CN113843769A - 一种可穿戴气动柔性外肢体机器人 - Google Patents

一种可穿戴气动柔性外肢体机器人 Download PDF

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黄剑
茹宏格
张闰哲
霍军
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Abstract

一种可穿戴气动柔性外肢体机器人，包括：穿戴组件，用于穿戴于使用者手部肢体上；抓取组件，用于抓取物体；调节组件，用于调节所述抓取组件的姿势；所述调节组件分别与所述穿戴组件和所述抓取组件连接；气控组件，用于控制所述抓取组件内部的气体流动；所述气控组件与所述抓取组件连接；控制组件，用于控制所述调节组件和所述气控组件；所述控制组件分别与所述调节组件和所述气控组件连接；电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述调节组件、所述气控组件和所述控制组件连接。本申请可解决手部运动能障碍患者(或运动能力受限的老人)面临的抓握困难问题，帮助使用者有效提升生活质量。

Description

一种可穿戴气动柔性外肢体机器人
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种可穿戴气动柔性外肢体机器人。
背景技术
我国中风患者已达8000万，且每年新增200余万，其中近2/3患者受困于偏瘫后遗症，绝大多数中风后出现严重偏瘫的患者不能完全恢复手和手臂的功能。同时，中国面临着严重的人口老龄化问题——截至2018年，中国60岁以上人口已达2.49亿，占总人口百分比为17.9％，这一比例预计在未来十年将会持续增长。老龄化问题使得运动功能障碍患者数量也随之增多，医疗保健系统人力资源短缺的问题目益严重，社会和许多家庭都面临越发沉重的负担。
针对以上人群的手部运动功能辅助的需求，高效轻便且能有效复现抓握动作的穿戴式助力设备能有效提升其生活质量，辅助其完成日常生活任务。
当前，国际上用于患者手部辅助的机器人主要包括手部外骨骼，助力手套等，但这些设备的安全性、有效性以及舒适性都因其复杂结构和功能单一存在局限性，急需改善。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种可穿戴气动柔性外肢体机器人。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可穿戴气动柔性外肢体机器人，包括：
穿戴组件，用于穿戴于使用者手部肢体上；
抓取组件，用于抓取物体；
调节组件，用于调节所述抓取组件的姿势；所述调节组件分别与所述穿戴组件和所述抓取组件连接；
气控组件，用于控制所述抓取组件内部的气体流动；所述气控组件与所述抓取组件连接；
控制组件，用于控制所述调节组件和所述气控组件；所述控制组件分别与所述调节组件和所述气控组件连接；
电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述调节组件、所述气控组件和所述控制组件连接。
优选地，所述穿戴组件包括：袖套，所述袖套用于穿戴于使用者手部肢体上，所述调节组件与所述袖套连接。
优选地，所述穿戴组件还包括：绑带，所述绑带缠绕所述袖套和所述调节组件布置，以将二者固定。
优选地，所述抓取组件包括：末端柔性执行器，所述末端柔性执行器与所述调节组件连接，且与所述气控组件连接，并在所述气控组件的控制下充气以抓取物体或放气以释放物体。
优选地，所述末端柔性执行器内部中空并与所述气控组件气路连接，当所述气控组件向所述末端柔性执行器内部充气时，所述末端柔性执行器弯曲形变并抓取物体；当所述气控组件控制所述末端柔性执行器内部向外放气时，所述末端柔性执行器恢复原状并释放物体。
优选地，所述末端柔性执行器具有靠近物体的抓取面、远离物体的形变面以及两个相对设置的连接部，所述连接部对应连接所述抓取面和所述形变面的末端，当所述气控组件向所述末端柔性执行器内部充气时，所述形变面的形变程度大于所述抓取面的形变程度，所述末端柔性执行器弯曲形变，两个相对设置的所述连接部互相靠近并与所述抓取面共同抓取物体；当所述气控组件控制所述末端柔性执行器内部向外放气时，所述末端柔性执行器恢复原状，两个相对设置的所述连接部互相远离并与所述抓取面共同释放物体。
优选地，所述形变面上布置有形变腔，所述形变腔与所述末端柔性执行器内部连通，当所述气控组件向所述末端柔性执行器内部充气时，所述形变腔充气形变。
优选地，所述连接部上设置有末端夹取部。
优选地，所述调节组件包括：连接件和舵机，其中，所述连接件分别与所述穿戴组件和所述抓取组件连接，所述舵机分别与所述连接件、所述控制组件和所述电源连接。
优选地，所述气控组件包括：气泵、气阀和气管，其中，所述气管的第一端与所述抓取组件连接而第二端与所述气泵连接，所述气阀设置于所述气管上。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种可穿戴气动柔性外肢体机器人，可解决手部运动能障碍患者(或运动能力受限的老人)面临的抓握困难问题，机器人穿戴于使用者患侧小臂，可以完成两种抓握动作模式——包络抓取与指尖抓取，这两类抓握模式的实现可协助使用者完成日常生活中面对的例如：剥水果，拧瓶盖，操作手机，拧毛巾等一些列生活中需要双手协同完成的任务，从而提高使用者生活质量；同时机器人具有轻质、柔顺、安全、高输出力-重量比、成本低的特点，有效减轻使用者家庭负担，也一定程度上减轻了社会负担，帮助使用者有效提升生活质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种可穿戴气动柔性外肢体机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种可穿戴气动柔性外肢体机器人的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种可穿戴气动柔性外肢体机器人的结构示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
如图1-3，在本申请实施例中，本发明提供了一种可穿戴气动柔性外肢体机器人，包括：
穿戴组件10，用于穿戴于使用者手部肢体上；
抓取组件20，用于抓取物体；
调节组件30，用于调节所述抓取组件20的姿势；所述调节组件30分别与所述穿戴组件10和所述抓取组件20连接；
气控组件40，用于控制所述抓取组件20内部的气体流动；所述气控组件40与所述抓取组件20连接；
控制组件，用于控制所述调节组件30和所述气控组件40；所述控制组件分别与所述调节组件30和所述气控组件40连接；
电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述调节组件30、所述气控组件40和所述控制组件连接。
当使用此可穿戴气动柔性外肢体机器人时，将穿戴组件10穿戴于使用者手部肢体上，然后通过控制组件控制调节组件30，进而调整抓取组件20相对于待抓取物体的姿势，然后通过控制组件控制气控组件40，气控组件40向抓取组件20内部充气，抓取组件20发生形变并完成抓取物体，此时使用者手部肢体移动将物体放置于目的地，而后通过控制组件控制气控组件40，气控组件40从抓取组件20内部向外部放气，抓取组件20恢复原状释放物体，物体抓取完成。
如图1-3，在本申请实施例中，所述穿戴组件10包括：袖套11，所述袖套11用于穿戴于使用者手部肢体上，所述调节组件30与所述袖套11连接。
在本申请实施例中，袖套11的形状与手臂相似，可以用于手臂套入。袖套11可根据需求设计侧开拉链结构，便于使用者穿戴，同时袖套11长度、尺寸可根据使用者身材定制。
在本申请实施例中，所述穿戴组件10还包括：绑带，所述绑带缠绕所述袖套11和所述调节组件30布置，以将二者固定。
在本申请实施例中，绑带固定于袖套11上的合适位置，将调节组件30的主体部分与使用者手臂进行固定，避免使用过程中调节组件30产生侧滑等问题，进而影响抓取组件20的工作。
如图1-3，在本申请实施例中，所述抓取组件20包括：末端柔性执行器21，所述末端柔性执行器21与所述调节组件30连接，且与所述气控组件40连接，并在所述气控组件40的控制下充气以抓取物体或放气以释放物体。
在本申请实施例中，末端柔性执行器21由硫化硅橡胶制成，自然状态下整体呈半圆弧状。半圆弧状的末端柔性执行器21的内侧表面可以为平滑面，或者进行表面粗糙处理以增大摩擦，便于夹取物体。末端柔性执行器21内部嵌入一层束缚层，束缚层材料可选择硬度合适的纸张、编织网或者玻璃纤维，从而使得整个末端柔性执行器21在自然状态下保持半圆弧状，或者在失去外力作用后立即恢复半圆弧状。末端柔性执行器21的中段留有一个气孔，气控组件40通过此气孔与末端柔性执行器21气路连接，并通过此气孔向末端柔性执行器21内充入空气。
如图1-3，在本申请实施例中，所述末端柔性执行器21内部中空并与所述气控组件40气路连接，当所述气控组件40向所述末端柔性执行器21内部充气时，所述末端柔性执行器21弯曲形变并抓取物体；当所述气控组件40控制所述末端柔性执行器21内部向外放气时，所述末端柔性执行器21恢复原状并释放物体。
在本申请实施例中，当气控组件40向末端柔性执行器21内部充气时，末端柔性执行器21弯曲形变并抓取物体；当气控组件40控制末端柔性执行器21内部向外放气时，末端柔性执行器21恢复原状并释放物体。
如图1-3，在本申请实施例中，所述末端柔性执行器21具有靠近物体的抓取面22、远离物体的形变面23以及两个相对设置的连接部24，所述连接部24对应连接所述抓取面22和所述形变面23的末端，当所述气控组件40向所述末端柔性执行器21内部充气时，所述形变面23的形变程度大于所述抓取面22的形变程度，所述末端柔性执行器21弯曲形变，两个相对设置的所述连接部24互相靠近并与所述抓取面22共同抓取物体；当所述气控组件40控制所述末端柔性执行器21内部向外放气时，所述末端柔性执行器21恢复原状，两个相对设置的所述连接部24互相远离并与所述抓取面22共同释放物体。
在本申请实施例中，当所述气控组件40向所述末端柔性执行器21内部充气时，所述形变面23的形变程度大于所述抓取面22的形变程度，此时整个末端柔性执行器21弯曲形变，两个相对设置的所述连接部24互相靠近并与所述抓取面22共同抓取物体；当所述气控组件40控制所述末端柔性执行器21内部向外放气时，此时整个末端柔性执行器21恢复原状，两个相对设置的所述连接部24互相远离并与所述抓取面22共同释放物体。
如图1-3，在本申请实施例中，所述形变面23上布置有形变腔25，所述形变腔25与所述末端柔性执行器21内部连通，当所述气控组件40向所述末端柔性执行器21内部充气时，所述形变腔25充气形变。
在本申请实施例中，半圆弧状的末端柔性执行器21的外侧表面布置有多组形变腔25，形变腔25为矩形或其它拓扑形状，形变腔25与末端柔性执行器21内部连通。形变腔25的尺寸及拓扑结构可根据末端柔性执行器21的材料和需求对尺寸进行相应修改和优化，以满足不同性能需求。当末端柔性执行器21充入空气时，外侧的形变腔25由于形变较大，同时内侧的抓取面22受束缚层限制形变较小，末端柔性执行器21产生弯曲形变，可对物体实现包络式抓取动作。由于末端柔性执行器21的主体部分为质软的硅橡胶，因此具有极好的柔顺性，可以顺应被抓取物体形状，保证抓取效率。同时，末端柔性执行器21具有较高的输出力-重量比，在充入较低气压时即可输出较大抓握力。
如图1-3，在本申请实施例中，所述连接部24上设置有末端夹取部26。
在本申请实施例中，连接部24的表面部分结构内陷设置从而形成末端夹取部26，末端夹取部26用于模仿人的手指头，从而更好地夹取物体。
如图1-3，在本申请实施例中，所述调节组件30包括：连接件31和舵机32，其中，所述连接件31分别与所述穿戴组件10和所述抓取组件20连接，所述舵机32分别与所述连接件31、所述控制组件和所述电源连接。
在本申请实施例中，连接件31的一部分连接末端柔性执行器21与舵机32，根据相应尺寸设计固定即可，连接件31的另一部分用于连接穿戴的袖套11与舵机32，与袖套11的连接部分可根据人体手部骨骼肌肉形状个性化定制，以提升穿戴舒适性。舵机32可以沿特定方向转动，用以调整末端柔性执行器21的抓握角度。
如图1-3，在本申请实施例中，所述气控组件40包括：气泵41、气阀42和气管43，其中，所述气管43的第一端与所述抓取组件20连接而第二端与所述气泵41连接，所述气阀42设置于所述气管43上。
在本申请实施例中，气泵41为微型气泵，由于末端柔性执行器21需要气量不大，因此普通微型气泵即可满足需求。气阀42用于控制末端柔性执行器21内部气压大小，需要充入空气时，启动气泵41；需要减小气压时，打开气阀42，泄气的同时关闭气泵41。气路均通过气管43连接。
在本申请实施例中，电源可以选用对应规格锂电池，各零件的供电亦可由电池分压后进行供电。
在本申请实施例中，可穿戴气动柔性外肢体机器人穿戴于使用者患侧小臂，使用时，使用者基于控制组件(如穿戴式气囊)控制气阀42与气泵41，控制组件穿戴于患侧小臂，通过检测使用者肌动信号或者由使用者自主抓握产生控制信号，因此不会影响健侧手的协同操作。穿戴方式根据使用者自身情况，可选择中立位或前旋位穿戴于小臂。
本申请提供的一种可穿戴气动柔性外肢体机器人，可解决手部运动能障碍患者(或运动能力受限的老人)面临的抓握困难问题，机器人穿戴于使用者患侧小臂，可以完成两种抓握动作模式——包络抓取与指尖抓取，这两类抓握模式的实现可协助使用者完成日常生活中面对的例如：剥水果，拧瓶盖，操作手机，拧毛巾等一些列生活中需要双手协同完成的任务，从而提高使用者生活质量；同时机器人具有轻质、柔顺、安全、高输出力-重量比、成本低的特点，有效减轻使用者家庭负担，也一定程度上减轻了社会负担，帮助使用者有效提升生活质量。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，包括：
穿戴组件，用于穿戴于使用者手部肢体上；
抓取组件，用于抓取物体；
调节组件，用于调节所述抓取组件的姿势；所述调节组件分别与所述穿戴组件和所述抓取组件连接；
气控组件，用于控制所述抓取组件内部的气体流动；所述气控组件与所述抓取组件连接；
控制组件，用于控制所述调节组件和所述气控组件；所述控制组件分别与所述调节组件和所述气控组件连接；
电源，用于为各零件供电；所述电源分别与所述调节组件、所述气控组件和所述控制组件连接。
2.根据权利要求1所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述穿戴组件包括：袖套，所述袖套用于穿戴于使用者手部肢体上，所述调节组件与所述袖套连接。
3.根据权利要求2所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述穿戴组件还包括：绑带，所述绑带缠绕所述袖套和所述调节组件布置，以将二者固定。
4.根据权利要求1所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述抓取组件包括：末端柔性执行器，所述末端柔性执行器与所述调节组件连接，且与所述气控组件连接，并在所述气控组件的控制下充气以抓取物体或放气以释放物体。
5.根据权利要求4所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述末端柔性执行器内部中空并与所述气控组件气路连接，当所述气控组件向所述末端柔性执行器内部充气时，所述末端柔性执行器弯曲形变并抓取物体；当所述气控组件控制所述末端柔性执行器内部向外放气时，所述末端柔性执行器恢复原状并释放物体。
6.根据权利要求5所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述末端柔性执行器具有靠近物体的抓取面、远离物体的形变面以及两个相对设置的连接部，所述连接部对应连接所述抓取面和所述形变面的末端，当所述气控组件向所述末端柔性执行器内部充气时，所述形变面的形变程度大于所述抓取面的形变程度，所述末端柔性执行器弯曲形变，两个相对设置的所述连接部互相靠近并与所述抓取面共同抓取物体；当所述气控组件控制所述末端柔性执行器内部向外放气时，所述末端柔性执行器恢复原状，两个相对设置的所述连接部互相远离并与所述抓取面共同释放物体。
7.根据权利要求6所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述形变面上布置有形变腔，所述形变腔与所述末端柔性执行器内部连通，当所述气控组件向所述末端柔性执行器内部充气时，所述形变腔充气形变。
8.根据权利要求6所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述连接部上设置有末端夹取部。
9.根据权利要求1所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述调节组件包括：连接件和舵机，其中，所述连接件分别与所述穿戴组件和所述抓取组件连接，所述舵机分别与所述连接件、所述控制组件和所述电源连接。
10.根据权利要求1所述的可穿戴气动柔性外肢体机器人，其特征在于，所述气控组件包括：气泵、气阀和气管，其中，所述气管的第一端与所述抓取组件连接而第二端与所述气泵连接，所述气阀设置于所述气管上。
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