CN108392375A - 一种气动软体功能康复手套 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动软体智能康复手套，可以为脑卒中及术前、术后等患者的手部运动康复提供帮助。手套包括手套本体、气压传感器、速度和加速度传感器、运算单元、可拆卸电池、单向弯曲层、电磁阀、微型气泵和弹性体组成。所述手套本体主要为手套外表层及内表层，用于包裹手套内部弹性体及气管气囊等器件；所述速度及加速度传感器，用于测量手指运动速度及加速度；所述气压传感器，用于测量气囊内气压变化；所述运算单元，用于手套系统智能运算与控制；所述拆卸电池，用于为系统提供稳定能量；所述电磁阀、微型气泵和弹性体，通过运算单元计算结果，对不同的气道采取充气和放气策略，实现手套伸屈运动。

Description

一种气动软体功能康复手套

技术领域

本发明涉及康复训练领域，特别涉及一种使用空气驱动的手指康复训练软体手套。

背景技术

脑卒中，又称脑中风，是一种发病率高、致残率高、死亡率高的常见疾病。根据世界卫生组织（the World Health Organization, WHO) 统计，每年有1500多万新增中风或脑血管疾病患者。随着医疗技术的不断进步，脑中风死亡率逐年下降，但是至少有一半以上的幸存患者患有不同程度的中风后遗症，包括肢体偏瘫、认知障碍、昏迷、言语缺失等，其中偏瘫是最常见的症状，约有80% 以上的患者患有不同程度的偏瘫。 而在我国，随着老龄化社会的到来和经济社会的快速发展，各类事故以及老龄化社会的到来将会造成中风患者的数量逐年增多。有数据显示，我国脑中风患者人数将以每年约200 万人次的数目增加，到2020年我国中风患者将达到2000万人。众多中风后遗症中，手部日常功能的缺失是最常见症状。而手是人们与客观世界之间一条重要的纽带，不但可以完成各类复杂动作，也可以表达思想。由于手的内部构造精细、复杂，导致其受伤后难以康复。现代康复治疗手段根据医学中脑皮层重塑理论，在医师指导下，通过外部辅助装置帮助患者运动训练康复。现有康复装置多采用刚性装置，存在结构复杂、体型较大、价格昂贵和自由度受限等缺点，不能满足脑中风病人手部康复训练需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述手部康复设备中的缺点，提供了一种基于迭代学习控制的软体气动功能康复手套，由软体材质所做康复装置不仅结构简单、体型较小、具有多自由度，而且可以提供良好的柔韧性，最大程度减少设备对人体造成的二次伤害。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种软体气动功能康复手套，包括内外两层由尼龙材质制作的手套本体、以及安装在两层本体之间的高弹性材料、传感器、电子线路；内层本体直接与使用者手部接触，内层本体可以容纳人的手部和腕部，由高弹性材料做成的每个中空软体固定在内层本体外侧，在每个手指的中空软体末端放置速度和加速度传感器，在中空软体内部放置气压传感器，在中空软体和手套内层本体之间放置单向弯曲保护层，在软体材料外侧覆盖外层手套本体，在手背中心位置加装气管接头，将气体导向到各个中空软体内，气管和电子线路通过特种接头与控制盒相连，控制盒中包括微型气泵、电磁阀、计算单元、充电接口、可拆卸电池、喇叭、气压传感器、音量调节器、触摸屏、按钮、指示灯、麦克、特种接头等。

所述中空软体都是具有特殊结构的气动肌肉，其中四个中空软体包含三段可弯区段，以及三段非弯区段，覆盖在拇指两侧的中空软体具有两段可弯曲段和两段非弯区段，各弯区段覆盖在各个关节处，非弯区段覆盖在两关节之间，各可弯曲段与非弯区段的长度在五个中空软体中各不相同。

所述特殊结构是指使用弹性材料制作的带有三角形凸出的结构，弹性材料一侧平滑，另一侧带有三角形突起，内部为中空结构，当内部气压增大时，三角形突起膨胀引起软体向另一侧弯曲；当内部气压减小时，三角形突起收缩引起软体向本侧弯曲。通过将该中空软体放置在手指内侧和外侧，并将两侧中空软体固定在手套内侧本体与外侧本体之间，从而完成手指同时伸展和屈曲动作。

更进一步，电磁阀带有单独控制每一个中空软体的气道通断的特性，可以实现对单独手指伸屈运动的单独控制。

更进一步，气泵同时具有吸气和充气的功能，在手指伸展时，上侧气泵充气，下侧气泵抽气，这样能够实现对手指伸屈运动更有力的控制。

更进一步，每一个中空软体的只对应于一个关节，每根手指（除拇指外）都具有上侧三个和下侧三个单独控制的中空软体，在拇指上侧有两个下侧有两个中空软体，实现对每个关节的单独控制。

所述气压传感器有2个，分别放置在上、下侧手指中空软体内部，通过电线与控制芯片连接，可以检测中空软体内部的气压变化。

更进一步，对于每一个单独控制的中空软体内部，都将加装一个气压传感器，对每一个软体都可以单独测量其内部气压变化情况。

所述微型气泵有2个，通过气管连接到电磁阀上，电磁阀通过气管分接头与手背侧和手掌侧中空软体连接，根据不同指令控制微型气泵及电磁阀的通断，达到中空软体的膨胀与收缩。

所述单向弯曲保护层有5个，放置在中空软体与手套内侧本体中间，随着手指屈曲动作，单向弯曲层可以实现弯曲，当手指伸展达到水平位置时，单向弯曲层可以保护手指关节不会过度反向弯曲。

所述速度与加速度传感器有5个，通过中空软体和手套外层本体固定在手指指尖位置，通过电子导线将传感信号传至控制芯片， 其测量速度与加速度即包括手指伸屈运动数据，也包括手指左右摆动数据。

更进一步，通过放置与手指末端的速度与加速度传感器以及放置在手指背部的压力传感器和角度传感器，可以得到当前手指的弯曲和运动情况，通过计算手指的运动速度和加速度，可以判定患者的主动运动意识，并在患者发生强烈痉挛时，立即停止康复运动，保护患者。

所述的计算单元为逻辑运算模块，可以对所有采集到的传感数据进行分析和运算，并将运算结果发送到各执行机构中。

所述按钮为开关、复位、模式、影音按钮，患者通过按钮控制系统运行以及控制系统运行模式，在点击按钮时，指示灯闪烁提示患者操作成功。

更进一步，系统可以通过声音识别患者操作命令，进而可以控制系统。

更进一步，系统加装摄像头，将摄像头对准眼睛部位，通过对眼睛聚焦程度的计算，可以识别患者操作指令，患者进而可以控制系统。并且可以通过对患者聚焦程度的识别，可以获得当前患者主动参与意愿，通过系统功能的调整，充分调动患者参与意愿。

更进一步，控制盒上的四个按钮取消，将其功能合并到触摸显示屏中。

更进一步，制作手机APP，将软体康复系统可以通过蓝牙、WIFI链接到手机APP中，患者可以通过手机对软体手套进行操作，并且记录患者运动和康复信息。

更进一步，将个人康复信息分时、分段也可以实时传递到服务器中，可以在电脑系统中通过网页、客户端为医师指导康复提供患者数据，并根据医师指导结果，系统可以为患者切换康复治疗模式。

更进一步，康复系统将集合康复评价、康复游戏等功能，根据患者康复情况，系统使用多模态控制算法自动调节康复运动模式，根据患者在游戏中的表现，自动调节游戏难度，充分调动患者运动意愿。

与现有技术相比，本发明具有如下有意效果：

（1）本发明所介绍的软体气动功能康复手套采用高弹性材料，在手指两侧加装两套气动软体，既可以帮助患者进行屈曲运动，也可以帮助患者进行伸展运动，大大扩展了患者的运动范围；

（2）通过手指末端的速度和加速度传感器实时监测手指的运动状况，并将这些信息传递给控制芯片，通过软体内气压和软体形变之间的关系，以及当前手指的运动速度和加速度，可以检测和识别患者的主动运动意愿，这样可以对患者进行被动训练、主动训练、主被动训练，以及运动阻尼模式，提高患者康复效果；

（3）所使用的驱动方式为空气，洁净环保、成本低廉，并且将弹性体进行模块化设计将大大简化中空软体的制作流程，将制作完成的软体安装在手套本体内外侧中间的合适位置，并对其进行绑定，即可完成，操作简单，实用性强，模块化设计更换方便，易于维护。

附图说明

图1为软体气动功能康复手套设计图。

图2为控制盒内部构造。

图3为手指关节细节结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：参看图1，一种气动软体功能康复手套，包括手套内外层本体，两层本体之间的中空软体，以及放置在手指末端的速度和加速度传感器1，用于检测患者手指运动情况，通过控制盒中的气压传感器21可以得到中空软体中的压强，通过压强与软体材料形变之间的关系，可以得到当前软体材料的弯曲程度，通过曲率传感器14可以获得患者手指的弯曲程度，通过当前的手指的弯曲程度和手指的运动情况，经过综合运算可以获得患者的主动运动意愿情况。当患者手指在运动中出现痉挛时，同样可以通过速度与加速度1的测量数据反应出来。痉挛状态的速度和加速度将与正常的运动有明显的随机运动特征，通过该运动特征的频率和幅度，可以得到当前患者手指的痉挛状态，当痉挛过度强烈时，系统将及时停止，并通过控制盒10中的喇叭17发出声音，以及触摸屏5中显示图像提示患者及他人出现痉挛，更有效的保证患者安全。

速度和加速度传感器1放置与手套内层本体与外层本体中间，并且放置与手指尖部，这样能够最大程度的检测手指的运动情况，通过设计迭代学习控制算法，记录每一次病人的运动情况，在下一次重复运动中将上一次运动的误差作为本次运动控制的输入参数进行考虑，这样逐渐使患者达到预定的运动动作，同时在控制盒中有相应的视频与声音对患者进行引导和鼓励，将会使患者更有意愿和动力完成既定动作，增加康复效果。

图1中给出了控制盒10的外部组成，包括触摸显示屏5，充电接口6，设备开关、复位、模式、影音等4个按钮9。开关按钮控制系统的开、关，当系统打开时，电源指示灯7亮起；复位按钮为患者提供系统复位功能；患者通过模式按钮，切换运动康复治疗中的各类运动模式，包括但不限于，被动模式、主动模式、主被动模式及自动模式，其中自动模式是指系统根据患者当前的运动状况，不仅可以自动调整主、被动模式的切换，还可以自动调整系统康复运动的活动幅度、频率等；为充分调动系统主动参与康复治疗的意愿，系统为患者提供各类游戏及影音，患者可以通过影音按钮进行调节，并可以通过音量调节器11进行声音大小的调节，患者的语音也可以通过麦克8录入系统中，系统中使用语音识别技术分辨出患者的控制语音命令，并通过声音和图像提示患者对语音识别的结果信息，以及将要采取的动作。如果患者进行按键操作时同样可以控制系统运行，此时操作指示灯7将会闪烁；当气泵充气时，充气指示灯7将会闪烁；触摸屏5放置在控制盒上半部分，不仅具有显示功能，可以与患者交互，为用户提供视觉刺激。

图2给出了系统控制盒10的内部组成，包括充电电接口6、计算单元15、可拆卸电池16、比例阀18、电磁阀19、气泵20、气压传感器21。计算单元15主要处理各类传感数据，并基于控制算法，输出运动指令；充电电接口6为可拆卸电池16供电，同时可以为整个系统供电，电池电量在触摸屏5中实时显示，当电量过低时，系统通过触摸屏5及喇叭17显示文字图像及声音提示患者充电；比例阀18、电磁阀19固定在控制盒内部，作为控制气道的开关，气泵20为系统提供气源。

图1包含的高弹性体2的细节结构如图3所示，分别在手指的上下两侧放置两块软体，通过导气管12、接口4、比例阀18、电磁阀19连接到气泵20上，经过计算单元15的综合运算，对手指进行屈曲运动时，电磁阀打开相应气道，气泵20对上侧软体进行充气，增大软体内气压，同时电磁阀打开下侧软体气道，对下侧气道进行放气，减少软体内气压，上侧软体内气压增大和下侧软体内气压减少，软体将出现向下弯曲进而带动手指的屈曲动作；对手指进行伸展运动时，通过增大下侧软体内气压和减小上侧软体内气压，可以实现软体向上弯曲，进而带动手指伸展运动，控制盒气道中的气压传感器21将气道内的气压变化实时传递到计算单元15中，当检测气压达到最大设定值时，气泵20停止充气，手指伸展或弯曲动作即将停止。手指的运动在气泵20的作用下循环往复。

本发明的工作过程如下：本手套开始治疗中风病人时，将手套本体佩戴上患者患侧手指上，此时手指平放处于伸展状态，启动系统，系统以现有状态为起始状态。患者或者医护人员根据患者病情通过触摸屏5或语音或按钮选择训练模式以及设定运动时间、次数等相关参数，本系统提供被动训练、主动训练、主被动训练，以及运动阻尼模式。在被动训练模式下，患者手指运动完全依赖手套驱动，系统中存储日常生活中手指运动模式，如对指运动、抓握运动。在患者手指在伸展运动过程中，气泵20中一个运行，另外一个气泵将停止，随着气泵运行，上侧软体气囊27将发生弯曲，手套带动手指发生弯曲形变，在运动过程中系统通过安装在手套上的曲率传感器14，速度和加速度传感器1，气压传感器21实时测量并记录运动状况，通过触摸屏5实时显示。当弯曲运动达到极限时，弯曲运动停止，将开始伸展运动，此时气泵20中两气泵运行状态反转，此时气囊27放气，手指下侧气囊充气，实现手套从弯曲状态向伸直状态运行，此时系统将实时测量的各项数据显示在触摸屏5中，系统在控制器作用下，最终达到初始状态，系统进入下一次伸展/弯曲动作。第n次的重复运动误差将作为第n+1次的控制输入，以提高控制精度，当第n次运动时，患者运动时发生痉挛等突发状况时，系统中速度和加速度传感器所测量的实时数据与当前角度下期望的速度和加速度数据将出现较大误差，系统自行停止，并通过触摸屏5和喇叭17提示患者或者相关人员，查看病情，当病情不严重时，系统通过复位按钮重新回到初始状态，此次运动数据将不作为下次运动时的控制输入误差。在主动训练模式下，患者手指运动由其自身控制，在此模式下，随着手指的运动，系统记录运行情况，并将各项数据显示在触摸屏中，以作为健康评测的依据。在主被动模式下，患者或者相关人员通过触摸屏中的选择对指及抓握等不同的训练任务，系统将综合患者运动意识及各项传感数据综合分析，对下一步运动做出综合评判，如当前手指弯曲角度大于当前气压所对应的角度值时，且速度方向向角度增大方向，说明此时患者正在进行主动训练，系统运行与主动训练模式；当前手指弯曲角度大于当前气压所对应的角度值时，但速度方向向角度减小方向，说明此时患者主动运动意识在减弱或者发生痉挛，如果速度变化幅度较大，方向随机，此时大概率发生痉挛，系统停止，通过触摸屏5和喇叭17提示患者或者相关人员，查看病情；主被动中的各类运行规则将集成在控制器中，系统使用多模态控制方法，通过分析当前运动数据采用不同控制算法。在运动阻尼模式下，系统通过检测当前运动角度和速度方向，对当前运动在一定幅度下限制其运动，增加患者运动难度。在各类康复模式中，系统通过触摸屏5显示各类康复运动小游戏，并在喇叭17中播放相应声音对患者以鼓励。此外系统中的各项数据，可以通过网络传递到手机中，便于患者家人及医护人员及时了解患者运动状况。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非是对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种气动软体康复功能手套，包括两层由尼龙材质制作的手套本体、由高弹性材料制作的特种结构中空软体、控制盒、控制系统、传感器；所述控制盒内包含充电接口、微型气泵、电磁阀、计算单元、内置康复运动系统、充电接口、可拆卸电池、喇叭、气压传感器、音量调节器、触摸屏、按钮、指示灯、麦克、特种接头；所述传感器包括速度与加速传感器、气压传感器，曲率传感器；所述控制方法包括迭代学习控制算法和多模态控制算法。

2.根据权利要求1所述的中空软体，其特征在于由高弹性材料制作的带有三角形凸出的结构安装在每个手指关节处，为保证患者手指运动的舒适性，在两个关节中间部位根据每个手指的长度有少量或者没有该突起结构，弹性材料一侧平滑，在这一侧安装有非可拉伸的尼龙材料，另一侧带有三角形突起，内部为中空气囊，当内部气压增大时，三角形突起膨胀引起软体向另一侧弯曲；当内部气压减小时，三角形突起收缩引起软体向本侧弯曲，通过将该中空软体放置在手指内侧和外侧，并将两侧中空软体固定在手套内侧本体与外侧本体之间，从而实现手指伸展和屈曲两种动作。

3.根据权利要求1所述的各类传感器是指速度和加速传感器、气压传感器和曲率传感器，其特征在于速度和加速传感器安装于每个手套手指的指尖处，气压传感器安装在每个中空软体的气道内部，曲率传感器安装在每个手套内侧本体与中空软体中间，根据手指当前的运动速度和加速度情况，气压与软体形变之间的关系，以及当前手指的弯曲角度，可以获取患者的主动运动意愿，实现患者的主动运动控制。

4.根据权利要求1所述内置康复控制系统，其特征在于所采用的控制算法为迭代学习控制方法，其特征在于根据患者每次运动实际结果与期望结果之间的误差，作为下一次运动的输入，依次迭代控制，根据数次运动结果，可以实现患者康复训练按照期望轨迹运动，实现患者的康复效果。

5.根据权利要求1所述内置康复控制系统，其特征在于，其特征在于根据患者当前的运动情况，系统自动切换训练模式，以及调整系统中各项参数，在保护患者的前提下，实现患者的积极主动参与，从而达到快速康复的目的。

6.根据权利要求1或权利要求4所述内置康复运动系统，其特征在于所采用的控制算法为多模态控制方法，嵌入康复综合评价，根据患者当前的运动情况，系统自动调节当前运动模式及训练难度，以及调整系统中各项参数，并通过触摸屏和喇叭进行图像显示和声音提醒，以刺激患者的运动意愿，在保护患者的前提下，实现患者的积极主动参与，最终根据患者一段时间的运动信息，做出康复评价。

7.根据权利要求1中所述的控制盒，其特征在于控制盒表面安装触摸屏，MIC，各类按钮，指示灯和音量调节器，内部集成各类执行机构，包括但不限于计算单元、微型气泵、电磁阀、比例阀、气压传感器等设备，此外根据患者不同的病情和喜好，控制盒提供三种控制方式，1、按钮操作；2、触摸屏操作；3、语音操作，更加有利于患者的操作。

8.根据权利要求1或6中所述的控制盒，其采用的控制方式有按键、语音识别和视觉控制三种。