CN108095727A - 基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，震颤检测模块与控制模块相连接并通过固定架固定于手套背部，腕部内收外展磁流变液阻尼器的连接端通过腕部固定连杆与腕部屈伸磁流变液阻尼器的连接端相连接，腕部屈伸磁流变液阻尼器的活动端与腕部固定支架相连接。本发明的磁流变液阻尼器，体积小，产生的阻尼力矩足以抵抗震颤力矩；控制模块根据震颤的频率以及幅度实时控制电磁线圈中的电流的大小从而达到控制磁流变液阻尼器所产生的阻尼力矩的大小的目的，且耗能极小，是一种半主动抑震策略；实现了抑制病理性震颤患者腕部震颤，辅助其日常生活的功能。

Description

基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套

技术领域

本发明涉及医疗康复机械技术领域，具体地，涉及一种基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套。

背景技术

“病理性震颤”是患者的一种无意识的、有一定节律的、近似正弦曲线运动的一种震颤疾病，许多的神经系统患者都会患有病理性震颤。病理性震颤的种类很多，很多疾病都会引发病理性震颤。腕部的震颤会严重影响到患者的日常生活。就治疗方法而言，脑深部电刺激是目前治疗病理性震颤最有效的方法，但是价格高昂，风险系数高；药物治疗作为传统的治疗病理性震颤的方法，能对患者的震颤起到一定的缓解效果，但是效果因人而异，且由于人体对药物的耐受性，长期服用某种药物会使机体对该药物的反应性减弱，药学效价降低，此外还会产生许多副作用。医学上的方法无论是药物还是手术治疗，其治疗范围和治疗效果都具有一定的局限性。因此生机电辅助技术作为一种非侵入式的相对安全的抑震策略为治愈病理性震颤提供了一种有效的解决途径。基于磁流变液的抑制病理性震颤的软体手套使用便携式可穿戴设计，佩戴方便，能够显著减轻患者腕部的震颤；新型的磁流变液阻尼器，针对于抑制患者腕部震颤的目的而设计，体积小，产生阻尼力矩足以抵抗震颤力矩，且阻尼力矩可以根据具体地震颤情况进行实时动态调整，可以很方便的应用于不同的环境，从而可以辅助患者日常生活，具有重要的意义。

经过文献调研，与磁流变液相关的专利很多，但是将其应用于病理性震颤这种特定环境的应用目前是没有的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，该外骨骼采用智能材料磁流变液，针对抑制病理性震颤而设计，根据使用自行设计的磁流变液阻尼器，体积小，阻尼力矩足够，便于穿戴，结合控制模块以及震颤检测模块，用于抑制患者腕部屈伸以及腕部内展、外收两个自由度的震颤，能有效地减轻病理性震颤患者的腕部震颤，辅助其日常生活。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，包括：可穿戴软体手套以及设置于可穿戴软体手套上的震颤检测模块、控制模块、腕部屈伸磁流变液阻尼器、腕部内收外展磁流变液阻尼器、腕部固定支架和腕部固定连杆；所述震颤检测模块与控制模块相连接，并通过一固定架与可穿戴软体手套相连；所述腕部内收外展磁流变液阻尼器的连接端通过腕部固定连杆与腕部屈伸磁流变液阻尼器的连接端相连接，所述腕部屈伸磁流变液阻尼器的活动端与腕部固定支架相连接；其中：

所述震颤检测模块检测震颤的频率以及幅度等级，并输出至控制模块；

所述控制模块根据震颤检测模块的检测结果，通过控制电路调整腕部内收外展磁流变液阻尼器和腕部屈伸磁流变液阻尼器的电磁线圈中电流的大小，从而动态调整腕部内收外展磁流变液阻尼器以及腕部屈伸磁流变液阻尼器所产生的阻尼力矩的大小；

所述腕部内收外展磁流变液阻尼器抑制患者腕部内收外展这一自由度的震颤；

所述腕部屈伸磁流变液阻尼器抑制患者腕部屈伸这一自由度的震颤；

所述可穿戴软体手套穿戴于患者肢体上。

优选地，所述腕部内收外展磁流变液阻尼器和腕部屈伸磁流变液阻尼器均包括：电磁线圈、密封环、阻尼器前盖、阻尼臂以及磁流变液腔体；其中，所述电磁线圈通过电磁线圈定位孔固定于磁流变液腔体的两侧，所述阻尼器前盖设置于磁流变液腔体的开口端并通过密封环密封，所述阻尼臂的内端设置于磁流变液腔体的内部，所述阻尼臂的外端能够在阻尼器前盖的开口槽中做一个维度的双向摆动；其中：

所述磁流变液腔体提供封闭的工作环境以及容纳磁流变液；

所述磁流变液用于阻尼力矩的产生，在外加磁场作用下，其黏度保持连续无级变化，可在固态与液态之间进行毫秒级快速可逆转化；

所述电磁线圈用于产生外加磁场，控制电磁线圈中电流的大小能够调整磁流变液腔体中磁场的大小以及分布，从而控制阻尼力矩的大小。

优选地，所述阻尼臂包括：阻尼臂固定头、软体阻尼臂以及阻尼臂连接杆；其中，所述阻尼臂固定头固定软体阻尼臂的内端，并与磁流变液腔体连接，形成阻尼臂的内端，所述阻尼臂连接杆固定软体阻尼臂的外端，形成阻尼臂的外端，所述软体阻尼臂上设置有磁流变液贯通孔；工作状态下，软体阻尼臂在阻尼臂连接杆的带动下做一个维度的双向摆动，磁流变液腔体内部的磁流变液从磁流变液贯穿孔以及从软体阻尼臂的两侧流过，与软体阻尼臂产生相互剪切运动，从而产生阻尼力矩抵抗震颤力矩。

优选地，所述震颤检测模块与控制模块集成于一个电路板中，集成的电路板通过固定架固定于可穿戴软体手套的背侧。

优选地，还包括设置于可穿戴软体手套上的供电模块，所述供电模块分别与震颤检测模块、控制模块、腕部屈伸磁流变液阻尼器和腕部内收外展磁流变液阻尼器供电连接。

本发明提供的基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，其主要功能是：抑制患者腕部屈伸自由度以及腕部内展外收自由度的震颤，辅助其日常生活。组成部分主要包括：震颤检测模块、控制模块、磁流变液阻尼器(包括腕部屈伸磁流变液阻尼器和腕部内收外展磁流变液阻尼器)、腕部固定支架、腕部固定连杆、可穿戴软体手套。其中：震颤检测模块用于检测震颤的频率以及幅度等级；控制模块则根据震颤检测模块的输出结果调整磁流变液阻尼器的电磁线圈中电流的大小从而动态调整磁流变液阻尼器所产生的阻尼力矩的大小；磁流变液阻尼器的磁流变液腔体用于容纳磁流变液以及提供一个封闭的工作环境；磁流变液用于阻尼力矩的产生，在外加磁场作用下，其黏度保持连续无级变化，可在固态与液态之间进行毫秒(ms)级快速可逆转化；电磁线圈用于产生磁流变液腔体中所需的外加磁场，控制电磁线圈中电流的大小可以调整磁流变液腔体中磁场的大小以及分布从而控制阻尼力矩的大小；软体阻尼臂用于阻尼力矩的产生，通过软体阻尼臂与磁流变液的相对剪切运动产生用于抑制震颤所需的阻尼力矩；可穿戴软体手套是整个外骨骼的基座，将整个外骨骼固定于患者肢体上，穿戴舒适、方便，且实现可穿戴的同时也不会限制患者的自由运动。

本发明的工作原理为：

在外骨骼工作时，要求患者将外骨骼穿戴于手部，震颤检测模块采集患者腕部的震颤信息，控制模块将震颤检测模块所采集的原始震颤数据进行处理后输出控制信号来调整磁流变液阻尼器的电磁线圈中电流的大小，通过控制电磁线圈所产生的磁场的大小和分布来动态调整磁流变液阻尼器的阻尼臂所产生的阻尼力矩。震颤检测模块与控制模块运算能力高，磁流变液响应快，使得整个外骨骼具有良好的实时性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、使用磁流变液来产生阻尼力矩，将磁流变液能够根据磁场的强度改变其黏度的特性应用于病理性震颤患者腕部的震颤抑制，优点在于可以实时对其进行主动控制，响应快且耗能极小；阻尼力矩可以动态调整，使得此设备可以用于不同的震颤情况，是一种半主动抑震策略。

2、使用自行设计的震颤检测模块，目的是提取震颤的信息，包括加速度，角速度以及角度信息；用于控制模块分析并输出控制电磁线圈磁场的电流。

3、使用便携式可穿戴设备，佩戴方便，供电电池、控制电路、执行机构均可方便的佩戴到手部；整体结构轻巧，从而可以降低长时间佩戴中产生的疲劳感。

4、本发明提供的磁流变液阻尼器，针对于抑制患者腕部震颤的目的而设计，体积小，产生的阻尼力矩足以抵抗震颤力矩。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套结构示意图；

图2是本发明磁流变液阻尼器(包括腕部屈伸磁流变液阻尼器和腕部内收外展磁流变液阻尼器)的结构示意图；

图3是本发明阻尼臂的结构示意图；

图4是本发明磁流变液阻尼器中磁感线的分布示意图；

图5是本发明磁流变液阻尼器的工作角度示意图。

图中：1为震颤检测模块，2为控制模块，3为腕部屈伸磁流变液阻尼器，4为腕部固定支架，5为腕部固定连杆，6为腕部内收外展磁流变液阻尼器，7为可穿戴软体手套，8为电磁线圈定位孔，9为电磁线圈，10为密封环，11为阻尼器前盖，12为阻尼臂连接杆，13为连接螺钉孔，14为磁流变液腔体，15为阻尼臂固定头，16为连接螺栓孔，17为磁流变液贯通孔，18为软体阻尼臂，19为磁流变液阻尼器中磁感线的分布图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套。主要功能是：抑制患者腕部屈伸自由度以及腕部内展外收自由度两个自由度的震颤，辅助其日常生活。组成部分主要包括：震颤检测模块、控制模块、磁流变液阻尼器(包括腕部屈伸磁流变液阻尼器和腕部内收外展磁流变液阻尼器)、腕部固定支架、腕部固定连杆、可穿戴软体手套。磁流变液阻尼器包括：磁流变液腔体(内部容纳有磁流变液)、阻尼臂(包括依次连接的阻尼臂固定头、软体阻尼臂以及阻尼臂连接杆)、电磁线圈、密封环以及阻尼器前盖。其中：震颤检测模块用于检测震颤的频率以及幅度等级；控制模块则根据震颤检测模块的输出结果调整磁流变液阻尼器的电磁线圈中电流的大小从而动态调整磁流变液阻尼器的阻尼臂所产生的阻尼力矩的大小；磁流变液腔体用于容纳磁流变液以及提供一个封闭的工作环境；磁流变液用于阻尼力矩的产生，在外加磁场作用下，其黏度保持连续无级变化，可在固态与液态之间进行毫秒(ms)级快速可逆转化；电磁线圈用于产生磁流变液腔体中所需的外加磁场，控制电磁线圈中电流的大小可以调整磁流变液腔体中磁场的大小以及分布从而控制阻尼力矩的大小；软体阻尼臂用于阻尼力矩的产生，通过软体阻尼臂与磁流变液的相对剪切运动产生用于抑制震颤所需的阻尼力矩；可穿戴软体手套是整个外骨骼的基座，将整个外骨骼固定于患者肢体上，穿戴舒适、方便，且实现可穿戴的同时也不会限制患者的自由运动。使用磁流变液来产生阻尼力矩，优点在于可以实时对其进行主动控制，响应快且耗能极小。阻尼力矩可以动态调整，使得此设备可以在不同的震颤条件下都有良好的抑震效果，是一种半主动抑震策略。

使用自行设计的震颤检测模块，目的是提取震颤的信息，包括加速度，角速度以及角度变化信息；用于控制模块分析并动态输出控制产生外加磁场的电流；

所述震颤检测模块包括：姿态检测传感器、相关外围电路以及控制芯片，所述姿态监测传感器与控制芯片相连接，并与相关外围电路集成于电路板上。

使用便携式可穿戴设备，佩戴方便，供电电池、控制电路、执行机构均可方便的佩戴于手部；整体结构轻巧，从而可以降低长时间佩戴中产生的疲劳感；

新型的磁流变液阻尼器，针对于抑制患者腕部震颤的目的而设计，体积小，产生的阻尼力矩足以抵抗震颤力矩；

磁流变液腔体具有密封环，能够保证磁流变液腔体密封，防止磁流变液流出；

磁流变液腔体中导磁和隔磁材料的合理布置使得磁场被束缚在特定的区域，以便精确的产生所需的阻尼力矩。

下面结合附图对本实施例进一步详细描述。

如图1所示：1为震颤检测模块，2为控制模块，3为腕部屈伸磁流变液阻尼器，4为腕部固定支架，5为腕部固定连杆，6为腕部内收外展磁流变液阻尼器，7为可穿戴软体手套。震颤检测模块用于检测患者腕部震颤信息，为控制模块提供原始震颤信号；控制模块根据震颤检测模块的传感器原始数据作适当处理之后输出控制腕部屈伸磁流变液阻尼器和腕部内收外展磁流变液阻尼器的电磁线圈中的电流，进而控制磁流变液阻尼器中磁场的大小，从而实时控制磁流变液阻尼器所产生的阻尼力矩；腕部屈伸磁流变液阻尼器用于抑制患者腕部屈伸这一自由度的震颤，其基座固定于可穿戴软体手套上；腕部固定支架用于固定腕部屈伸磁流变液阻尼器的活动端；腕部固定连杆用于固定腕部屈伸磁流变液阻尼器以及腕部内收外展磁流变液阻尼器的连接端；腕部内收外展磁流变液阻尼器用于抑制患者腕部内收、外展这一自由度的震颤；可穿戴软体手套是整个外骨骼的基座，将整个外骨骼固定于患者肢体上，穿戴舒适、方便，且实现可穿戴的同时也不会限制患者的自由运动。由于人体腕关节活动范围较大，使用便携式可穿戴设备，佩戴方便，供电电池、控制电路、执行机构均可方便的佩戴到手部，整体结构轻巧，从而可以降低长时间佩戴所产生的疲劳感。

如图2所示：8为电磁线圈定位孔，9为电磁线圈，10为密封环，11为阻尼器前盖，12为阻尼臂连接杆，13为连接螺钉孔，14为磁流变液腔体。电磁线圈定位孔用于定位以及固定电磁线圈于磁流变液腔体的两侧；电磁线圈在通电状态下产生磁流变液阻尼器所需要的磁场，且磁场的大小可以根据电流的大小进行调节；密封环用来密封阻尼器前盖与磁流变液腔体，防止磁流变液外泄；阻尼臂连接杆提供外部受力部分与内部软体阻尼臂的连接。工作的过程中，阻尼臂连接杆可以在磁流变液阻尼器的开口槽中做一个维度的双向摆动。

如图3所示：15为阻尼臂固定头，16为连接螺栓孔，17为磁流变液贯通孔，18为软体阻尼臂。阻尼臂固定头用来固定软体阻尼臂，工作的过程中，软体阻尼臂会在阻尼臂连接杆的带动下做上下摆动，磁流变液从磁流变液贯穿孔以及从软体阻尼臂的两侧流过，与软体阻尼臂产生相互剪切运动从而产生剪切力矩(即阻尼力矩)，用来抵抗震颤力矩。

如图4所示：19为磁流变液阻尼器中磁感线的分布图，将多个电磁线圈布置在磁流变液腔体的对称侧，可以增大工作区域中的磁场，为阻尼器提供可靠的阻尼力矩。

如图5所示：图5为磁流变液阻尼器的工作角度示意图，本实施例中，磁流变液阻尼器的阻尼臂采取固定连接杆头部的方式，故可以扩到其工作角度范围至65°，满足日常生活所需。

本实施例提供的基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，利用穿戴式的结构设计利于辅助患者日常生活；新型的磁流变液阻尼器，针对于抑制患者腕部震颤的目的而设计，体积小，产生的阻尼力矩足以抵抗震颤力矩；使用智能材料磁流变液，控制模块可以根据震颤的频率以及幅度实时控制磁流变液阻尼器所产生的阻尼力矩的大小且耗能极小，是一种半主动抑震策略；实现了抑制病理性震颤患者腕部震颤，辅助其日常生活的功能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，其特征在于，包括：可穿戴软体手套以及设置于可穿戴软体手套上的震颤检测模块、控制模块、腕部屈伸磁流变液阻尼器、腕部内收外展磁流变液阻尼器、腕部固定支架和腕部固定连杆；所述震颤检测模块与控制模块相连接，并通过一固定架与可穿戴软体手套相连；所述腕部内收外展磁流变液阻尼器的连接端通过腕部固定连杆与腕部屈伸磁流变液阻尼器的连接端相连接，所述腕部屈伸磁流变液阻尼器的活动端与腕部固定支架相连接；其中：

所述震颤检测模块检测震颤的频率以及幅度等级，并输出至控制模块；

所述控制模块根据震颤检测模块的检测结果，通过控制电路调整腕部内收外展磁流变液阻尼器和腕部屈伸磁流变液阻尼器的电磁线圈中电流的大小，从而动态调整腕部内收外展磁流变液阻尼器以及腕部屈伸磁流变液阻尼器所产生的阻尼力矩的大小；

所述腕部内收外展磁流变液阻尼器抑制患者腕部内收外展这一自由度的震颤；

所述腕部屈伸磁流变液阻尼器抑制患者腕部屈伸这一自由度的震颤；

所述可穿戴软体手套穿戴于患者肢体上。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，其特征在于，所述腕部内收外展磁流变液阻尼器和腕部屈伸磁流变液阻尼器均包括：电磁线圈、密封环、阻尼器前盖、阻尼臂以及磁流变液腔体；其中，所述电磁线圈通过电磁线圈定位孔固定于磁流变液腔体的两侧，所述阻尼器前盖设置于磁流变液腔体的开口端并通过密封环密封，所述阻尼臂的内端设置于磁流变液腔体的内部，并固定，所述阻尼臂的外端能够在阻尼器前盖的开口槽中做一个维度的双向摆动；其中：

所述磁流变液腔体提供封闭的工作环境并容纳磁流变液；

所述磁流变液在外加磁场作用下，其黏度保持连续无级变化，在固态与液态之间进行毫秒级快速可逆转化，进而促使阻尼臂产生阻尼力矩；

所述电磁线圈用于产生外加磁场，控制电磁线圈中电流的大小能够调整磁流变液腔体中磁场的大小以及分布，从而控制阻尼力矩的大小。

3.根据权利要求2所述的基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，其特征在于，所述阻尼臂包括：阻尼臂固定头、软体阻尼臂以及阻尼臂连接杆；其中，所述阻尼臂固定头固定软体阻尼臂的内端，并与磁流变液腔体连接，形成阻尼臂的内端，所述阻尼臂连接杆固定软体阻尼臂的外端，形成阻尼臂的外端，所述软体阻尼臂上设置有磁流变液贯通孔；工作状态下，软体阻尼臂在阻尼臂连接杆的带动下做一个维度的双向摆动，磁流变液腔体内部的磁流变液从磁流变液贯穿孔以及从软体阻尼臂的两侧流过，与软体阻尼臂产生相互剪切运动，从而产生阻尼力矩抵抗震颤力矩。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，其特征在于，所述震颤检测模块与控制模块集成于一个电路板中，集成的电路板通过固定架固定于可穿戴软体手套的背侧。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于磁流变液的抑制病理性震颤的机器人手套，其特征在于，还包括设置于可穿戴软体手套上的供电模块，所述供电模块分别与震颤检测模块、控制模块、腕部屈伸磁流变液阻尼器和腕部内收外展磁流变液阻尼器供电连接。