CN110293582A - 一种柔性驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性驱动器，弯曲驱动单元和伸长驱动单元交替连接构成组合驱动单元；柔性封盖连接在组合驱动单元的一端，构成一端封闭，另一端开口的管状结构，管状结构的开口端与进气导管连通；管状结构内设置有隔板，将管状结构的内腔分隔为上腔体和下腔体；上腔体和下腔体的开口处分别设置有柔性瓣膜；位于柔性封盖区域的隔板上开设有开口，并且在开口上安装有柔性瓣膜；扭转型驱动单元连接在管状结构开口端与进气导管之间；本发明能在驱动器伸长、弯曲、扭转下带动手指或肢体关节在合适角度范围内进行活动，避免手部长期僵化，完成手部弯曲、伸展、内扣、外展、肢体的伸展等手部功能性康复动作，符合人体生物力学，柔性程度高、舒适性良好。
Description
技术领域
本发明涉及训练康复器材技术领域，更具体的说是涉及一种柔性驱动器。
背景技术
随着我国医疗水平的提升，我国人口人均寿命逐年上升，数据显示我国人均寿命为75岁，根据联合国的老龄化社会标准，我国早已经进入老龄化。同时，老龄化人群是脑卒的高发病人群，其发病率高达12.3％，且由于脑卒而引发的偏瘫患者，以手部功能障碍的人群居多。科学研究发现，人平均每天要进行约1500次的抓握动作，手作为日常生活中使用最为频繁的肢体部位，手部的健康灵活是人们生活质量的重要保障。
目前，因疾病或事故造成手部功能障碍的患者，仍多采用医师一对一康复训练，康复周期漫长昂贵，难以满足现有患者的长期康复需求。
软体康复手套，因其具有安全性好，舒适性高等优点，成为近年来新兴的手部康复器械。目前，现有气动软体康复手套的软体手指部分一方面存在弯曲幅度低的问题，如专利CN 102920568 A公开了一种采用McKibben型气动人工肌肉，通过充放气实现牵引伸展；另一方面，如专利CN 109431744 A公开的一种可携带式软体康复手指装置及其控制方法，其驱动器采用PneuNet腔体式结构实现整根手指的弯曲伸展。上述方案可以实现长期僵直的手部肌肉的放松，却忽略了给予运动患者手部关节进行合适角度康复训练。同时，现有的气动康复手套所并联的软体驱动器通常需要独立的气体管路控制，外部通过电磁换向阀实现对软体手指的功能转换，但普遍存在结构相对复杂，体积大便携性差，成本高昂等缺点。
因此，如何提供一种结构简单、成本低廉的柔性驱动器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种柔性驱动器，以解决上述背景技术部分所记载的问题，本发明能在驱动器伸长、弯曲、扭转下带动手指或肢体关节在合适角度范围内进行活动，避免手部长期僵化，完成手部弯曲、伸展、内扣、外展、肢体的伸展等手部功能性康复动作，符合人体生物力学，柔性程度高、舒适性良好。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种柔性驱动器，包括弯曲驱动单元、伸长驱动单元、柔性封盖、柔性瓣膜和进气导管；所述弯曲驱动单元和所述伸长驱动单元交替连接构成组合驱动单元；所述柔性封盖连接在所述组合驱动单元的一端，构成一端封闭，另一端开口的管状结构，所述管状结构的开口端与所述进气导管连通；所述管状结构内设置有隔板，将所述管状结构的内腔分隔为上腔体和下腔体；所述上腔体和所述下腔体的开口处分别设置有所述柔性瓣膜；位于所述柔性封盖区域的隔板上开设有开口，并且在所述开口上安装有所述柔性瓣膜；
所述柔性封盖包括椭球形端盖和纤维层，所述纤维层覆盖在所述椭球形端盖上，所述纤维层由增强纤维织成；所述弯曲驱动单元包括弹性软管和设置在所述弹性软管上下外壁面的齿形；
所述伸长驱动单元包括弹性软管和增强纤维，所述增强纤维采用相同角度对向螺旋线形式缠绕于所述伸长驱动单元的所述弹性软管外壁上。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，还包括连接在所述管状结构开口端与所述进气导管之间的扭转型驱动单元，所述扭转型驱动单元包括弹性软管和增强纤维，所述增强纤维采用单向螺旋线，即顺时针/逆时针方式缠绕于所述扭转型驱动单元的所述弹性软管外壁上。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述弯曲驱动单元上下外壁面设置的所述齿形间距、数量不同，从而两侧弯曲角度不同；所述弯曲角度最大值基于公式设计，L为齿形间距，n为齿形数量，D0为所述弹性软管直径。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，其中位于所述管状结构开口端的所述伸长驱动单元或弯曲驱动单元内设置有所述柔性瓣膜，并且所述进气导管通过变径接头连接有配气机构。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述扭转型驱动单元内设置有所述柔性瓣膜，并且所述进气导管通过变径接头连接有配气机构。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述配气机构外接有气源。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述柔性瓣膜为双向开启瓣膜，所述柔性瓣膜截面为V字型结构，V型下端设有开口，以V字型顶部开口入，底端出为正向，正向开启后能够恢复原态，所述柔性瓣膜反向开启压力大于正向开启压力；
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述柔性瓣膜开口采用激光线切割精密加工方式加工而成。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，位于所述柔性封盖区域的所述柔性瓣膜反向开启压力为P1；位于所述靠近掌节处所述弯曲驱动单元的上腔体中所述柔性瓣反向开启压力为P2，下腔体中所述柔性瓣反向开启压力为P3，且满足P2<P3；位于所述伸长驱动单元和所述扭转型驱动单元内的所述柔性瓣膜反向开启压力为P4。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述弯曲驱动单元、所述伸长驱动单元、所述柔性封盖、所述柔性瓣膜和所述隔板浇铸为一体式结构。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述弹性软管尺寸为18mm，内径为10mm；所述弹性软管由高分子弹性材料制成，如具有弹性大，收缩性好的特性硅胶、硅橡胶材料等。
优选的，在上述一种柔性驱动器中，所述增强纤维为凯夫拉线材料。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种柔性驱动器，本发明与传统机械驱动的康复机构相比，安全性好，避免二次伤害；柔性驱动器可根据需要康复训练的部位，进行适配更换，结构简单。
采用的柔性驱动器，驱动过程中更复合人体生理结构的驱动需求，将柔性驱动器按功能分为扭转型驱动单元、弯曲驱动单元、伸长驱动单元、柔性封盖和柔性瓣膜，可实现关节独立弯曲和扭转；同时符合人体生物力学，提升了患者使用的舒适性。
采用的柔性瓣膜，通过调节压力的不同实现肢体的单独运动、弯曲与外展功能的切换。通过增设可以一体化成型制造的柔性瓣膜，减少电磁阀、控制管线等控制元件的使用，结构简化的同时，降低制造成本。
本发明能在驱动器伸长、弯曲、扭转下带动手指或肢体关节在合适角度范围内进行活动，避免手部长期僵化，完成手部弯曲、伸展、内扣、外展、肢体的伸展等手部功能性康复动作，符合人体生物力学，柔性程度高、舒适性良好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为实施例1的结构示意图；
图2附图为实施例2的结构示意图；
图3附图为本发明的柔性瓣膜结构示意图；
图4附图为本发明实施例2的内部结构示意图；
图5附图为本发明实施例3的结构示意图；
图6附图为本发明实施例3的装配图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种柔性驱动器，本发明能在驱动器伸长、弯曲、扭转下带动手指或肢体关节在合适角度范围内进行活动，避免手部长期僵化，完成手部弯曲、伸展、内扣、外展、肢体的伸展等手部功能性康复动作，符合人体生物力学，柔性程度高、舒适性良好。
本发明公开了一种柔性驱动器，包括弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、柔性封盖3、柔性瓣膜4和进气导管131；弯曲驱动单元1和伸长驱动单元2交替连接构成组合驱动单元；柔性封盖3连接在组合驱动单元的一端，构成一端封闭，另一端开口的管状结构，管状结构的开口端与进气导管131连通；管状结构内设置有隔板5，将管状结构的内腔分隔为上腔体6和下腔体7；上腔体6和下腔体7的开口处分别设置有柔性瓣膜4；位于柔性封盖3区域的隔板5上开设有开口，并且在开口上安装有柔性瓣膜4；
柔性封盖3包括椭球形端盖31和纤维层32，纤维层32覆盖在椭球形端盖31上，纤维层32由增强纤维织成；弯曲驱动单元1包括弹性软管11和设置在弹性软管11上下外壁面的齿形12；
伸长驱动单元2包括弹性软管11和增强纤维，增强纤维采用相同角度对向螺旋线形式缠绕于伸长驱动单元2的弹性软管11外壁。
为了进一步优化上述技术方案，还包括连接在管状结构开口端与进气导管131之间的扭转型驱动单元8，扭转型驱动单元8包括弹性软管11和增强纤维，增强纤维采用单向螺旋线，即顺时针/逆时针方式缠绕于扭转型驱动单元8的弹性软管11外壁。
为了进一步优化上述技术方案，弯曲驱动单元1上下外壁面设置的齿形12间距、数量不同，从而两侧弯曲角度不同；弯曲角度最大值基于公式
设计，L为齿形12间距，n为齿形12数量，D0为弹性软管11直径。
为了进一步优化上述技术方案，其中位于管状结构开口端的伸长驱动单元2或弯曲驱动单元1内设置有柔性瓣膜4，并且进气导管131通过变径接头13连接有配气机构9。
为了进一步优化上述技术方案，扭转型驱动单元8内设置有柔性瓣膜4，并且进气导管131通过变径接头13连接有配气机构9。
为了进一步优化上述技术方案，配气机构9外接有气源。
为了进一步优化上述技术方案，柔性瓣膜4为双向开启瓣膜，柔性瓣膜4截面为V字型结构，V型下端设有开口，以V字型顶部开口入，底端出为正向，正向开启后能够恢复原态，柔性瓣膜4反向开启压力大于正向开启压力；
为了进一步优化上述技术方案，柔性瓣膜4开口采用激光线切割精密加工方式加工而成。
为了进一步优化上述技术方案，位于柔性封盖3区域的柔性瓣膜4反向开启压力为P1；位于靠近掌节处弯曲驱动单元1的上腔体6中柔性瓣反向开启压力为P2，下腔体7中柔性瓣反向开启压力为P3，且满足P2<P3；位于伸长驱动单元2和扭转型驱动单元8内的柔性瓣膜4反向开启压力为P4。
为了进一步优化上述技术方案，弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、柔性封盖3、柔性瓣膜4和隔板5浇铸为一体式结构。
为了进一步优化上述技术方案，弹性软管11尺寸为18mm，内径为10mm；弹性软管11由高分子弹性材料制成，如具有弹性大，收缩性好的特性硅胶、硅橡胶材料等；优选硬度适中，收缩良好的dragonskin30，smooth-sil940材料。
为了进一步优化上述技术方案，增强纤维为凯夫拉线材料。
为了进一步优化上述技术方案，配气机构9包括配气盒体和与配气盒体连通的气管，气管分为外接气源气管和与变径接头13的出气管。
实施例1
两个伸长驱动单元2、两个弯曲驱动单元1、一个扭转型驱动单元8和一个柔性封盖3构成拇指驱动器16，连接顺序为扭转型驱动单元8、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、柔性封盖3；位于拇指驱动器16内的隔板5长度值为拇指近指节和拇指远指节长度之和；其中扭转型驱动单元8内设置有柔性瓣膜4，并且扭转型驱动单元8通过变径接头13与配气机构9连通。
实施例2
四个伸长驱动单元2、三个弯曲驱动单元1和一个柔性封盖3构成手指驱动器17，连接顺序为伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、柔性封盖3；位于手指驱动器17内的隔板5长度值为对应手指近指节、对应手指中指节和对应手指远指节长度之和；其中位于掌关节处的伸长驱动单元2内设置有柔性瓣膜4，并且柔性瓣膜4通过变径接头13与配气机构9连通。
实施例3
两个伸长驱动单元2、两个弯曲驱动单元1、一个扭转型驱动单元8和一个柔性封盖3构成拇指驱动器16，连接顺序为扭转型驱动单元8、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、柔性封盖3；位于拇指驱动器16内的隔板5长度值为拇指近指节和拇指远指节长度之和；其中扭转型驱动单元8内设置有柔性瓣膜4，并且扭转型驱动单元8通过变径接头13与配气机构9连通。
四个伸长驱动单元2、三个弯曲驱动单元1和一个柔性封盖3构成手指驱动器17，连接顺序为伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、弯曲驱动单元1、伸长驱动单元2、柔性封盖3；位于手指驱动器17内的隔板5长度值为对应手指近指节、对应手指中指节和对应手指远指节长度之和；其中位于掌关节处的伸长驱动单元2内设置有柔性瓣膜4，并且柔性瓣膜4通过变径接头13与配气机构9连通。
当使用本发明提供的一种柔性驱动器辅助患者完成手指康复动作时，先基于患者所需要康复的手指类型进行选择，选择拇指驱动器16，其余四指选择手指驱动器17进行适配。然后根据患者手指屈曲情况，调整柔性驱动器中弯曲驱动单元1的关节弯曲角度，并将柔性驱动器通过卡扣式固定环10径向固定，使柔性驱动器和手形柔性基层14连为一体。
再将带有绷带或魔术贴缠绕在患者手指指节上，绷带或魔术贴连接在卡扣式固定环10上。调节患者手部固定的绷带/魔术贴、腕带15的松紧情况，使得手形柔性基层14可以和患者手部贴合，满足在患者手部屈曲条件下的佩戴使用。接着配气机构9一侧与柔性驱动器相连，另一侧通过管路接入外界气源。
抓取功能康复过程：
首先通入压缩空气，充气气压为P。当气压P4<P2<P<P1<P3时，伸长驱动单元2和扭转型驱动单元8内的柔性瓣膜4反向开启，伸长驱动单元2发生轴向伸长，扭转型驱动单元8发生内扣扭转；靠近掌节处弯曲驱动单元1的上腔体6开口处设置的柔性瓣膜4反向开启后，通入高压气体，后续伸长驱动单元2位于上腔体6的部分开始伸长，导致弯曲驱动单元1发生弯曲，通过调节气阀流量大小，调节最大弯曲角度，完成手指由伸展到弯曲过程；
外展功能康复过程：
继续增大外部气源压力，当气压P4<P2<P1<P<P3时，通过调压阀压力将外部气源压力增大至位于柔性封盖3区域的柔性瓣膜4反向开启临界压力，位于柔性封盖3区域的柔性瓣膜4反向开启，气体由后续伸长驱动单元2的上腔体6部分经位于柔性封盖3区域的柔性瓣膜4充入到后续伸长驱动单元2的下腔体7部分，并且由于下腔体7中柔性瓣反向开启侧压力为P，所以气体充入到后续伸长驱动单元2的下腔体7部分过程中，下腔体7中柔性瓣既不会反向开启也不会正向开启，实现手指由弯曲到外展的康复动作。停止供气后气体由柔性瓣膜4自动正向排出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种柔性驱动器，其特征在于，包括弯曲驱动单元、伸长驱动单元、柔性封盖、柔性瓣膜和进气导管；所述弯曲驱动单元和所述伸长驱动单元交替连接构成组合驱动单元；所述柔性封盖连接在所述组合驱动单元的一端，构成一端封闭，另一端开口的管状结构，所述管状结构的开口端与所述进气导管连通；所述管状结构内设置有隔板，将所述管状结构的内腔分隔为上腔体和下腔体；所述上腔体和所述下腔体的开口处分别设置有所述柔性瓣膜；位于所述柔性封盖区域的隔板上开设有开口，并且在所述开口上安装有所述柔性瓣膜；
所述柔性封盖包括椭球形端盖和纤维层，所述纤维层覆盖在所述椭球形端盖上；所述弯曲驱动单元包括弹性软管和设置在所述弹性软管上下外壁面的齿形；
所述伸长驱动单元包括弹性软管和增强纤维，所述增强纤维采用相同角度对向螺旋线形式缠绕于所述伸长驱动单元的所述弹性软管外壁上。
2.根据权利要求1所述的一种柔性驱动器，其特征在于，还包括连接在所述管状结构开口端与所述进气导管之间的扭转型驱动单元，所述扭转型驱动单元包括弹性软管和增强纤维，所述增强纤维采用单向螺旋线，即顺时针/逆时针方式缠绕于所述扭转型驱动单元的所述弹性软管外壁上。
3.根据权利要求1所述的一种柔性驱动器，其特征在于，所述弯曲驱动单元上下外壁面设置的所述齿形间距、数量不同，从而两侧弯曲角度不同；所述弯曲角度最大值基于公式设计，L为齿形间距，n为齿形数量，D0为所述弹性软管直径。
4.根据权利要求1所述的一种柔性驱动器，其特征在于，其中位于所述管状结构开口端的所述伸长驱动单元或弯曲驱动单元内设置有所述柔性瓣膜，并且所述进气导管通过变径接头连接有配气机构。
5.根据权利要求2所述的一种柔性驱动器，其特征在于，所述扭转型驱动单元内设置有所述柔性瓣膜，并且所述进气导管通过变径接头连接有配气机构。
6.根据权利要求4或5所述的一种柔性驱动器，其特征在于，所述配气机构外接有气源。
7.根据权利要求5所述的一种柔性驱动器，其特征在于，所述柔性瓣膜为双向开启瓣膜，所述柔性瓣膜截面为V字型结构，V型下端设有开口，以V字型顶部开口入，底端出为正向，正向开启后能够恢复原态，所述柔性瓣膜反向开启压力大于正向开启压力。
8.根据权利要求7所述的一种柔性驱动器，其特征在于，所述柔性瓣膜开口采用激光线切割精密加工方式加工而成。
9.根据权利要求7所述的一种柔性驱动器，其特征在于，位于所述柔性封盖区域的所述柔性瓣膜反向开启压力为P1；位于所述靠近掌节处所述弯曲驱动单元的上腔体中所述柔性瓣反向开启压力为P2，下腔体中所述柔性瓣反向开启压力为P3，且满足P2<P3；位于所述伸长驱动单元和所述扭转型驱动单元内的所述柔性瓣膜反向开启压力为P4。
10.根据权利要求1所述的一种柔性驱动器，其特征在于，所述弯曲驱动单元、所述伸长驱动单元、所述柔性封盖、所述柔性瓣膜和所述隔板浇铸为一体式结构。
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