[0062] e[n]＝r[n]-y[n]
[0063] x[n]＝e[n]+x[n-1]
[0064] u[n]＝0.04547-0.03755·x[n-1]
[0065] 根据本发明的装置，能够通过在日常生活活动中(例如手写和类似的良好的手运动技能)提升自立而大幅地改进患者的生活质量。中风是导致成年起病残疾的主要原因，这导致数以百万计的人需要家人的全职帮助。传统的中风上肢康复的费用在治疗费用中较高，并且仅仅能够在康复诊所进行，这减少了有效的康复时间。基于本发明提供的装置的技术能够为需要身体治疗的人们提供低费用的康复选择。该技术能够在商业上成为低费用的康复装置，患者能够在家使用这种装置，从而提升整体机能进步。
[0066] 不脱离本发明实施方式的范围，可以对本发明上文描述的实施方式进行各种变化。正如本领域普通技术人员十分了解的，能够使用多种不同形式的硬件来互相连接具有多个自动单元的元件，就这点而言，鲍登线能够有效地发挥作用。而且，可以使用不同形式的传感器，就如可以使用多种不同的驱动机构一样。
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