CN108354779A - 一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,包括内层硅胶管、外层硅胶管、凯夫拉纤维线以及三段玻璃纤维布;内层硅胶管的前端封闭,后端设有开口,用于与气压或液压驱动装置连接;内层硅胶管的外壁对应四指指骨的部分以双螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线;三段玻璃纤维布均粘贴于内层硅胶管的背离手指侧,位置分别对应于四指掌骨和近节指骨连接关节、近节指骨和中节指骨连接关节、中节指骨和远节指骨连接关节;外层硅胶管套在内层硅胶管外,与内层硅胶管紧密结合,将凯夫拉纤维线和玻璃纤维布固定于内层硅胶管的外壁上。该手套通过搭载该致动器,实现模拟四指伸展运动,辅助四指进行伸展训练。

Description

一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器
技术领域
[0001] 本发明属于手部外骨骼康复机器人领域,更具体地,涉及一种用于辅助人手四指 伸展运动的软体驱动器。
背景技术
[0002] 如今社会人口老龄化加重,由于脑卒中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手部运动功能受损的人数也逐年增加。这些患者往 往因手部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的压力。文献表明,大 多数患者的手指都处于屈曲状态,肌肉出现不同程度的僵硬,这是需要借助外力来辅助患 者进行手指的伸展打开运动。传统的手部康复治疗多采用一对一的医师进行揉捏拉等机械 化动作,同时,患者的康复状态完全由医师个人评定,这种康复训练十分耗费人力,同时治 疗费用高,无法满足大多数患者的需求。
[0003] 手部外骨骼康复软体机器人能够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制定相应的康复训练策略循序 渐进的进行康复活动,以求达到最好的康复训练效果,同时减少患者康复的周期。
[0004] 专利CN105496728A公开了用于手部运动功能康复的软体机器人手套,申请日期为 2016年4月20日。该装置能够辅助手部功能受损或者丧失的患者进行康复训练,但是,该装 置存在如下问题:
[0005] 1、该装置的动力部件为牵引绳,牵引方向总体上具有由前向后的趋势,牵引动作 较为生硬,并且不符合人体手指的骨骼形态及自然运动状态,牵引过程中易导致手指关节 相互挤压、摩擦,长期使用容易对患者手部产生二次伤害;
[0006] 2、该装置与手指形状相差较大,与手指的匹配性较差,佩戴时有异物感,不舒适。
发明内容
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供一种用于辅助人手四指伸展运 动的软体驱动器,通过将硅胶管作为软体驱动器的核心结构,利用凯夫拉纤维线绕制双螺 旋线包裹硅胶管的指骨部位,同时粘贴玻璃纤维布限制其自由度,由此实现模拟大拇指的 弯曲伸展和外展运动,从而解决现有的手部康复机器人不能辅助大拇指外展的技术问题。
[0008] 为了实现上述目的,本发明提供了一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动 器,包括内层硅胶管、外层硅胶管、凯夫拉纤维线以及三段玻璃纤维布;
[0009] 内层硅胶管的前端封闭,后端设有开口,用于与气压或液压驱动装置连接;内层石圭 胶管的外壁对应四指指骨的部分以双螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线;三段玻璃纤维布均粘贴 于内层硅胶管的背离手指侧,位置分别对应于四指掌骨和近节指骨连接关节、近节指骨和 中节指骨连接关节、中节指骨和远节指骨连接关节;外层硅胶管套在内层硅胶管外,与内层 硅胶管紧密结合,将凯夫拉纤维线和玻璃纤维布固定于内层硅胶管的外壁上。
[0010]进一步地,内层硅胶管对应于手指掌骨的部分一体成型有扁平硅胶座,内层娃胶 管位于扁平硅胶座前端的部分为半圆柱构造,半圆柱构造的平面背向于手指设置,两端玻 璃纤维布均粘贴于半圆柱构造的平面上。
[0011]进一步地,外层硅胶管套在半圆柱构造外部,外层硅胶管朝向手指侧对应四指的 近节指骨、中节指骨和远节指骨位置一体成型有三段凹型硅橡胶固定座,相邻凹型橡胶固 定座之间的连接部横截面为半圆形,半圆形的直边背向手指设置。
[0012]进一步地,外层硅胶管后端与扁平硅胶座连接,且共形设置。
[0013]进一步地,玻璃纤维布为长方形,其宽度与手指宽度一致,其长度略长于手指关节 活动外径,以覆盖手指关节活动范围;玻璃纤维布的孔径为0.4*0.4mm。
[00 M] 进一步地,该软体驱动器包括:软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器、柔性弯曲传 感器固定套、橡胶固定座、柔性压力传感器、柔性压力传感器固定套和指尖套;
[0015]外层硅胶管固定于软体驱动器固定套中;
[0016]柔性弯曲传感器沿着轴线方向布置在外层硅胶管下表面和软体驱动器固定套的 内部底面之间,通过柔性弯曲传感器固定套固定于软体驱动器固定套的内部底面上;
[0017]橡胶固定座套在软体驱动器的扁平固定座后端,橡胶固定座的下部与软体驱动器 固定套的后端固连;
[0018]柔性压力传感器通过柔性压力传感器固定套固定于指尖套内部底面,指尖套固定 于软体驱动器固定套端部下表面。
[0019] 进一步地,指尖套、软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器固定套和柔性压力传感器 固定套中的至少一个采用芳纶弹力布制成。
[0020] 进一步地,指尖套尺寸小于正常大拇指尺寸,以提供适当预紧力,紧缚患者大拇指 远节指骨和近节指骨的端部。
[0021] 进一步地,软体驱动器固定套对应于橡胶固定座的位置的下方设有子母扣,用于 与手套上对应匹配的子母扣连接。
[0022] 为了实现上述目的,本发明还提供了一种用于辅助人手四指伸展运动的手套,包 括前面所述的任意一种软体驱动器。
[0023] 总体而言,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:
[0024] 1、本发明中采用软体驱动器作为执行机构,主体材料为硅胶管,其能够改变自身 形态来适应当前环境,不会对患者手部造成过大的冲击载荷,同时,装置良好的柔顺性不会 对患者造成拉伤等二次伤害,不会对穿戴者的手部造成损伤,安全性高,能够采用液压或者 气压驱动,具有很高的功率比。
[0025] 2、本发明通过凯夫拉纤维线绕制单螺旋和双螺旋混合线包裹大拇指的指骨和掌 骨,同时在对应大拇指的两个指关节位置粘贴玻璃纤维布限制其自由度,从而在双螺旋凯 夫拉纤维线处产生弯曲运动,在单螺旋凯夫拉纤维线处产生偏摆运动,由此实现模拟大拇 指的弯曲伸展和外展运动,能够带动脑卒中患者或手指肌肉受损患者的手指进行伸展运动 和外展运动康复训练。
附图说明
[0026] 图1为人手大拇指指骨骼结构图;
[0027] 图2为一种用于辅助四指关节完成伸展运动的软体康复器组成框架图;
[0028] 图3为一种用于辅助四指关节完成伸展运动的软体康复器辅件结构图,其中3 (a) 为分解图,3⑹为组装图;
[0029] 图4为一种用于辅助四指关节完成伸展运动的软体康复器外形结构图;
[0030]图5为一种用于辅助四指关节完成伸展运动的软体康复器的驱动器内层致动结构 示意图;
[0031] 图6为一种用于辅助四指关节完成伸展运动的软体康复器的驱动器运动原理示意 图;
[0032] 图7为软体驱动器固定座结构图。
[0033] 在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
[0034] 1-柔性致动器,2-柔性弯曲传感器固定套,3-柔性弯曲传感器,4-软体驱动器固定 套,5-指尖套,6-柔性压力传感器,7-柔性压力传感器固定套,8_4mm气管,9_橡胶固定座, 10-子母扣,11-指节套,12-软体驱动器上部,13-类指尖状软体驱动器端部,14-软体驱动器 气管通道,15-软体驱动器下部凹型固定座,16_软体驱动器内壁,17_双螺旋凯夫拉纤维线, 18-玻璃纤维布,19-软体驱动器充气膨胀图,20-软体驱动器充气伸长示意图,21-软体驱动 器充气弯曲示意图,22-橡胶固定座外圈,23_橡胶固定座内圈,24-橡胶固定座底部曲面。
具体实施方式
[0035]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。
[0036]在对本实施例做详细说明前,先对手的生物骨骼结构进行介绍。
[0037]图1是从手背侧观察的左手的骨骼结构,如图1所示,与腕骨相连接的是大拇指以 及四指的掌骨,四指具有三节指骨构成,分别是近节指骨、中节指骨和远节指骨。其中近节 指骨与掌骨相连,手指能够完成弯曲和伸展运动。而手功能功能障碍患者手指大部分处于 弯曲状态,需要外力来辅助其进行伸展运动。
[0038]在本实施例,本发明提供的一种用于辅助四指关节完成伸展运动的软体驱动器。 [0039]图2是一种用于辅助四指关节完成伸展运动的软体驱动器的组成框架图,其包含 软体驱动器,柔性弯曲传感器,柔性压力传感器,手指套,橡胶固定座,其中软体驱动器主要 有硅橡胶、凯夫拉纤维和玻璃纤维布混合制成,手指套包含指尖套、指节套和驱动器固定 套。
[0040]如图3、图7所示,软体驱动器包括柔性致动器1、柔性弯曲传感器固定套2、柔性弯 曲传感器3、软体驱动器固定套4、指尖套5、柔性压力传感器6、柔性压力传感器固定套7、4mm 气管8、橡胶固定座9、子母扣10和指节套11。
[0041]柔性致动器丨通过驱动器固定套4固定在手指套上,柔性弯曲传感器3沿着柔性致 动器1的轴线方向布置,通过柔性传感器固定套2固定在手指套中间层上,柔性气管8插入柔 性致动器1的气管口内,并通过本体的硅橡胶产生一定的预紧力。软体驱动器气管通道穿过 橡胶固定座9的内壁21.橡胶固定座的内壁21的孔径小于软体驱动器气管通道外壁,能够紧 紧的扣死气管通道,防止软体驱动器内部气体泄漏。
[0042]橡胶固定座9的底部24与子母扣1〇的上部相连,橡胶固定座的底部24为凹曲面,能 够和人手掌骨想贴合,提高舒适感。柔性压力传感器7通过柔性压力传感器固定套固定于指 尖套5里,指尖套5及指节套11与手指套4缝制连接在一起,其均采用弹力布料,能够保证软 体驱动器和手指紧密贴合。软体驱动器气管通道穿过橡胶固定座8的内壁23。橡胶固定座的 内壁23的孔径小于软体驱动器气管通道外壁,能够紧紧的扣死气管通道,防止软体驱动器 内部气体泄漏。橡胶固定座8的底部24与子母扣10的上部相连,橡胶固定座的底部24为凹曲 面,能够和人手掌骨相贴合,提高舒适感。
[0043]图4是柔性致动器1的外形图,其中软体驱动器的外层硅胶管前端13 (指尖方向的 端部)为扁平状,外层硅胶管的顶部12为长方形状。外层硅胶管下部一体成型的指节固定座 15为凹曲面状,其一共有三段,分别对应近节指骨、中节指骨和远节指骨,其余部分的构造 截面为半圆形截面。指节固定座15与手指指背的凸曲面状吻合,能够保证驱动器在带动手 指做伸展运动时不会沿手指轴线偏离,以达到良好的辅助运动效果。半圆形截面的过渡构 造具有充分的压缩让位性能及伸展自由性,不会压迫手指的关节。
[0044]柔性致动器1的内层硅胶管结构示意图如图5,包括凯夫拉纤维线17、硅橡胶本体 I6、玻璃纤维布18。其中玻璃纤维布18分为三段,每段长度与人手指关节的二分之一,按照 一定的间距分别粘贴到柔性弯曲驱动的底部,凯夫拉纤维线18以固定的螺旋角缠绕在柔性 驱动器的外面,来回缠绕两次,形成双螺旋线形式。硅橡胶本体16后端对应掌骨的位置为扁 平固定座。
[0045]软体驱动器的工作原理如图6,其中19表示半圆形封闭硅橡胶内腔在外围没有任 何约束下,向内腔里面充气,其会沿着轴向伸长和沿着径向膨胀和向上翘起。其中20表示半 圆形橡胶内腔的外壁上缠绕的双螺旋凯夫拉纤维线,再向内腔里面充气,凯夫拉纤维线会 限制其沿着径向膨胀,造成柔性驱动器只能沿着轴向伸长,并向上翘起。其中21表示在软体 驱动器底部分段粘贴玻璃纤维布。玻璃纤维布不能拉伸,它会限制柔性驱动器的底部伸长, 柔性驱动器再充气的状态下,粘贴玻璃纤维布的地方不能沿轴向伸长,在驱动器轴线方向 上,其轴线上部的伸长比轴线下部伸长量大,因此就会形成弯曲状态。在双螺旋编织角为 5°、玻璃纤维布孔径为0• 4mm*0.4mm时模拟效果最好,佩戴最舒适。在其他实施例中(未图 示),凯夫拉纤维线的单螺旋编织角为3°〜5°,双螺旋编织角为4°〜6°。
[0046] 柔性弯曲传感器能够在软体驱动器辅助患者手指进行伸展运动时采集手指运动 角度信息。柔性弯曲传感器接到电压采集模块就能实现对手指弯曲角度信息采集。
[0047]柔性压力传感器能够在软体驱动器辅助患者手指进行伸展运动时采集手指指尖 的压力信息,通过检测压力信息能够防止患者发生痉挛,并。柔性压力传感器接到电压采集 模块就能实现对手指压力信息采集。
[0048] 当使用本发明提供的一种辅助四指指节完成伸展运动的软体驱动器时,患者佩戴 好装置,装置采用全柔性材料,因此,穿戴后,整个装置会处于和患者手指一样的屈曲状态。 指尖套,指节套能够保证软体驱动器与患者手指紧密贴合,这样佩戴在四指上的软体驱动 器再动力源的作用下进行伸展运动的同时带动着患者的手指进行伸展运动,帮助患者进行 康复训练。
[0049] 控制软体驱动器腔式内的气体压力的设备可以采用常规的气压、液压设备,如电 动空压机、脚动气栗、电动液压机等。
[0050]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 (10)

1. 一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,包括内层硅胶管、外层 硅胶管、凯夫拉纤维线以及三段玻璃纤维布; 内层硅胶管的前端封闭,后端设有开口,用于与气压或液压驱动装置连接;内层硅胶管 的外壁对应四指指骨的部分以双螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线;三段玻璃纤维布均粘贴于内 层硅胶管的背离手指侧,位置分别对应于四指掌骨和近节指骨连接关节、近节指骨和中节 指骨连接关节、中节指骨和远节指骨连接关节;外层硅胶管套在内层硅胶管外,与内层硅胶 管紧密结合,将凯夫拉纤维线和玻璃纤维布固定于内层硅胶管的外壁上。
2.如权利要求1所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,内 层硅胶管对应于手指掌骨的部分一体成型有扁平硅胶座,内层硅胶管位于扁平硅胶座前端 的部分为半圆柱构造,半圆柱构造的平面背向于手指设置,两端玻璃纤维布均粘贴于半圆 柱构造的平面上。
3.如权利要求2所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,夕卜 层硅胶管套在半圆柱构造外部,外层硅胶管朝向手指侧对应四指的近节指骨、中节指骨和 远节指骨位置一体成型有三段凹型硅橡胶固定座,相邻凹型橡胶固定座之间的连接部横截 面为半圆形,半圆形的直边背向手指设置。
4. 如权利要求3所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,外 层硅胶管后端与扁平硅胶座连接,且共形设置。
5. 如权利要求1所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,玻 璃纤维布为长方形,其宽度与手指宽度一致,其长度略长于手指关节活动外径,以覆盖手指 关节活动范围;玻璃纤维布的孔径为0.4*0.4mm。
6. 如权利要求1〜5任意一项所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其 特征在于,包括:软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器、柔性弯曲传感器固定套、橡胶固定 座、柔性压力传感器、柔性压力传感器固定套和指尖套; 外层硅胶管固定于软体驱动器固定套中; 柔性弯曲传感器沿着轴线方向布置在外层硅胶管下表面和软体驱动器固定套的内部 底面之间,通过柔性弯曲传感器固定套固定于软体驱动器固定套的内部底面上; 橡胶固定座套在软体驱动器的扁平固定座后端,橡胶固定座的下部与软体驱动器固定 套的后端固连; 柔性压力传感器通过柔性压力传感器固定套固定于指尖套内部底面,指尖套固定于软 体驱动器固定套端部下表面。
7. 如权利要求6所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,指 尖套、软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器固定套和柔性压力传感器固定套中的至少一个 采用芳纶弹力布制成。
8. 如权利要求7所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,指 尖套尺寸小于正常大拇指尺寸,以提供适当预紧力,紧缚患者大拇指远节指骨和近节指骨 的端部。
9. 如权利要求6所述的一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器,其特征在于,软 体驱动器固定套对应于橡胶固定座的位置的下方设有子母扣,用于与手套上对应匹配的子 母扣连接。
10.—种用于辅助人手四指伸展运动的手套,其特征在于,包括权利要求1〜9任意一项 所述的软体驱动器。
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