CN107280915B - 软体气驱的手部康复装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种软体气驱的手部康复装置，手部执行器穿戴于患者手部，用于带动患者手部运动；气驱系统与手部执行器通过气管连通，用于向手部执行器提供气体驱动，使得手部执行器带动患者手部运动；微控制器连接气驱系统，用于向气驱系统发出控制信号以对气驱系统进行控制。与现有的手部康复装置相比，本公开的手部康复装置具有价格低、穿戴舒适、安全有效的优点，克服了现有的手部康复装置的价格高、笨重、穿戴不舒适、安全性不高的缺陷，可广泛应用于中风患者手部偏瘫康复训练中。

Description

软体气驱的手部康复装置

技术领域

本发明属于手部康复机器人领域，尤其涉及一种软体气驱的手部康复装置。

背景技术

目前，我国人口老龄化现象愈发普遍，脑卒中患者也呈现逐年增加的趋势。脑卒中是手功能失效的主要原因之一，脑卒中患者可出现多种神经功能缺损症状，其中偏瘫和运动障碍最为常见，而上肢偏瘫患者的手功能障碍临床往往表现为手部的屈曲挛缩，手部的屈肌张力过高，指间关节和掌指关节伸展困难。目前针对脑卒中引起的手部偏瘫问题只能依赖于医护人员的手动训练，而我国目前专业的康复医疗人员却严重短缺。近几十年来，国内外的机器人技术得到了飞速的发展，智能医疗康复机器人的出现能够很好的解决了这一矛盾。

现有的手部康复机器人主要是采用刚性结构的手部外骨骼机器人。由于刚性结构导致整个机器人体积大、笨重、穿戴不舒适、价格高、以及由于结构的复杂性，导致整个机器人失去控制的风险很高，所以使用起来并不安全。以上因素都限制了它们在实际中的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在解决现有刚性外骨骼机器人笨重、不安全、穿戴不舒适等问题，提出一种软体气驱的手部康复装置，以进一步发挥软体外骨骼机器人在康复领域的优势。

(二)技术方案

本发明提供了一种软体气驱的手部康复装置，包括：手部执行器，穿戴于患者手部，用于带动患者手部运动；气驱系统，与所述手部执行器通过气管连通，用于向所述手部执行器提供气体驱动，使得所述手部执行器带动患者手部运动；微控制器，连接所述气驱系统，用于向所述气驱系统发出控制信号以对所述气驱系统进行控制。

在本发明的一些实施例中，还包括：传感装置，设置于所述手部执行器中，与所述微控制器连接，用于采集所述手部执行器的参数，与所述微控制器、气驱系统和手部执行器组成闭环控制系统。

在本发明的一些实施例中，所述气驱系统包括：气泵驱动器，连接所述微控制器；微型真空泵，连接所述气泵驱动器；阀门驱动电路，连接所述微控制器；阀门组件，连接所述阀门驱动电路，并通过气管分别与所述微型真空泵和手部执行器连通；在所述微控制器的控制下，所述气泵驱动器，用于向所述微型真空泵发出驱动信号；所述阀门驱动电路，用于向所述阀门组件发出驱动信号；所述微型真空泵和阀门组件，用于对所述手部执行器进行充放气以控制所述手部执行器的运动。

在本发明的一些实施例中，所述微型真空泵具有进气口和排气口；所述阀门组件包括：第一阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的排气口连接；其排气口通过连接器和气管与所述手部执行器连通；第二阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的排气口连接，其排气口通过连接器和气管空接；第三阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的进气口连通，其排气口通过连接器和气管空接；第四阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的进气口连接，其排气口通过连接器和气管与所述手部执行器连接。

在本发明的一些实施例中，所述手部执行器包括：乳胶球、手套和连接组件；所述手套穿戴于患者手部；所述连接组件连接所述乳胶球和手套的手指；所述乳胶球，镶嵌在所述手套的背面，通过软管连通所述气驱系统，在所述气驱系统的气体驱动下其形状发生变化，从而通过所述连接组件带动手套手指运动。

在本发明的一些实施例中，所述连接组件包括：第一套连接组件，其四个弯钩固定于乳胶球，所述四个弯钩位于乳胶球的和手套掌面平行的最远切面上，分别与手套的食指、中指、无名指、小拇指位置正对；另外四个弯钩固定于手套表面，分别位于手套的食指、中指、无名指、小拇指的掌指关节和第一指间关节之间位置；四条细绳分别将弯钩对应连接；第二套连接组件，其四个弯钩固定于乳胶球，所述四个弯钩位于乳胶球的和手套掌面垂直且最靠近手套手指一侧的切面上，分别与手套的食指、中指、无名指、小拇指位置正对；另外四个弯钩固定于手套表面，分别位于手套食指、中指、无名指、小拇指的第二指间关节对应的位置；四条细绳分别将弯钩对应连接；第三套连接组件，其两个弯钩固定于乳胶球，所述两个弯钩位于乳胶球的靠近手套大拇指一侧的后面位置；另外两个弯钩固定于手套表面，分别位于手套大拇指的第一指间关节和第二指尖关节对应的位置；两条细绳分别将弯钩对应连接。

在本发明的一些实施例中，在所述气驱系统的气体驱动下，当所述乳胶球充气而膨胀时，细绳被拉紧，手套的手指在细绳拉力的作用下伸直；当所述乳胶球放气而收缩时，细绳变松，手套的手指弯曲。

在本发明的一些实施例中，所述传感装置包括流量传感器和弯曲度传感器；所述流量传感器连接微控制器，用于采集乳胶球内的气体体积参数，并将气体体积作为反馈信号送给微控制器；所述弯曲度传感器连接微控制器，用于采集手套手指的弯曲角度参数，并将弯曲角度参数作为反馈信号送给微控制器。

在本发明的一些实施例中，当所述流量传感器采集的气体体积达到或接近一阈值时，所述微控制器发出控制信号，所述气驱系统不再对所述乳胶球充气。

在本发明的一些实施例中，还包括：计算机，用于与所述微控制器通信。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明软体气驱的手部康复装置具有以下有益效果：

(1)与现有的手部康复装置相比，本发明的手部康复装置具有价格低、穿戴舒适、安全有效的优点，克服了现有的手部康复装置的价格高、笨重、穿戴不舒适、安全性不高的缺陷，可广泛应用于中风患者手部偏瘫康复训练中。

(2)通过采用流量传感器和弯曲度传感器，可以防止乳胶球爆裂，保证产品的安全性，并可以对手部执行器进行更精确的控制，提高康复训练的效果。

附图说明

图1是本发明实施例手部康复装置的结构框图。

图2是本发明实施例手部康复装置的微控制器和气驱系统的结构框图；

图3是本发明实施例手部康复装置的手部执行器的运动示意图，(a)为手套手指处于弯曲状态，(b)为手套手指处于伸直状态。

图4是本发明另一实施例手部康复装置的结构框图。

图5是本发明另一实施例手部康复装置的微控制器和气驱系统的结构框图。

具体实施方式

本发明提出以手部执行器为被控对象、以高性能低功耗的Arduino UNO作为微控制器、以微型真空泵为驱动器的软体气驱的手部康复装置。因为软体材料内在所具有的柔软性、弹性、轻巧性，使得用软体材料制造的手部康复装置更加的轻巧、舒适、体积小、便于穿戴和携带、安全性高。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例的软体气驱的手部康复装置，如图1所示，手部康复装置包括：微控制器、气驱系统、手部执行器。

手部执行器为被控对象，穿戴于患者手部，用于带动患者手部做康复训练。

气驱系统，与手部执行器通过气管连通，用于向手部执行器提供气压驱动、以及调节手部执行器内的气体流向，以驱动手部执行器带动患者手部运动。

微控制器负责控制与通信。微控制器连接气驱系统，用于向气驱系统发出控制信号以对气驱系统进行控制。

参见图2，气驱系统包括：气泵驱动器、微型真空泵、阀门驱动电路和阀门组件。

气泵驱动器电性连接微控制器，微型真空泵作为手部康复装置的驱动器，与气泵驱动器电性连接。

阀门驱动电路电性连接微控制器，阀门组件电性连接阀门驱动电路，并通过气管分别与微型真空泵和手部执行器连通。

微控制器向气泵驱动器以及阀门驱动电路发出控制信号，在控制信号的作用下，气泵驱动器向微型真空泵发出驱动信号，阀门驱动电路向阀门组件发出驱动信号，微型真空泵通过阀门组件驱动手部执行器的动作。

具体来说，微型真空泵具有进气口和排气口。阀门组件包括1号阀门、2号阀门、3号阀门和4号阀门。1号、2号阀门的进气口通过连接器和气管与微型真空泵的排气口连接；3号、4号阀门的进气口通过连接器和气管与微型真空泵的进气口连接；1号、4号阀门的排气口通过连接器和气管与手部执行器连接；2号、3号阀门的排气口通过连接器和气管空接。

本实施的手部执行器包括乳胶球、手套、细绳、弯钩。乳胶球镶嵌在手套的背面，1号、4号阀门的排气口通过连接器和气管与乳胶球的软管连通，乳胶球内部可存储气体，其形状随存储气体量的变化而改变。

细绳和弯钩组成三套连接组件，连接乳胶球和手套的手指。每套连接组件包括两组弯钩和一组细绳。

对于第一套连接组件，其一组四个弯钩固定于乳胶球，该四个弯钩位于乳胶球的和手套掌面平行的最远切面上，分别与手套的食指、中指、无名指、小拇指位置正对；其另一组四个弯钩固定于手套表面，分别位于手套的食指、中指、无名指、小拇指的掌指关节和第一指间关节之间位置；一组四条细绳分别将两组四个弯钩对应连接。

对于第二套连接组件，其一组四个弯钩固定于乳胶球，该四个弯钩位于乳胶球的和手套掌面垂直且最靠近手套手指一侧的切面上，分别与手套的食指、中指、无名指、小拇指位置正对；其另一组四个弯钩固定于手套表面，分别位于手套食指、中指、无名指、小拇指的第二指间关节对应的位置；一组四条细绳分别将两组四个弯钩对应连接。

对于第三套连接组件，其一组两个弯钩固定于乳胶球，该两个弯钩位于乳胶球的靠近手套大拇指一侧的后面位置，即以乳胶球的球心为坐标原点，大拇指伸直并与四指垂直的大拇指指向为X轴正方向，四指伸直方向为Y轴正方向，与掌面垂直向上方向为Z轴正方向，两个弯钩在乳胶球上固定点位置为第四象限对应的乳胶球面上；其另一组两个弯钩固定于手套表面，分别位于手套大拇指的第一指间关节和第二指间关节对应的位置；一组两条细绳分别将两组两个弯钩对应连接。

本实施例的手部康复装置，微控制器分别输出数字控制信号给微型气泵驱动器和阀门驱动电路，控制阀门的通断、以及微型真空泵的排气或吸气，从而控制手部执行器的动作。气驱系统的气管和手部执行器软管连接，进而气驱系统可以通过气压驱动手部执行器运动。手部康复装置的具体工作过程如下：

当微型真空泵气排气口排气，1号阀门打开时，排气经1号阀门的排气口、连接器、气管以及软管进入乳胶球，乳胶球被充气并膨胀，细绳会被拉紧，而细绳是不可伸缩的，手套的各个手指在细绳拉力的作用下伸直，使得中风患者痉挛的手指会随着乳胶球的膨胀而伸直，如图3中(b)所示。

当微型真空泵气进气口进气，4号阀门打开时，乳胶球内的气体经软管、气管、连接器、4号阀门而被微型真空泵吸走，乳胶球会收缩，细绳会变松，手套的各个手指不再受到细绳的拉力，中风患者的手指会因为手部肌张力过高而弯曲，如图3中(a)所示。

在本发明的一个示例，微控制器采用意大利Arduino公司生产的Arduino UNO，该微控制器的核心处理器是ATmega328，该微控制器同时具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出)，6路模拟输入，工作频率最高可达16MHz，并具有丰富的片上资源和外设接口。

阀门采用电磁阀门，阀门驱动电路采用电磁阀门驱动电路。本实施例的手部康复装置还包括12V和24V直流电源。12V直流电源接入电磁阀门驱动电路，用于给电磁阀门供电。24V直流电源接入气泵驱动器，用于给微型真空泵供电。微控制器模拟端口发出5V、20mA的控制信号，电磁阀门驱动电路将该控制信号转换为驱动电磁阀门的12V、0.6A的驱动信号。电磁阀门驱动电路优选采用PC817作为光耦隔离芯片，采用NPN三极管2SD882作为扩流芯片。

由此可见，本实施例的软体气驱的手部康复装置，与现有的手部康复装置相比，具有价格低、穿戴舒适、安全有效的优点，克服了现有的手部康复装置的价格高、笨重、穿戴不舒适、安全性不高的缺陷，可广泛应用于中风患者手部偏瘫康复训练中。

本发明另一实施例的软体气驱的手部康复装置，如图4所示，与上述手部康复装置相比还包括：传感装置。

同时参见图5，传感装置设置于手部执行器中并与微控制器连接，采集手部执行器的参数，作为闭环控制的反馈信号。微控制器用于接收传感装置采集的参数，以该参数作为反馈信号而形成手部康复装置的闭环控制。

传感装置包括流量传感器和弯曲度传感器。弯曲传感器的模拟信号输出连接微控制器，流量传感器的输出通过RS-485接口连接微控制器，二者与微控制器、气驱系统、手部执行器构成闭环控制系统。

流量传感器用于采集乳胶球内的气体体积参数，将气体体积作为反馈信号送给微控制器，用于预警控制。流量传感器可根据乳胶球的充放气次数采集到乳胶球的气体体积参数。预警控制是指，当流量传感器检测到的气体体积达到或接近一阈值时，微控制器发出控制信号，控制微型真空泵关闭排气口，并关闭1号阀门，使得气驱系统不会继续对乳胶球充气，防止乳胶球爆裂，保证产品的安全性。

弯曲度传感器采集手套手指的弯曲角度参数，该弯曲角度参数代表了患者手指的弯曲角度，将弯曲角度参数作为反馈信号送给微控制器，用于控制微型真空泵排气、进气状态的切换、以及排气、进气的速度，从而控制乳胶球的充放气状态与充放气速度，通过流量传感器和弯曲度传感器，可以对手部执行器进行更精确的控制，提高康复训练的效果。

进一步地，本实施例的手部康复装置，还包括计算机，其通过串口与微控制器通信，计算机用于下发控制指令以及处理手部康复装置各部件的工作参数。手部康复装置，还可配备液晶显示屏等外设。

利用本实施例的手部康复装置进行患者实验测试。一位65岁的女性中风患者，通过穿戴手部康复装置的手部执行器，在微控制器的控制作用下，气驱系统通过气压驱动手部执行器运动，从而带动中风患者手部做伸展康复运动。通过实验结果可以看出该款手部康复装置可以有效的带动中风患者手部做康复训练。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种软体气驱的手部康复装置，包括：

手部执行器，穿戴于患者手部，用于带动患者手部运动；

气驱系统，与所述手部执行器通过气管连通，用于向所述手部执行器提供气体驱动，使得所述手部执行器带动患者手部运动；

微控制器，连接所述气驱系统，用于向所述气驱系统发出控制信号以对所述气驱系统进行控制；

所述手部执行器包括：乳胶球、手套和连接组件；

所述手套穿戴于患者手部；

所述连接组件连接所述乳胶球和手套的手指，所述连接组件包括弯钩和细绳；

所述乳胶球，镶嵌在所述手套的背面，通过软管连通所述气驱系统，在所述气驱系统的气体驱动下其形状发生变化，从而通过所述连接组件带动手套手指运动。

2.如权利要求1所述的手部康复装置，还包括：

传感装置，设置于所述手部执行器中，与所述微控制器连接，用于采集所述手部执行器的参数，与所述微控制器、气驱系统和手部执行器组成闭环控制系统。

3.如权利要求1或2所述的手部康复装置，所述气驱系统包括：

气泵驱动器，连接所述微控制器；

微型真空泵，连接所述气泵驱动器；

阀门驱动电路，连接所述微控制器；

阀门组件，连接所述阀门驱动电路，并通过气管分别与所述微型真空泵和手部执行器连通；

在所述微控制器的控制下，

所述气泵驱动器，用于向所述微型真空泵发出驱动信号；

所述阀门驱动电路，用于向所述阀门组件发出驱动信号；

所述微型真空泵和阀门组件，用于对所述手部执行器进行充放气以控制所述手部执行器的运动。

4.如权利要求3所述的手部康复装置，

所述微型真空泵具有进气口和排气口；

所述阀门组件包括：

第一阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的排气口连接；其排气口通过连接器和气管与所述手部执行器连通；

第二阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的排气口连接，其排气口通过连接器和气管空接；

第三阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的进气口连通，其排气口通过连接器和气管空接；

第四阀门，其进气口通过连接器和气管与所述微型真空泵的进气口连接，其排气口通过连接器和气管与所述手部执行器连接。

5.如权利要求1所述的手部康复装置，所述连接组件包括：

第一套连接组件，其四个弯钩固定于乳胶球，所述四个弯钩位于乳胶球的和手套掌面平行的最远切面上，分别与手套的食指、中指、无名指、小拇指位置正对；另外四个弯钩固定于手套表面，分别位于手套的食指、中指、无名指、小拇指的掌指关节和第一指间关节之间位置；四条细绳分别将弯钩对应连接，每条细绳连接同一手指对应的两个弯钩；

第二套连接组件，其四个弯钩固定于乳胶球，所述第二套连接组件的四个弯钩位于乳胶球的和手套掌面垂直且最靠近手套手指一侧的切面上，分别与手套的食指、中指、无名指、小拇指位置正对；另外四个弯钩固定于手套表面，分别位于手套食指、中指、无名指、小拇指的第二指间关节对应的位置；四条细绳分别将弯钩对应连接，每条细绳连接同一手指对应的两个弯钩；

第三套连接组件，其两个弯钩固定于乳胶球，所述两个弯钩位于乳胶球的靠近手套大拇指一侧的后面位置；另外两个弯钩固定于手套表面，分别位于手套大拇指的第一指间关节和第二指间关节对应的位置；两条细绳分别将弯钩对应连接，一条细绳连接乳胶球的靠近手套大拇指一侧的后面位置与第一指间关节，另一条细绳连接乳胶球的靠近手套大拇指一侧的后面位置与第二指间关节。

6.如权利要求5所述的手部康复装置，在所述气驱系统的气体驱动下，当所述乳胶球充气而膨胀时，细绳被拉紧，手套的手指在细绳拉力的作用下伸直；当所述乳胶球放气而收缩时，细绳变松，手套的手指弯曲。

7.如权利要求2所述的手部康复装置，所述传感装置包括流量传感器和弯曲度传感器；

所述流量传感器连接微控制器，用于采集乳胶球内的气体体积参数，并将气体体积作为反馈信号送给微控制器；

所述弯曲度传感器连接微控制器，用于采集手套手指的弯曲角度参数，并将弯曲角度参数作为反馈信号送给微控制器。

8.如权利要求7所述的手部康复装置，当所述流量传感器采集的气体体积达到或接近一阈值时，所述微控制器发出控制信号，所述气驱系统不再对所述乳胶球充气。

9.如权利要求1所述的手部康复装置，还包括：计算机，用于与所述微控制器通信。