CN111329713B - 变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人 - Google Patents

变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人，其中驱动器包括：层状的驱动器本体，驱动器本体采用弹性材料制成，驱动器外部包被有双螺旋纤维丝缠绕层，驱动器本体内设有气腔；在气腔的中间位置处设置有变刚度层，将气腔分隔为上层腔室和下层腔室，所述变刚度层的基底采用高拉伸模量的柔性材料制成，具有较高的强度和柔度，可限制驱动器的轴向应变；在所述变刚度层内部的蛇形流道内设置有低熔点合金，与所述低熔点合金连接设置有电极；气源，分别通过气体管道与上层腔室和下层腔室相通；控制系统包括控制器和刚度控制开关，所述的刚度控制开关与电极的电源装置连接设置，控制器同时与气源的驱动器和刚度控制开关连接。本发明中所述驱动器具有较大的弯曲范围，能够满足手部关节的活动要求且同时具备较强的承载能力。

Description

变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人
技术领域
本申请属于医疗康复机器人技术领域，具体涉及一种变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人。
背景技术
我国每年新发脑卒中患者150万-200万例，超过75％的脑卒中患者手部运动功能受到不同程度的损伤。手部关节的屈曲、伸展基本功能的康复有赖于被动和主动的抓握等动作训练，这一过程常常需要物理治疗师参与引导。但物理治疗师介入的康复治疗价格高且严重依赖治疗师的康复治疗水平，为减轻手部运动功能障碍的患者治疗成本，缩短康复治疗周期，减轻康复训练师的工作强度，目前已有多种手功能康复辅助训练机器人问世，其中，采用气动柔性驱动器的软体手功能康复训练机器人由于具有重量较小，成本较低，舒适性较高等优势而被广泛应用。
如现有技术中的气动软体驱动器即是常用的软体机器人驱动机构，其由弹性硅胶材料构成，其结构上具有可延展部分和不可延展部分，通过通入高压气体使得可延展部分发生形变，从而可使得驱动器产生弯曲作用，实现辅助康复训练的效果。但是气动软体驱动器的缺点在于无法承受较大负载，当负载大时易产生形变，这使得患者在手部康复过程中涉及到提取重物等需要负载的动作时，驱动器无法给出必要的支撑，使得其功能受到了很大的限制，无法满足脑卒中患者手康复的临床需求。当康复机器人用于手部时，由于手部关节活动灵活，所以同时还要求康复机器人具有较大的活动范围，因此有必要探索一种能够承受较大负载、活动范围较大的手部康复训练机器人。
发明内容
本申请解决的是现有技术中的软体驱动器负载能力较差、无法满足脑卒中患者手部康复的临床需求的技术问题，进而提供了一种能够承受较大负载、活动范围灵活的变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人。
本申请解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种变刚度软体驱动器，包括：层状的驱动器本体，所述驱动器本体内设置有气腔；在所述气腔的中间位置处设置有变刚度层，将所述气腔分隔为上层腔室和下层腔室；所述变刚度层包括柔性材料层，所述柔性材料层的拉伸模量大于所述气腔的弹性变形腔壁的拉伸模量；在所述驱动器本体的外围包裹有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，限制所述弹性变形腔壁在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀；其中所述第一方向与所述变刚度层相平行；在所述柔性材料层的内部的蛇形流道内设置有低熔点合金，与所述低熔点合金连接设置有电极；气源，分别通过气体管道与所述上层腔室和下层腔室连通，所述上层腔室和下层腔室均设置有气体排出口；控制系统，包括控制器和刚度控制开关，所述刚度控制开关与所述电极连接设置，所述控制器同时与所述气源的驱动器和所述刚度控制开关连接。
所述驱动器本体在所述第一方向上的延伸长度大于其在所述第二方向上的延伸长度。
所述限位结构为缠绕在所述驱动器本体的外围的双螺旋纤维丝缠绕层，所述双螺旋纤维丝缠绕层包括两组环绕所述第一方向螺旋缠绕的纤维丝，两组所述纤维丝相对于所述变刚度层对称设置。
所述弹性变形腔壁的拉伸模量为1-10MPa；所述柔性材料层的拉伸模量为50-100MPa；所述纤维丝的拉伸模量为1-10GPa。
所述弹性变形腔壁采用硅胶材料制成，所述柔性材料层采用硅橡胶层，所述纤维丝采用尼龙丝。
在与所述上层腔室和下层腔室分别连通设置的所述气体管道上均设置有换向阀，在所述换向阀和所述气源之间的气体管道上还设置有减压阀，所述控制器同时与所述换向阀连接，控制所述换向阀的动作。
配有所述的变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，包括康复手套本体，所述变刚度软体驱动器的驱动器本体安装在所述康复手套本体的手指关节部位，所述驱动器本体的所述第一方向沿手指的延伸方向设置。
所述驱动器本体设置在所述指关节部位朝向手心的一侧或者朝向手背的一侧。
所述气源和控制系统设置在所述康复手套本体的外部。
配有所述的变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，所述变刚度软体驱动器覆盖手指的关节设置，所述驱动器本体的所述第一方向沿手指的延伸方向设置。
本发明所述的变刚度软体驱动器及配有所述变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，其优点在于：
所述变刚度软体驱动器，设置有上下两个腔室，所述的变刚度软体驱动器在处于低刚度时具有较大的变形能力，当需要通过形变带动佩戴者手指活动时，通过控制器控制所述刚度控制开关向电极施加电压，使得变刚度层中的低熔点合金在焦耳热的作用下处于熔融态，刚度较低，此时对驱动器内上层腔室或下层腔室单独充入压缩气体，气腔内部压力升高，因上层腔室和下层腔室中间夹层内的变刚度层限制了驱动器的应变，因而在内部压力作用下驱动器发生弯曲形变，驱动器朝充气腔室内拉伸模量较高的一侧方向弯曲，即朝向变刚度层的方向。本发明在所述驱动器本体的外围包裹有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，并限制所述弹性变形腔壁在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀，从而使得所述气腔朝向所述第一方向上的两端膨胀，在变刚度层的限制下沿所述第一方向弯曲，从而实现带动手指活动的功能，本发明中所述上下腔室设置在变刚度层的两侧，从而实现软体驱动器的双向运动，能够满足手部关节的活动要求。
当佩戴者使用手套提取重物时，则驱动器处于静止状态且需要承受较大负载，这种情况下可通过控制器下达指令，停止对低熔点合金进行加热，低熔点合金凝固，刚度增加，从而使软体机器人具备较强抵抗外力的能力，承载能力显著加强；而当需要驱动器回到初始状态时，则可再次加热低熔点合金，降低变刚度层的刚度，在控制系统的操作下，释放气腔内部的压缩气体，降低内部压力，软体驱动器在自身弹性力的作用下即可回复至初始状态。
作为优选的实施方式，本发明优选所述驱动器本体在所述第一方向上的延伸长度大于其在所述第二方向上的延伸长度。从而更加便于所述驱动器本体沿所述第一方向进行弯曲，当用于康复手套时，所述第一方向沿使用者的手指方向设置，便于使用者进行手部关节活动。
为使本发明所述变刚度软体驱动器及配有所述变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人的技术方案更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步说明。
附图说明
如图1所示为本发明中变刚度软体驱动器的驱动器本体的剖视图；
如图2所示为本发明中变刚度软体驱动器的变刚度层的俯视图；
如图3所示为本发明中变刚度软体驱动器的变刚度层的侧面截面图；
如图4所示为本发明中变刚度软体驱动器的双螺旋纤维缠绕层；
如图5所示为本发明中变刚度软体驱动器在低刚度状态时上层腔室充气加压发生形变后驱动器的正面视图；
如图6所示为本发明所述的变刚度软体驱动器的系统示意图；
如图7所示为本发明中设置有袋状结构的棉质柔性手套的结构示意图；
如图8所示为本发明中所述的康复手套本体的结构示意图；
如图9所示为本发明所述的康复手套本体的穿戴效果示意图；
其中，附图标记为：
101-双螺旋纤维丝缠绕层；102-弹性变形腔壁；103-变刚度层；104-与上层腔室连通的气体管道；105-与下层腔室连通的气体管道；106-上层腔室；107-下层腔室；108-柔性材料层；109-电极；110-低熔点合金；111-变刚度软体驱动器；112-袋状结构；1-康复手套本体；
201-第一气源；202-第二气源；203-气源的驱动器；204-控制器；205-第一减压阀；206-第二减压阀；207-第一换向阀；208-第二换向阀；209-刚度控制开关；210-气体管道；211-电源；2-气源和控制系统。
具体实施方式
本实施例提供了一种变刚度软体驱动器111，如图1-5所示，其包括：层状的驱动器本体，驱动器本体内设置有气腔；本实施例中所述层状的驱动器本体的表层设置为弹性变形腔壁102构成的矩形体，所述气腔同样为矩形腔体。
在所述气腔的中间位置处设置有变刚度层103，将所述气腔分隔为上层腔室106和下层腔室107；所述变刚度层103包括柔性材料层108，所述柔性材料层108的拉伸模量大于所述气腔的弹性变形腔壁102的拉伸模量；本实施例中所述变刚度层103包括柔性材料层108和低熔点合金110，所述的低熔点合金110设置在所述柔性材料层108内的蛇形流道内，与所述低熔点合金110连接设置有电极109。本实施例中所述气腔的弹性变形腔壁102采用硅胶材料制成，其中所述弹性变形腔壁102的拉伸模量为5MPa，所述柔性材料层108采用拉伸模量为80MPa的硅橡胶层。作为可选择的实施方式，所述弹性变形腔壁102的拉伸模量适宜为1-10MPa；所述柔性材料层108的拉伸模量适宜为50-100MPa。
在所述驱动器本体的外围围绕有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，限制所述弹性变形腔壁102在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀；其中所述第一方向与所述变刚度层103相平行；所述驱动器本体在所述第一方向上的延伸长度大于其在所述第二方向上的延伸长度；本实施例中所述限位结构为缠绕在所述驱动器本体的外围的双螺旋纤维丝缠绕层101，所述双螺旋纤维丝缠绕层101包括两组环绕所述第一方向螺旋缠绕的纤维丝，两组所述纤维丝均沿斜向缠绕在所述驱动器本体上，每组所述纤维丝与所述第一方向之间的夹角为30°-70°，本实施方式中两组所述纤维丝之间具有间隔，如图4和图5所示，从而使得纤维丝在第一方向上的分布更加均匀，作为优选，两组所述纤维丝可采用相对于所述变刚度层对称设置的方式，从而使其在驱动器本体上均匀分布。所述双螺旋纤维丝粘附在所述驱动器本体的外表面。本实施例中所述纤维丝采用拉伸模量为1GPa的尼龙丝。作为可选择的实施方式，所述纤维丝的拉伸模量适宜为1-10GPa。
本实施例中所述低熔点合金110的两端点均与电极连接，所述低熔点合金110在所述柔性材料层108内形成多行，每行所述低熔点合金110沿所述第一方向延伸，相连两行所述低熔点合金110以头尾相接的方式连接，从而形成蛇形，每相邻两行所述低熔点合金110之间的间距为0.2mm-2mm。
所述变刚度软体驱动器111还设置有气源和控制系统，如图6所示，其中所述气源分别通过气体管道210与所述上层腔室106和下层腔室107连通，本实施例中所述气源包括与所述上层腔室106连通设置的第一气源201和与所述下层腔室107连通设置的第二气源202，在所述第一气源201与所述上层腔室106之间的气体管道104上设置有第一换向阀207，在所述第一换向阀207和所述第一气源201之间的气体管道上还设置有第一减压阀205；同样地，在所述第二气源202与所述下层腔室107之间的气体管道105上设置有第二换向阀208，在所述第二换向阀208和所述第二气源202之间的气体管道上还设置有第二减压阀206；所述控制系统包括控制器204和刚度控制开关209，所述刚度控制开关209与所述电极109连接设置，所述控制器204同时与所述气源装置的驱动器203和所述刚度控制开关209连接。与所述刚度控制开关209连接设置有电源211。
作为优选的实施方式，本实施例中所述控制器204同时分别与所述第一换向阀207、第二换向阀208连接设置，控制所述换向阀的动作。本实施例中的每个所述换向阀的三个通气口分别与气源、腔室和大气连通，所述换向阀通过气体管道与所述上层腔室106/下层腔室107连通；当所述换向阀导通所述气源与所述上层腔室106/下层腔室107之间的通路时，所述气源向所述上层腔室106/下层腔室107内通入气体，此时所述气体管道与所述上层腔室106/下层腔室107之间的连通口为气体进口，当所述换向阀导通所述上层腔室106/下层腔室107与大气之间的通路时，所述上层腔室106/下层腔室107进行排气操作，此时所述气体管道与所述上层腔室106/下层腔室107之间的连通口为气体排出口，即本实施例中所述上层腔室106/下层腔室107上的气体进口与气体排出口为同一个口。作为可选择的实施方式，也可以不设置所述换向阀，仅在气体管道上设置所述气源与减压阀，所述气源气体经过所述减压阀后进入上层腔室106/下层腔室107；此时需要在所述上层腔室106/下层腔室107上再设置一个可开启和关闭的气体排出口，当需要排气时，开启所述气体排出口进行排气即可。
当本实施例中的所述变刚度软体驱动器111用于手部康复训练机器人时，将所述变刚度软体驱动器111安装在手套上，所述手套采用棉质柔性手套，所述变刚度软体驱动器111的驱动器本体安装在所述康复手套本体的指关节部位，即5个驱动器本体分别安装在所述棉质柔性手套的5个手指的指关节部位上，本实施方式中所述驱动器本体的第一方向沿所述指关节部位的延伸方向设置，由手指部位的根部向手指尖延伸。所述驱动器本体的第一方向上即纵向上的延伸长度为5cm-18cm，横向上的延伸长度为5mm-10mm，具体尺寸可根据不同手指长度以及不同使用者的个体差异进行选择。其中所述横向是指垂直于所述纵向且与所述柔性材料层108相平行的方向；所述层状的驱动器本体的上层腔室106/下层腔室107在垂直于柔性材料层108方向上的高度范围为2mm-8mm。
所述驱动器本体设置在所述指关节部位朝向手心的一侧或者朝向手背的一侧，如图7和图8所示，本实施例中所述驱动器本体设置在所述手套的指关节部位且位于朝向手背的一侧。本实施方式在所述棉质柔性手套的手指部分朝向手背的一侧设置有袋状结构，所述驱动器本体安装在所述的棉质柔性手套背侧的袋状结构中，方便随时替换。
作为优选的实施方式，所述气源和控制系统设置在所述康复手套本体的外部，如图9所示，所述气源和控制系统集成安装在便携设备中，该便携设备可佩带在使用者的腰部。
本实施方式中所述的变刚度软体驱动器111，通过焦耳热作用改变驱动器变刚度层103的刚度，具体为通过加热低熔点合金110使其融化，可降低软体驱动器的刚度，配合变刚度层103两侧气腔的运动，可实现软体驱动器的灵活动作；停止加热后，低熔点合金110温度降低发生凝固，软体驱动器刚度增加，可用于进行高负载的活动。
本实施方式中所述的手部康复训练机器人的工作过程为：
(1)初始状态下，控制器204向所述刚度控制开关209下达指令，向电极109施加5A的直流电流，利用焦耳热加热低熔点合金110使其融化，此时变刚度层103处于低刚度状态，变刚度层103两侧的腔室也处于卸压状态，因此手套的指关节部位可灵活活动，佩戴者穿戴此康复训练机器人的手套本体部分；
(2)当患者需要进行活动手指的动作时，所述控制器204下达指令控制所述换向阀导通气源与变刚度驱动器内部上层腔室106的流体通路，并控制气源向驱动器内部气腔充入压缩空气，在康复机器人的引导下佩戴者完成手部屈指；
(3)如果屈指后佩戴者需要进行抓取重物的操作，此时停止加热低熔点合金110，软体驱动器回到高刚度状态，康复训练机器人可承受较大的负载，从而可协助使用者完成抓取重物的操作；
(4)当佩戴者需要释放重物或者佩戴者希望从屈指状态恢复为伸指状态，可再次通过控制器204控制电极109，利用焦耳热加热低熔点合金110，使康复机器人回复到低刚度状态，控制换向阀导通驱动器上层腔室106与大气之间的通路，使上层腔室106排气，并向驱动器内部下层腔室107充气加压，在驱动器回弹力作用下，辅助佩戴者完成伸指动作，从而释放重物。
作为优选的实施方式，本实施方式中所述的变刚度软体驱动器111安装在棉质柔性手套上。但本发明所述的手部康复训练机器人并不局限于此，例如可将所述变刚度软体驱动器通过固定束带直接安装在手指上，所述变刚度软体驱动器覆盖手指的关节设置，所述驱动器本体的所述第一方向沿手指的延伸方向设置，也可实现所述手部康复训练机器人的功能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种变刚度软体驱动器，其特征在于，包括：层状的驱动器本体，所述驱动器本体内设置有气腔；
在所述气腔的中间位置处设置有变刚度层，将所述气腔分隔为上层腔室和下层腔室；
所述变刚度层包括柔性材料层，所述柔性材料层的拉伸模量大于所述气腔的弹性变形腔壁的拉伸模量；
在所述驱动器本体的外围包裹有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，限制所述弹性变形腔壁在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀；
其中所述第一方向与所述变刚度层相平行；在所述柔性材料层的内部的蛇形流道内设置有低熔点合金，与所述低熔点合金连接设置有电极；
气源，分别通过气体管道与所述上层腔室和下层腔室连通，所述上层腔室和下层腔室均设置有气体排出口；
控制系统，包括控制器和刚度控制开关，所述刚度控制开关与所述电极连接设置，所述控制器同时与所述气源的驱动器和所述刚度控制开关连接。
2.根据权利要求 1 所述的变刚度软体驱动器，其特征在于，所述驱动器本体在所述第一方向上的延伸长度大于其在所述第二方向上的延伸长度。
3.根据权利要求 2 所述的变刚度软体驱动器，其特征在于，所述限位结构为缠绕在所述驱动器本体的外围的双螺旋纤维丝缠绕层，所述双螺旋纤维丝缠绕层包括两组环绕所述第一方向螺旋缠绕的纤维丝，两组所述纤维丝相对于所述变刚度层对称设置。
4.根据权利要求 3 所述的变刚度软体驱动器，其特征在于，所述弹性变形腔壁的拉伸模量为 1-10MPa；所述柔性材料层的拉伸模量为50-100MPa；所述纤维丝的拉伸模量为 1-10GPa。
5.根据权利要求 4 所述的变刚度软体驱动器，其特征在于，所述弹性变形腔壁采用硅胶材料制成，所述柔性材料层采用硅橡胶层，所述纤维丝采用尼龙丝。
6.根据权利要求 1-5 任一所述的变刚度软体驱动器，其特征在于，在与所述上层腔室和下层腔室分别连通设置的所述气体管道上均设置有换向阀，在所述换向阀和所述气源之间的气体管道上还设置有减压阀，所述控制器同时与所述换向阀连接，控制所述换向阀的动作。
7.配有权利要求 1-6任一 所述的变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，其特征在于，包括康复手套本体，所述变刚度软体驱动器的驱动器本体安装在所述康复手套本体的手指关节部位，所述驱动器本体的所述第一方向沿手指的延伸方向设置。
8.根据权利要求 7所述的手部康复训练机器人，其特征在于，所述驱动器本体设置在所述指关节部位朝向手心的一侧或者朝向手背的一侧。
9.根据权利要求 8 所述的手部康复训练机器人，其特征在于，所述气源和控制系统设置在所述康复手套本体的外部。
10.配有权利要求 1-6任一 所述的变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，其特征在于，所述变刚度软体驱动器覆盖手指的关节设置，所述驱动器本体的所述第一方向沿手指的延伸方向设置。
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