CN110063872A - 一种手指辅助锻炼装置及其辅助锻炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手指辅助锻炼装置及其辅助锻炼方法。现有的手指康复训练器难以对人体手指的实际情况进行读取，并且运作较为刚性，在康复训练中可能会对患者产生二次伤害。本发明一种手指康复机构，包括n个单手指辅助运动机构。单手指辅助运动机构包括缸体、活塞杆、压力能交换器、电流变液分支管道、弯曲驱动囊、恢复驱动囊、手指套入管、压力传感器、弯曲电极片组、恢复电极片组和活塞驱动组件。压力能交换器的内腔固定有柔性隔离膜。弯曲驱动囊及恢复驱动囊上均设置有多个充液凸包。弯曲驱动囊及恢复驱动囊分别位于手指套入管的两侧。本发明利用电流变液作为柔性介质，有效的避免了传统机械结构对手指的二次伤害。

Description

一种手指辅助锻炼装置及其辅助锻炼方法
技术领域
本发明属于辅助锻炼设备技术领域，具体涉及一种手指辅助锻炼装置及其辅助锻炼方法。
背景技术
作为人类最精巧的器官之一的手指，如果出现功能障碍，不仅不能参加社会劳动，甚至会失去自理能力，给家庭和社会带来沉重负担。传统的手指康复训练需要康复师与患者进行一对一的训练，而且训练所需时间也比较长，效率低，不宜在家中操作，此外，高昂的康复费也是常规家庭不能负担的。因此，除了传统的康复理疗方法之外，需要使用更加科学的方式来满足患者的康复需求。
近年来，机器人技术飞速发展，在医疗康复领域，康复机器人也作为新兴产业得到迅速发展。但是现有的手指康复训练器难以对人体手指的实际情况进行读取，并且动作较为刚性，在康复训练中可能会对患者产生二次伤害。而且目前大多数的手指康复训练器只能进行被动训练，训练形式比较单一。因此本发明提供一种柔性的手指辅助锻炼装置。与传统的依靠专业康复师的康复训练相比，本发明有诸多优点：1、本发明作为一种柔性的手指辅助锻炼装置，速度、力量会更加稳定，安全；2、在康复训练过程中，可以依靠一些传感器如压力传感器来实时记录患者的身体信息，并通过手机显示训练情况；3、使用方便，患者可以在家中进行康复训练。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种手指辅助锻炼装置及其辅助锻炼方法，采用电流变液作为驱动液体对手指进行控制。
本发明一种手指康复机构，包括n个单手指辅助运动机构。1≤n≤5。所述的单手指辅助运动机构包括缸体、活塞杆、压力能交换器、电流变液分支管道、弯曲驱动囊、恢复驱动囊、手指套入管、压力传感器、弯曲电极片组、恢复电极片组和活塞驱动组件。活塞杆与缸体的内腔构成滑动副。活塞杆将缸体的内腔分隔为有杆腔和无杆腔。活塞杆由活塞驱动组件驱动。
所述的压力能交换器的内腔固定有柔性隔离膜。柔性隔离膜将压力能交换器的内腔分隔为动力腔和电流变液腔。压力能交换器的动力腔与缸体的无杆腔连通。压力能交换器的动力腔及缸体的无杆腔内装有压力能交换介质。所述的弯曲驱动囊及恢复驱动囊上均设置有沿自身长度方向排列的多个充液凸包。弯曲驱动囊及恢复驱动囊均与手指套入管固定，且分别位于手指套入管的两侧。
两根电流变液分支管道的一端与弯曲驱动囊、恢复驱动囊的进液口分别连通，另一端均与压力能交换器的电流变液腔连通。两根电流变液分支管道的中部均设置有截止鼓包。压力能交换器的电流变液腔、弯曲驱动囊、恢复驱动囊及两根电流变液分支管道内均装有电流变液。弯曲电极片组包括两片弯曲电极片。两片弯曲电极片分别位于其中一根电流变液分支管道上的截止鼓包的两侧。恢复电极片组包括两片恢复电极片。两片恢复电极片分别位于另一根电流变液分支管道上的截止鼓包的两侧。
进一步地，所述的单手指辅助运动机构还包括弯曲电极片驱动模块和恢复电极片驱动模块。所述的弯曲电极片驱动模块及恢复电极片驱动模块均包括光耦T1、三极管Q1、继电器K1和二极管D1。光耦T1的第一输入端接入电阻R1一端。电阻R1另一端接外部控制正电压；第一输出端接三极管Q1的基极；第二输出端接电阻R2的一端。电阻R2的另一端接外部驱动电压。三极管Q1的发射极接地，集电极接继电器K1内线圈的一端及二极管D1的阳极。继电器K1的内线圈的另一端接二极管D1的阴极接外部驱动电压。继电器K1的动触点接电阻R3的一端。继电器K1的第一静触点接电极片驱动电压，第二静触点接地。弯曲电极片驱动模块内光耦T1的第二输入端为弯曲电极片驱动模块的控制输入端。恢复电极片驱动模块内光耦T1的第二输入端为恢复电极片驱动模块的控制输入端。
弯曲电极片组内的其中一片弯曲电极片接弯曲电极片驱动模块内电阻远离继电器的那端，另一片弯曲电极片接地。恢复电极片组的其中一片恢复电极片接恢复电极片驱动模块内远离继电器的那端，另一片弯曲电极片接地。
进一步地，所述手指套入管内壁的一端固定有压力传感器。所述弯曲驱动囊、恢复驱动囊的端部的进液口均位于手指套入管未装压力传感器的那一端。压力传感器靠近恢复驱动囊设置。
进一步地，本发明一种手指康复机构还包括控制器。控制器采用型号为STM32F103C8T6的单片机。所述的单手指辅助运动机构还包括滤波模块和姿态读取模块。滤波模块通过滤波芯片将压力传感器传来的模拟信号进行滤波并传输给控制器。姿态读取模块通过姿态读取芯片将自身相对于初始位置的空间位置传输给控制器。
所述的滤波模块包括第一滤波芯片、第二滤波芯片和两线插接件。第一滤波芯片及第二滤波芯片的型号均为OP07。两线插接件的一个接线端接外部控制正电压，另一个接线端接第一电阻RF1的一端和第一滤波芯片的3引脚。第一电阻RF1的另一端接地。第一滤波芯片的2引脚及6引脚均接第二电阻RF2的一端，4引脚接外部控制负电压，7引脚接外部控制正电压。第二电阻RF2的另一端接第三电阻RF3及第一电容CF1的一端。第三电阻RF3的另一端接第二电容CF2的一端及第二滤波芯片的3引脚。第二电容CF2的另一端接地。第一电容CF1的另一端接第二滤波芯片的2引脚及6引脚。第二滤波芯片的4引脚接外部控制负电压，7引脚接电源正电压。压力传感器的两个输出线插接在两线插接件上。第二滤波芯片的6引脚为滤波模块的滤波输出端。
所述的姿态读取模块包括姿态读取芯片。姿态读取芯片的型号为MPU6050。姿态读取芯片的1引脚与第六电容CZ1的一端相连并接地，8引脚接第六电容CZ1的另一端和外部控制正电压，9引脚接第七电阻RZ5的一端，10引脚接第七电容CZ2的一端，11引脚接第七电阻RZ5及第七电容CZ2的另一端，13引脚接外部控制正电压，18引脚与第八电容ZC3的一端相连并接地，20引脚接第八电容ZC3的另一端，23引脚接第五电阻RZ2及第七电阻RZ4的一端，24引脚接第四电阻RZ1及第六电阻RZ3的一端；第四电阻RZ1和第五电阻RZ2的另一端均接外部控制正电压；第六电阻RZ3的另一端为姿态读取模块的I2C双向数据端；第七电阻RZ4的另一端为姿态读取模块的I2C时钟端。姿态读取芯片的12引脚为姿态读取模块的使能输入端。
进一步地，n＝5，其中两个姿态读取模块的9引脚经第七电阻RZ5接外部控制正电压，该两个姿态读取模块的I2C双向数据端、I2C时钟端挂载到控制器的第一I2C接口；另外三个姿态读取模块的9引脚经第七电阻RZ5接地。该三个姿态读取模块中的两个姿态读取模块的I2C双向数据端、I2C时钟端挂载到控制器的第二I2C接口，另一个姿态读取模块的I2C双向数据端、I2C时钟端接入控制器的模拟I2C接口。
五个弯曲电极片驱动模块的控制输入端与控制器的五个第一I/O口分别连接。五个恢复电极片驱动模块的控制输入端与控制器的五个第二I/O口分别连接。五个滤波模块的滤波输出端与控制器五个模拟量输入端分别连接。五个姿态读取模块的使能输入端与控制器的五个姿态读取使能引脚分别连接。
进一步地，所述的弯曲驱动囊及恢复驱动囊均呈长条形，且是封闭的薄壁橡胶。
进一步地，所述的活塞驱动组件包括步进电机、齿条和齿轮。齿条与活塞杆的外端固定。步进电机与缸体固定，且输出轴与齿轮固定。齿轮与齿条啮合。
进一步地，所述缸体内腔的横截面积小于压力能交换器内腔的横截面积。压力能交换介质采用水。
进一步地，所述的手指套入管采用柔性管。所述的单手指辅助运动机构还包括柔性支撑条。其中一根柔性支撑条设置在手指套入管与弯曲驱动囊之间；另一根柔性支撑条设置在手指套入管与恢复驱动囊之间。两条柔性支撑条的靠近手指套入管的侧面均设置有弧形凹槽。
该手指辅助锻炼装置的辅助锻炼方法具体如下：
步骤一、使用者将n个手指套入管分别套上n根手指，使得弯曲驱动囊、恢复驱动囊的进液口均位于对应手指的根部，弯曲驱动囊靠近对应手指外侧，恢复驱动囊靠近对应手指内侧。
步骤二、辅助手指弯曲。
2-1.向所有弯曲电极片组输入电压，将恢复电极片组接地，弯曲驱动囊内的电流变液无法流入流出，恢复驱动囊内的电流变液能够流入流出。
2-2.步进电机反转，使得活塞杆向远离柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积增大。恢复驱动囊内的电流变液被抽入电流变液腔，恢复驱动囊上的充液凸包缩瘪。
2-3.将弯曲电极片组接地，向所有恢复电极片组输入电压，弯曲驱动囊内的电流变液能够流入流出，恢复驱动囊内的电流变液无法流入流出。
2-4.步进电机正转，使得活塞杆向靠近柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积减小。电流变液腔内的电流变液被注入弯曲驱动囊，弯曲驱动囊上的充液凸包均膨胀，使得弯曲驱动囊向远离充液凸包一侧弯曲，带动使用者的手指弯曲。
步骤三、辅助手指伸直。
3-1.将弯曲电极片组接地，向所有恢复电极片组输入电压，弯曲驱动囊内的电流变液能够流入流出，恢复驱动囊内的电流变液无法流入流出。
3-2.步进电机反转，使得活塞杆向远离柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积增大。弯曲驱动囊内的电流变液被抽入电流变液腔，弯曲驱动囊上的充液凸包缩瘪。
3-3.向所有弯曲电极片组输入电压，将恢复电极片组接地，弯曲驱动囊内的电流变液无法流入流出，恢复驱动囊内的电流变液能够流入流出。
3-4.步进电机正转，使得活塞杆向靠近柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积减小。电流变液腔内的电流变液被注入恢复驱动囊，恢复驱动囊上的充液凸包均膨胀，使得处于弯曲状态的恢复驱动囊逐步恢复至平直的状态，带动使用者的手指伸直。
步骤四、持续重复执行步骤二和三。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明利用电流变液作为柔性介质，有效的避免了传统机械结构对手指的二次伤害。
2、本发明通过使用成对的电极片实现对电流变液的流向控制，降低了康复机构的生产成本，并缩小了体积。
3、本发明通过对指尖压力的读取，能够判断使用手指的状况，并提高了该康复机构的安全性。
附图说明
图1为本发明中单手指辅助运动机构的装置示意图；
图2为本发明中弯曲驱动囊、恢复驱动囊、手指套入管及柔性支撑条的组合示意图；
图3为本发明的电路系统框图；
图4为本发明中弯曲电极片驱动模块和恢复电极片驱动模块的电路原理图；
图5为本发明中滤波模块的电路原理图；
图6为本发明中姿态读取模块的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和3所示，一种手指康复机构，包括控制器和五个单手指辅助运动机构。控制器采用型号为STM32F103C8T6的单片机。五个单手指辅助运动机构与使用者的大拇指、食指、中指、无名指、小拇指分别对应。控制器16与手机14通过蓝牙连接。单手指辅助运动机构包括缸体1、活塞杆7、柔性支撑条9、压力能交换器2、电流变液分支管道3、弯曲驱动囊4、恢复驱动囊5、手指套入管6、压力传感器8、弯曲电极片组11、恢复电极片组12、活塞驱动组件、滤波模块13、姿态读取模块15、弯曲电极片驱动模块17和恢复电极片驱动模块18。滤波模块13通过滤波芯片将压力传感器8传来的模拟信号进行滤波并传输给控制器16。姿态读取模块15通过姿态读取芯片将自身相对于初始位置的空间位置传输给控制器16。活塞杆7内端的活塞与缸体1的内腔构成滑动副。活塞杆7上的杆体伸出缸体1外；活塞杆7将缸体1的内腔分隔为有杆腔和无杆腔。活塞驱动组件包括步进电机13、齿条和齿轮。齿条与活塞杆7的外端固定。步进电机13与缸体1固定，且输出轴与齿轮固定。齿轮与齿条啮合。步进电机15通过电机驱动器与控制器连接。手机14通过蓝牙对控制器16发送相应的训练指令，通过也能接收到控制器16传回的训练进程以及恢复状况。
压力能交换器2的内腔固定有柔性隔离膜10。柔性隔离膜10将压力能交换器2的内腔分隔为动力腔和电流变液腔。压力能交换器2的动力腔与缸体1的无杆腔连通。压力能交换器2的动力腔及缸体1的无杆腔内装有压力能交换介质。压力能交换介质采用水。通过活塞杆7往复移动，能够控制柔性隔离膜10弯曲变形，从而控制电流变液腔的容积。缸体1内腔的横截面积小于压力能交换器2内腔的横截面积。缸体1采用较小的横截面积有助于提升电流变液腔内容积的控制精度。
如图1和2所示，手指套入管6采用柔性管，具体为波纹管。两条柔性支撑条9与手指套入管6的两侧分别固定。两条柔性支撑条9的靠近手指套入管6的侧面均设置有与手指套入管6外侧面对应的弧形凹槽，以增大柔性支撑条9与手指套入管6的接触面积；当柔性支撑条9受到弯曲力矩时将发生弯曲变形。手指套入管6内壁的一端固定有压力传感器8和姿态读取模块15内的姿态读取芯片。压力传感器8采用型号为A201的薄膜压力传感器，其精度为0.01N。
弯曲驱动囊4及恢复驱动囊5均呈长条形，且是封闭的薄壁橡胶。弯曲驱动囊4及恢复驱动囊5上均设置有沿自身长度方向排列的多个充液凸包。各充液凸包的横截面均呈梯形。弯曲驱动囊4及恢复驱动囊5均与手指套入管6固定，且分别位于手指套入管6的两侧。弯曲驱动囊4上的充液凸包位于远离恢复驱动囊5的一侧。恢复驱动囊5上的充液凸包位于远离弯曲驱动囊4的一侧。弯曲驱动囊4、恢复驱动囊5的端部的进液口均位于手指套入管6未装压力传感器8的那一端。压力传感器8靠近恢复驱动囊5设置。
两根电流变液分支管道3的一端与弯曲驱动囊4、恢复驱动囊5的端部的进液口分别连通，另一端均与压力能交换器2的电流变液腔连通。压力能交换器2的电流变液腔、弯曲驱动囊4、恢复驱动囊5及两根电流变液分支管道3内均装有电流变液。两根电流变液分支管道3的中部均设置有截止鼓包。截止鼓包呈球形。弯曲电极片组11包括两片弯曲电极片。两片弯曲电极片分别位于其中一根电流变液分支管道3上的截止鼓包的两侧。恢复电极片组12包括两片恢复电极片。两片恢复电极片分别位于另一根电流变液分支管道3上的截止鼓包的两侧。
如图4所示，弯曲电极片驱动模块17及恢复电极片驱动模块18均包括光耦T1、三极管Q1、继电器K1和二极管D1。光耦T1的第一输入端接入电阻R1一端。电阻R1另一端接外部控制正电压+V(其电压值为+3.3V)。第一输出端接三极管Q1的基极；第二输出端接电阻R2的一端。电阻R2的另一端接外部驱动电压VCC(其电压值为12V)。三极管Q1的发射极接地GND，集电极接继电器K1内线圈的一端及二极管D1的阳极。继电器K1的内线圈的另一端接二极管D1的阴极接外部驱动电压VCC。继电器K1的动触点接电阻R3的一端。继电器K1的第一静触点接电极片驱动电压VCC1(其电压值为1000V，由功率低于2W的开关电源提供，继电器K1与电极片驱动电压VCC1直接设置有熔断器)，第二静触点接地。
弯曲电极片组11内的其中一片弯曲电极片接弯曲电极片驱动模块17内电阻R3远离继电器的那端，另一片弯曲电极片接地GND。恢复电极片组12内的其中一片恢复电极片接恢复电极片驱动模块18内远离继电器的那端，另一片弯曲电极片接地GND。
弯曲电极片驱动模块内光耦T1的第二输入端为弯曲电极片驱动模块的控制输入端P1。恢复电极片驱动模块内光耦T1的第二输入端为恢复电极片驱动模块的控制输入端P1。
当弯曲电极片驱动模块的控制输入端P1输入高电平时，弯曲电极片驱动模块17内的光耦T1截止，三级管Q1截止，使继电器K1的线圈断电(继电器K1线圈断电状态下动触点与第一静触点相连；线圈上电状态下动触点与第二静触点相连)。使得两片弯曲电极片与电极片驱动电源、地线分别连接。两片弯曲电极片之间产生电场，使得位于两片弯曲电极片之间的截止鼓包电内的流变液在电场的作用下凝固，从而使得弯曲驱动囊4内的电流变液无法流入和流出。
当弯曲电极片驱动模块的控制输入端P1输入低电平时，弯曲电极片驱动模块17内的光耦T1导通，三级管Q1导通，使继电器K1的线圈上电；此时，活塞杆7的滑动能够使得弯曲驱动囊4内膨胀和收缩。当弯曲驱动囊4膨胀时，弯曲驱动囊4上的充液凸包均胀大，胀大的充液凸包相互挤压，使得弯曲驱动囊4向远离充液凸包一侧弯曲。当弯曲驱动囊4收缩时，弯曲驱动囊4上的充液凸包均缩瘪。
恢复驱动囊5的驱动原理与弯曲驱动囊4相同，在此不再赘述。
如图5所示，滤波模块13包括第一滤波芯片U1、第二滤波芯片U2和两线插接件J1。第一滤波芯片U1及第二滤波芯片U2的型号均为OP07。两线插接件J1的一个接线端接外部控制正电压+V，另一个接线端接第一电阻RF1的一端和第一滤波芯片U1的3引脚。第一电阻RF1的另一端接地GND。第一滤波芯片U1的2引脚及6引脚均接第二电阻RF2的一端，4引脚接外部控制负电压-V(其电压值为-3.3V)，7引脚接外部控制正电压+V；第一滤波芯片U1的其他引脚均悬空。第二电阻RF2的另一端接第三电阻RF3及第一电容CF1的一端。第三电阻RF3的另一端接第二电容CF2的一端及第二滤波芯片U2的3引脚。第二电容CF2的另一端接地GND。第一电容CF1的另一端接第二滤波芯片U2的2引脚及6引脚。第二滤波芯片U2的4引脚接外部控制负电压-V，7引脚接外部控制正电压+V。第二滤波芯片U2的其他引脚均悬空。压力传感器8的两个输出线插接在两线插接件J1上(即两线插接件J1的两个接线端与压力传感器8的两个接线端分别连接)。第二滤波芯片U2的6引脚为滤波模块13的滤波输出端AD0。
该压力传感器输出为欧姆信号，通过串联的第一电阻RF1，可由公式得出输出电压，其中RM为压力传感器的输出电阻。为使该传感器与后续电路的阻抗进行匹配，本发明状分压器后面设置了跟随运算放大器。
为了提高压力检测的精度，对压力电信号进行滤波。本发明采用二阶的有源低通滤波电路实现。其截止频率为在本实施例中，选择截止频率为1KHz，则第二电阻RF2和第三电阻RF3的值为1kΩ，第一电容CF1和第二电容CF2的容值均为160nF。
如图6所示，姿态读取模块15包括姿态读取芯片U4。姿态读取芯片U4的型号为MPU6050。姿态读取芯片U4的1引脚与第六电容CZ1的一端相连并接地GND，8引脚接第六电容CZ1的另一端和外部控制正电压+V，9引脚接第七电阻RZ5的一端，10引脚接第七电容CZ2的一端，11引脚接第七电阻RZ5及第七电容CZ2的另一端，13引脚接外部控制正电压+V，18引脚与第八电容ZC3的一端相连并接地GND，20引脚接第八电容ZC3的另一端，23引脚接第五电阻RZ2及第七电阻RZ4的一端，24引脚接第四电阻RZ1及第六电阻RZ3的一端；第四电阻RZ1和第五电阻RZ2的另一端均接外部控制正电压+V；第六电阻RZ3的另一端为姿态读取模块15的I2C双向数据端SDA；第七电阻RZ4的另一端为姿态读取模块15的I2C时钟端SCL。姿态读取芯片U4的12引脚为姿态读取模块15的使能输入端INT。姿态读取芯片U4的其他引脚均悬空。
姿态读取模块15共五个，在手指锻炼中分别位于大拇指、食指、中指、无名指和小拇指处。由于姿态传感器的第9引脚为串口总线I2C的地址引脚。因此，其中两个姿态读取模块15(粘贴在大拇指和食指)的9引脚经第七电阻RZ5接外部控制正电压+V(即第七电阻RZ5的另一端接外部控制正电压+V)；另外三个姿态读取模块15(粘贴在中指、无名指和小拇指)的9引脚经第七电阻RZ5接地GND。使粘贴在大拇指和食指的姿态读取模块15的串口I2C地址和粘贴在中指、无名指和小拇指的姿态读取模块15的串口I2C地址不同。
9引脚接入外部控制正电压+V的两个姿态读取模块15的I2C双向数据端SDA、I2C时钟端SCL挂载到控制器16的第一I2C接口(第42、43引脚)；其中两个9引脚接地的姿态读取模块15的I2C双向数据端SDA、I2C时钟端SCL挂载到控制器16的第二I2C接口(第21、22引脚)；第三个9引脚接地的姿态读取模块15的I2C双向数据端SDA、I2C时钟端SCL接入控制器16的模拟I2C接口(第16、17引脚)。
五个弯曲电极片驱动模块17的控制输入端P1与控制器16的五个第一I/O口(第18、19、25、26、27引脚)分别连接。五个恢复电极片驱动模块18的控制输入端P1与控制器16的五个第二I/O口(第28、29、30、31、32引脚)分别连接。五个滤波模块13的滤波输出端AD0与控制器16的五个模拟量输入端(第11、12、13、14、15引脚)分别连接。五个姿态读取模块15的使能输入端INT与控制器16的五个姿态读取使能引脚(第2、10、33、45、46引脚)分别连接。
该手指辅助锻炼装置的辅助锻炼方法具体如下：
步骤一、使用者将五个手指套入管6分别套上五根手指(大拇指、食指、中指、无名指、小拇指)，使得弯曲驱动囊4、恢复驱动囊5的进液口均位于对应手指的根部，弯曲驱动囊4靠近对应手指外侧，恢复驱动囊5靠近对应手指内侧(即弯曲驱动囊4、手指外侧、手指内侧、恢复驱动囊5依次排列)，使用者五根手指的指尖内侧与五个压力传感器分别接触。
步骤二、辅助手指弯曲。
2-1.控制器16的所有第一I/O口均输出低电平，所有第二I/O口均输出高电平，使得所有弯曲电极片组11均产生电场，所有恢复电极片组12均不产生电场，弯曲驱动囊4内的电流变液无法流入流出，恢复驱动囊5内的电流变液能够流入流出。
2-2.控制器16控制所有步进电机15同步反转，使得所有活塞杆向远离柔性隔离膜10的方向滑动，各压力能交换器2内电流变液腔的容积增大。恢复驱动囊5内的部分电流变液被抽入电流变液腔，恢复驱动囊5上的充液凸包均缩瘪。
2-3.控制器16的所有第一I/O口均输出高电平，所有第二I/O口均输出低电平，使得所有弯曲电极片组11均不产生电场，所有恢复电极片组12均产生电场，弯曲驱动囊4内的电流变液能够流入流出，恢复驱动囊5内的电流变液无法流入流出。
2-4.控制器16控制所有步进电机15同步正转，使得所有活塞杆向靠近柔性隔离膜10的方向滑动，所有压力能交换器2内电流变液腔的容积减小。电流变液腔内的部分电流变液被注入弯曲驱动囊4，弯曲驱动囊4上的充液凸包均膨胀，使得弯曲驱动囊4向远离充液凸包一侧弯曲，带动使用者的手指弯曲。在弯曲驱动囊4弯曲的过程中，使用者的手指主动施加弯曲手指的力量，指尖按压在压力传感器上，压力传感器向控制器发送检测到的压力信号。压力传感器检测到的压力反应出使用者的手指能够主动产生的力，因此其能够反映出使用者的恢复情况。姿态传感器检测出手指弯曲程度，以此控制控制步进电机的转动步数，防止过度弯曲对手指的损伤。
步骤三、辅助手指伸直。
3-1.控制器16的所有第一I/O口均输出高电平，所有第二I/O口均输出低电平，使得所有弯曲电极片组11均不产生电场，所有恢复电极片组12均产生电场，弯曲驱动囊4内的电流变液能够流入流出，恢复驱动囊5内的电流变液无法流入流出。
3-2.控制器16控制所有步进电机15同步反转，使得所有活塞杆向远离柔性隔离膜10的方向滑动，所有压力能交换器2内电流变液腔的容积增大。弯曲驱动囊4内的部分电流变液被抽入电流变液腔，弯曲驱动囊4上的充液凸包均缩瘪。
3-3.控制器16的所有第一I/O口均输出低电平，所有第二I/O口均输出高电平，使得所有弯曲电极片组11均产生电场，所有恢复电极片组12均不产生电场，弯曲驱动囊4内的电流变液无法流入流出，恢复驱动囊5内的电流变液能够流入流出。
3-4.控制器16控制所有步进电机15同步正转，使得所有活塞杆向靠近柔性隔离膜10的方向滑动，所有压力能交换器2内电流变液腔的容积减小。电流变液腔内的部分电流变液被注入恢复驱动囊5，恢复驱动囊5上的充液凸包均膨胀，使得处于弯曲状态的恢复驱动囊5逐步恢复至平直的状态，带动使用者的手指伸直。
步骤四、持续重复执行步骤二和三，直到锻炼结束。
其中，由于步进电机15步进的角度可控，因此可以确定活塞杆位移的距离，从而确定电流变液的流量。由于充入的电流变液体积和弯曲驱动囊的变换成一定的函数关系，因此对步进电机15的控制可以间接控制弯曲驱动囊的弯曲角度。

Claims (10)

1.一种手指辅助锻炼装置，包括n个单手指辅助运动机构；其特征在于：1≤n≤5；所述的单手指辅助运动机构包括缸体、活塞杆、压力能交换器、电流变液分支管道、弯曲驱动囊、恢复驱动囊、手指套入管、压力传感器、弯曲电极片组、恢复电极片组和活塞驱动组件；活塞杆与缸体的内腔构成滑动副；活塞杆将缸体的内腔分隔为有杆腔和无杆腔；活塞杆由活塞驱动组件驱动；
所述的压力能交换器的内腔固定有柔性隔离膜；柔性隔离膜将压力能交换器的内腔分隔为动力腔和电流变液腔；压力能交换器的动力腔与缸体的无杆腔连通；压力能交换器的动力腔及缸体的无杆腔内装有压力能交换介质；所述的弯曲驱动囊及恢复驱动囊上均设置有沿自身长度方向排列的多个充液凸包；弯曲驱动囊及恢复驱动囊均与手指套入管固定，且分别位于手指套入管的两侧；
两根电流变液分支管道的一端与弯曲驱动囊、恢复驱动囊的进液口分别连通，另一端均与压力能交换器的电流变液腔连通；两根电流变液分支管道的中部均设置有截止鼓包；压力能交换器的电流变液腔、弯曲驱动囊、恢复驱动囊及两根电流变液分支管道内均装有电流变液；弯曲电极片组包括两片弯曲电极片；两片弯曲电极片分别位于其中一根电流变液分支管道上的截止鼓包的两侧；恢复电极片组包括两片恢复电极片；两片恢复电极片分别位于另一根电流变液分支管道上的截止鼓包的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：所述的单手指辅助运动机构还包括弯曲电极片驱动模块和恢复电极片驱动模块；所述的弯曲电极片驱动模块及恢复电极片驱动模块均包括光耦T1、三极管Q1、继电器K1和二极管D1；光耦T1的第一输入端接入电阻R1一端；电阻R1另一端接外部控制正电压；第一输出端接三极管Q1的基极；第二输出端接电阻R2的一端；电阻R2的另一端接外部驱动电压；三极管Q1的发射极接地，集电极接继电器K1内线圈的一端及二极管D1的阳极；继电器K1的内线圈的另一端接二极管D1的阴极接外部驱动电压；继电器K1的动触点接电阻R3的一端；继电器K1的第一静触点接电极片驱动电压，第二静触点接地；弯曲电极片驱动模块内光耦T1的第二输入端为弯曲电极片驱动模块的控制输入端；恢复电极片驱动模块内光耦T1的第二输入端为恢复电极片驱动模块的控制输入端；
弯曲电极片组内的其中一片弯曲电极片接弯曲电极片驱动模块内电阻远离继电器的那端，另一片弯曲电极片接地；恢复电极片组的其中一片恢复电极片接恢复电极片驱动模块内远离继电器的那端，另一片弯曲电极片接地。
3.根据权利要求2所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：所述手指套入管内壁的一端固定有压力传感器；所述弯曲驱动囊、恢复驱动囊的端部的进液口均位于手指套入管未装压力传感器的那一端；压力传感器靠近恢复驱动囊设置。
4.根据权利要求3所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：还包括控制器；所述的单手指辅助运动机构还包括滤波模块和姿态读取模块；滤波模块通过滤波芯片将压力传感器传来的模拟信号进行滤波并传输给控制器；姿态读取模块通过姿态读取芯片将自身相对于初始位置的空间位置传输给控制器；
所述的滤波模块包括第一滤波芯片、第二滤波芯片和两线插接件；第一滤波芯片及第二滤波芯片的型号均为OP07；两线插接件的一个接线端接外部控制正电压，另一个接线端接第一电阻RF1的一端和第一滤波芯片的3引脚；第一电阻RF1的另一端接地；第一滤波芯片的2引脚及6引脚均接第二电阻RF2的一端，4引脚接外部控制负电压，7引脚接外部控制正电压；第二电阻RF2的另一端接第三电阻RF3及第一电容CF1的一端；第三电阻RF3的另一端接第二电容CF2的一端及第二滤波芯片的3引脚；第二电容CF2的另一端接地；第一电容CF1的另一端接第二滤波芯片的2引脚及6引脚；第二滤波芯片的4引脚接外部控制负电压，7引脚接电源正电压；压力传感器的两个输出线插接在两线插接件上；第二滤波芯片的6引脚为滤波模块的滤波输出端；
所述的姿态读取模块包括姿态读取芯片；姿态读取芯片的型号为MPU6050；姿态读取芯片的1引脚与第六电容CZ1的一端相连并接地，8引脚接第六电容CZ1的另一端和外部控制正电压，9引脚接第七电阻RZ5的一端，10引脚接第七电容CZ2的一端，11引脚接第七电阻RZ5及第七电容CZ2的另一端，13引脚接外部控制正电压，18引脚与第八电容ZC3的一端相连并接地，20引脚接第八电容ZC3的另一端，23引脚接第五电阻RZ2及第七电阻RZ4的一端，24引脚接第四电阻RZ1及第六电阻RZ3的一端；第四电阻RZ1和第五电阻RZ2的另一端均接外部控制正电压；第六电阻RZ3的另一端为姿态读取模块的I2C双向数据端；第七电阻RZ4的另一端为姿态读取模块的I2C时钟端；姿态读取芯片的12引脚为姿态读取模块的使能输入端。
5.根据权利要求4所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：n＝5，其中两个姿态读取模块的9引脚经第七电阻RZ5接外部控制正电压，该两个姿态读取模块的I2C双向数据端、I2C时钟端挂载到控制器的第一I2C接口；另外三个姿态读取模块的9引脚经第七电阻RZ5接地；该三个姿态读取模块中的两个姿态读取模块的I2C双向数据端、I2C时钟端挂载到控制器的第二I2C接口，另一个姿态读取模块的I2C双向数据端、I2C时钟端接入控制器的模拟I2C接口；
五个弯曲电极片驱动模块的控制输入端与控制器的五个第一I/O口分别连接；五个恢复电极片驱动模块的控制输入端与控制器的五个第二I/O口分别连接；五个滤波模块的滤波输出端与控制器五个模拟量输入端分别连接；五个姿态读取模块的使能输入端与控制器的五个姿态读取使能引脚分别连接。
6.根据权利要求1所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：所述的弯曲驱动囊及恢复驱动囊均呈长条形，且是封闭的薄壁橡胶。
7.根据权利要求1所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：所述的活塞驱动组件包括步进电机、齿条和齿轮；齿条与活塞杆的外端固定；步进电机与缸体固定，且输出轴与齿轮固定；齿轮与齿条啮合。
8.根据权利要求1所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：所述缸体内腔的横截面积小于压力能交换器内腔的横截面积；压力能交换介质采用水。
9.根据权利要求1所述的一种手指辅助锻炼装置，其特征在于：所述的手指套入管采用柔性管；所述的单手指辅助运动机构还包括柔性支撑条；其中一根柔性支撑条设置在手指套入管与弯曲驱动囊之间；另一根柔性支撑条设置在手指套入管与恢复驱动囊之间；两条柔性支撑条的靠近手指套入管的侧面均设置有弧形凹槽。
10.如权利要求1所述的一种手指辅助锻炼装置的辅助锻炼方法，其特征在于：步骤一、使用者将n个手指套入管分别套上n根手指，使得弯曲驱动囊、恢复驱动囊的进液口均位于对应手指的根部，弯曲驱动囊靠近对应手指外侧，恢复驱动囊靠近对应手指内侧；
步骤二、辅助手指弯曲；
2-1.向所有弯曲电极片组输入电压，将恢复电极片组接地，弯曲驱动囊内的电流变液无法流入流出，恢复驱动囊内的电流变液能够流入流出；
2-2.步进电机反转，使得活塞杆向远离柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积增大；恢复驱动囊内的电流变液被抽入电流变液腔，恢复驱动囊上的充液凸包缩瘪；
2-3.将弯曲电极片组接地，向所有恢复电极片组输入电压，弯曲驱动囊内的电流变液能够流入流出，恢复驱动囊内的电流变液无法流入流出；
2-4.步进电机正转，使得活塞杆向靠近柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积减小；电流变液腔内的电流变液被注入弯曲驱动囊，弯曲驱动囊上的充液凸包均膨胀，使得弯曲驱动囊向远离充液凸包一侧弯曲，带动使用者的手指弯曲；
步骤三、辅助手指伸直；
3-1.将弯曲电极片组接地，向所有恢复电极片组输入电压，弯曲驱动囊内的电流变液能够流入流出，恢复驱动囊内的电流变液无法流入流出；
3-2.步进电机反转，使得活塞杆向远离柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积增大；弯曲驱动囊内的电流变液被抽入电流变液腔，弯曲驱动囊上的充液凸包缩瘪；
3-3.向所有弯曲电极片组输入电压，将恢复电极片组接地，弯曲驱动囊内的电流变液无法流入流出，恢复驱动囊内的电流变液能够流入流出；
3-4.步进电机正转，使得活塞杆向靠近柔性隔离膜的方向滑动，压力能交换器内电流变液腔的容积减小；电流变液腔内的电流变液被注入恢复驱动囊，恢复驱动囊上的充液凸包均膨胀，使得处于弯曲状态的恢复驱动囊逐步恢复至平直的状态，带动使用者的手指伸直；
步骤四、持续重复执行步骤二和三。
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