CN106880470B - 多自由度变形结构及包括该结构的穿着式动作辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度变形结构及包括该结构的穿着式动作辅助装置，其中多自由度变形结构包括：预拉伸内管，为具有充气口的弹性管，充气后使驱动外管直径增加；驱动外管，由若干厚度可变的软体驱动膜片叠加而成，所述的软体驱动膜片包括：支撑骨架，该支撑骨架为形变材料，具有若干沿其周向分布的镂空区域；驱动薄膜，绷设在所述的镂空区域内，所述的驱动薄膜在外加激励下改变厚度。本发明的穿着式动作辅助装置通过线驱动产生主要运动，可以辅助手指的屈、伸、张开或并拢，再通过电驱动弯曲装置辅助精细运动，通过线驱动和电驱动混合控制，可以达到单一驱动方式难以达到的运动精度和协调性。

Description

多自由度变形结构及包括该结构的穿着式动作辅助装置

技术领域

本发明涉及辅助医疗器械技术领域，尤其涉及一种多自由度变形结构及包括该结构的穿着式动作辅助装置。

背景技术

辅助康复手套目前仍是一个新兴领域，现有的产品大多仅具有握力检测、肌电信号采集、手部动作采集等检测功能，而不具有外力辅助患者手部动作的功能。少数具有辅助功能的手套单独采用的线拉驱动或气压驱动作为动力源，单一的动力源难以实现复杂、多自由度的运动，不能对患者的肌肉进行精细的牵拉运动。

如申请号为201220109867.7的实用新型专利提供一种脑瘫用康复手套，它包括手套体、充放气装置和尾端与充放气装置连接的气动肌条；所述的气动肌条设置在手套体手指部的背侧，所述的气动肌条的腹侧设有弹性钢片，背侧设有弧形软管，所述的弧形软管的腹侧与弹性钢片是粘合的；所述的弹性钢片镶嵌在弧形软管的腹侧壁；所述的弧形软管的背侧在放气状态下呈皱缩状。其优点在于：本实用新型的康复手套不仅能训练脑瘫患者手指被动背伸，还能锻炼手指的握拳弯曲，技术标准统一，锻炼效果好；能控制充放气时间和频率，便于患者根据自身情况进行选择；便于移动状态下锻炼手部功能；还可辅助脑瘫患者握持物品；使用方便，成本低，环保。但是该康复手套仅能在充气与放气状态实现握拳、平展两个动作，不能对手指上各个指节的运动进行精细的辅助。回弹所用的钢条也容易让患者产生受约束感。

如申请号为201410415108.7的发明专利一种穿着式动作辅助装置，其特征在于，包括：动作辅助手套，具有插入有穿着者手指的手指插入部；驱动部，配置在所述动作辅助手套的手背侧，驱动所述手指插入部；线状部件，沿着所述手指插入部的延伸方向配置以将所述驱动部的驱动力传递到所述手指插入部；生物信号检测部，检测用于使所述穿着者的手指动作的生物信号；控制部，根据由该生物信号检测部所生成的生物信号向所述驱动部输出驱动控制信号；其中，所述驱动部根据来自所述控制部的驱动控制信号使所述线状部件沿所述手指插入部的伸展方向或弯曲方向动作。该方案的驱动部分每个手指仅有一个自由度，辅助效果比较单一。

发明内容

本发明提供了一种多自由度变形结构，该变形结构可以实现伸长、收缩、弯曲、扭转等多自由度的形变。

一种多自由度变形结构，包括：

预拉伸内管，为具有充气口的弹性管，充气后使驱动外管直径增加；

驱动外管，由若干厚度可变的软体驱动膜片叠加而成，所述的软体驱动膜片包括：

支撑骨架，该支撑骨架为形变材料，具有若干沿其周向分布的镂空区域；

驱动薄膜，绷设在所述的镂空区域内，所述的驱动薄膜在外加激励下改变厚度。

本发明的多自由度变形结构在工作时，首先向预拉伸内管充气，充气后的预拉伸内管可以使驱动外管直径增加，实现对驱动外管的预拉伸，使驱动外管进入工作状态；对不同软体驱动膜片的不同驱动薄膜施加特定的外加激励，改变不同驱动薄膜的厚度，可以实现多自由度变形结构的伸长、收缩、弯曲、扭转等多自由度的形变。

例如，通过外加激励增加所有驱动薄膜的厚度时，可实现多自由度变形结构的伸长；减小所有驱动薄膜的厚度时，可实现多自由度变形结构的收缩；增加或减小单侧驱动薄膜的厚度时，可实现多自由度变形结构的弯曲等。

作为优选，每个支撑骨架上至少具有3个镂空区域，所述的镂空区域沿支撑骨架的周向均匀分布。

每个支撑骨架上驱动薄膜的数量越多，变形结构的变形自由度越多，运动更精细，但是每个支撑骨架上驱动薄膜的数量越多，控制越复杂。

最优选的，每个支撑骨架上具有4个镂空区域，所述的镂空区域沿支撑骨架的周向均匀分布。

作为优选，所述的驱动薄膜为介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜的上、下表面均覆盖有电极层。

介电弹性体是具有高介电常数的弹性体材料，在外界电刺激下可改变形状或体积，从而产生应力和应变，将电能转换成机械能。

作为优选，每个所述的介电弹性体薄膜的电极层中的负极并联后接地，每个所述的介电弹性体薄膜的电极层中的正极分别与对应的高压电源的正极相连。

进一步优选的，相邻的软体驱动膜片之间设有绝缘层。

预拉伸内管充气后，内管受气压作用直径增加，带动外管之间的驱动薄膜发生周向拉伸，由于该预拉伸的作用，介电弹性体可以在电场的作用下发生更大的变形。

在介电弹性体处于拉伸状态时，通过对其上下表面的电极层之间施加电压差，在介电弹性体中形成强电场，此时，介电弹性体薄膜厚度变小。通过向每个软体驱动膜片上的不同介电弹性体施加不同的电压差，实现变形结构的多自由度的变形。

所述的支撑骨架可以为ecoflex、硅胶或TPU等热塑性弹性体；所述的介电弹性体为VHB；绝缘层为硅橡胶薄膜。

介电弹性体薄膜越厚，形变量越大，但是由于受到介电弹性体在高压作用下才能发生形变，且厚度过大时，即使施加大的驱动电压也只能发生较小的形变。每个介电弹性体薄膜的厚度可根据变形结构的尺寸进行调整，作为优选，每个介电弹性体薄膜均处于等双轴预拉伸状态，等双轴预拉伸前的厚度为0.5～2mm；最优选的，等双轴预拉伸前的厚度为1mm；等双轴预拉伸比为3×3；可根据实际应用情况进行调整。

针对现有的动作辅助装置驱动精度差、自由度小以及穿戴不舒适等不足，本发明提供了一种多自由度的穿着式动作辅助装置，采用混合动力进行驱动，运动精度较高，具有多自由度，使动作辅助装置的协调性较好。

一种多自由度的穿着式动作辅助装置，包括：

动作辅助手套，具有供穿着者手指插入的手指插入部；

驱动单元，配置在所述动作辅助手套的手背侧，驱动手指插入部动作；

信号检测单元，检测穿着者的用于使手指动作的信号；

控制单元，根据所述的生物信号向所述驱动单元输出驱动控制信号；

其中，所述的驱动单元包括：

电驱动弯曲单元，包括如上所述的多自由度变形结构，以及为预拉伸内管充放气的气泵；

线驱动单元，包括若干牵引线和电机，所述牵引线的一端固定在所述多自由度变形结构的驱动外管上，牵引线的另一端连接在电机的收线盘上。

本发明的穿着式动作辅助装置通过控制单元接收信号检测单元的信号数据并进行分析计算，识别人体的动作意图，将控制指令发送给驱动单元，驱动单元执行动作，实现具体的手指弯曲、抓取或放松等动作。

本发明的穿着式动作辅助装置采用混合动力驱动，线驱动和电驱动相互结合，实现穿着式动作辅助装置的多自由度的运动控制，提高辅助运动的精度和协调性。

作为优选，所述的电驱动弯曲单元中，每个支撑骨架上具有4个镂空区域，镂空区域分别位于手指插入部的手背侧、手心侧以及手指左右侧。

作为优选，所述的线驱动单元中，所述的牵引线有4根，每根牵引线的固定端均匀分布在电驱动弯曲单元的端面上，分别位于电驱动弯曲单元的端面的手背侧、手心侧以及手指左右侧。

线驱动单元的4根牵引线分别控制手指的屈、伸、手指之间的张开或并拢，可以简化控制；电驱动弯曲单元可以辅助线驱动单元完成一些更精细的动作。

作为优选，所述的信号检测单元，包括：

肌肉电信号传感器，采集穿着者手臂的用于表征穿着者手部的动作意图和肌肉活动强度的肌肉电信号；

陀螺仪，用于采集手臂的三轴角速度；

加速度计，用于采集手臂的三轴加速度。

肌电信号传感器采集环绕人体手臂表面的八个位置的表面肌肉电信号，以表征人体手部的动作意图和肌肉活动强度；而陀螺仪和加速度计分别采集手臂的三轴角速度和三轴加速度，经过滤波和最有估计，测算手臂动作，配合肌电信号分析识别手部动作意图。

对于肌电信号数据，主要通过短时间内的各通道的肌电信号求取方均根以体现各块肌肉的活动强度，同时分析采集数据的功率谱密度辅助识别人体动作意图。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的多自由度变形结构可以实现伸长、收缩、弯曲、扭转等多自由度的形变；

(2)本发明的穿着式动作辅助装置通过线驱动产生主要运动，可以辅助手指的屈、伸、张开或并拢，再通过电驱动弯曲装置辅助精细运动，通过线驱动和电驱动混合控制，可以达到单一驱动方式难以达到的运动精度和协调性。

附图说明

图1为穿着式动作辅助装置的结构示意图；

图2为电驱动弯曲单元在手指插入部的固定方式示意图；

图3为多自由度变形结构的结构示意图；

图4为图3的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的穿着式动作辅助装置，包括：

动作辅助手套1，具有供穿着者手指插入的手指插入部11；

驱动单元，包括电驱动弯曲单元和线驱动单元，配置在动作辅助手套1的手背侧，驱动手指插入部11动作；

信号检测单元，检测穿着者的用于使手指动作的信号；

控制单元，根据生物信号向驱动单元输出驱动控制信号。

如图2所示，电驱动弯曲单元通过指尖固定套12和固定环13固定在手指插入部11的手背侧上，固定环的直径为12～20mm。

电驱动弯曲单元包括多自由度变形结构2，以及为多自由度变形结构2的预拉伸内管21充放气的气泵。

如图3和图4所示，多自由度变形结构2为柱状，包括位于中心的预拉伸内管21和套在预拉伸内管21外部的驱动外管。

预拉伸内管21具有充气口，通过气泵充气后其直径增加，同时使套在其外部的驱动外管的直径也增加。

驱动外管由若干厚度可变的软体驱动膜片22叠加而成，软体驱动膜片22包括：支撑骨架23和介电弹性体薄膜24。支撑骨架23为形变材料，例如可以为ecoflex、硅胶或TPU等热塑性弹性体；支撑骨架23上具有4个沿其周向均匀分布的镂空区域，介电弹性体薄膜24绷设在镂空区域内。

介电弹性体薄膜24为VHB4910，处于等双轴预拉伸状态，等双轴预拉伸比为3×3，等双轴预拉伸前的厚度为1mm。

介电弹性体薄膜24的上下表面均涂覆有碳膏电极。相邻的软体驱动膜片之间设有硅橡胶绝缘层25进行隔离。

每个介电弹性体薄膜24的负极并联后接地，每个介电弹性体薄膜24的正极分别与对应的高压电源的正极相连。高压电源的电压为8000～9500V。

多自由度变形结构在工作时，首先向预拉伸内管21充气，充气后的预拉伸内管21可以使驱动外管直径增加，实现对驱动外管的预拉伸，使驱动外管进入工作状态；通过对介电弹性体薄膜24的上下表面的电极层之间施加电压差时，在介电弹性体薄膜24中形成强电场，此时，介电弹性体薄膜24的厚度变小。通过向每个软体驱动膜片上的不同介电弹性体薄膜24施加不同的电压差，实现变形结构的多自由度的变形。

例如，增加所有介电弹性体薄膜24的厚度时，可实现多自由度变形结构的伸长；减小所有介电弹性体薄膜24的厚度时，可实现多自由度变形结构的收缩；增加或减小单侧介电弹性体薄膜24的厚度时，可实现多自由度变形结构的弯曲等。

本实施例的多自由度变形结构的单张软体驱动膜片的变形率最高为30％左右，可实现的最大弯曲角度为30度，可产生的驱动力为1～30N。

线驱动单元，包括4根牵引线和微型电机，每根牵引线的固定端均匀分布在电驱动弯曲单元的端面上，分别位于电驱动弯曲单元的端面的手背侧、手心侧以及手指左右侧；牵引线的另一端连接在微型电机的收线盘上。

线驱动单元的4根牵引线分别控制手指的屈、伸、手指之间的张开或并拢，可以简化控制；电驱动弯曲单元可以辅助线驱动单元完成一些更精细的动作。

信号检测单元，包括：

肌肉电信号传感器，采集穿着者手臂的用于表征穿着者手部的动作意图和肌肉活动强度的肌肉电信号；

陀螺仪，用于采集手臂的三轴角速度；

加速度计，用于采集手臂的三轴加速度。

肌电信号传感器采集环绕人体手臂表面的八个位置的表面肌肉电信号，以表征人体手部的动作意图和肌肉活动强度；而陀螺仪和加速度计分别采集手臂的三轴角速度和三轴加速度，经过滤波和最有估计，测算手臂动作，配合肌电信号分析识别手部动作意图。

对于肌电信号数据，主要通过短时间内的各通道的肌电信号求取方均根以体现各块肌肉的活动强度，同时分析采集数据的功率谱密度辅助识别人体动作意图。

控制单元包括电源、高压电路和单片机。

本实施例的穿着式动作辅助装置的工作过程为：

通过肌电信号传感器采集环绕人体手臂表面的八个位置的表面肌肉电信号，通过陀螺仪和加速度计分别采集手臂的三轴角速度和三轴加速度，发送给单片机，单片机的经过滤波和最有估计，测算手臂动作，配合肌电信号分析识别手部动作意图，生成控制信号并输送至驱动单元；微型气泵对预拉伸内管21进行充气，预拉伸内管21受气压作用直径增加，从而带动内外管之间的介电弹性体薄膜24发生周向拉伸。由于该预拉伸的作用，介电弹性体薄膜24可以在电场的作用下，改变厚度，从而实现弯曲等动作；同时，单片机发出控制信号控制各微型电机的转动，进而分别控制每根手指上的四根牵引线的长度，混合动力手指的端面受到四根牵引线不同的牵引力合成的弯曲力矩，使混合动力手指发生弯转等动作。

停止工作时，为避免手套损坏，应该首先停止线驱动和电驱动的控制信号输出，再停止预拉伸微型气泵的控制信号输出。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多自由度的穿着式动作辅助装置，其特征在于，包括：

动作辅助手套，具有供穿着者手指插入的手指插入部；

驱动单元，配置在所述动作辅助手套的手背侧，驱动手指插入部动作；

信号检测单元，检测穿着者的用于使手指动作的信号；

控制单元，根据所述的信号向所述驱动单元输出驱动控制信号；

其中，所述的驱动单元包括：

电驱动弯曲单元，包括多自由度变形结构，以及为预拉伸内管充放气的气泵；

线驱动单元，包括若干牵引线和电机，所述牵引线的一端固定在所述多自由度变形结构的驱动外管上，牵引线的另一端连接在电机的收线盘上；

所述的多自由度变形结构包括：

预拉伸内管，为具有充气口的弹性管，充气后使驱动外管直径增加；

驱动外管，由若干厚度可变的软体驱动膜片叠加而成，所述的软体驱动膜片包括：

支撑骨架，该支撑骨架为形变材料，每个支撑骨架上至少具有3个镂空区域，所述的镂空区域沿支撑骨架的周向均匀分布；

驱动薄膜，绷设在所述的镂空区域内，所述的驱动薄膜在外加激励下改变厚度；所述的驱动薄膜为介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜的上、下表面均覆盖有电极层。

2.根据权利要求1所述的多自由度的穿着式动作辅助装置，其特征在于，每个支撑骨架上具有4个镂空区域，所述的镂空区域沿支撑骨架的周向均匀分布。

3.根据根据权利要求1所述的多自由度的穿着式动作辅助装置，其特征在于，每个所述的介电弹性体薄膜的电极层中的负极并联后接地，每个所述的介电弹性体薄膜的电极层中的正极分别与对应的高压电源的正极相连。

4.根据权利要求1所述的多自由度的穿着式动作辅助装置，其特征在于，相邻的软体驱动膜片之间设有绝缘层。

5.根据权利要求1所述的多自由度的穿着式动作辅助装置，其特征在于，所述的信号检测单元，包括：

肌肉电信号传感器，采集穿着者手臂的用于表征穿着者手部的动作意图和肌肉活动强度的肌肉电信号；

陀螺仪，用于采集手臂的三轴角速度；

加速度计，用于采集手臂的三轴加速度。

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