CN110772402A - 一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置及其制造方法，所述的手指康复装置包括手套和五根与手指接触的气动手指执行器，每根手指执行器由软体关节、刚体指节和底片组成。软体关节采用波浪形整体气腔，变形原理为气动网络原理，通过上、下腔模具使用超弹性材料硅胶制成。刚性指节由上、下两个中空结构的壳体组成，且使用光敏树脂采用3D打印方法制作。本发明比纯柔性装置具有更强的传力性能和手指贴合性，比纯刚性装置有更强的柔性和更高的安全性，且结构简单。本发明采用刚软结合的形式，能够更好地贴合人的手指，实现手部康复训练的效用；另外，本发明方法能够实现批量化、低成本生产气动软体康复手指。

Description

一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置及其制造方法

技术领域

本发明属于气动软体康复技术领域，具体涉及一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置及其制造方法。

背景技术

近年来，由中风等疾病引起的手部功能丧失的患者人数逐年上升。对于这类患者，除一般药物治疗外，还需辅以抓、握和捏等手部运动功能的恢复治疗。但是传统的刚性手部可穿戴康复装置柔性不足、与手指贴合性较差，不能很好的模拟人手的运动，而且容易造成患者手指发生侧弯或者扭转，造成二次伤害。

随着柔性机器人和软材料科学的发展，出现了一些采用柔性技术或者软材料的康复手结构，比如气动网格结构软体康复手和基于纤维增强驱动器的软体康复手。专利《一种气动软体手指的制作工艺》(CN 108749017 A)和专利《一种气动软体机械手及制作方法》(CN 107856044 A)介绍了纯柔性的气动手指的结构及制作工艺。现有的软体康复手虽然采用硅橡胶软体材料，但是充气后整个结构都会弯曲，不能很好地贴附人手，因此会给患者带来不适感，而且纯柔性结构具有驱动力小等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置及其制造方法，包括软体手指的设计与制作以及软体关节与刚性指节的接口设计方案。该装置综合刚性装置与软体装置的优点，采用软体关节与刚性指节结合的形式，不仅具有比纯柔性装置更强的传力性能和手指的贴合性，而且具有比纯刚性装置更强的柔性和更高的安全性，且结构简单、成本低。

本发明采用的技术方案：

一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，包括手套、五根与手指接触的气动手指执行器，每根气动手指执行器包括三个软体关节1、三个刚体指节2和底片3。

所述软体关节1中设有气腔，软体关节1的两端设有突出的连接通口，便于与刚体指节2连接。

所述刚体指节2为上、下壳体组成的中空结构，上、下两个壳体将刚体指节2分为上、下两个腔室；上、下壳体采用卡扣结构连接，以减少零件的数量，使结构简单，从而减轻装置的重量。所述上、下壳体的两端均设有半圆孔，上、下壳体合并连接时两半圆孔组成一个完整的壳体孔。

软体关节1与刚体指节2之间通过管路接口依次交错连接，管路接口采用楔形设计，管路接口插入软体关节突出的连接通口中，然后将软体关节的连接通口结构卡入刚体指节2的壳体孔内，合上刚体指节2的两壳体，通过两壳体上的卡扣进行固定。

所述底片3采用硅胶粘接剂粘接在软体关节1底部，每根气动手指执行器通过底片3分别粘接到手套的五根手指部位上；气动手指执行器上的三个气动软体关节1通过气路连接到一起，采用欠驱动原理，当气路中通入压力气体时，三个软体关节同时产生弯曲运动，进而带动整个气动手指执行器产生弯曲运动，实现对手部抓、握和捏等功能的康复运动。

进一步地，所述软体关节1的气腔为波浪形结构的整体气腔，变形原理为气动网络原理，截面为圆弧形状，以增加变形量、减小应力、增加装置的安全性能；软体关节1的材质为超弹性硅胶材料，采用分体式浇筑工艺制作。

进一步地，刚体指节2的卡扣结构为：上壳体带有卡爪，下壳体带有卡槽，上、下壳体合并时完成自锁；所述刚体指节2的材质为光敏树脂，采用3D打印方法制作。

进一步地，所述底片3的材质为硅胶材料，采用分体式浇筑工艺制作。

进一步地，所述软体关节1的连接通口为环状通孔，环状通孔外径大于刚体指节2壳体孔的直径，由此，与刚体指节的连接过程中，软体关节1的连接通口会发生挤压变形，从而保证了气密性的要求。

所述刚软结合气动可穿戴手指康复装置中软体关节的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：模具准备

利用光敏树脂材料3D打印生成模具：利用3维建模软件对模具进行建模并生成STL文件，将STL文件导入切片软件中进行切片处理，使用STL光固化成型3D打印进行模具的打印。

步骤二：硅胶混合搅拌

(1)配置硅胶混合液

首先，确定所需的硅胶的质量，称取相应质量的28度瓦克加成型硅胶A和硅胶B，硅胶A与硅胶B的比值为1.05～1，一起倒入量杯中，得到硅胶混合液；然后用玻璃棒搅拌硅胶混合液。

(2)除去硅胶混合液中的气泡

将配置好的硅胶混合液放入真空器中，抽气使真空器中形成负压，当硅胶混合液表面不再有气泡产生，则硅胶混合液的气泡已去除干净。

步骤三：硅胶注模成型

(1)倒入模具

将步骤一制备的模具的上模放平，慢慢倒入步骤二制得的硅胶混合液，使得硅胶混合液没过模具的凸起部分。

(2)合上模具

首先，将对应的上、下模具合在一起；然后，将整个合好的模具立起来，模具上的冒口朝上，静止半分钟，使得硅胶混合液充满整个模具腔室。如果冒口没有充满，从冒口倒入硅胶混合液，使得冒口充满。

(3)硅胶烤制

将冒口补满硅胶混合液的模具放入恒温烤箱中，调至50-60℃，烤制15-20分钟；然后取出模具进行检查，如发现漏液等现象则需在冒口处继续补满硅胶，继续放入恒温箱中烤制15-20分钟。最后，取出硅胶模具并去除底模，对硅胶毛糙边缘进行修剪。

(4)上下腔室合在一起

将烤好的硅胶保持在顶模中，取上、下腔气室硅胶顶模各一个，在硅胶结合面处刷上混合好且尚未固化的硅胶混合液，对上、下腔室的顶模进行合模。

(5)再次烤制

将合好的模具再次放入烤箱中烤制15-20分钟。

(6)修剪与测试

首先，将模具从烤箱中取出，取下模具、取出硅胶；然后，将硅胶的毛边进行修剪；最后，将硅胶软体关节插上接口，检查其气密性。

所述的硅胶A为乙烯基硅胶，硅胶B为氢基硅胶。

本发明的有益效果：本发明提供一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，综合了刚性装置与软体装置的优点，采用软体关节与刚体指节结合的形式，具有比纯柔性装置更强的传力性能和手指的贴合性，而且具有比纯刚性装置更强的柔性和更高的安全性，且结构简单、成本低，有效提高软体手指康复训练的性能。另外，本发明提供一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置的制造方法，制作的刚软结合气动可穿戴康复手指能够较好的模拟人手指的弯曲情况，气密性好，质量较高，气腔内没有气泡，气腔壁均匀，变形良好。

附图说明

图1是本发明实施例中刚软结合气动可穿戴手指康复装置的结构示意图。

图2是是本发明实施例中刚软结合气动可穿戴手指康复装置的使用示意图。

图3是本发明实施例中单根刚软结合气动手指。

图4是本发明实施例中软体关节结构模型。

图5是本发明实施例中刚体指节中空结构。

图6是本发明实施例中软体关节与刚体指节接口结构。

图7是本发明实施例中3D打印的软体关节模具，(a)下腔模具，(b)上腔模具。

图8是本发明实施例中3D打印的刚体指节，(a)下壳体，(b)上壳体。

图9是本发明实施例中刚软结合气动可穿戴手指康复装置制作方法的流程示意图。

图中：1.软体关节；2.刚体指节；3.底片。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，包括手套、五根与手指接触的气动手指执行器，每根气动手指执行器包括三个软体关节1、三个刚体指节2和底片3。

如图3所示，单根刚软结合气动手指软体关节1采用波浪形结构的整体气腔，截面为圆弧形状。软体关节1的两端设有突出的连接通口，连接通口的形状为环状通孔，其外径大于刚体指节2的壳体孔直径。

如图8所示，刚体指节2采用中空结构设计，刚体指节2由上、下两个壳体组成，上、下两个壳体将其分为上下两腔室，其中上壳体带有卡爪，下壳体带有卡槽，使其在合并时可以完成自锁。所述上、下壳体的两端均设有半圆孔，上、下壳体合并连接时两半圆孔组成一个完整的壳体孔。

软体关节1与刚体指节2之间通过管路接口依次交错连接，管路接口采用楔形设计，插入软体关节突出的连接通口中，然后将软体关节的连接通口结构卡入刚体指节2的壳体孔内，合上刚体指节2的两壳体，通过两壳体上的卡扣进行固定。

所述底片3采用硅胶粘接剂粘接在软体关节1底部，每根气动手指执行器通过底片3分别连接到手套的五根手指部位上；气动手指执行器上的三个气动软体关节1通过气路连接到一起，采用欠驱动原理，当气路中通入压力气体时，三个软体关节同时产生弯曲运动，进而带动整个气动手指执行器产生弯曲运动，实现对手部抓、握和捏等功能的康复运动。

一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置中软体关节的制造方法，具体包括以下步骤：

步骤一：模具准备

利用光敏树脂材料3D打印生成模具：利用3维建模软件对模具进行建模并生成STL文件，将STL文件导入切片软件中进行切片处理，使用STL光固化成型3D打印进行模具的打印。

步骤二：硅胶混合搅拌

(1)配置硅胶混合液

首先，确定所需的硅胶的质量，称取相应质量的28度瓦克加成型乙烯基硅胶和氢基硅胶，乙烯基硅胶和氢基硅胶的比值为1.05:1，一起倒入量杯中。然后，用玻璃棒搅拌硅胶混合液2分钟。

(2)除去硅胶混合液中的气泡

直接配置的硅胶混合液里有气泡，如果无法将气泡去除干净，那么制作的硅胶成品的质量很难保证，有可能产生漏气的后果。将步骤二配置好的硅胶混合液放入真空器中，抽气使真空器中形成负压，一段时间后，硅胶混合液表面不再有气泡产生，表明硅胶混合液中的气泡已经去除干净了。

步骤三：硅胶注模成型

(1)倒入模具

将步骤一制备的模具的上模放平，慢慢倒入硅胶混合液，使得硅胶混合液没过模具的凸起部分。

(2)合上模具

首先，将对应的上下模具合在一起；然后，将整个合好的模具立起来，模具上的冒口朝上，静置半分钟，使得硅胶充满整个腔室；如果冒口没有充满，从冒口倒入硅胶，使得冒口充满。

(3)硅胶烤制

将冒口补满硅胶混合液的模具放入恒温烤箱中，调至50℃，烤制20分钟。然后取出模具进行检查，如发现漏液现象则在冒口处继续补满硅胶，继续放入恒温箱中烤20分钟。最后，取出硅胶模具并去除底模，对硅胶毛糙边缘进行修剪。

(4)上下腔室合在一起

将烤好的硅胶保持在顶模中，取上、下腔气室硅胶顶模各一个，在硅胶结合面处刷上混合好且尚未固化的硅胶混合液，对上、下腔室的顶模进行合模。

(5)再次烤制

将合好的模具再次放入烤箱中烤制15分钟。

(6)修剪与测试

首先，将模具从烤箱中取出，取下模具、取出硅胶；然后，将硅胶的毛边进行修剪；最后，将软体硅胶关节插上接口，检查其气密性。

虽然具体实施方式中已经结合附图和实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明范围的情况下，可对其进行各种改进，且可以用等效物替换其中的部件。因此，本发明并不局限于具体实施方式中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述的手指康复装置包括手套、五根与手指接触的气动手指执行器，每根气动手指执行器包括三个软体关节(1)、三个刚体指节(2)和底片(3)；

所述软体关节(1)中设有气腔，软体关节(1)的两端设有突出的连接通口，便于与刚体指节(2)连接；

所述刚体指节(2)为上、下壳体组成的中空结构，上、下两个壳体将刚体指节(2)分为上、下两个腔室；上、下壳体采用卡扣结构连接，以减少零件的数量；所述上、下壳体的两端均设有半圆孔，上、下壳体合并连接时两半圆孔组成一个完整的壳体孔；

所述软体关节(1)与刚体指节(2)之间通过管路接口依次交错连接，管路接口采用楔形设计，管路接口插入软体关节突出的连接通口中，然后将软体关节的连接通口结构卡入刚体指节(2)的壳体孔内，合上刚体指节(2)的两壳体，通过两壳体上的卡扣进行固定；

所述底片(3)采用硅胶粘接剂粘接在软体关节(1)底部，每根气动手指执行器通过底片(3)分别连接在手套的五根手指部位上；气动手指执行器上的三个气动软体关节通过气路连接到一起，采用欠驱动原理，当气路中通入压力气体时，三个软体关节同时产生弯曲运动，进而带动整个气动手指执行器产生弯曲运动，实现对手部抓、握和捏功能的康复运动。

2.根据权利要求1所述的一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述软体关节(1)的气腔采用波浪形结构的整体气腔，变形原理为气动网络原理，截面为圆弧形状，以增加变形量、减小应力、增加装置的安全性能；所述软体关节(1)的材质为超弹性硅胶材料，采用分体式浇筑工艺制作。

3.根据权利要求1或2所述的一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述刚体指节(2)的卡扣结构为：上壳体带有卡爪，下壳体带有卡槽，上、下壳体合并时完成自锁；所述刚体指节(2)的材质为光敏树脂，采用3D打印方法制作。

4.根据权利要求1或2所述的一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述底片(3)的材质为硅胶材料，采用分体式浇筑工艺制作。

5.根据权利要求3所述的一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述底片(3)的材质为硅胶材料，采用分体式浇筑工艺制作。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述软体关节(1)的连接通口为环状通孔，环状通孔的外径大于刚体指节(2)壳体孔的直径。

7.根据权利要求3所述的一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述软体关节(1)的连接通口为环状通孔，环状通孔的外径大于刚体指节(2)壳体孔的直径。

8.根据权利要求4所述的一种刚软结合气动可穿戴手指康复装置，其特征在于，所述软体关节(1)的连接通口为环状通孔，环状通孔的外径大于刚体指节(2)壳体孔的直径。

9.根据权利要求1-8任一所述的刚软结合气动可穿戴手指康复装置中软体关节的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：模具准备

利用光敏树脂材料3D打印生成模具：利用3维建模软件对模具进行建模并生成STL文件，将STL文件导入切片软件中进行切片处理，使用光固化成型3D打印技术进行模具的打印；

步骤二：硅胶混合搅拌

(1)配置硅胶混合液

首先，确定所需的硅胶的质量，称取相应质量的28度瓦克加成型硅胶A和硅胶B，硅胶A与硅胶B的比值为1.05～1，一起倒入量杯中，得到硅胶混合液；然后，搅拌硅胶混合液；

(2)除去混合液中的气泡

将配置好的硅胶混合液放入真空器中，抽气使真空器中形成负压，当硅胶混合液表面不再有气泡产生，则硅胶混合液的气泡已去除干净；

步骤三：硅胶注模成型

(1)倒入模具

将步骤一制备的模具的上模放平，慢慢倒入步骤二制得的硅胶混合液，使得硅胶混合液没过模具的凸起部分；

(2)合上模具

首先，将对应的上、下模具合在一起；然后，将整个合好的模具立起来，模具上的冒口朝上，静止半分钟，使得硅胶混合液充满整个腔室；若冒口没有充满，则从冒口倒入硅胶混合液，使得冒口充满；

(3)硅胶烤制

将冒口补满硅胶混合液的模具放入恒温烤箱中，调至50-60℃，烤制15-20分钟；然后取出模具进行检查，若发现漏液现象则需在冒口处继续补满硅胶，继续放入恒温箱中烤制15-20分钟；最后，取出硅胶模具并去除底模，对硅胶毛糙边缘进行修剪；

(4)上下腔室合在一起

将烤好的硅胶保持在顶模中，取上、下腔气室硅胶顶模各一个，在硅胶结合面处刷上混合好且尚未固化的硅胶混合液，对上、下腔室的顶模进行合模；

(5)再次烤制

将合好的模具再次放入烤箱中烤制15-20分钟；

(6)修剪与测试

首先，将模具从烤箱中取出，取下模具、取出硅胶；然后，将硅胶的毛边进行修剪；最后，将硅胶软体关节插上接口，检查其气密性。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述的硅胶A为乙烯基硅胶，硅胶B为氢基硅胶。

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