即时反馈手精细抓握训练手柄

1.本发明涉及康复训练技术领域，具体涉及一种即时反馈手精细抓握训练手柄。


背景技术：

2.现有的游戏手柄主要有gamepad和joystick两种，都是连接游戏的输入设备。gamepad是手握式的，缺点是市面上产品绝大多数都是需要双手握持，且没有防脱落的装置，容易从手中脱落，需要手部功能很好才可以操作。joystick是固定式一体式的只能操作前后左后四个方向的手柄，类似汽车的换挡杆，缺点是只有单一的模式，适配较少的游戏，不能锻炼腕部及指部的功能。有康复作用的手柄有智能康复训练手套，上肢外骨骼机器人。智能康复训练手套是配备有接口的利用肌电生物反馈技术来达到提供功能性手指训练的康复手套，缺点是只能被动活动手指，只有单一的张开手掌动作，对于精细的手部动作无法起到康复作用，如球状抓握、钩状抓握、对捏、三指捏、侧捏等抓握模式的动作训练。上肢外骨骼机器人，是可以进行主动、被动训练的上肢康复机器人，通常用于肩部和肘部的功能康复训练，其缺点是装置复杂穿脱需要辅助不能独立完成，缺少抓握模式的训练，且造价高昂，几乎只能在医院等场所应用且市面上的上肢外骨骼机器人在手部做工都比较粗糙，无法实现对手部精细功能的锻炼。


技术实现要素：

3.本发明提供一种即时反馈手精细抓握训练手柄，旨在解决的技术问题之一是：现有技术中缺乏一种能够进行精细抓握训练的手柄。
4.考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：
5.一种即时反馈手精细抓握训练手柄，其包括：
6.手柄体，其内设置通信模块；
7.摇杆轴，其设置在所述手柄体一端；
8.摇杆帽，其与所述摇杆轴连接，所述摇杆帽内设置压力感受器和人体红外感应传感器；所述压力感受器和人体红外感应传感器用于监测待康复者手按捏所述摇杆帽的压力改变和温度改变，并将监测的所述压力和温度信息通过所述通信模块发送给接收设备；
9.防滑带，其两端与所述手柄体连接，用于将所述手柄体与待康复者手臂相对固定。
10.为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：
11.进一步地，所述通信模块包括蓝牙模块。
12.进一步地，所述手柄体两侧设置与所述防滑带两端连接的嵌口，且所述防滑带上设置用于调节其长度的卡扣。
13.进一步地，所述手柄体上设置腕套。
14.进一步地，所述腕套内设置三个气源器，每一个气源器各通过一气源传送通道连接一气囊固定装置，各气囊固定装置再各自连接尺侧气囊、掌侧中部气囊和桡侧气囊。
15.进一步地，所述手柄体内设置压力感受器和人体红外感应传感器。
16.进一步地，所述接收设备包括vr和主机。
17.进一步地，所述手柄体内设置表面肌电信号采集系统。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：
19.本发明的一种即时反馈手精细抓握训练手柄，可以用于手部康复训练，比如手指的精细动作(侧捏、三指捏、对捏、柱状抓握、球状抓握、钩状抓握等)，适用范围得到大幅提高；在腕部设置了装有辅助运动的气囊的腕带，辅助腕部功能障碍人群完成腕关节康复训练，比如腕关节的屈伸、尺偏和桡偏。
附图说明
20.为了更清楚的说明本技术文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本技术文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。
21.图1为根据本发明一个实施例的即时反馈手精细抓握训练手柄的结构示意图；
22.图2为根据本发明一个实施例的包含腕套的相关结构示意图；
23.图3为根据本发明一个实施例的手握柱状的摇杆帽的示意图；
24.图4为根据本发明另一个实施例的球状托举形态示意图；
25.图5为根据本发明一个实施例的钩状抓握形态示意图；
26.图6为根据本发明一个实施例的对捏的摇杆帽的示意图；
27.图7为根据本发明一个实施例的侧捏的摇杆帽的示意图；
28.图8为根据本发明一个实施例的三指捏的摇杆帽的示意图；
29.图9分别为本发明一个实施例的摇杆帽与手柄体连接的示意图；
30.图10为根据本发明一个实施例的摇杆轴局部放大的示意图；
31.图11示出了一实施例的抓握训练流程框图。
32.其中，附图标记对应的附图名称为：
33.1-手柄体、2-摇杆轴、3-摇杆帽、4-嵌口、5-腕套、6-防滑带、7-卡扣、8-弹簧、9-连接件、14-尺侧气囊、15-掌侧中部气囊、16-桡侧气囊、17-气源传送通道、18-气囊固定装置、19-气源器、20-压力感受器。
具体实施方式
34.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
35.参见图1至图2所示，一种即时反馈手精细抓握训练手柄，其包括手柄体1、摇杆轴2、摇杆帽3和防滑带6；手柄体1内设置通信模块；摇杆轴2设置在所述手柄体1一端；摇杆帽3与所述摇杆轴2连接，所述摇杆帽3内设置压力感受器和人体红外感应传感器；所述压力感受器和人体红外感应传感器用于监测待康复者手按捏所述摇杆帽3的压力改变和温度改变，即压力感受器用于监测患者用力大小程度，再将监测的所述压力和温度信息通过所述通信模块发送给接收设备，该接收设备可以是vr、主机(游戏)等设备；防滑带6两端与所述手柄体1连接，用于将所述手柄体1与待康复者手臂相对固定。
36.本发明还可通过人体红外感应传感器监测温度改变的面积来判断患者手指姿势与其正确与否及能否改进。采用温度补偿技术，能精准判断手散发的红外光线来感知位移，并将相应数据实施传输，从而触发联动控制的智能设备，如vr、主机(游戏)等设备。
37.对于人体红外感应传感器的设置方式，可如图10所示，其包括场效应管20，场效应管20设置于摇杆轴2上端，场效应管20上方设置基板21，基板21上再设置敏感元件22，摇杆帽3上设置滤光窗23。场效应管20作为电信号的放大，又可作为敏感元件22的支撑，使得内部结构简洁，通过设置在摇杆轴2上端，起到了垫高敏感元件22的作用，提高红外探测性能，滤光窗23设置在摇杆帽3表面。敏感元件22在检测到热量变化时，会产生一定量的电子信号，电子信号会反馈到系统中。本发明中对红外感应传感器的设置方式包含但不限于上述技术方案。
38.上述通信模块包括但不限于蓝牙模块。
39.摇杆帽3与所述摇杆轴2的连接方式，优先采用可拆卸连接。摇杆轴与摇杆帽相连接，可拆卸替换摇杆帽，按压摇杆帽连带按压摇杆轴可作点击效果，推动摇杆帽连带推动摇杆轴可控制控制键(如光标、游戏界面的人物等)的移动方向；摇杆帽3包括可替代的各种精细抓握模式的指控帽，每一个指控帽适配有一种精细捏握模式的凹槽和感受器，与不同的手部动作适配度好。不限于如图3、图4和图5所示抓握模式，还可以应用双手协作动作等。
40.摇杆帽3的结构包括但不限于如图3、图4、图5、图6、图7和图8的样式。对应的设置的压力感受器20的数量和位置可以不同，以满足柱状抓握、球状抓握、钩状抓握、对捏、侧捏、三指捏等监测要求。如对捏，可在两侧凹槽内设置压力感受器；
41.摇杆帽可设计凹槽处，凹槽符合人体功效学，更好容纳手指，使手指握持更稳定，固定手握持姿势；摇杆帽表面可选择性安装各种感觉刺激片，可以选择感觉刺激模式包括但不限于：不同粗糙程度的贴片刺激(如磨砂纸材质、毛绒材质、光滑材质等)、温度刺激(冰感、热感)、震动刺激、电刺激等。
42.摇杆帽3的结构的凹槽处表面可选择性安装各种感觉刺激片，促进感觉障碍的使用者感觉再教育和感觉恢复，可以选择感觉刺激模式包括但不限于：不同粗糙程度触觉刺激(如磨砂纸材质、毛绒材质、光滑材质等)、温度刺激(冰感、热感)、震动刺激、电刺激等。
43.除摇杆帽3通过摇杆轴2与手柄体1连接进行摇杆控制的方式，还可采用与之等同替换的设置按键或者手柄整体挥动的控制方式。
44.对于防滑带6的设置方式，可以直接与手柄体1连接，目的是方便将其与手臂相对固定，防止手柄体1在康复训练中滑落。也可以如图1所示，在所述手柄体1两侧设置与所述防滑带6两端连接的嵌口4，且所述防滑带6上设置用于调节其长度的卡扣7。卡扣7可以现有任一技术结构，其目的是方便调节防滑带6的长度，现有技术中很容易实现，本实施例不再对卡扣7的结构展开说明。
45.图1中，所述手柄体1上还可设置腕套5。再如图2所示，图2示出了包含腕套5的一优选结构，具体地，在所述腕套5内设置三个气源器19，每一个气源器19各通过一气源传送通道17连接一气囊固定装置18，各气囊固定装置18再各自连接尺侧气囊14、掌侧中部气囊15和桡侧气囊16。当患者无法顺利运动腕关节屈伸或尺偏或桡偏时，通过气源器对气囊14/15/16充气使得气囊鼓起帮助患者实现腕关节的屈伸或尺偏或桡偏。
46.腕套5既能稳定腕关节促进手部运动，又能辅助及引导腕关节屈伸、尺偏、桡偏，从
而达到腕关节康复训练的目的。
47.图2所示实施例中的腕部气囊动力装置，其气源性动力可换成电源性动力，如使用者腕部肌肉功能较好，可使用硬质带腕部活动关节手套(内侧加棉提高舒适度)，辅助控制腕部活动。若使用者腕部可自主控制，可拆除气囊使其变为普通的运动腕带，同样具有稳定腕关节促进手部运动的作用。
48.所述摇杆轴2和手柄体1内可分别设置压力感受器和人体红外感应传感器。通过两个压力感受器和人体红外感应传感器分别探测摇杆轴2和手柄体1的移动位置或位置改变。
49.上述实施例中的嵌口4可以是在手柄体1中段两侧设置的凹槽，当然也还可以是其他结构。
50.在手柄体1底部可设置充电口8，手柄体1内设置可充电的电池。
51.上述实施例中的即时反馈手精细抓握训练手柄，是在现有的游戏手柄的功能基础上，缩小了手柄的大小，符合人体手掌力学结构，在手指部的摇杆上增加专门感应精细手部运动的元件(上述实施例中的压力传感器、温度传感器)，并在腕部增设辅助腕部运动及康复训练的装置(上述实施例中的腕套和气囊)，以提高手部功能障碍的人群使用手柄的使用感，增加通过游戏进行康复训练的氛围，包括但不限于需要用柱状抓握、球状抓握、钩状抓握、对捏、侧捏、三指捏等精细手部运动的游戏，达到一个手柄适用于更广泛的康复训练范围的目的。
52.表面肌电semg指的是可在各种过程中持续观察肌肉活动的变化；是一种对运动功能有意义的诊断方法，在疲劳判断、肌肉工作的功效学分析、肌肉功能评价等方面均有重要的实用价值，优点是简单，无创，容易。由于表面肌电(surfaceelectromyographic，semg)信号不但能反映关节的伸屈状态和强度，还能反映手势完成过程中手的形状、位置、朝向和运动信息，所以肌电传感器在手势识别尤其是精细动作识别方面具有独特的优势。本发明手柄体1内还可设置表面肌电信号采集系统，从而可在各种过程中持续观察肌肉活动的变化并将采集到的表面肌电semg信号，并通过无线方式(如蓝牙、wifi)发送给电脑等，其信号包括力、角度、加速度等，从而有利于对患者进行肌肉功能的评估。例如，在使用时，在前臂拇短伸肌、指总伸肌(手腕附近)、指浅屈肌和尺侧腕屈肌4块肌肉肌腹采集信息。
53.根据肌电生物反馈的结果得知肌肉收缩及舒张情况，获取手势动作信号，治疗师根据可视化、数字化的观测结果，可与肌肉电刺激设备相连，根据肌电生物反馈信息刺激响应肌肉，促进相应肌肉收缩，改善手部运动。
54.如图11所示，图11示出了一实施例的抓握训练流程框图，对于压力感受器和人体红外感应传感器检测的压力信息、温度信息以及手柄动作信号、腕部的表面肌电信号通过通信模块传输给接收设备(如主机)，其接收设备包括分析模块、动作设计模块和显示模块等，分析模块包括但不限于提取特征和分类识别等，分析出手前臂动作对应表面肌电信号中的有效成分，该有效成分的相关数据再发送给动作设计评估模块，动作评估设计模块根据接收到的相关训练信息与存储的康复训练方案进行比较评估，根据其缺陷制定出符合患者的训练方案，该步骤中，也可以由人工对康复训练的动作进行调节。生成的新的训练方案再发送给显示模块进行显示，康复者再根据新的训练方案，进行有针对性的训练。
55.本发明肌电信号和压力传感器信号等可转化为可视化数据，与多媒体游戏连接，为病人提供不同训练目的的flash情景动画，让患者直观的了解肌肉控制训练的过程，帮助
患者训练肌肉的放松能力，耐力，控制能力，精确性等，增强了训练的依从性和趣味性，提高病人的主动参与积极性。治疗师也可根据此反馈，为患者提供口头提醒或被动辅助。
56.上述实施例中的摇杆帽3上设置压力感受器可采用薄膜柔性压力感受器，其薄膜柔性压力感受器可根据摇杆帽3的形状设置为多个，或者在薄膜柔性压力感受器所能弯曲的幅度内，将其为设置曲面并布置在摇杆帽3的相应位置。除此之外，也可以采用如应变片或者其他形式压力传感器。
57.如图9所示，图9示出了一种实施方式的摇杆帽与手柄体连接的结构，其摇杆轴2内部可设置为空心，摇杆帽3中的压力感受器和人体红外感应传感器可通过细小数据线将其传输给位于手柄体1内的通信模块，通信模块再通过无线的方式与其他设备建立信号连接，将压力感受器和人体红外感应传感器的相关数据传输给其他设备。
58.继续如图9所示，摇杆轴2上端连接摇杆帽3，摇杆轴2下端设置为球形并连接弹簧8和连接件9，连接件9下方设置转动感知模块。摇杆帽3带动摇杆轴2转动，摇杆轴2带动连接件9移动，连接件9在移动时由感知模块进行感知，产生的相应电信号传入控制系统。即可以由如蓝牙模块将信号传输给vr设备、主机等接收设备，以使康复训练者进行游戏。游戏操作的电信号被传到电脑中，由电脑分析和计算，从而确定移动方向和位移量。其对游戏的操控方式可以采用现有游戏控制技术，本发明不再对此赘述。本发明在传统的游戏方案中引入了压力和温度参数，后期在vr设备、主机等接收设备中对应的开发具有能够嵌入压力和温度参数的游戏即可。
59.综上，本发明为带感受器的手训练手柄，将与练习模式相匹配的摇杆帽3安装到摇杆轴2上，用包含蓝牙模块等通信模块将手柄匹配连接到vr设备、主机等接收设备，将防滑带6用卡扣7调节到最佳长度并固定在手上，防滑带6应佩戴在不越过指掌关节，并且在指掌关节近端，拇指处不超过虎口。可在不同的摇杆帽3上练习不同的手部精细运动，如侧捏、三指捏、对捏等，每个摇杆帽3内置的压力感受器位置不同，凹槽也不同，适应不同的捏握动作，让手部功能障碍人群以更简单的方式重新再学习与恢复手部功能。摇杆帽3表面或凹槽处有安装立体的压力感受器，便于即时采集使用者肌肉收缩与捏握动作情况，并及时通过可视化信号反馈。当患者无法顺利运动腕关节屈伸或尺偏或桡偏时，通过气源器对气囊14/15/16充气使得气囊鼓起帮助患者实现腕关节的屈伸或尺偏或桡偏的腕部运动。手柄体1内设置的表面肌电semg采集系统在各种过程中持续观察肌肉活动的变化，然后可在显示屏上以数据或图形直观地向治疗师呈现，治疗师可根据数据对患者进行下一步的治疗。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。
61.在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本技术概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
62.尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本技术公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本技术公开和权利要求的范围内，可以对主
题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

技术特征：
1.一种即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于包括：手柄体(1)，其内设置通信模块；摇杆轴(2)，其设置在所述手柄体(1)一端；摇杆帽(3)，其与所述摇杆轴(2)连接，所述摇杆帽(3)内设置压力感受器和人体红外感应传感器；所述压力感受器和人体红外感应传感器用于监测待康复者手按捏所述摇杆帽(3)的压力改变和温度改变，并将监测的所述压力和温度信息通过所述通信模块发送给接收设备；防滑带(6)，其两端与所述手柄体(1)连接，用于将所述手柄体(1)与待康复者手臂相对固定。2.根据权利要求1所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述通信模块包括蓝牙模块。3.根据权利要求1所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述手柄体(1)两侧设置与所述防滑带(6)两端连接的嵌口(4)，且所述防滑带(6)上设置用于调节其长度的卡扣(7)。4.根据权利要求1所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述手柄体(1)上设置腕套(5)。5.根据权利要求4所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述腕套(5)内设置三个气源器(19)，每一个气源器(19)各通过一气源传送通道(17)连接一气囊固定装置(18)，各气囊固定装置(18)再各自连接尺侧气囊(14)、掌侧中部气囊(15)和桡侧气囊(16)。6.根据权利要求1所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述手柄体(1)内设置压力感受器(20)和人体红外感应传感器。7.根据权利要求1所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述接收设备包括vr和主机。8.根据权利要求1所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述手柄体(1)内设置表面肌电信号采集系统。9.根据权利要求1所述的即时反馈手精细抓握训练手柄，其特征在于所述摇杆轴(2)和摇杆帽(3)的控制方式通过游戏按键的方式进行替换。

技术总结
本发明公开了一种即时反馈手精细抓握训练手柄，其包括手柄体、摇杆轴、摇杆帽和防滑带；手柄体内设置通信模块；摇杆轴设置在所述手柄体一端；摇杆帽与所述摇杆轴连接，所述摇杆帽内设置压力感受器和人体红外感应传感器；所述压力感受器和人体红外感应传感器用于监测待康复者手按捏所述摇杆帽的压力改变和温度改变，人体红外感应传感器通过监测温度改变的面积来判断患者手指姿势与其正确与否及能否改进，再将监测的所述压力和温度信息通过所述通信模块发送给接收设备。本发明可以用于手部康复训练，比如手指的多种精细动作，适用范围得到大幅提高；在腕部设置了装有辅助运动的气囊的腕带，可在防止腕部功能障碍人群再次受伤的同时辅助其完成腕关节的康复训练。伤的同时辅助其完成腕关节的康复训练。伤的同时辅助其完成腕关节的康复训练。


技术研发人员：廖宇君 杨一航 姚夏 张钰琦 赵颖琛 莫晓怡 欧海宁
受保护的技术使用者：广州医科大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/12