CN111449908B - 一种用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于腕部康复软体机器人相关技术领域，其公开了一种用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其包括相连接的左单腔及右单腔，左单腔及右单腔互成镜面对称；左单腔包括进气固定端、弯曲段、摆动段、弯曲段应变限制层及摆动段应变限制层，固定端与弯曲段相连接，且固定端及弯曲段设置在弯曲段应变限制层上；弯曲段基本呈矩型，其远离弯曲段应变限制层的一侧形成有多个间隔设置的第一格栅，多个第一格栅沿弯曲段的长度方向间隔设置；摆动段设置在摆动段应变限制层上，摆动段远离摆动段应变限制层的一侧形成有多个第二格栅，多个第二格栅沿摆动段的长度方向间隔设置。本发明能够实现多自由度运动，成本较低，且适用性较强。
Description
技术领域
本发明属于腕部康复软体机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器。
背景技术
如今社会人口老龄化加重，由于脑卒中等疾病引起的偏瘫人数越来越庞大，同时，由于生产事故、交通事故等意外造成的腕部运动功能受损的人数也逐年增加，这些患者往往因肢体运动功能障碍而生活不能自理，给家庭和社会都带来了不小的压力。机器人辅助康复训练能够节约大量的人力物力，并能够对患者康复进度进行量化的评估，根据患者的康复情况循序渐进的进行训练。
在腕部康复训练中，市面上有刚性结构外骨骼机器人和柔性结构外骨骼机器人，刚性结构外骨骼机器人有传统的连杆、铰链、滑块等结构组成，柔性结构外骨骼机器人则由柔性流体致动器构成，如硅胶制成的气动致动器，相比与刚性结构外骨骼机器人，柔性结构外骨骼机器人具有更高的安全性和舒适性，由于其自身结构的柔性特点，当发生碰撞或者系统干扰从而产生突变的意外载荷时，柔性的结构能够对意外载荷进行缓冲，不会对患者造成伤害，而且当柔性结构外骨骼机器人对患者施加辅助力时，柔性的结构能够贴合患者的手腕，以较大的作用面积与患者手部接触，使得佩戴起来具有更好的舒适性。
虽然柔性结构的软体致动器在腕部运动康复上有非常好的应用前景，但是目前软体致动器的研究仍处于发展阶段，大部分的致动器仅能实现一个平面内的弯曲运动，极少类别的致动器可以实现多自由度弯曲运动，然而这些多自由度的致动器的运动范围却很小不足以应用于康复外骨骼。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其通过特殊设计的分段式气动网络型致动器的两个气腔中的不同加压状态来控制致动器的运动姿态，前半段用于实现弯曲运动可以辅助人体手腕的弯曲/伸展运动，后半段可以实现摆动从而辅助人体手腕的内收/外展运动。该致动器采用无毒硅胶材料制成，能够很好得与人手相融合，穿戴方便，采用软性材料以能够改变自身形态来适应患者运动的环境，不会对患者手部造成过大的冲击载荷。同时，软体致动器良好的柔顺性不会对患者造成拉伤等二次伤害，且由3D打印的模具铸造而成，工艺简单，成本低廉。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，所述致动器整体形成有三段，其包括相连接的左单腔及右单腔，所述左单腔及所述右单腔互成镜面对称；所述致动器形成有前后段，前段能够实现弯曲运动，后段能够实现摆动；后段分为左段及右段；
所述左单腔包括进气固定端、弯曲段、摆动段、弯曲段应变限制层及摆动段应变限制层，所述固定端与所述弯曲段相连接，且所述固定端及所述弯曲段设置在所述弯曲段应变限制层上；所述弯曲段基本呈矩型，其远离所述弯曲段应变限制层的一侧形成有多个间隔设置的第一格栅，多个所述第一格栅沿所述弯曲段的长度方向间隔设置；所述摆动段设置在所述摆动段应变限制层上，所述摆动段远离所述摆动段应变限制层的一侧形成有多个第二格栅，多个所述第二格栅沿所述摆动段的长度方向间隔设置。
进一步地，所述摆动段应变限制层的一端连接于所述弯曲段及所述弯曲段应变限制层。
进一步地，所述第一格栅的延伸方向与所述第二格栅的延伸方向垂直。
进一步地，所述弯曲段的长度大于所述摆动段的长度。
进一步地，所述进气固定端远离所述摆动段的一侧开设有通气气孔；所述第一格栅及所述第二格栅内分别形成有格栅气室，所述进气固定端开设有与所述通气气孔相连通的进气管道，所述左单腔还开设有连通气道，所述连通气道贯穿所述弯曲段应变限制层及所述摆动段应变限制层；多个所述格栅气室分别与所述连通气道垂直连通，且所述连通气道与所述进气管道相连通。
进一步地，所述连通气道的长度方向与所述左单腔的长度方向平行。
进一步地，致动器在加压后，气体自所述进气管道通过所述连通气道分别进入到每个所述格栅气室，使得每个格栅产生膨胀从而产生运动。
进一步地，所述第一格栅的尺寸与所述第二格栅的尺寸相同。
进一步地，所述弯曲段应变限制层及所述摆动段应变限制层均用于限制相应运动段在加压时不会沿轴向伸长，且材料均为凯夫拉纤维或者碳纤维。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器主要具有以下有益效果：
1.所述致动器整体形成有三段，其包括相连接的左单腔及右单腔，所述左单腔及所述右单腔互成镜面对称，能同时实现弯曲、内收/外展以及这两种运动组合的多种运动状态。
2.所述致动器形成有前后段，前段能够实现弯曲运动，后段能够实现摆动，分段式的结构能够更针对性的实现辅助人体手腕康复训练。
3.所述弯曲段基本呈矩型，其远离所述弯曲段应变限制层的一侧形成有多个间隔设置的第一格栅，多个所述第一格栅沿所述弯曲段的长度方向间隔设置，使得致动器的弯曲效率更高，运动范围更广。
4.分别设置应变限制层，如此限制相应运动段在加压时不会沿轴向伸长，从而使得运动幅度更大，效率更高。
附图说明
图1是本发明提供的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器的结构示意图；
图2是用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器的单个腔体的结构示意图；
图3中的(a)、(b)、(c)分别是图2中的单个腔体沿一个角度的平面示意图、剖视图及沿另一个角度的示意图；
图4是图2中的单个腔体的三个格栅的充气效果示意图；
图5是图2中的单个腔体的多个格栅的气动网络的充气效果示意图；
图6中的(a)、(b)、(c)、(d)分别是图1中的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器应用于人体手腕的康复训练示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-左单腔，2-右单腔，3-通气气孔，4-进气固定端，5-弯曲段，6-摆动段，7-弯曲段应变限制层，8-摆动段应变限制层，9-进气管道，10-格栅气室，11-连通气道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，考虑到人的腕部主要包括八块腕骨，桡腕关节和腕中关节两个主要关节；桡腕关节位于桡骨远端和腕骨近端之间，在桡腕关节的远端是腕中关节，连接近端和远端的腕骨。这两个关节使得手腕可以实现弯曲/伸展运动，并且也能使得腕部在内收/外展之间来回运动。手腕最重要的就是这两个自由度的运动功能，腕关节功能障碍患者需要外力来辅助其进行持续性被动训练运动以达到康复效果，本发明特别针对这两个自由度进行了相应设计。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，所述致动器包括相连接的左单腔1及右单腔2，所述左单腔1及所述右单腔2互成镜面对称，且整体形成为三段。本实施方式中，所述致动器整体呈矩型，整体尺寸由于用于腕部康复治疗，其外形轮廓尺寸设置为长170mm、宽42mm、高20mm。
所述左单腔1包括进气固定端4、弯曲段5、摆动段6、弯曲段应变限制层7及摆动段应变限制层8，所述固定端4与所述弯曲段5相连接，且所述固定端4及所述弯曲段5设置在所述弯曲段应变限制层7上。所述弯曲段5基本呈矩型，其远离所述弯曲段应变限制层7的一侧形成有多个间隔设置的第一格栅，多个所述第一格栅沿所述弯曲段5的长度方向间隔设置。所述进气固定端4远离所述摆动段6的一侧开设有通气气孔3。
所述摆动段6设置在所述摆动段应变限制层8上，所述摆动段6远离所述摆动段应变限制层8的一侧形成有多个第二格栅，多个所述第二格栅沿所述摆动段6的长度方向间隔设置。所述摆动段应变限制层8的一端连接于所述弯曲段5及所述弯曲段应变限制层7。
本实施方式中，所述第一格栅的延伸方向与所述第二格栅的延伸方向垂直；所述弯曲段5的长度及所述摆动段6的长度分别为80mm和64mm；所述弯曲段5的长度大于所述摆动段6的长度是考虑到致动器在人体手腕上的布置形式以及手腕运动时弯曲/伸展运动的运动幅度要大于内收/外展时；所述弯曲段应变限制层7及所述摆动段应变限制层8是为了限制相应运动段在加压时不会沿轴向伸长，从而使得运动幅度更大，效率更高，主要材料为凯夫拉纤维、碳纤维等。
所述第一格栅及所述第二格栅内分别形成有格栅气室10，所述进气固定端4开设有与所述通气气孔3相连通的进气管道9，所述左单腔1还开设有连通气道11，所述连通气道11贯穿所述弯曲段应变限制层7及所述摆动段应变限制层8，且其长度方向与所述左单腔1的长度方向平行。多个所述格栅气室10分别与所述连通气道11垂直连通，且所述连通气道11与所述进气管道9相连通。
本实施方式中，所述弯曲段5及所述摆动段6的格栅的尺寸相同，且弯曲段与摆动段的构造相同，摆动段可以等效为弯曲段绕轴向旋转90度得到；致动器在加压后，气体自所述进气管道9通过所述连通气道11分别进入到每个所述格栅气室10，使得每个格栅产生膨胀从而产生运动。
请参阅图4及图5，相邻三个格栅充入气体后的状态如图4所示，多个格栅充气后组成的气动网络充气效果如图5所示。由于每个格栅的两侧壁厚度小于顶端及底端的壁厚，因此在加压充气后两侧会产生气球效应而发生膨胀，从而产生对底座的弯矩，同时由于底端附着有应变限制层，使得轴向上的伸长被限制，从而加剧了弯曲的效果，而每一个格栅的弯曲效应进行叠加就会形成如图5所示的弯曲效果，所述弯曲段5及所述摆动段6均是采用这个原理，只是在实现不同功能时进行了不同方向上的布置。
本实施方式中，所述左单腔1与所述右单腔2的结构基本相同，不同点在于所述右单腔2的摆动段的格栅延伸方向与所述左单腔1的摆动段的格栅延伸方向相反，且所述左单腔1的摆动段应变限制层与所述右单腔2的摆动段应变限制层相对设置。
所述左单腔1的弯曲段应变限制层与所述右单腔2的弯曲段应变限制层相连接，所述左单腔1的摆动段应变限制层与所述右单腔2的摆动段应变限制层之间没有直接连接，由此所述致动器为三段结构。
请参阅图6，其中(a)为单个腔体充气加压后的运动示意图；(b)为致动器的两个腔体同时通入相同大小的气压后的运动示意图；(c)为致动器的单个气腔充气加压而另一侧不加压的运动示意图；(d)为致动器两气腔均通入气体但气压大小不同的运动状态。单腔通入气体后弯曲段和摆动段在各自不同平面内做纯粹的弯曲运动，相连处过渡段基本成直角。(b)中两个互成镜面对称的腔体在通入相同大小气压后，弯曲段的弯曲效果会叠加，而摆动段由于结构对称性，产生的弯曲效果大小相同，但方向相反，因此相互抵消，这种充气状态即可用于辅助手腕的弯曲运动；(c)中仅向致动器左侧通入气体，运动状态类似单个腔体，前半段弯曲，后半段摆动，另一侧未充气的腔体可以等效为弱化版的应变限制层，这种充气状态即可用于辅助手腕的摆动运动，通过选择通入施加气压的腔体从而实现内收或是外展运动。(d)为(c)与(b)的过渡状态，可等效为致动器先单气腔充气后再往另一个气腔充气直到气压大小相同，在后加压过程中的某一时刻的运动状态，可以看到运动状态近似单腔充气，这是由于弯曲段即使气压不同，由于应变限制层的存在所达到的运动状态仍只能是弯曲，只是弯曲效果的不同，而摆动段的运动幅度会由于另一个腔体的加压所带来的对称抵消效果而减小，因而总体来说弯曲效果增大，摆动效果减小，这也对应人体手腕大部分的运动状态，人体手腕大部分运动是出于摆动与弯曲的过渡阶段，而很少处于仅弯曲或仅摆动的状态。
所述致动器使用时，致动器可以通过尼龙绳与手套绑定，手套与人手通过魔术贴固定；本发明提供的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器实现了空间中两个自由度以及它们组合的运动。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：
所述致动器整体形成有三段，其包括相连接的左单腔及右单腔，所述左单腔及所述右单腔互成镜面对称；所述致动器形成有前后段，前段能够实现弯曲运动，后段能够实现摆动；后段分为左段及右段；
所述左单腔包括进气固定端、弯曲段、摆动段、弯曲段应变限制层及摆动段应变限制层，所述固定端与所述弯曲段相连接，且所述固定端及所述弯曲段设置在所述弯曲段应变限制层上；所述弯曲段基本呈矩型，其远离所述弯曲段应变限制层的一侧形成有多个间隔设置的第一格栅，多个所述第一格栅沿所述弯曲段的长度方向间隔设置；所述摆动段设置在所述摆动段应变限制层上，所述摆动段远离所述摆动段应变限制层的一侧形成有多个第二格栅，多个所述第二格栅沿所述摆动段的长度方向间隔设置；
所述进气固定端远离所述摆动段的一侧开设有通气气孔；所述第一格栅及所述第二格栅内分别形成有格栅气室，所述进气固定端开设有与所述通气气孔相连通的进气管道，所述左单腔还开设有连通气道，所述连通气道贯穿所述弯曲段应变限制层及所述摆动段应变限制层；多个所述格栅气室分别与所述连通气道垂直连通，且所述连通气道与所述进气管道相连通。
2.如权利要求1所述的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：所述摆动段应变限制层的一端连接于所述弯曲段及所述弯曲段应变限制层。
3.如权利要求1所述的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：所述第一格栅的延伸方向与所述第二格栅的延伸方向垂直。
4.如权利要求1所述的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：所述弯曲段的长度大于所述摆动段的长度。
5.如权利要求1所述的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：所述连通气道的长度方向与所述左单腔的长度方向平行。
6.如权利要求5所述的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：致动器在加压后，气体自所述进气管道通过所述连通气道分别进入到每个所述格栅气室，使得每个格栅产生膨胀从而产生运动。
7.如权利要求1-4任一项所述的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：所述第一格栅的尺寸与所述第二格栅的尺寸相同。
8.如权利要求1-4任一项所述的用于人体手腕康复训练的分段式多自由度软体致动器，其特征在于：所述弯曲段应变限制层及所述摆动段应变限制层均用于限制相应运动段在加压时不会沿轴向伸长，且材料均为凯夫拉纤维或者碳纤维。
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2020
- 2020-04-23 CN CN202010328643.4A patent/CN111449908B/zh active Active
Patent Citations (6)
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