CN110269776B - 一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套及其制造方法，所述辅助康复指套包括至少一个螺线型致动器，和依据病患手指关节的位置粘贴在所述螺线型致动器上的连接环。该康复指套初始构型是螺线型，它无需通过充气即可天然产生弯曲变形而适应病患者的手指关节弯曲为螺线型并根据其形状选择螺线型致动器的构型空间参数，可以更有效更舒适地帮助病患展开僵硬的弯曲的手指。样机实验证实，在不同的输入气压下，样机可以展开不同的角度，将弯曲的手指展开成不同的形状。由于输入的空气压力分布在整个执行机构的长度，手指的所有部分都可以行使。

Description

一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套及其制造方法

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，尤其涉及基于螺线型气动软体致动器的手指辅助康复指套及其制造方法的设计。

背景技术

现有技术中所设计的康复指套初始构型多是直线，通过充气产生弯曲变形带动手指关节弯曲，但是多数病患的手指初始构型并不是直线，而是各种无规则的形状。如果不能依据病患手指的初始形状设计康复指套，则病患带着指套会感到疼痛和不适。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提出一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，包括至少一个螺线型致动器，和依据病患手指关节的位置粘贴在所述螺线型致动器上的连接环，所述螺线型致动器的极坐标方程式和笛卡尔坐标方程式的关系如下式所示：

其中φ角为螺线角度；r为螺线半径，不同螺线类型，r与φ之间的函数关系不同；x和y分别为相应的笛卡尔坐标系下坐标值。

在本发明的一些实施例中，还包括以下技术特征：

所述螺线型致动器至少包含圆形、阿基米德螺线和对数螺线三种螺线中的一种，其中，阿基米德螺线的极坐标方程式为：

r＝R₀+C₀φ

其中，R0为螺线起点与极坐标原点的距离；C0为螺线半径r随螺线角度变化的速率；对于确定的螺线构型，螺线的极坐标方程表达式唯一，此时R0和C0均为常系数；

圆形为阿基米德螺线的一种，其极坐标方程式为：

r＝R₀+C₀φ，C₀＝0

对数螺线的极坐标方程式为：

致动器的基体由超弹性材料制作成形，基体内部有一个充气气腔。

基体横截面与气腔横截面是如下形状中的一种：圆形截面、半圆形截面、方形截面、矩形截面。

利用输入的气压作为驱动，实现展开运动；气压越大其曲率越小，曲率减小到0之后可以实现负曲率展开运动。

基体外侧粘贴有应变限制层，用于限制轴向的伸展运动并且增强展开运动。

基体末端密封阻塞头用于堵塞气腔，防止漏气。

制造致动器基体的材料包括如下材料之一：树脂材料、橡胶材料、硅胶材料，硬度小于等于50A；螺线型致动器的外侧应变限制层由弹性材料制作。

本发明还提出一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套制造方法，用于制造上述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，包括如下步骤：S1、根据病患手指的实际形状，得到r与φ的具体关系；S2、根据手指长度选择致动器弧长长度；S3、制造适合各个单根手指的螺线型致动器；S4、依次在各螺线型致动器上依据病患手指关节的位置粘贴连接环。

优选地，步骤S3包括如下步骤：S31、制造致动器的基体；S32、选择应变限制层材料，裁剪应变限制层；S33、将应变限制层均匀地粘贴在致动器外侧表面，将密封阻塞头粘贴在致动器末端。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：本申请所设计的康复指套初始构型是螺线型而非现有技术那样是直线，它无需通过充气即可天然产生弯曲变形而适应病患者的手指关节弯曲，由于多数病患的手指初始构型并不是直线，而是各种无规则的形状，本申请依据病患手指的初始形状设计康复指套，设计为螺线型并根据其形状选择螺线型致动器的构型空间参数，可以更有效更舒适地帮助病患展开僵硬的弯曲的手指。样机实验证实，在不同的输入气压下，样机可以展开不同的角度，将弯曲的手指展开成不同的形状。由于输入的空气压力分布在整个执行机构的长度，手指的所有部分都可以行使。由于螺旋执行机构的初始形状与手指的初始形状一致，所以手指在不运动时只会有轻微的不适。

附图说明

图1a、1b、1c分别是本发明实施例三种螺线型气动软体致动器模型图。

图2a、2b分别是本发明实施例螺线型致动器的制造工艺中浇铸弹性基体和粘贴应变限制层示意图。

图3是本发明实施例连接环设计图示例。

图4a、4b、4c、4d分别是本发明实施例基于螺线型致动器的手指辅助康复指套食指中指和无名指样机主视、俯视、侧视、展开对比示例图。

图5a、5b、5c、5d分别是本发明实施例基于螺线型致动器的手指辅助康复指套食指样机在不同气压下的示例图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

螺线型气动软体致动器是一种新型气驱动的动器，具有质轻、柔顺性好、响应迅速、抗压能力强、安全性高、仿生性能突出等优点。在较小的输入气压下，螺线型致动器可以实现较大范围的展开运动，同时具有广阔的应用前景。目前，螺线型致动器的研究尚处于初期阶段。本发明研究发现，根据病患手指的形状选择螺线型致动器的构型空间参数，可以更有效更舒适地帮助病患展开僵硬的弯曲的手指。

在介绍本发明的基于螺线型气动软体致动器的手指辅助康复指套及其制造方法之前，先对本发明所采用的螺线型气动软体致动器进行说明如下：

自然界中存在多种螺线形式的生物构型，如鹦鹉螺、货币虫、植物藤蔓、海马尾巴[17]等，其中，海马的尾巴通常保持为对数螺线构型，当海马尝试抓住海藻、珊瑚等物体以抵抗海水冲击时，尾巴会先进行展开运动，然后再进行弯曲运动以环抱物体；生活中唱片音槽、蚊香、凸轮等物体也是螺线构型。这些生物或物品的构型大多符合阿基米德螺线或对数螺线等螺线构型。

受此启示，本申请针对螺线构型的气动软体致动器的设计方案和工作方式进行研究，提出如下实施方式，现说明如下：

螺线型致动器结构：

根据解析几何基础知识，螺线的数学表达式有极坐标方程式和笛卡尔坐标方程式，两者的关系如公式(1)所示：

其中φ角为螺线角度；r为螺线半径，不同螺线类型，r与φ之间的函数关系不同；x和y分别为相应的笛卡尔坐标系下坐标值。

特别的，针对圆形、阿基米德螺线和对数螺线三种常见的具有代表意义的螺线，公式(1)中，阿基米德螺线的极坐标方程式为：

r＝R₀+C₀φ (2)

其中，R₀为螺线起点与极坐标原点的距离；C₀为螺线半径r随螺线角度变化的速率。对于确定的螺线构型，螺线的极坐标方程表达式唯一，此时R₀和C₀均为常系数。

圆形可以看作特殊的阿基米德螺线，其极坐标方程式为：

r＝R₀+C₀φ，C₀＝0(3)

对数螺线的极坐标方程式为：

根据公式(1)-(4)可知，螺线的构型参数有螺线角度φ、螺线起点与极坐标原点的距离R₀；螺线半径r随螺线角度变化的速率C₀。可以用于设计螺线型致动器的螺线数学表达式包括但不限于圆形、阿基米德螺线和对数螺线以及不同螺线的组合等。

螺线型气动软体致动器具有以下特点：

1)致动器的基体由超弹性材料制作成形，基体内部有一个充气气腔。基体横截面与气腔横截面包括但不限于圆形截面、半圆形截面、方形截面、矩形截面等；

2)致动器利用输入的气压作为驱动，实现展开运动。气压越大其曲率越小，曲率减小到0之后可以实现一定程度的负曲率展开运动(正曲率方向是指致动器在二三象限内的展开运动，负曲率是指致动器在四一象限内的展开运动)。

3)基体外侧粘贴有应变限制层，用于限制轴向的伸展运动并且增强展开运动。

4)基体末端密封阻塞头用于堵塞气腔，防止漏气。

三种常见的具有代表意义的圆形、阿基米德螺线和对数螺线构型的螺线型致动器，如图1a、1b、1c所示。

手指辅助康复指套的设计步骤分为六步：

1)根据上述螺线的数学表达式，根据病患手指的实际形状，得到公式(1)中r与φ的具体关系；该手指康复指套可以自由组合，以针对食指、中指和无名指的手指辅助康复指套样机为例，首先通过手指弯曲程度检测，得到病患手指的数学参数依次为：

表3、各致动器的长度和构型参数

2)根据手指长度选择合适的致动器弧长长度；各致动器的长度如表3所述。

3)制造适合各个单根手指的螺线型致动器；

制造螺线型致动器的其他参数如表1所示，致动器各组成部分所使用的材料如表2所示。螺线型致动器的基体由超弹性材料制作，可以用于制造致动器基体的材料包括但不限于树脂材料、橡胶材料、硅胶材料等(硬度小于等于50A)。螺线型致动器的外侧应变限制层由弹性材料制作，可以用于制造应变限制层的材料包括但不限于普通纸张、纤维编织物等(硬度大于普通A4纸张)。

表2螺线型气动软体致动器结构参数

表3螺线型气动软体致动器制备材料

螺线型致动器的制造工艺分为三步：

a)制造致动器的基体。首先组装利用3D打印技术制造的模具，包括底槽、中间弯曲杆和末端端盖；然后注入超弹性材料；最后优选可在上表面覆盖钢板使得基体壁厚均匀平整，并在室温下等待其固化；

b)选择合适材料，裁剪适合尺寸的应变限制层(宽度等于A，长度等于L，A和L见图1)；为了便于标记展开后的形状，在应变限制层上等间距的刻画若干形状刻度线；

c)将应变限制层均匀地粘贴在致动器外侧表面(用专门的硅胶处理胶水)，将密封阻塞头粘贴在致动器末端。

以对数螺线型方形横截面的螺线型致动器为例，其制造过程如图2a、2b所示。其中图2a是浇铸弹性基体，图2b是粘贴应变限制层。

4)依次在各螺线型致动器上依据病患手指关节的位置粘贴连接环(如图4a、4b、4c、4d所示)；测量患者各指关节直径，制造连接环，其CAD模型如图3所示，连接环采用硬度小于50A的树脂材料制成。将各连接环粘贴在致动器上合适的位置。制造完成的手指康复指套如图4所示。

针对食指形状设计的螺线型致动器如图5a、5b、5c、5d所示。在不同的输入气压(0KPa、15KPa、20KPa、24KPa)下，样机可以展开不同的角度，将弯曲的手指展开成不同的形状。由于输入的空气压力分布在整个执行机构的长度，手指的所有部分都可以行使。由于螺旋执行机构的初始形状与手指的初始形状一致，所以手指在不运动时只会有轻微的不适。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，其特征在于，包括至少一个螺线型致动器，和依据病患手指关节的位置粘贴在所述螺线型致动器上的连接环，其中，所述康复指套依据病患手指的初始形状设计，螺旋执行机构的初始形状与病患手指的初始形状一致，并根据其形状选择螺线型致动器的构型空间参数，所述致动器的基体由超弹性材料制作成形，基体内部有一个充气气腔，利用输入的气压作为驱动，实现从初始的病患弯曲的手指形状展开成不同的形状；气压越大其曲率越小，曲率减小到0之后实现负曲率展开运动；所述螺线型致动器的极坐标方程式和笛卡尔坐标方程式的关系如下式所示：

其中φ角为螺线角度；r为螺线半径，不同螺线类型，r与φ之间的函数关系不同；x和y分别为相应的笛卡尔坐标系下坐标值。

2.如权利要求1所述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，其特征在于，所述螺线型致动器至少包含圆形、阿基米德螺线和对数螺线三种螺线中的一种，其中，阿基米德螺线的极坐标方程式为：

r＝R₀+C₀φ

其中，R0为螺线起点与极坐标原点的距离；C0为螺线半径r随螺线角度变化的速率；对于确定的螺线构型，螺线的极坐标方程表达式唯一，此时R0和C0均为常系数；

圆形为阿基米德螺线的一种，其极坐标方程式为：

r＝R₀+C₀φ，C₀＝0

对数螺线的极坐标方程式为：

3.如权利要求1所述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，其特征在于，基体横截面与气腔横截面是如下形状中的一种：圆形截面、半圆形截面、方形截面、矩形截面。

4.如权利要求1所述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，其特征在于，基体外侧粘贴有应变限制层，用于限制轴向的伸展运动并且增强展开运动。

5.如权利要求1所述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，其特征在于，基体末端密封阻塞头用于堵塞气腔，防止漏气。

6.如权利要求4所述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，其特征在于，制造致动器基体的材料包括如下材料之一：树脂材料、橡胶材料、硅胶材料，硬度小于等于50A；螺线型致动器的外侧应变限制层由弹性材料制作。

7.一种基于气动软体致动器的手指辅助康复指套制造方法，用于制造如权利要求1-6中任一项所述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据病患手指的初始实际形状，得到r与φ的具体关系；

S2、根据手指长度选择致动器弧长长度；

S3、制造适合各个单根手指的螺线型致动器；

S4、依次在各螺线型致动器上依据病患手指关节的位置粘贴连接环。

8.如权利要求7所述的基于气动软体致动器的手指辅助康复指套制造方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：

S31、制造致动器的基体；

S32、选择应变限制层材料，裁剪应变限制层；

S33、将应变限制层均匀地粘贴在致动器外侧表面，将密封阻塞头粘贴在致动器末端。

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