CN107242958B - 一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于上肢外骨骼康复机器人领域，并公开了一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，包括手指数据采集手套、决策驱动模块和柔性外骨骼手套，所述手指数据采集手套包括第一手套本体及柔性传感器和无线发送模块；所述决策驱动模块包括决策模块和驱动模块，所述决策模块包括微控制器和与所述微控制器相连接的无线接收模块；所述驱动模块包括模块支撑架及共同安装在所述模块支撑上的气泵和电气比例阀；所述柔性外骨骼手套包括第二手套本体以及柔性弯曲驱动器，所述的柔性弯曲驱动器包含凯夫拉纤维线、硅胶管、玻璃纤维布和气动密封接头。本发明中手指之间可以单独运动也可以协调运动，提高患者手部康复训练的效果和穿戴的舒适性。

Description

一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统

技术领域

本发明属于上肢外骨骼康复机器人领域，更具体地，涉及一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统。

背景技术

如今社会人口老龄化加重，由于中风等疾病引起的偏瘫的人数越来越庞大，同时，由生产事故、交通事故等意外造成的肢体运动功能受损的人数也逐年增加。这些患者往往因肢体运动功能障碍而生活不能自理，给家庭和社会都带来了不小负担。机器人辅助康复训练能够节约大量的人力物力，并能够对患者康复水平进行实时量化的评估，根据患者的康复状况循序渐进的进行训练。

软体外骨骼康复手采用气动可弯曲驱动器来辅助偏瘫患者进行相应的手部功能性运动，例如抓握运动等，从而帮助患者进行康复训练。软体外骨骼康复手可以辅助并替代康复医师进行繁重的康复训练，显著提高康复训练的效率和效果，具有重要的意义。

公开号为CN105496728A的专利公开了一种用于手部运动功能康复的软体机器人手套，该手套能够辅助手部运动功能受损或者丧失的病患进行康复性训练，但该装置存在一定的缺点：1)采用电机驱动，电机带动钢丝绳进行运动，从而带动患者手部运动，会产生很大的瞬间负载，可能会对患者造成二次伤害；2)采用鲍登线,仅仅是安装在普通手套上，不能在康复训练中保证外骨骼的关节的中心始终和患者手部的重合，会给患者带来一定不舒适性，减少患者的康复效果；3)整个驱动装置多为刚性元器件，质量偏重，不利于携带。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，其穿戴简单，与日常生活中穿戴手套类似，不需要专业人士进行指导，使用方便，患者可独立完成手部功能运动训练。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，其特征在于，包括手指数据采集手套、决策驱动模块和柔性外骨骼手套，其中，

所述手指数据采集手套包括第一手套本体及共同安装在所述第一手套本体上的柔性传感器和无线发送模块，所述柔性传感器用于测量手指弯曲角度和指尖压力，并且所述柔性传感器与所述无线发送模块连接；

所述决策驱动模块包括决策模块和驱动模块，所述决策模块包括微控制器和与所述微控制器相连接的无线接收模块，所述无线接收模块与所述无线发送模块通过无线网络连接，以用于将手指弯曲角度和指尖压力传送给所述微控制器；所述驱动模块包括模块支撑架及共同安装在所述模块支撑上的气泵和电气比例阀，所述电气比例阀与所述气泵相连接；

所述柔性外骨骼手套包括第二手套本体以及安装在所述第二手套本体背面的柔性弯曲驱动器，所述的柔性弯曲驱动器包含凯夫拉纤维线、硅胶管、玻璃纤维布和气动密封接头，所述硅胶管的横截面呈弓形，所述玻璃纤维布粘贴在所述硅胶管的平底面并铺满该平底面，所述硅胶管和玻璃纤维布共同构成硅胶纤维管，所述凯夫拉纤维线以双向螺旋缠绕的方式缠绕在所述硅胶纤维管的外侧，所述硅胶管的一端设置有密封接头，所述密封接头与所述电气比例阀连接；

所述微控制器根据手指数据采集手套采集的手指弯曲角度信息和指尖压力信息控制电气比例阀的开闭，从而控制硅胶管内的气体压力，进而控制所述硅胶纤维管的弯曲程度。

优选地，所述驱动模块还包括消声器、储气罐、油雾分离器、减压阀和气体过滤器，所述消声器依次连接所述气泵、储气罐、油雾分离器、减压阀、气体过滤器和电气比例阀。

优选地，所述微控制器通过线缆连接有模式控制器。

优选地，所述柔性外骨骼手套还包括缝在所述第二手套本体上的柔性指尖套、柔性指节套和驱动器末端固定套，以用于固定柔性弯曲驱动器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明采用柔性外骨骼手套，与刚性外骨骼相比，能够与患者的手更紧密的贴合，提高穿戴的舒适性；

2)本发明中采用柔性弯曲驱动器作为执行机构，其能够改变自身形态来适应当前环境，不会对穿戴者的手部造成损伤，安全性高。

3)本发明中手指之间可以单独运动也可以协调运动，提高患者手部康复训练的效果和穿戴的舒适性。

4)本发明提供了多种康复训练模式，增加康复训练的多样性。

附图说明

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明中柔性弯曲驱动器的结构示意图；

图3a～图3c依次为硅胶套上不加玻璃纤维布和凯夫拉纤维线、只加玻璃纤维面、同时加玻璃纤维布和凯夫拉纤维线后充气的示意图；

图4为本发明中柔性外骨骼手套的结构示意图；

图5为本发明中决策驱动模块的内部结构示意图；

图6为本发明中手指数据采集手套示意图；

图7为本发明中驱动模块连接柔性外骨骼手套的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照各附图，一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，包括手指数据采集手套2、决策驱动模块和柔性外骨骼手套5，其中，

所述手指数据采集手套2包括第一手套本体及共同安装在所述第一手套本体上的柔性传感器31和无线发送模块33，柔性传感器31的纵向沿所述第一手套本体的手指轴线方向一致，所述柔性传感器31用于测量手指弯曲角度和指尖压力，并且所述柔性传感器31与所述无线发送模块33通过导线32连接；

所述决策驱动模块包括决策模块4和驱动模块1，所述决策模块4包括微控制器24和与所述微控制器24相连接的无线接收模块30，所述无线接收模块30与所述无线发送模块33通过无线网络连接，以用于将手指弯曲角度和指尖压力传送给所述微控制器24；所述驱动模块1包括模块支撑架及共同安装在所述模块支撑上的气泵21和电气比例阀20，所述电气比例阀20与所述气泵21相连接；

所述柔性外骨骼手套5包括第二手套本体以及安装在所述第二手套本体背面的柔性弯曲驱动器16，所述的柔性弯曲驱动器16包含凯夫拉纤维线7、硅胶管8、玻璃纤维布9和气动密封接头10，所述硅胶管8的横截面呈弓形，所述玻璃纤维布9粘贴在所述硅胶管8的平底面并铺满该平底面，所述硅胶管8和玻璃纤维布9共同构成硅胶纤维管，所述凯夫拉纤维线7以双向螺旋缠绕的方式缠绕在所述硅胶纤维管的外侧，所述硅胶管8的一端设置有密封接头10，所述密封接头10与所述电气比例阀20连接；其中“双向螺旋缠绕的方式”是指凯夫拉纤维线7先以正旋的方式从硅胶纤维管的A端缠绕到B端，然后再以反旋的方式从硅胶纤维管的B端缠绕到A端；第二手套本体背面的柔性弯曲驱动器16在弯曲时，可以带动患病手也跟随着弯曲；

所述微控制器24通过线缆23与电气比例阀20连接，所述微控制器24根据手指数据采集手套2采集的手指弯曲角度信息和指尖压力信息控制电气比例阀20的开闭，从而控制硅胶管8内的气体压力，进而控制所述硅胶纤维管的弯曲程度。

进一步，所述驱动模块1还包括模块内架19及共同安装在所述模块内架19上的消声器22、储气罐28、油雾分离器25、减压阀26和气体过滤器27，所述消声器22依次连接所述气泵21、储气罐28、油雾分离器25、减压阀26、气体过滤器27和电气比例阀20。

进一步，决策模块1还包括锂电池29，其中所述的锂电池29通过电缆与微控制器24连接，为所述位处理芯片24提供电能。所述无线接收模块通过线缆与微控制器24连接，将无线发送模块的发送的数据传输给所述微控制器24。

所述消音过滤器22通过气体软管与气泵21的进气口相连接，所述气泵21的排气口通过软管与所述储气罐28的入口相连接，所述储气罐28的排气口通过软管与所述油雾分离器25的进气口相连接，所述油雾分离器25的排气口通过软管与所述减压阀26的进气口相连接，所述减压阀26的排气口通过软管与所述气体过滤器27的进气口相连接，所述气体过滤器27的排气口通过软管与所述电气比例阀20的进气口相连接，所述电气比例阀20的排气口通过气体输送软管6与所述柔性外骨骼手套5中密封接头10相连接，所述的气泵21的电源通过电缆与决策模块4的锂电池29连接，为气泵提供电能。锂电池29能够为整个柔性外骨骼手套提供电能，保持其持续运转30分钟，锂电池可充电循环使用。

进一步，所述微控制器24通过线缆连接有模式控制器3。

进一步，所述柔性外骨骼手套5还包括缝在所述第二手套本体上的柔性指尖套14、柔性指节套15和驱动器末端固定套17，以用于固定柔性弯曲驱动器16；柔性指尖套14、柔性指节套15以及驱动器末端固定套17都通过缝线与柔性外骨骼手套的本体相连接本固定；柔性弯曲驱动器16的一端与柔性指尖套14连接，另一端与驱动器末端固定套17连接，其中间部分与柔性指节套15连接。

参照图3a～图3c，其中图3a示出了硅胶管8外侧不加任何其它材料约束，向内腔里面充气，其会沿着轴向伸长和沿着径向膨胀。其中图3b示出了硅胶管8的平底面上以双螺旋线的形式缠绕凯夫拉纤维线7，再向内腔里面充气，凯夫拉纤维线7会限制其沿着径向膨胀，造成柔性驱动器只能沿着轴向伸长。其中图3c示出了在硅胶管8平底面贴玻璃纤维布和在外部以双向螺旋缠绕的方式缠绕凯夫拉纤维线7，则玻璃纤维布9不能拉伸，它会限制柔性驱动器的底部伸长，柔性驱动器在充气的状态下，其轴线上部的伸长量比轴线下部伸长量大，因此就会形成弯曲状态，这样可以带动患病手指进行康复训练。同时，由于采用了硅胶软材料，在和手指进行力交互时，会改变自身的形态来适应患者的手指骨骼结构，不会对患者造成二次伤害。

在使用本发明的柔性外骨骼手套5进行手部康复训练，当患者选择主动康复模式时，手部功能障碍患者将手指数据采集手套2戴在健康的手上作为康复训练的主动端，穿戴在手部运动障碍患者的患病手上的柔性外骨骼手套5作为从动端，柔性传感器31采集主动端的五根手指关节角度信息，通过无线方式将其发送到决策模块4，决策模块4中的微控制器24根据主动端的手指角度信息和指尖压力信息来控制电气比例阀20的开度，从而控制输入硅胶管8内的气体流量，而控制硅胶管8内的气压，驱动模块1中有五个电气比例阀20，每一个电气比例阀20对应柔性外骨骼手套5的每一根柔性弯曲驱动器，电气比例阀20控制每个柔性弯曲驱动器的内腔气体压力值，控制每个柔性弯曲驱动器的屈和伸，柔性外骨骼手套2通过指尖套和指节套来保持柔性弯曲驱动器与患病手的相对固定，带动患者做出和主动端相一致的手指运动，实现手部运动功能障碍患者的主动康复训练。

当患者进行被动模式训练时，不需要佩戴手指数据采集手套2，通过模式控制器3上的按钮来选择不同的训练模式，模式控制器3通过微控制器24控制电气比例阀20，可以有握拳训练、抓球训练、指尖接触训练和抓卡片训练等多种康复训练模式，模式控制器3上面的液晶屏幕显示关键的信息，如电池电量、训练模式、训练时长、指尖压力等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，其特征在于，包括手指数据采集手套、决策驱动模块和柔性外骨骼手套，其中，

所述手指数据采集手套包括第一手套本体及共同安装在所述第一手套本体上的柔性传感器和无线发送模块，所述柔性传感器用于测量手指弯曲角度和指尖压力，并且所述柔性传感器与所述无线发送模块连接；

所述决策驱动模块包括决策模块和驱动模块，所述决策模块包括微控制器和与所述微控制器相连接的无线接收模块，所述无线接收模块与所述无线发送模块通过无线网络连接，以用于将手指弯曲角度和指尖压力传送给所述微控制器；所述驱动模块包括模块支撑架及共同安装在所述模块支撑架上的气泵和电气比例阀，所述电气比例阀与所述气泵相连接；

所述柔性外骨骼手套包括第二手套本体以及安装在所述第二手套本体背面的柔性弯曲驱动器，所述的柔性弯曲驱动器包含凯夫拉纤维线、硅胶管、玻璃纤维布和气动密封接头，所述硅胶管的横截面呈弓形，所述玻璃纤维布粘贴在所述硅胶管的平底面并铺满该平底面，所述硅胶管和玻璃纤维布共同构成硅胶纤维管，所述凯夫拉纤维线以双向螺旋缠绕的方式缠绕在所述硅胶纤维管的外侧，通过设置双向螺旋缠绕的凯夫拉纤维线限制硅胶管的径向膨胀，并通过在硅胶管的平底面粘贴玻璃纤维布，以限制硅胶管底部的伸长，使得柔性弯曲驱动器形成弯曲状态，所述硅胶管的一端设置有密封接头，所述密封接头与所述电气比例阀连接；

所述微控制器根据手指数据采集手套采集的手指弯曲角度信息和指尖压力信息控制电气比例阀的开闭，从而控制硅胶管内的气体压力，进而控制所述硅胶纤维管的弯曲程度。

2.根据权利要求1所述的一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，其特征在于，所述驱动模块还包括消声器、储气罐、油雾分离器、减压阀和气体过滤器，所述消声器依次连接所述气泵、储气罐、油雾分离器、减压阀、气体过滤器和电气比例阀。

3.根据权利要求1所述的一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，其特征在于，所述微控制器通过线缆连接有模式控制器。

4.根据权利要求1所述的一种用于手部康复训练的柔性外骨骼手套系统，其特征在于，所述柔性外骨骼手套还包括缝在所述第二手套本体上的柔性指尖套、柔性指节套和驱动器末端固定套，以用于固定柔性弯曲驱动器。