CN109481236B - 柔性材料3d打印制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置 - Google Patents
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Abstract
一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，包括弯曲执行器，弯曲执行器通过魔术贴粘贴在手套模块上，外展执行器通过缝纫固定在手套模块的指间，手套模块穿戴在患者手部，弯曲执行器和外展执行器通过气管与控制系统以及空气压缩机连接，弯曲执行器和外展执行器利用3D打印制造；空气压缩机控制向弯曲执行器通入带有压力的气体，弯曲执行器带动手指进行伸展运动；空气压缩机控制向外展执行器通入带有压力的气体，外展执行器带动手指进行内收运动；本发明不仅能够满足手指各关节弯曲和手指外展运动范围的要求，还能满足患者日常生活运动所需的力要求；此外，3D打印制造，提高了制造的效率和简易性。
Description
技术领域
本发明涉及人体运动康复技术领域，具体涉及一种柔性材料3D打印制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置。
背景技术
有80%的脑卒中患者遗留上肢或手部运动功能障碍，其特点是患者的肌肉和骨骼系统完好，但是中枢神经系统遭受损伤，可以通过适当的康复训练恢复重建或改善患者的手部功能，连续被动运动（CPM）理论已被证明可以用于由于神经受损导致运动功能障碍的患者康复。然而在传统康复治疗中需要康复医师进行一对一的治疗，这极大地增加了医师的工作量以及康复成本，而且无法保证康复训练效率以及强度，导致患者无法获得理想的康复治疗。手部康复机器人能够长时间重复工作的特性可以被应用于康复训练，并成为临床康复治疗的重要方法之一。现有手功能康复设备存在着不足：在结构上，刚性设备结构复杂性高，适用性差，部分设备有潜在安全问题，柔性设备难以实现手部仿生运动，控制困难；在制造方法上，传统的柔性执行器制造方法以铸造成型为主，工序复杂，成型慢，成本较高；在康复功能上，绝大部分设备都只能实现手指的弯曲辅助功能，未对手指的外展进行辅助。
发明内容
为了克服现有设备的缺点，本发明的目的在于提供了一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，可对患者能够提供CPM康复训练，不仅能够满足手指各关节弯曲和手指外展运动范围的要求，还能产生足够的输出力，满足患者日常生活运动所需的力要求；此外，3D打印制造，省略了传统制造过程中的成型阶段，将三维模型图直接打印制造，提高了制造的效率和简易性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，包括弯曲执行器1，弯曲执行器1通过魔术贴粘贴在手套模块3上，外展执行器2通过缝纫固定在手套模块3的指间，手套模块3穿戴在患者手部，弯曲执行器1和外展执行器2通过气管与控制系统以及空气压缩机连接,所述的弯曲执行器1和外展执行器2都是利用3D打印制造，用于3D打印的柔性材料为NinjaFlex 85A TPU。
所述的弯曲执行器1包括覆盖外骨骼手指的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104、拇指弯曲执行器105；
所述的外展执行器2包括覆盖各外骨骼指间的的外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204；
空气压缩机控制向弯曲执行器1通入带有压力的气体，利用其内部的单气腔波纹管结构引起变形弯曲，使弯曲执行器1带动手指进行弯曲运动，当内部处于负压时，弯曲执行器1带动手指进行伸展运动；
空气压缩机控制向外展执行器2通入带有压力的气体，利用其内部的单气腔波纹管结构引起变形弯曲，使外展执行器2带动手指进行外展运动，当压力卸载时，利用材料回复力，外展执行器2带动手指进行内收运动。
所述的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104、拇指弯曲执行器105与手套模块3各个手指指节固定；所述的外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204与手套模块3各个手指指间固定。
所述的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104、拇指弯曲执行器105为定制式：外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104均由掌指关节单元106、近节指骨单元107、近指关节单元108、中节指骨单元109、远指关节单元110、远节指骨单元111组成，掌指关节单元106后部与近节指骨单元107上部留有气道；拇指弯曲执行器105由掌指关节单元112、近节指骨单元113、指间关节单元114、远节指骨单元115组成，指关节单元112后部与近节指骨单元113上部留有气道；
掌指关节单元106、近指关节单元108、远指关节单元110内部设有单气腔波纹管结构，通气能够引起变形弯曲；近节指骨单元107、中节指骨单元109、远节指骨单元111不发生变形，弯曲并贴合手指；掌指关节单元112、指间关节单元114内部设有单气腔波纹管结构，通气能够引起变形弯曲；近节指骨单元113、远节指骨单元115不发生变形，弯曲并贴合手指。
所述的外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204为通用式：外骨骼拇指/食指指间外展执行器201，在执行器上部留有气道，上部与底部有薄片结构用于缝合；外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204，在执行器上部留有气道，上部与底部有薄片结构用于缝合；
外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204内部设有单气腔波纹管结构，通入带有压力的气体，利用引起变形弯曲，使弯曲执行器2带动手指进行外展运动，当压力卸载时，利用材料恢复力，外展执行器2带动手指进行内收运动。
所述的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104的近节指骨单元107、中节指骨单元109、远节指骨单元111通过胶水和魔术贴粘合，粘合面的背面为魔术贴的子面或者母面；手套模块3上的各个手指上方均固定有魔术贴，魔术贴的母面或者子面朝上，与弯曲执行器1相粘合。
所述的拇指弯曲执行器105的近节指骨单元113、远节指骨单元115通过胶水和魔术贴粘合，粘合面的背面为魔术贴的子面或者母面；手套模块3上的各个手指上方均固定有魔术贴，魔术贴的母面或者子面朝上，与弯曲执行器1相粘合。
所述的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104的近节指骨单元107、中节指骨单元109、远节指骨单元111根据患手尺寸和所需要的康复训练运动轨迹进行参数化设计，通过外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104的近节指骨单元107、中节指骨单元109、远节指骨单元111尺寸控制改变康复训练运动轨迹。
所述的拇指弯曲执行器105的近节指骨单元113、远节指骨单元115根据患手尺寸和所需要的康复训练运动轨迹进行参数化设计，通过拇指弯曲执行器105的近节指骨单元113、远节指骨单元115尺寸控制改变康复训练运动轨迹。
所述的弯曲执行器1和外展执行器2的变形程度通过改变气压大小对具体的患者情况进行调整。
本发明的有益效果为：
1、本发明结构简单紧凑，质量轻便，弯曲执行器1和外展执行器2具有一定的柔顺性，避免了关节转动时转动中心与机构的转动中心不重合的问题，操作安全易于实现，采用手套模块3作为弯曲执行器1和外展执行器2，使得患者穿戴方便且舒适。
2、根据人体手部结构尺寸进行设计，手套模块3和弯曲执行器1可粘连或分离，能便捷变换弯曲执行器1以适应不同患者指尖手指长度的个体差异，完成不同运动轨迹的康复训练。
3、本发明提供了更多的自由度（患手拇指设置了两个自由度，分别为掌指关节端、指节间关节端；除拇指以外的四根手指均设置了三个自由度，分别为掌指关节端、近指关节端以及远指关节端；各指间均设置了一个自由度），能充分对患手指上各关节进行连续被动康复训练，此外，外展功能可以帮助患者完成更多、更精巧复杂的手部康复训练动作，实现五根手指的共同运动和单独运动，有助于患者患侧手更好更全面地康复治疗。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2中的（a）为本发明定制式食指、中指、无名指或小指的弯曲执行器示意图；图2中的（b）为本发明定制式拇指的弯曲执行器示意图。
图3中的（a）为本发明通用式拇指/食指指间外展执行器示意图；图3中的（b）为本发明通用式食指/中指指间、中指/无名指指间或无名指/小指指间外展执行器示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1，一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，包括弯曲执行器1，弯曲执行器1通过魔术贴粘贴在手套模块3上，外展执行器2通过缝纫固定在手套模块3的指间，手套模块3穿戴在患者手部，弯曲执行器1和外展执行器2通过气管与控制系统以及空气压缩机连接，所述的弯曲执行器1和外展执行器2都是利用3D打印制造，用于3D打印的柔性材料为NinjaFlex 85A TPU。
所述的弯曲执行器1包括覆盖外骨骼手指的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104、拇指弯曲执行器105。
所述的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104、拇指弯曲执行器105与手套模块3各个手指指节固定，方便更换。
所述的外展执行器2包括覆盖各外骨骼指间的外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204。
所述的外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204与手套模块3各个手指指间固定。
参照图2中的（a）和（b），所述的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104、拇指弯曲执行器105为定制式：外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104均由掌指关节单元106、近节指骨单元107、近指关节单元108、中节指骨单元109、远指关节单元110、远节指骨单元111组成，掌指关节单元106后部与近节指骨单元107上部留有气道；拇指弯曲执行器105由掌指关节单元112、近节指骨单元113、指间关节单元114、远节指骨单元115组成，指关节单元112后部与近节指骨单元113上部留有气道。
参照图3中的（a）和（b），所述的外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204为通用式；所述的外骨骼拇指/食指指间外展执行器201，在执行器上部留有气道，上部与底部有薄片结构用于缝合；所述的外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204，在执行器上部留有气道，上部与底部有薄片结构用于缝合。
本发明的工作原理为：空气压缩机向所述的外骨骼食指弯曲执行器101、外骨骼中指弯曲执行器102、外骨骼无名指弯曲执行器103、外骨骼小指弯曲执行器104通入带有压力的气体，利用掌指关节单元106、近指关节单元108、远指关节单元110内部的单气腔波纹管结构引起变形弯曲，而近节指骨单元107、中节指骨单元109、远节指骨单元111不发生变形弯曲并贴合手指，使弯曲执行器1带动带动食指、中指、无名指、小指进行弯曲运动，当内部处于负压时，弯曲执行器1带动食指、中指、无名指、小指进行伸展运动。此外，通过掌指关节单元106后的气道用于控制掌指关节单元106，近节指骨单元107上的气道用于控制近指关节单元108、远指关节单元110。
空气压缩机向拇指弯曲执行器105通入带有压力的气体，利用掌指关节单元112、指间关节单元114内部的单气腔波纹管结构引起变形弯曲，而近节指骨单元113、远节指骨单元115不发生变形弯曲并贴合手指，使弯曲执行器1带动拇指进行弯曲运动，当内部处于负压时，弯曲执行器1带动拇指进行伸展运动。此外，通过掌指关节单元112后的气道用于控制掌指关节单元112，近节指骨单元113上的气道用于控制指间关节单元114。
空气压缩机向外骨骼拇指/食指指间外展执行器201、外骨骼食指/中指指间外展执行器202、外骨骼中指/无名指指间外展执行器203、外骨骼无名指/小指指间外展执行器204通入带有压力的气体，利用内部的单气腔波纹管结构引起变形弯曲，使外展执行器2带动手指进行外展运动，当压力卸载时，利用材料恢复力，外展执行器2带动手指进行内收运动。
以上实例只为说明本发明的技术构思和特点，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡是根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，包括弯曲执行器(1)和外展执行器（2），其特征在于：弯曲执行器(1)通过魔术贴粘贴在手套模块(3)上，外展执行器(2)通过缝纫固定在手套模块(3)的指间，手套模块(3)穿戴在患者手部，弯曲执行器(1)和外展执行器(2)通过气管与控制系统以及空气压缩机连接，所述的弯曲执行器(1)和外展执行器(2)都是利用3D打印制造，用于3D打印的柔性材料为NinjaFlex 85A TPU；
所述的弯曲执行器(1)包括覆盖外骨骼手指的外骨骼食指弯曲执行器(101)、外骨骼中指弯曲执行器(102)、外骨骼无名指弯曲执行器(103)、外骨骼小指弯曲执行器(104)、拇指弯曲执行器(105)；
所述的外展执行器(2)包括覆盖各外骨骼指间的外骨骼拇指/食指指间外展执行器(201)、外骨骼食指/中指指间外展执行器(202)、外骨骼中指/无名指指间外展执行器(203)、外骨骼无名指/小指指间外展执行器(204)；
空气压缩机向弯曲执行器(1)通入带有压力的气体，利用弯曲执行器（1）的单气腔波纹管结构引起变形弯曲，使弯曲执行器(1)带动手指进行弯曲运动，当内部处于负压时，弯曲执行器(1)带动手指进行伸展运动；
空气压缩机向外展执行器(2)通入带有压力的气体，利用外展执行器（2）的单气腔波纹管结构引起变形弯曲，使外展执行器(2)带动手指进行外展运动，当压力卸载时，利用材料回复力，外展执行器(2)带动手指进行内收运动； 所述单气腔波纹管结构为仅在一侧设有波纹的结构；
所述的外骨骼食指弯曲执行器(101)、外骨骼中指弯曲执行器(102)、外骨骼无名指弯曲执行器(103)、外骨骼小指弯曲执行器 (104)、拇指弯曲执行器(105)为定制式：外骨骼食指弯曲执行器(101)、外骨骼中指弯曲执行器(102)、外骨骼无名指弯曲执行器(103)、外骨骼小指弯曲执行器(104)均由掌指关节单元一(106)、近节指骨单元一(107)、近指关节单元一(108)、中节指骨单元一(109)、远指关节单元一(110)、远节指骨单元一(111)组成，掌指关节单元一(106)后部与近节指骨单元一(107)上部均留有气道；拇指弯曲执行器(105)由掌指关节单元二(112)、近节指骨单元二(113)、指间关节单元二(114)、远节指骨单元二(115)组成，掌指关节单元二(112)后部与近节指骨单元二(113)上部均留有气道；
掌指关节单元一(106)、近指关节单元一(108)、远指关节单元一(110)均包括单气腔波纹管结构，通气能够引起变形弯曲；近节指骨单元一(107)、中节指骨单元一(109)、远节指骨单元一(111)在通气时不发生弯曲变形并贴合手指；掌指关节单元二(112)、指间关节单元二(114)均包括单气腔波纹管结构，通气能够引起变形弯曲；近节指骨单元二(113)、远节指骨单元二(115)不发生弯曲变形并贴合手指；
所述的外骨骼拇指/食指指间外展执行器(201)、外骨骼食指/中指指间外展执行器(202)、外骨骼中指/无名指指间外展执行器(203)、外骨骼无名指/小指指间外展执行器(204)为通用式：外骨骼拇指/食指指间外展执行器(201)、外骨骼食指/中指指间外展执行器(202)、外骨骼中指/无名指指间外展执行器(203)、外骨骼无名指/小指指间外展执行器(204)的上部均留有气道；
外骨骼拇指/食指指间外展执行器(201)、外骨骼食指/中指指间外展执行器(202)、外骨骼中指/无名指指间外展执行器(203)、 外骨骼无名指/小指指间外展执行器(204)均为单气腔波纹管结构，通入带有压力的气体，利用引起变形弯曲，使外展执行器(2)带动手指进行外展运动，当压力卸载时，利用材料恢复力，外展执行器(2)带动手指进行内收运动。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，其特征在于：所述的外骨骼食指弯曲执行器(101)、外骨骼中指弯曲执行器(102)、外骨骼无名指弯曲执行器(103)、外骨骼小指弯曲执行器(104)、拇指弯曲执行器(105)与手套模块(3)上对应的手指固定；所述的外骨骼拇指/食指指间外展执行器(201)、外骨骼食指/中指指间外展执行器(202)、外骨骼中指/无名指指间外展执行器(203)、外骨骼无名指/小指指间外展执行器(204)与手套模块(3)上对应的手指指间固定。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，其特征在于：所述的近节指骨单元一(107)、中节指骨单元一(109)、远节指骨单元一(111)通过胶水和魔术贴粘合，手套模块(3)上的各个手指上方均固定有魔术贴，通过魔术贴将各弯曲执行器与手套模块（3）相粘合。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，其特征在于：所述的拇指弯曲执行器(105)的近节指骨单元二(113)、远节指骨单元二(115)通过胶水和魔术贴粘合，手套模块(3)上的拇指上方固定有魔术贴，通过魔术贴将拇指弯曲执行器(105)与手套模块（3）相粘合。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，其特征在于：所述的近节指骨单元一(107)、中节指骨单元一(109)、远节指骨单元一(111)根据患手尺寸和所需要的康复训练运动轨迹进行参数设计，通过控制近节指骨单元一(107)、中节指骨单元一(109)、远节指骨单元一(111)的尺寸改变康复训练运动轨迹。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，其特征在于：所述的拇指弯曲执行器(105)的近节指骨单元二(113)、远节指骨单元二(115)根据患手尺寸和所需要的康复训练运动轨迹进行参数设计，通过控制近节指骨单元二(113)、远节指骨单元二(115)的尺寸改变康复训练运动轨迹。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印柔性材料制造的刚柔结合外骨骼手功能康复装置，其特征在于：通过改变气压大小来改变所述的弯曲执行器(1)和外展执行器(2)的变形程度。
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