CN110393896A - 一种手部功能康复训练的软体机器人手套及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种手部功能康复训练的软体机器人手套及控制方法。该手套包括手掌部分和多个手指部分，每个手指部分的内外表面之间包含内腔结构，该内腔结构根据手指特征分为非关节处内腔结构和关节处内腔结构，并且在所述非关节处内腔结构和所述关节处内腔结构中分别独立设置用于控制内腔形变的执行部位。本发明的软体机器人手套和控制方法能够灵活精确地控制手指每个关节的动作以及与手套的贴合程度，提高了佩戴者的舒适度和康复训练效果。

Description

一种手部功能康复训练的软体机器人手套及控制方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种用于手部功能康复训练的软体机器人手套及控制方法。
背景技术
手是人或其他灵长类动物臂前端的一部分，由五只手指以及手掌组成，能够作为人与外界进行交互的重要媒介。能否自如的控制双手，特别是手指的精确活动，对人类而言意义重大。对于手部功能障碍患者，如脑卒中引起的手部活动障碍，手部的康复治疗与训练变得极为迫切，而利用外部器械辅助患肢进行主动训练愈发得到关注。
现有的手部功能康复(助力)手套主要可分为两种形式，第一种是末端牵引式，利用细绳牵引提供动力，控制手指的弯曲，这种细绳牵引一般只能提供单方向的拉力。第二种方式是外骨骼式，特别是设计成特定结构的软体气腔，通过调节气腔压力改变其形状从而辅助手指的弯曲或伸展。这两种方式往往是将单个手指的三个关节的弯曲视作一个整体，难以针对特定手指的特定关节进行弯曲控制。而人体手指关节的运动是复杂多变的，是一种精细的运动，需要多关节协同配合，目前对于手指单一的运动规划在关节弯曲精确控制与多重刺激方面存在一定的不足。
因此，需要对现有技术进行改进，以提供能够精确控制手指关节弯曲的机器人手套。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种手部功能康复训练的软体机器人手套及控制方法，用于辅助手部运动和功能康复训练。
根据本发明的第一方面，提供了一种手部功能康复训练的软体机器人手套。该手套包括手掌部分和多个手指部分，每个手指部分的内外表面之间包含内腔结构，该内腔结构根据手指特征分为非关节处内腔结构和关节处内腔结构，并且在所述非关节处内腔结构和所述关节处内腔结构中分别独立设置用于控制内腔形变的执行部位。
在一个实施例中，所述非关节处内腔结构与关节处内腔结构在手指部分的截面方向上分别包括指背执行部位、指腹执行部位、以及手指两侧相对设置的第一侧面执行部位和第二侧面执行部位。
在一个实施例中，所述非关节处内腔结构的指背执行部位、指腹执行部位、第一侧面执行部位、第二侧面执行部位，以及所述关节处内腔结构的指背执行部位、指腹执行部位、第一侧面执行部位、第二侧面执行部位独立地填充用于控制内腔形变的驱动器或智能高分子材料或弹性材料或颗粒材料。
在一个实施例中，所述非关节处内腔结构的指背执行部位和指腹执行部位中填充颗粒材料；所述关节处内腔结构的指背执行部位和指腹执行部位嵌入驱动器；所述非关节处内腔结构的第一侧面执行部位、所述非关节处内腔结构的第二侧面执行部位、所述关节处内腔结构的第一侧面执行部位以及所述关节处内腔结构的第二侧面执行部位均分别嵌入驱动器。
在一个实施例中，所述驱动器是采用阵列排列的多个管状流体腔。
在一个实施例中，在相邻手指部分之间的掌指关节部位设置指间驱动器。
在一个实施例中，所述指间驱动器是由形状记忆聚合物制造的“人”字形结构。
在一个实施例中，对于所述多个手指部分，在每个关节位置设置用于感测关节弯曲信息的柔性弯曲传感器，并在非关节位置设置用于感测手指受力信息的柔性压力传感器。
根据本发明的第二方面，提供一种用于本发明的手部功能康复训练的软体机器人手套的控制方法，该方法包括：
基于关节的弯曲信息和受力信息，识别手套佩戴者的运动意图；
根据识别出的运动意图，通过控制非关节处内腔结构和关节处内腔结构中设置的执行部位来独立地控制每个手指关节的动作以及控制每个手指关节与手套的贴合程度。
在一个实施例中，将对手套的控制模式设置为主动训练模式或被动训练模式，其中在主动训练模式下，手套为手指运动提供辅助支持，在被动训练模式下，手套为手指运动提供被动运动规划训练。
与现有技术相比，本发明的优点在于：针对手部功能康复训练装置中的不足，提出一种形状可变与刚度可控的软体机器人手套，能够为手部运动功能障碍患者提供精准助力和辅助康复训练。
附图说明
以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：
图1是根据本发明一个实施例的软体机器人手套的整体示意图；
图2是根据本发明一个实施例的软体机器人手套的单个手指部分的示意图；
图3是根据本发明另一实施例的软体机器人手套的单个手指部分的示意图；
图4是根据本发明一个实施例的控制手部运动方法的流程图；
图5是根据本发明一个实施例的软体机器人手套的控制系统的框架图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
根据本发明的一个实施例，提供了一种手部功能康复训练的软体机器人手套，包括手掌部分和手指部分，结合图1、图2和图3所示，该手套包括软体手套本体1，其手指部分内部可设计成内腔结构2，沿手指纵向可被隔离成若干非关节处内腔3与关节处内腔4，而这两处的手指横截面(A-A，B-B)上，都分别细分为指背、指腹以及手指两侧四个执行部位(或称执行器)，例如，3-1对应非关节处的指背，3-2对应非关节处的一侧，3-3对应非关节处的指腹，3-4对应非关节处的另一侧；4-1对应关节处的指背，4-2对应关节处的一侧，4-3对应关节处的指腹，4-4对应关节处的另一侧。此外，在内腔中，每个关节位置还设有用于感测关节弯曲信息的柔性弯曲传感器10，并在非关节位置设有用于感测手指受力信息的柔性压力传感器11。
每个执行部位都可以嵌入实现刚度或形状变化的组分(如颗粒材料或驱动器)，以实现手套特定部位刚度变化以及形状变化等功能。(非关节处内腔结构3与关节处内腔4图中仅标注一处)。
例如，参见图3所述，非手指关节处指背与指腹的执行部位(3-1，3-3)内腔中可装填颗粒材料5，手指关节处指背与指腹的执行部位(4-1，4-3)可嵌入驱动器6，手指两侧面非关节处与关节处的执行部位(3-2，3-4；4-2，4-4)都可分别嵌入驱动器(参见图3的7-1和7-2，以及8-1和8-2)，且这些执行部位相互独立。在手套戴上的初始状态下，手套与人体手指间会有间隙9，运动开始前间隙将被调整致最小。
具体地，刚度调节可采用将装填颗粒材料5的内腔调整至负压(或真空)。驱动器的设计根据手指不同部位的运动需求，包括但不限于采用阵列排列的若干管状流体腔(6-1，6-2)，其变形具有各向异性，调节腔内流体压力可实现沿管道方向伸缩。当关节处指背部位驱动器(6-1)伸长，指腹部位驱动器(6-2)收缩时，手套的手指关节部位将发生弯曲，反之伸展。手套的手指两侧执行部位的驱动器(7-1和7-2，以及8-1和8-2)也可以使用同样的方式完成沿横截面周向伸缩功能，伸缩的路径沿着手指横截面周向。手指关节处的驱动器(8-1，8-2)在手指伸缩过程中各管状流体腔伸缩幅度将根据需求自动调整，使得手套与人体手指紧密接触，这一过程可通过设置驱动器流体腔内压力实现。
需要说明的是，在本发明实施例中，关节处指背、指腹和两侧的执行部位，以及非关节处指背、指腹和两侧的执行部位，均可独立填充相同或不同的组分或部件。
例如，非手指关节处指背与指腹的执行部位内腔中可嵌入驱动器，使得该部位刚度可控。
例如，手指关节处指背与指腹的执行部位内腔中可嵌入智能高分子材料，使得该部位在外界刺激(如电场或磁场)下能发生变形。
例如，手指关节处两侧的每个执行部位可使用高弹性材料代替驱动器完成伸缩功能或直接去除该部位。
可选地，除单个手指的弯曲与伸展功能之外，手指之间的扩展功能可由安装在相邻手指掌指关节部位的指间驱动器12提供，且对各指间驱动器采用独立控制。
在一个实施例中，指间驱动器12为“人”字形结构，可以选用形状记忆聚合物制造，从而在外界刺激下改变夹角大小。
需要说明的是，通过减少关节的数量可以将四指的设计方案移植于拇指的设计中，进一步将手指部分与手掌部分连接以实现手套设计。手掌部分同样使用软体材料制得。
综上，在本发明实施例中，手套的手指部分内部被设置成含有内腔，并细分为非关节处内腔结构与关节处内腔结构，从而能够提供特定手指的特定关节进行弯曲控制；关节处内腔结构和非关节处内腔结构分布进一步细分为指背、指腹和手指两侧共八种类型的执行部位，通过对每个执行部位独立地嵌入驱动器或颗粒物等部件，能够执行局部控制形成整体运动规划的方式实现特定运动(如收缩，伸展，弯曲，变刚度等)；此外，手套与人体手指无间隙接触，并在手指弯曲和伸展过程中手套内表面与手部紧密贴合。手套手指部位各关节的运动相互独立，通过对各执行部位运动规划，能够实现手指运动规划。
进一步地，基于上述的软体机器人手套，本发明还提供一种手部功能康复训练的控制方法，参见图4和图5所示，该方法包括以下步骤：
步骤S410，采集生物电信号。
例如，信号采集模块对手套佩戴者的自身生物电信号进行采集，并经过数据处理模块进行解码处理后传递给运动控制模块。
步骤S420，采集手指的受力信息和关节位置的弯曲信息。
另一方面，运动控制模块通过安装在本发明的运动辅助手套每个关节位置的柔性弯曲传感器10对各关节弯曲信息进行采集，通过柔性压力传感器11对手指的受力信息进行采集。
步骤S430，基于生物电信号、手指的受力信息和关节位置的弯曲信息识别运动意图并生成驱动手指动作的指令。
运动控制模块将接收到来自数据处理模块的解码数据与传感器反馈的数据进行融合，以识别手套佩戴者的运动意图(例如，特定手指的弯曲、伸展等)，进而基于运动意图生成驱动手指动作的指令，发送至动力供应模块，动力供应模块与手套的执行部件直接或间接相连并为其提供动力。动力供应的实现方式可以调整流体压力。
具体地，当手套被戴上后，手套非关节处内腔(3-1，3-3)部位与手指贴合后刚度将变大，手指侧面内腔部位(3-2，3-3，4-2，4-3)将沿着手指横截面的周向收缩，使得手套与手指之间的间隙9逐渐减小直至贴合。另外，沿手指纵向方向，根据个体手型大小，内腔4可适度收缩或伸展使得指尖与手套末端接触，完成手套与佩戴者手指的紧密贴合。随着关节处指背与指腹内腔(4-1，4-3)部位的拮抗伸缩，实现手套手指每个关节完成弯曲或伸展动作。同时手指关节处两侧面执行部位将通过柔顺动作变形，吸收因手指弯曲或伸展而产生的手套表面间或体积变化，防止手套产生褶皱，实现手套与手指的实时贴合。对于手指之间的扩展，可以利用指间驱动器12在外界刺激下改变夹角实现。
可选地，在康复训练中，根据患者肌力分级设置主动或被动训练模式，当患者肌力等级相对较高，患者手指可一定程度上自主运动时，手套则为其提供运动辅助支持(即主动训练模式)。当患者肌力等级相对较低，手指不足以进行自主运动时，手套可提供手指被动运动规划训练(即被动训练模式)。
应理解的是，本发明实施例中的采集生物电信号、数据处理过程等可采用现有技术的方法实现，此外，动力供应模块和运动辅助手套之间的连接也可采用现有技术中的有线或无线连接方式，本发明对此不进行限制。
本发明提供的控制方法可根据患者肌力分级设置主动训练模式或被动训练模式，在训练过程中，非关节处与关节处的各个执行部位通过拮抗配合，使得手套在执行弯曲和伸展运动时能够实现对手套的每个手指关节部位独立与精确控制，并在弯曲和伸展过程中保持与佩戴者手指紧密贴合。
综上所述，本发明实施例提供的手套在辅助手指弯曲或伸展运动过程中，能够实时提供对于手指的紧密贴合，增强佩戴舒适度与适用性。并且可根据患者肌力分级设置主动或被动训练模式，当患者肌力等级相对较高，患者手指可一定程度上自主运动时，手套为其提供运动辅助支持。当患者肌力等级相对较低，手指不足以进行自主运动时，手套可提供手指被动运动规划训练。此外，手套各执行部位运动控制相互独立，可对特定手指关节进行运动控制，能够针对特定康复或训练任务进行整体运动规划或子任务运动规划，以多种运动轨迹和强度刺激骨骼肌和运动神经系统进行机能恢复，提高了辅助运动的精确性与针对性。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种手部功能康复训练的软体机器人手套，该手套包括手掌部分和多个手指部分，其特征在于，每个手指部分的内外表面之间包含内腔结构，该内腔结构根据手指特征分为非关节处内腔结构和关节处内腔结构，并且在所述非关节处内腔结构和所述关节处内腔结构中分别独立设置用于控制内腔形变的执行部位。
2.根据权利要求1所述的手部功能康复训练的软体机器人手套，其特征在于，所述非关节处内腔结构与关节处内腔结构在手指部分的截面方向上分别包括指背执行部位、指腹执行部位、以及手指两侧相对设置的第一侧面执行部位和第二侧面执行部位。
3.根据权利要求1所述的手部功能康复训练的软体机器人手套，其特征在于，所述非关节处内腔结构的指背执行部位、指腹执行部位、第一侧面执行部位、第二侧面执行部位，以及所述关节处内腔结构的指背执行部位、指腹执行部位、第一侧面执行部位、第二侧面执行部位独立地填充用于控制内腔形变的驱动器或智能高分子材料或弹性材料或颗粒材料。
4.根据权利要求3所述的手部功能康复训练的软体机器人手套，其特征在于，所述非关节处内腔结构的指背执行部位和指腹执行部位中填充颗粒材料；所述关节处内腔结构的指背执行部位和指腹执行部位嵌入驱动器；所述非关节处内腔结构的第一侧面执行部位、所述非关节处内腔结构的第二侧面执行部位、所述关节处内腔结构的第一侧面执行部位以及所述关节处内腔结构的第二侧面执行部位均分别嵌入驱动器。
5.根据权利要求4所述的手部功能康复训练的软体机器人手套，其特征在于，所述驱动器是采用阵列排列的多个管状流体腔。
6.根据权利要求1所述的手部功能康复训练的软体机器人手套，其特征在于，在相邻手指部分之间的掌指关节部位设置指间驱动器。
7.根据权利要求6所述的手部功能康复训练的软体机器人手套，其特征在于，所述指间驱动器是由形状记忆聚合物制造的“人”字形结构。
8.根据权利要求1所述的手部功能康复训练的软体机器人手套，其特征在于，对于所述多个手指部分，在每个关节位置设置用于感测关节弯曲信息的柔性弯曲传感器并在非关节位置设置用于感测手指受力信息的柔性压力传感器。
9.一种用于权利要求1至8任一项所述的手部功能康复训练的软体机器人手套的控制方法，包括以下步骤：
基于关节的弯曲信息和受力信息，识别手套佩戴者的运动意图；
根据识别出的运动意图，通过控制非关节处内腔结构和关节处内腔结构中设置的执行部位来独立地控制每个手指关节的动作以及控制每个手指关节与手套的贴合程度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将对手套的控制模式设置为主动训练模式或被动训练模式，其中在主动训练模式下，手套为手指运动提供辅助支持，在被动训练模式下，手套为手指运动提供被动运动规划训练。
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