CN108621129B - 柔性驱动式机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了机器人和外骨骼手的系统和方法。外骨骼手可以包括具有腔体和附加补强加固带的柔性驱动器。腔体可以充满来自压力源的流体，迫使驱动器变形，弯曲或延展。作为驱动力填充腔体的流体可以是气体或液体，其可以是可回收的或一次性的。

Description

柔性驱动式机械手
背景技术
机械手在工业以及医疗领域都有各种应用。现有技术的机械手臂、手和手指通常包含金属，轴承，电缆和滑轮的使用。然而，这些部件可能存在与成本，复杂性，操作速度，灵活性和安全性相关的问题。因此，仍然需要在能耗，成本，制造效率，功率，速度，灵活性，安全性和控制方面提供机器人关键技术。
发明内容
本发明涉及机器人运动的装置，系统，技术和方法。更具体地说，本发明可适用于机械关节，手足和肢体的关节(包括膝关节，肘关节，颈部，踝关节和腕关节)以及机械手(包括外骨骼型机械手)的关节。实施例包括具有附带力补偿部件的柔性驱动器的柔性外骨骼机械手。本发明柔性驱动器可以包括手指驱动器，拇指关节驱动器，拇指驱动器和手指伸展驱动器。作为具体实例，本发明可以在医疗领域应用于手部运动受损的患者。
本发明柔性驱动器可以包括具有用于提供力补偿、限定启动力阈值的附加补强加固带的空腔或气囊。柔性驱动器的形状变化可以通过柔性驱动器上的净力产生所支配，其中变形发生于当空腔加压变形时产生的力和外部环境对空腔施加的力的总和大于由附加补强加固带所定义的启动力阈值。本发明的工作原理可适用于各种具体应用，例如机械手。
本发明实施例的机械手或外骨骼手可以包括柔性的并且具有腔体或气囊的手指驱动器，用于与所述腔体连通流体的装置，以及用于将加压流体供应到所述腔体的压力源。在不提供压力时，压力可以从腔体中释放，或者可以施加真空以从腔体中移除流体。可以在手指驱动器的一个表面上设置附加补强加固带，以限制手指驱动器在该表面上的膨胀。这可以允许驱动器的相对侧相对于底部表面膨胀，产生卷曲或抓握的效果。
在柔性驱动器上设置附加补强加固带，以利用柔性驱动器的阈值启动力来补偿痉挛挠曲手指中的关节扭矩。这可以让患有手指痉挛的患者伸展手指，并由此正常地张开他们的手。同时，可以限制柔性驱动器在一个表面上的膨胀，致使柔性驱动器的相对侧在指关节扭矩补偿时相对于另一表面膨胀，从而产生卷曲或抓握效果。
手指驱动器(即，柔性驱动器)可以具有多个横向分离的腔体，从而形成多个子空腔，每个子空腔纵向贯穿手指驱动器。此外，手指驱动器也可以具有多个纵向分离的相互连通的子腔体，其中多个子腔体分布于手指驱动器的整个长度上。通过个别地加压每个驱动器中的特定腔体，驱动器可被引导朝着不同方向移动并弯曲在特定位置。即使当多个子腔相互流体连通时，腔体之间的间隔也可以促进手指驱动器弯曲到特定位置处。
结构网格可以包含在驱动器内作为支撑以及控制弯曲或卷曲运动。网格可嵌入驱动器内或固定在驱动器的表面。提供给驱动器腔体的压力可以使用控制阀，比如电磁阀来调节。可以设置微控制器或微处理器来控制腔体的压力并调节外骨骼手的整体动作。向微控制器(或微处理器)输入角度传感器信号，压力传感器信号，电磁阀信号，流体源开关信号和阀位置信号。微控制器的输入还可以包括来自肌电图(EMG)或脑电图(EEG)传感器的信号，这些传感器使人能够控制外骨骼柔性手。
本发明可以应用于医疗领域以帮助那些残疾人。作为一个具体例子，本发明可应用于手指痉挛的情况，这是中风患者的严重问题。本发明可以帮助中风患者恢复手部功能。也就是说，根据本发明的外骨骼手可以协助中风患者打开和闭合他们的手，并且可以通过从用户的神经或肌肉的信号中检测到的信号来控制。也可以执行更复杂的手势，例如捏或侧抓。经过一系列训练后，中风患者的肌肉力量可以得到改善，他们可以在没有帮助的情况下实现正常的手部功能。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的外骨骼机械手(或柔性手)。
图2(a)和图2(b)描绘了通过本发明实施例完成的不同捏夹任务。
图3描绘了根据本发明实施例的外骨骼机械手(或柔性手)以及相关的控制机构。
图4为本发明的柔性驱动器的机能运行示意图。
图5为根据本发明的柔性驱动器的应力-应变关系曲线图。
图6示出了包括温度变量影响在内的本发明附加补强加固带的形状记忆效应。
图7(a)和图7(b)示出了根据一些实施例的外骨骼机械手的手指驱动器(或柔性驱动器)。
图8(a)和图8(b)描绘了根据一些实施例的外骨骼手的拇指驱动器。
图9描绘了受损或痉挛的手的示例(例如，可能发生在患有中风的患者中)。
图10(a)和图10(b)描绘了根据一些实施例的手指驱动器的定位。
图11(a)和图11(b)示出了根据一些实施例的具有用作控制反馈机构的具有弯曲角度的手指驱动器。
图12(a)和图12(b)示出了根据一些实施例的拇指关节驱动器的位置。
图13示出了根据一些实施例的外骨骼机械手的拇指关节驱动器。
图14(a)和图14(b)示出了根据一些实施例的拇指驱动器的多向弯曲。
图15(a)，图15(b)和图15(c)是本发明实验原型外骨骼柔性手的图像。
图16示出了根据本发明实施例的手指张开驱动器的位置。
具体实施方式
本发明实施例涉及机械手活动的装置，系统，技术和方法。更具体地说，本发明的具体实施方式(“实施例”)涉及机械手，其中包括外骨骼型机械手。实施例包括具有附带力补偿部件的柔性驱动器的外骨骼机械手。本发明的柔性驱动器包括手指驱动器，拇指关节驱动器，拇指驱动器和手指扩张驱动器。本发明可以应用于，例如，手部活动障碍患者的医疗领域。
图1示出了根据本发明实施例的外骨骼机械手(或者外骨骼柔性手)。根据实施例的机械手或外骨骼手300包括手指驱动器401，该手指驱动器401是柔性的并具有腔体或气囊411，用于与腔体流体连通的装置405和用于将加压流体供应到腔体的压力源。除了提供压力之外，还可以从腔体释放压力或者可以施加真空以移除流体。手指驱动器401底表面上的附加补强加固带412用以限制手指驱动器在其底表面上的膨胀。这可以允许驱动器的顶部相对于底部表面膨胀，从而形成卷曲或抓握动作，如图2(a)所示。
手指驱动器401可以设置横向分开的两个，三个或四个或五个(或多个)腔体，从而形成多个子腔体，每个子腔体纵向贯穿手指驱动器。这个概念的例子可以参见图4，其示出了具有多个子腔体104，105，106且每个子腔体纵向贯穿手指驱动器的具体方案。每个子腔体可以具有其独立的压力源，由此顶部子腔体105可被加压并相对于一个或多个底部腔体104，106膨胀，使得手指驱动器卷曲或抓握，如124所示。
手指驱动器401还可以设置纵向分开的两个或三个(或多个)相互连通的子腔体408，403(形成的多个子腔体分布于手指驱动器的整个长度上)以及它们之间的连通管道，如图7(a)所示。相互连通的子腔体408，403是流体连通的，可以使用独立管道或通过的通道404在手指驱动器中流体连通，或者可以各自具有独立的压力源。相互连通的子腔体可以对应于每个掌指关节(MCP)-人手的食指，中指，无名指和小指(或小拇指)的每一根手指根部的关节，近侧指间关节(PIP)-手指中间的关节以及远侧指间关节(DIP)。对于拇指，相互连通的子腔体可以对应于腕掌(CMC)关节，掌指(MP)关节和指间关节(IP)关节中的任一个。
驱动器的横截面可以是圆形，半圆形，矩形，正方形或多边形。手指驱动器中可以包括结构网格400，402，如图7(b)所示。结构网可由纵向细丝，横向细丝或图案化网格形成。可以应用的图案化网格的例子包括罗网状网格或双螺旋状网格。网格可设置在驱动器内部或固定在驱动器表面。可以为拇指，食指，中指，无名指和小拇指中的每一个提供手指驱动器。这意味着每个手指驱动器可以具有不同的尺寸和关节配置，取决于手指驱动器应用在哪个手指上。人的拇指具有与其他手指不同的动作特征，因此可以调整拇指驱动器的设计以反映这些差异。任何两个手指603之间也可以包含手指扩张驱动器820。手指扩张驱动器820可以放置在任何两个手指之间，并且当被加压时，可以使手指张开。手指扩张驱动器820的设计可以类似于图2(a)的拇指关节驱动器800；但是，它可能只需要一个平面腔体，因为手指(尤指大拇指以外的手指)不具有相对作用的能力。或者，手指扩张驱动器820可以具有用于两个腔体806，807的同一个压力源。
图12和13示出了本发明的拇指关节驱动器。拇指关节驱动器800用以分开拇指和食指并且转动拇指使之与其他手指相对。拇指关节驱动器800还可以在其底部(或顶部)设置附加补强加固带以限制其运动并促进拇指与其他手指分开并转向面对其他手指的卷曲效应。拇指关节驱动器800可以包括多个腔体，包括一个顶部腔体806(或为多个)和一个底部腔体807(或为多个)。底部腔体806和顶部腔体807可以是流体连通的，使得一个压力源即可扩张拇指关节驱动器以分开拇指和食指。在另一种实施方式中，顶部和底部腔体可以具有各自独立的压力源，如此顶部相对于底部扩张可使拇指转动并与其他手指相对。顶部腔体和底部腔体各自可以具有堆叠和梳状结构，如图13所示。
手指驱动器，拇指驱动器，拇指关节驱动器和手指张开驱动器820可以安装到一个手套上，手套可以戴在手上。或者，手指驱动器(或任何驱动器)可在其底表面上铺设粘合层。粘合层可以固定在手或抓握结构上，例如机械手的框架。
可以使用管道对驱动器的腔体加压。该管道也可以用于制造真空以去除驱动器内的流体并排空腔体。可以在驱动器上的一个或多个位置(例如，在MCP，PIP，CMC，MP，IP和DIP关节处)设置角度测量传感器以测量每个关节的角度。在另一种实施方式中，如图11(a)所示，可以设置跨手指驱动器长度的全长柔性角度传感器700。此外，可以在拇指关节驱动器800和手指扩张驱动器820中设置角度传感器，以测量拇指相对于其余手指的相对角度以及其余手指之间的角度。
图3示出了可用于操作本发明外骨骼机械手的控制机构的示例。传送到驱动器腔体的压力可以使用控制阀来调节，例如电磁阀308。可以设置控制腔体压力的微控制器或微处理器。微控制器(或微处理器)可以将角度传感器信号312，来自压力传感器的压力信号311，电磁阀信号，流体源开关信号和阀位信号作为输入信号。微控制器的输入信号还可以包括来自肌电图(EMG)传感器或脑电图(EEG)传感器的信号，这些传感器可以使人控制外骨骼柔性手。
外骨骼柔性手可以基于预想的目标进行设计。例如，驱动器可以被设计成如果施加到中风患者的痉挛手上，表现出矫直力。由此，当驱动器的腔体处于环境压力时，驱动器将向手施加矫直力。这可以通过在驱动器内设置弹性细丝(未显示)或通过有针对性的材料选择和设计来实现。此外，当该过程包括有目的的材料选择和设计时，这个目标可以通过附加补强加固带向驱动器提供阈值启动力所产生的力补偿来实现。
通入驱动器腔体的流体可以是气体或液体，并且可以是可回收或一次性使用的。例如，可以通过气缸或压缩机来施加压缩气体。压力源可以在控制阀之前设置压力调节器以维持稳定的气压。可以应用的气体的具体例子包括二氧化碳，空气和氮气。当腔体被卸压时，这些气体可以排放到大气中或被回收。也可以使用，例如，柱塞或容积式泵将气体抽出腔体以制造真空。可供给驱动器的液体的例子包括水，液压流体和矿物油。
加压驱动器和进行关节角度测量可以同时进行，并使用微控制器(和/或微处理器)进行调节。微控制器可以编程，以确定何时增加压力不再导致关节角度测量结果变化，以及何时可以停止增加压力并保持压力。该功能可以实现抓握物体。微控制器可以进一步编程，通过指定注入腔体的压力值来决定抓握强度。
图1，2(a)和2(b)示出了根据本发明实施例的外骨骼柔性手300。所示的外骨骼柔性手300被应用于人手310，图2(a)和2(b)示出了被手指握持的物体1000。外骨骼柔性手300可以包括具有拇指驱动器409，用于食指，中指，无名指和小指(或小拇指)的四个手指驱动器401以及拇指关节驱动器800的可佩戴手套。手指驱动器401、拇指关节驱动器800、拇指驱动器409和手指扩张驱动器820可由柔性材料制成，比如，举例来说橡胶或硅树脂。图3还示出了包括可用于驱动外骨骼柔性手300的压力传感器，电磁阀，控制信号，压力输入，压力传感器和角度传感器以及角度信号307-312的控制机构。
本发明柔性驱动器可以包括具有附加补强加固带的嵌入式弹性体气囊(或腔体)。柔性驱动器可以具有单个腔体或多个腔体，并且某些实施例可以包括支撑线。支撑线可以形成结构网格。根据本发明的柔性驱动器的工作原理可以参见图4，5和6，其中弹性体气囊100在位点102处固定并分成三个腔室104，105，106，并且嵌入双螺旋网格支撑件101和附加补强加固带103。为了实现力补偿，由附加补强加固带在不变形的情况下能够提供的最大力所限定的阈值启动力Fth，被施加于柔性驱动器以补偿外力，避免改变弹性体气囊100的形状。
未加压的弹性体气囊100预变形的初始位置(或形状)的情形120示于图4中(即，Pi＝Patm，F＝0，Fp＝0)。情形121中，任何腔室流体注射时(即Pi＞Patm)由弹性体气囊100产生的变型力Fp和外力F增大时，弹性体气囊100不产生动作，因为启动力阈值大于外力110和变型力Fp之和(即，Fth≥F+Fp)。进一步加压导致弹性体气囊100产生的变型力Fp与外力110之和变得大于阈值力(即Fth＜F+Fp)，从而在所有腔室104，105，106增压时引起线性延伸108(即，Δx)，如情形122所示。如果一个或多个腔室比其他腔室具有更大的压力，则会发生卷曲(111，即Δθx)。在腔室105加压时，如情形124所示，驱动器可沿x方向弯曲。进一步增加外力119到F′，如情形123和情形125所示，可改变弹性体气囊100的形状以产生额外的位移(即Δy和Δθy)，来分别增加线性延伸109(即，Δx+Δy)，以及弹性体气囊100的线性弯曲运动112(即Δθx+Δθy)。
其中，Pi表示加压腔室104，105，106中的压力，Patm表示大气压力，Fth表示启动力阈值，F和F′表示外力110，119，其中F′＞F，Fp表示在至少一个腔室104，105，106加压(即Pi＞Patm)时由弹性体气囊100产生的力，Δx表示由F和Fp产生的弹性体气囊100的伸长，Δy表示外力增加到F′伸长的增量，Δθx表示由F和Fp引起的弹性体气囊100的弯曲运动，Δθy是外力增加到F′引起的弯曲运动的增加。
用于附加补强加固带的材料的选择可包括弹性或非弹性材料(包括金属，橡胶，尼龙，塑料，聚酯和硅)，其硬度大于弹性体气囊100或驱动器的其余部分。在附加补强加固带的力补偿作用下，弹性体气囊100的应力-应变特性从传统的超弹性模型变为服从新的线性应力-应变关系200，如图5所示。为了触发弹性体气囊100的变形，应力-应变曲线203上的启动应力阈值201(即σTh)由附加补强加固带提供，以补偿由外部环境作用在弹性体气囊100上的外力。在启动应力阈值201(即σTh)之上，新的线性应力-应变关系200可以由应力-应变曲线203的斜率206定义，该斜率是附加补强加固带的杨氏模量。在加压时，弹性体气囊100在相同方向上仅使附加补强加固带发生弹性变形，这意味着在力补偿附加补强加固带上产生的应力始终低于屈服强度202，同时弹性体气囊100的应变受到可以存在于力补偿的附加补强加固带上的最大应变205的限制。这里，σTh＝Fth/A，其中A是加压腔室的面积。
改变柔性驱动器变形前的初始形状的原理如图6所示，其中附加补强加固带103可通过调节其温度而改变其形状或应力-应变关系。在情形126中，温度变化(即ΔT≠0)时，与120处的弹性体气囊100相比，未加压弹性体气囊100变形前的初始形状(即Pi＝Patm，F＝0，Fp＝0)有了形状差113(即，α)的改变。假设新的变形前的初始位置(形状)如情形126所示，只要力的总和大于启动力阈值(即，Fth＜F+Fp)，弹性体气囊100可以伸展回到情形127所示的形状。这与图4中的情形124中对腔室104加压时类似，否则当处在情形128中当对腔室105加压时可产生包括角度差113在内的(即α)增大的弯曲角度114。这里，ΔT表示温度变化，α表示由于变形前的初始形状的变化而引起的形状差异。
接下来手指驱动器401，409可以使用柔性驱动器的原理进行操作。图7(a)和图7(b)示出了由两个柔性驱动器制成的手指驱动器401，具有包括一个加压腔室403的弹性体气囊414和包括另一个加压腔室408的弹性体气囊415，加压腔室403与408通过驱动器中的管道404相互连接。两个分开的附加补强加固带406，407分别设置在弹性体气囊414，415各自的底部。手指驱动器401至少安装一个压力输入管405供给。两个双螺旋结构网格支撑件402，400也各自嵌入弹性体球囊414，415中。手指驱动器401可以设计成分段方式结构，针对性地用于手310的手指。
在图8(a)和图8(b)中，拇指驱动器409包括一个柔性驱动器。弹性体气囊416包括一个加压腔室411，弹性体气囊416嵌有双螺旋网状结构支撑件410。附加补强加固带412可以设置在弹性体气囊416的底部。可以为手指驱动器409安装至少一个压力输入管413。拇指驱动器409可以弯曲并且为手310的拇指而设计。
图9中示出了中风患者的痉挛的手，痉挛的手的特征可以在屈曲的痉挛拇指501和手指500上找到。患有手指痉挛的中风患者常常难以打开手，这意味着他们不能自己张开手指。用物理术语表达，手指关节，例如MCP关节，PIP关节等，上有一个扭矩始终弯曲手指。图10(a)和图10(b)示出了手指驱动器401的位置，该手指驱动器401补偿拇指以外的手指603的MCP关节600和PIP关节601处的扭矩，并且还示出了拇指驱动器409的位置，拇指驱动器409补偿MCP关节602中的扭矩。因此，外骨骼柔性手300上的手指驱动器401，409可以补偿手指关节中的扭矩，并因此驱动弯曲动作，如图11(a)和图11(b)所示。图3还示出了输入到控制原理图的来自柔性角度传感器700的弯曲角度输出信号312。
指关节扭矩的补偿通过限定附加补强加固带406，407，412的启动力阈值Fth的最优值来确定。更详细地说，启动力阈值Fth由附加补强加固带406，407，412的抗弯刚度(EI)与手指关节扭矩量之间的平衡来限定。通过使抗弯刚度与手指关节转矩相等时的转动惯量和材料选择，来获得附加补强加固带的尺寸。该等式将附加补强加固带406，407，412的启动力阈值Fth定义为计算所得的抗弯刚度(即，Fth＝EI＝F)，而外力F等于计算所得的抗弯刚度或者手指关节扭矩，因为它们是相等的关系。在对手指驱动器401，409加压时，任何大于Parm的Pi都足以产生能够实现弯曲动作的力。用数学术语表达，任何压力输入Pi＞Patm加压时产生的加压力Fp可导致Fth＜F+Fp，因为Fth＝F。此外，计算所得的抗弯刚度还通过将所计算的抗弯刚度除以加压腔室的面积(即σTh＝EI/A)来限定启动应力阈值(即σTh)。
为了增加外骨骼柔性手300的自由度，图12(a)示出了设置在拇指关节周围以促进复杂动作(例如外展，屈曲，对向等)的拇指关节驱动器800，并且图12(b)中示出了展开运动的示例。图13描绘了具有多个连接的加压腔室805的拇指关节驱动器800，如情形804所示，并且将多个连接的加压腔室805从情形804的平面分离成两层806，807，如情形803所示。可为拇指关节驱动器800的压力输入提供至少一个压力输入管802。两个附加补强加固带801，808可以沿着拇指关节驱动器800的顶部边缘的纵向方向延伸，从而增强拇指关节驱动器并且能够使它在未加压状态下回到变形前的初始位置(或形状)。
由于多个相互连接的加压腔室的本身性质，不需要将网状支撑件嵌入拇指关节驱动器800中以执行弯曲或卷曲动作。图14(a)示出了在两层腔室806，807加压时沿附加补强加固带801的弯曲动作。在图14(b)中，在对所选层807加压时，拇指关节驱动器弯向未加压层806并同时沿着加压层807弯曲。因此，通过交换两个层806，807之间的加压，可以实现拇指关节驱动器800的多向弯曲，并且能够在所有方向上移动拇指。
整个控制单元的基本部件包括压力源307，电磁阀308，压力传感器311以及至少一个用于处理控制信号并控制外骨骼柔性手压力的微控制器或微处理器309。用于外骨骼柔性手300加压的压力源307可以是泵，或者包括例如二氧化碳瓶，氧气罐，压缩氮气或压缩空气的任何一次性或非一次性的压缩媒介。可以设置压力调节器以保持来自压力源307的压力恒定。
电磁阀308可由微控制器或微处理器309控制。微控制器或微处理器309根据电子信号输入来确定电磁阀308的启动时段，电子信号输入可以是从人体的不同部位采集的生物信号。捕获生物信号的例子包括检测来自前臂肌肉的肌电图(EMG)信号。电极可以附着在特定的肌肉群上。当所记录的肌电(EMG)信号幅度大于所定义的阈值(例如，最大自主收缩(MVC)幅度的20％)时，微控制器或微处理器309可以指示电磁阀308打开。通过遵循相同的原理，另一组特定的肌肉群可以作为关闭电磁阀308的目标。
外骨骼柔性手也可以通过来自头皮的脑电图(EEG)信号来控制。电极可以附着在头部周围以捕捉大脑的Mu波信号。当检测到Mu表达(例如，从静止状态下降20％)时，微控制器或微处理器309可使电磁阀308打开。在Mu表达发生之后，电磁阀308可以使用相同的原理关闭。
电磁阀308可以向外骨骼柔性手300提供压力输入310，当微控制器或微处理器309指令开启时。来自压力传感器311的实时压力值和手指驱动器401，409的弯曲角度312都可被记录用于控制算法的演算，以确定手是否握住物体。如果在一段时间(例如2秒)之后弯曲角度保持不变，但手指驱动器401，409中的压力继续增加，这种情况能够向微控制器表明物体已被抓握。然后可以关闭电磁阀308并保持压力。在电磁阀308关闭之后，生物信号的记录可以继续，从而形成用于外骨骼柔性手300的闭环控制单元。
本发明包括但不限于以下示例性实施例。
实施例101.一种机械手，抓握和/或张开装置(或一种外骨骼手)，包括：
柔性的且具有腔体(或气囊)，长度和宽度的手指驱动器；
与腔体流体连通的装置；和
将加压流体供应到腔体(和/或造成真空以去除流体)的压力源。
实施例102.根据实施例101所述的装置，其中手指驱动器在底表面上设有一个或多个附加补强加固带(嵌入结构内或附着在其表面)，所述附加补强加固带限制手指驱动器在底表面上的膨胀(使结构顶部相对膨胀并产生收缩或抓握运动)。所述一个或多个附加补强加固带也可以补偿痉挛手指的关节扭矩。
实施例103.根据实施例101-102中任一项所述的装置，其中手指驱动器具有一个或两个或三个或四个或五个(或多个)横向分离的腔体(形成多个子腔体，每个子腔体纵向贯穿手指驱动器)。每个子腔体可以设置其自己的压力源，由此例如顶部子腔体可以相对于底部腔体加压(并膨胀)，使得手指驱动器卷曲或抓握。
实施例104.根据实施例101-103中任一项所述的装置，其中手指驱动器具有纵向分离的两个或三个(或多个)相互连通的子腔体(形成的多个子腔体分布在手指驱动器的整个长度上)，相互连通的子腔体之间有连通装置(位于驱动器的没有腔体的区域)。相互连通的子腔体之间可以使用独立的管道或通过手指驱动器中的通道实现流体连通。相互连通的子腔体可以对应于人手的食指，中指，无名指和小指(或小拇指)任一根手指的每个掌指关节(MCP)-手指根部的关节，近侧指间关节(PIP)-手指中间的关节，以及远侧指间关节(DIP)。针对拇指的情况，关节腔体可以对应于腕掌(CMC)关节，掌指(MP)关节和指间(IP)关节中的每一个。
实施例105.根据实施例101-104中任一项所述的装置，其中手指驱动器包括结构网格。所述结构网格可以包括纵向细丝，横向细丝和/或图案化网格(例如网格状或双螺旋网格)。
实施例106.根据实施例101-105中任一项所述的装置，其中，设置与拇指，食指，中指，无名指和小拇指中的每一个对应的多个手指驱动器。
实施例107.根据实施例101-106中任一项所述的装置，还包括手指张开驱动器。手指张开驱动器可以位于任意两个手指之间(包括例如食指和中指，食指和无名指等)。
实施例108.根据实施例101-107中任一项所述的装置，还包括拇指关节驱动器。所述拇指关节驱动器可以分开拇指和食指并且还可以转动拇指使之与其余手指相对。拇指关节驱动器可以在其底部包括附加补强加固带。拇指关节驱动器可以设置多个腔体，包括一个顶层腔体(或多个腔体)和一个底层腔体(或多个腔体)。底部腔体和顶部腔体可以流体连通，由此一个压力源可以张开拇指关节驱动器并分开拇指和食指。在另一种实施方式中，顶部和底部腔体可以设置单独的压力源，由此顶部相对于底部膨胀并且使拇指转动与其余手指相对。顶部和底部腔体各自可以具有梳状结构(参见图13)。
实施例109.根据实施例101-108中任一项所述的装置，其中手指驱动器和拇指驱动器(以及，如果包括的话，拇指关节驱动器)被固定到手套上(其可以套在人手上)。
实施例110.根据实施例101-109中任一项所述的装置，其中，手指和拇指驱动器(以及，如果包括的话，拇指关节驱动器)在底面上包括粘合层(其能被固定在手上或抓握结构上)。
实施例111.根据实施例101-110中任一项所述的装置，其中用于流体连通的装置是管道。
实施例112.根据实施例101-111中任一项所述的装置，还包括在手指驱动器上一个或多个位置处(例如，在MCP，PIP，CMC，MP，IP和DIP关节处)的角度传感器。另外可以提供角度传感器来测量拇指相对于其余手指的相对角度。
实施例113.根据实施例101-112中任一项所述的装置，还包括用于控制驱动器的腔体(或气囊)压力的阀(例如电磁阀)。这可以包括用于每个手指，拇指的驱动器，手指张开驱动器和拇指关节驱动器。
实施例114.根据实施例101-113中任一项所述的装置，还包括控制腔体压力的微控制器(或微处理器)。微控制器也可以将角度传感器作为信号输入来源。微控制器的信号输入还可以包括压力信号，电磁阀和流体源开关信号，甚至肌电图(EMG)或脑电图(EEG)传感器的信号。
实施例115.根据实施例101-114中任一项所述的装置，还包括EMG传感器和/或EEG传感器。
实施例116.根据实施例101-115中任一项所述的装置，其中手指驱动器的横截面是圆形，半圆形，长方形，正方形或多边形。
实施例117.根据实施例101-116中任一项所述的装置，其中，当驱动器的腔体没有压力时驱动器处于伸直状态(并且可以提供力来拉直瘫痪患者的手)。
实施例118.根据实施例101-117中任一项所述的装置，其中所述驱动器中的一个或多个具有狭窄部分(这部分的驱动器的直径或厚度小于所述驱动器的其余部分)以促进在某些位置处的弯曲并减少驱动器弯曲所需的力(未示出)。
实施例119.根据实施例101-118中任一项所述的装置，其中嵌有附加补强加固带(例如，延伸穿过所述装置的中心，如图6所示)。
实施例120.一种操纵机械手的方法，包括提供实施例101-119中任一项所述的装置。
实施例201.一种具有力补偿部件的柔性驱动器，包括：
在加压时提供动力的可变形弹性体气囊；
沿着弹性体气囊的一部分延伸的附加补强加固带，其中力补偿附加补强加固带会在气囊上施加相同大小的补偿力以补偿试图改变弹性体气囊形状的外力，并由此限制弹性体气囊的形状的变化。
实施例202.根据实施例201所述的柔性驱动器，其中，一旦弹性体气囊加压产生的力与外力的总和大于附加补强加固带可提供的最大力(定义为启动力阈值)，则弹性体气囊的形状发生改变。
实施例203.根据实施例201-202中任一项所述的柔性驱动器，其中所述附加补强加固带上的最大应力低于屈服强度，由此限制所述弹性体气囊的形变仅仅导致所述附加补强加固带相同方向上弹性变形而不是塑性变形，以确保恢复到预变形的初始位置或形状的能力。
实施例204.根据实施例201-203中任一项所述的柔性驱动器，其中弹性体气囊的材料模型为超弹性线性化，以遵循由附加补强加固带的杨氏模量定义的线性应力-应变关系。
实施例205.根据实施例201-204中任一项所述的柔性驱动器，其中所述加强带由具有比所述弹性体气囊更高硬度的弹性材料组成。
实施例206.根据实施例201-205中任一项所述的柔性驱动器，其中用于附加补强加固带的材料可以在温度变化时改变形状或应力-应变关系特性，并且可以在没有加压的情况下改变弹性体气囊变形前的初始位置(或形状)。
实施例207.根据实施例201-206中任一项所述的柔性驱动器，其中附加补强加固带可被至少一个柔性传感器覆盖，所述柔性传感器依据某种物理量量化弹性体气囊的运动。
实施例208.根据实施例201-207中任一项所述的柔性驱动器，其中所述弹性体气囊和所述附加补强加固带的形状是任意设计的。
实施例209.根据实施例201-208中任一项所述的柔性驱动器，其中弹性体气囊的内部腔体被分成至少一个独立的腔室以接收至少一个压力输入。
实施例210.根据实施例201-209中任一项所述的柔性驱动器，其中弯曲，伸展，扭曲或膨胀的运动相应地受到结构网格支撑件的图案形状或者弹性气囊内部腔体划分的限制。
实施例211.根据实施例201-210中任一项所述的柔性驱动器，其中所述结构网格支撑件在弹性体气囊和网格支撑件粘附的区域是不可延展的和应变受限制的。
实施例301.一种外骨骼柔性手，包括：至少一个手指驱动器，对应于一根人的手指，其中每个手指驱动器包括对应于人的手指上至少一个手指关节的至少一个柔性驱动器。
用于操纵至少一个手指驱动器的压力输入装置的控制单元；和
至少一个压力输入装置用于联络至少一个手指驱动器和控制单元。
实施例302.根据实施例301所述的外骨骼柔性手，其中五个手指驱动器中的每一个覆盖每个人手指中的至少一个手指关节，并且其中至少一个压力输入装置与手指驱动器联络。
实施例303.根据实施例301-302中任一项所述的外骨骼柔性手，其中所述柔性驱动器的附加补强加固带被设置为在减压时辅助受损挠曲手指的伸展。
实施例304.根据实施例301-303中任一项所述的外骨骼柔性手，其中五个手指驱动器被设置为在加压时朝附加补强加固带弯曲，以辅助手的抓握动作。
实施例305.根据实施例301-304中任一项所述的外骨骼柔性手，还包括至少一个拇指关节驱动器，所述拇指关节驱动器包括至少一个柔性驱动器。
实施例306.根据实施例301-305中任一项所述的外骨骼柔性手，其中，至少一个拇指关节驱动器设置于人手上拇指关节的周围以促进拇指在所有方向上移动的能力。
实施例307.根据实施例301-306中任一项所述的外骨骼柔性手，其中所述五个手指驱动器和至少一个拇指关节驱动器一起附着于可穿戴的手套上以用于实现全手功能。
实施例308.根据实施例301-307中任一项所述的外骨骼柔性手，其中所述控制单元包括泵，或与作为压力源的任何一次性或非一次性压缩媒介的连接点。
实施例309.根据实施例301-308中任一项所述的外骨骼柔性手，其中，在人体上捕获的生物信号的变化，例如，EMG，EEG等，可以用作指令来控制手指驱动器的压力输入。
实施例310.根据实施例301-309中任一项所述的外骨骼柔性手，其中所述控制单元具有至少一个监测手指驱动器内部的压力的压力传感器。
实施例311.根据实施例301-310中任一项所述的外骨骼柔性手，其中五个手指驱动器的弯曲角度由设置在柔性驱动器的附加补强加固带上的柔性传感器检测。
实施例313.根据实施例301-311中任一项所述的外骨骼柔性手，其中，控制算法通过检测在保持手指姿势一段时间之后弯曲角度是否没有变化来停止手抓握或打开的动作。
实施例401.一种操纵机械手的方法，包括：
提供柔性并具有腔体(或气囊)的手指驱动器；
提供与腔体流体连通的装置；
将手指驱动器附接至人类手指或类似结构(例如，机械手架子)；和
将流体注入(或移出)腔体以卷曲(或拉直)手指驱动器。这可以用来，例如，抓取或释放物体。
实施例402.根据实施例401所述的方法，还包括在所述手指驱动器的底表面(嵌入结构或附着于其表面上)提供附加补强加固带(或用于限制膨胀的其他手段)，并且使手指驱动器的顶部相对于手指驱动器的底部膨胀并形成卷曲、收缩或抓握动作。
实施例403.根据实施例401-402中任一项所述的方法，其中所述手指驱动器具有一个或两个或三个或四个或五个(或多个)横向分离的腔体(形成多个子腔体纵向贯穿手指驱动器)。每个子腔体可以具有其自己的压力源，使得顶部子腔体可以相对于底部腔体加压(并且膨胀)，从而引起手指驱动器卷曲或抓握。如图4所示，顶部的一个或两个腔体可相对于底部腔体加压，从而引起顶部相对于底部膨胀并使手指驱动器弯曲、卷曲或抓握。
实施例404.根据实施例401-403中任一项所述的方法，其中所述手指驱动器具有纵向分离的两个或三个(或多个)相互连接的子腔体(具有多个子腔体，所述的多个相互连接的子腔体分布于手指驱动器的整个长度上)和子腔体之间的连接装置(参见图7(a))。相互连接的子腔体可以使用独立的管道或通过整合在手指驱动器中的通道进行流体连通。相互连接的子腔体可以对应于人手的食指，中指，无名指和小指(或小拇指)任一根手指的每个掌指关节(MCP)-手指根部的关节，近侧指间关节(PIP)-手指中间的关节，以及远侧指间关节(DIP)。针对拇指的情况，相互连接的子腔体可以对应于腕掌(CMC)关节，掌指(MP)关节和指间(IP)关节中的每一个。腔体可以在手的关节之上，手的关节之间，或两者均有。该方法能够使手指驱动器的特定部分扩张(在有腔体的位置处)，而没有腔体的部分保持相对收缩。
实施例405.根据实施例401-404中任一项所述的方法，还包括使用丝状物(例如，使用结构网格)来限制和/或加强手指驱动器的某些部分。结构网格可以包括纵向长丝，横向长丝和/或图案化网格(例如罗网状网格或双螺旋网格)。
实施例406.根据实施例401-405中任一项所述的方法，还包括提供对应于拇指，食指，中指，无名指和小拇指中的每一个的多个手指驱动器。
实施例407.根据实施例401-406中任一项所述的方法，还包括张开多个手指驱动器。所述的多个手指驱动器可以采用在任何两个手指之间使用的手指张开驱动器来张开。
实施例408.根据实施例401-407中任一项所述的方法，还包括提供拇指关节驱动器，所述拇指关节驱动器可以分开拇指和食指，并且也能使拇指转动与其余手指相对。拇指关节驱动器可以包括腔体和其底部的附加补强加固带。拇指关节驱动器可以设置多个腔体，包括一个顶层腔体(或多个腔体)和一个底层腔体(或多个腔体)。底部腔体和顶部腔体可以流体连通，由此一个压力源可以使拇指关节驱动器张开并分开拇指和食指。在另一种实施方式中，顶部腔体和底部腔体可以分别设置单独的压力源，由此拇指关节驱动器的顶部相对于底部膨胀并且使拇指转动与其余手指相对。顶部腔体和底部腔体各自可以具有梳状结构(参见图13)。
实施例409.根据实施例401-408中任一项所述的方法，其中手指驱动器(以及，如果包括的话，拇指关节驱动器)被固定到手套上(手套可以套在人手上)。
实施例410.根据实施例401-409中任一项所述的方法，其中，手指驱动器(以及，如果包括的话，拇指关节驱动器)在底面上包括粘合剂(其可被固定在手上或机械手骨架上)。
实施例411.根据实施例401-410中任一项所述的方法，其中用于流体连通的装置是管道。
实施例412.根据实施例401-411中任一项所述的方法，还包括在手指驱动器上一个或多个位置处(例如，在MCP，PIP，CMC，MP，IP和DIP关节处)的一个或多个角度传感器。另外可以提供角度传感器来测量拇指相对于其余手指的相对角度。
实施例413.根据实施例401-412中任一项所述的方法，还包括用于控制腔体(或气囊)压力的阀(例如电磁阀)。这可以包括用于每个手指和拇指的驱动器，拇指关节驱动器和手指张开驱动器。
实施例414.根据实施例401-413中任一项所述的方法，还包括提供控制腔体压力的微控制器。所述微控制器也可以将角度传感器作为输入信号源。微控制器的输入还可以包括压力信号，电磁阀和流体源开关信号，甚至肌电图(EMG)或脑电图(EEG)传感器的信号。
实施例415.根据实施例401-414中任一项所述的方法，还包括提供与所述微控制器(或微处理器)连通并附着于用户(或患者)的生物信号检测器(例如，EMG传感器和/或EEG传感器)。从而可以使用EMG传感器和/或EEG传感器来控制机械手(例如，通过微控制器)。可以使用EEG信号器捕获的信号的具体例子包括Mu波。
实施例416.根据实施例401-415中任一项所述的方法，其中所述手指驱动器的横截面是圆形，半圆形，长方形，正方形或多边形。
实施例417.根据实施例401-416中任一项所述的方法，还包括使用阀(例如电磁阀)将气体作为压力源提供至腔体(手指驱动器、手指张开驱动器或拇指驱动器的腔体)。气体可以使用例如柱塞或容积式泵进行循环(抽入和抽出腔体)。压缩气体也可以来自压缩气源(例如氮气，二氧化碳或压缩空气)并且可以排放到大气中。压力源可以在控制阀之前设置压力调节器以保持恒定的性能。
实施例418.根据实施例401-417中任一项所述的方法，还包括作为压力源向腔体(手指驱动器，手指扩张驱动器或拇指驱动器的腔体)提供液体。液体可以使用例如柱塞或泵进行循环(抽入和抽出腔体)。举例来说，液体可以是水，液压油或矿物油。
实施例419.根据实施例401-417中任一项所述的方法，还包括同时对腔体加压并进行关节角度测量；确定何时压力的增加不再导致关节角度测量的变化；并停止增加压力(或保持压力)。这可以对应于当机械手抓住物体时。可以对微控制器(或微处理器)进行编程，以通过指定注入腔体的压力值来确定抓握强度。
实施例501.一种柔性驱动器，包括：
柔性的并且具有腔体、长度和宽度的弹性体气囊；
力补偿部件；
用于力补偿部件的附加补强加固带，以向柔性驱动器提供阈值启动力；
与腔体流体连通的装置；和
将流体供应到腔体的压力源。
实施例502.根据实施例501所述的柔性驱动器，其中外骨骼柔性手包括对应于拇指，食指，中指，无名指和小指中的每一个而设置的多个柔性驱动器。
实施例503.根据实施例501-502中任一项所述的柔性驱动器，其中增加腔体中的压力和外力会导致所述柔性驱动器上产生的力超过阈值启动力，从而引起柔性驱动器改变形状。
实施例504.根据实施例501-503中任一项所述的柔性驱动器，其中调节启动力阈值以补偿尝试改变处于未加压状态的柔性驱动器的变形前初始形状的外力。
实施例505.根据实施例501-504中任一项所述的柔性驱动器，其中当一个或多个附加补强加固带具有形状记忆效应时，柔性驱动器在未加压状态下的形状是可调整的。
实施例506.根据实施例501-505中任一项所述的柔性驱动器，其中所述启动力阈值与材料选择或附加补强加固带的几何形状有关。
实施例507.根据实施例501-506中任一项所述的柔性驱动器，其中柔性驱动器的变形遵循附加补强加固带的应力-应变关系，由此限制柔性驱动器弹性地改变形状。
实施例508.根据实施例501-507中任一项所述的柔性驱动器，其中附加补强加固带是硬度高于弹性体气囊的弹性材料。
实施例509.根据实施例501-508中任一项所述的柔性驱动器，其中所述柔性驱动器具有柔性角度传感器，所述柔性角度传感器在加压柔性驱动器的腔体时测量柔性驱动器的弯曲角度。
实施例510.根据实施例501-509中任一项所述的柔性驱动器，其中所述柔性驱动器具有柔性应变传感器，所述柔性应变传感器在加压柔性驱动器的腔体时测量在柔性驱动器上引起的应变。
实施例511.根据实施例501-510中任一项所述的柔性驱动器，其中所述柔性驱动器具有至少一个腔体，或多个横向分离且纵向重叠的子腔体。
实施例512.根据实施例501-511中任一项所述的柔性驱动器，其中所述柔性驱动器具有纵向分离的一个或多个相互连接的子腔体。
实施例513.根据实施例501-512中任一项所述的柔性驱动器，其中用于将柔性驱动器固定到手指的装置是手套或粘合面。
实施例514.根据实施例501-513中任一项所述的柔性驱动器，其中所述外骨骼柔性手上的柔性驱动器在底表面上具有附加补强加固带，所述附加补强加固带补偿痉挛弯曲手指中的关节扭矩。
实施例515.根据实施例501-514中任一项所述的柔性驱动器，其中柔性驱动器包括结构网格。
实施例516.根据实施例501-515中任一项所述的柔性驱动器，其中所述结构网格是双螺旋网格。
实施例517.根据实施例501-516中任一项所述的柔性驱动器，其中外骨骼柔性手还设有拇指关节驱动器，并且使用拇指关节驱动器以使拇指转动并与食指、中指、无名指和小拇指相对。
实施例518.根据实施例501-517中任一项所述的柔性驱动器，其中所述外骨骼柔性手还包括手指张开驱动器。
实施例519.根据实施例501至518中任一项所述的柔性驱动器，还包括用于控制柔性驱动器的腔体的压力的电磁阀。
实施例520.根据实施例501-519中任一项所述的柔性驱动器，还包括将角度信号、压力信号、电磁阀和流体源开关信号以及肌电图(EMG)或脑电图(EEG)信号作为输入信号的微控制器或微处理器。
实施例521.根据实施例501-520中任一项所述的柔性驱动器，其中所述流体包括一次性气体或一次性液体。
这里描述的示例和实施例应该理解为仅用于说明的目的，并且本领域技术人员在该启示下所作的各种改进或改变，都将被包括在本申请的范围内。

Claims (13)

1.一种手指操纵装置，其特征在于：包括：
具有腔体、长度和宽度的柔性驱动器，所述柔性驱动器具有弹性体腔体；
附加补强加固金属带，配置成当所述柔性驱动器附在因痉挛而收缩的手指关节时提供阈值启动力，以拉直痉挛收缩手指和所述弹性体腔体，以及其中，所述附加补强加固金属带是硬度高于形成所述腔体的材料的弹性材料，用来拉直痉挛收缩手指；与腔体流体连通的装置；
将所述柔性驱动器固定到手上的装置；
将流体供应到腔体的一个压力源；
将所述柔性驱动器附着于手指关节；
将流体注入所述腔体并弯曲所述柔性驱动器及手指关节；和
在所述柔性驱动器上提供所述附加补强加固金属带，并且使所述柔性驱动器的顶部相对于所述柔性驱动器的底部膨胀并使所述柔性驱动器和手指关节同时弯曲，
其中，所述阈值启动力的阈值由所述附加补强加固金属带的抗弯刚度与手指关节扭矩量之间的平衡来限定，以及所述附加补强加固金属带在所述弹性体腔体上施加相同大小的补偿力以补偿试图改变所述弹性体腔体形状的外力，以限制所述弹性体腔体的形状变化，所述弹性体腔体在加压产生的力与外力的总和大于所述附加补强加固金属带提供的所述阈值启动力的阈值时形状改变。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：对应于拇指、食指、中指、无名指和小拇指中的每一个设置多个柔性驱动器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述柔性驱动器具有纵向分离的多个相互连接的子腔体。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述柔性驱动器包括结构网格。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述结构网格是双螺旋网格。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括手指张开驱动器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括拇指关节驱动器。
8.如权利要求1所述的装置，还包括所述柔性驱动器内的角度传感器。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括用于控制所述柔性驱动器的腔体压力的电磁阀。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括微控制器，所述微控制器将角度信号，压力信号和肌电图或脑电图信号作为输入信号。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述柔性驱动器具有多个子腔体，所述子腔体横向分离并且纵向延伸并重叠。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述流体是一次性气体。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括提供拇指驱动器和拇指关节驱动器，并且使用所述拇指关节驱动器以使所述拇指驱动器转动并且与所述柔性驱动器相对。
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