CN115089441A - 一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及康复辅助医疗器械技术领域，具体涉及一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套。本发明利用碳纤维电化学人工肌肉的体积优势，仿照人手结构的肌肉分布，在手套总体积远小于气动康复手套的前提下，每根手指布置了三到五条人工肌肉，能够带动手指完成几乎所有人手动作。因此本发明所述的康复手套不仅能更好的完成传统康复手套的复健动作，而且能帮助病人完成生活中所必须的动作，如握筷等，有效提高病人的生活能力。同时相比于气动肌肉需要搭配笨重气泵使用，本发明使用可USB充电的小型电池作为动力源，更加轻便便携。因此在康复医疗领域有极大的前景与市场。

Description

一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套

技术领域

本发明涉及康复辅助医疗器械技术领域，具体涉及一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套。

背景技术

根据调查发现，上肢功能占全身功能的60％，其中手功能占上肢功能的90％，且拇指功能丧失意味着手大部分功能丧失。而脑卒中患者在患病六个月后，65％的患者有手功能障碍，严重影响了患者的生活。人手功能十分精细，恢复难度较大，对手功能障碍的预防和治疗将直接影响上肢功能与日常生活能力。

目前的手功能康复疗法主要有传统的设备治疗和人工治疗。传统的人工治疗多为医护人员一对一服务，费时费力，患者的依从性差，难以坚持，使得康复效果大打折扣。

目前，现有的手功能康复设备，如羿生康复机器人手套、诺威娜康复机器人手套等，均为气动人工肌肉驱动。其庞大笨重，且需要配套气压泵使用，极不方便。同时，康复手套只能控制手指整体的弯曲或伸直，帮助病人做一些如握筷、抓取等简单动作，无法控制各个指关节的运动。

发明内容

为克服背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套。

本发明提出一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，包括：手套柔软内层；手套坚韧内层；手套封装内层；手套中间层；手套封装外层；手套坚韧表层；电池组块；电路及控制元件模块。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述手套中间层位于手套封装内层与手套封装外层围成的腔体内，包括：镂空层；人工肌肉；拉线；电解液；三电极电路电极。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述手套封装内层贴合在手套中间层的内表面，所述手套封装外层贴合在手套中间层的外表面。手套封装内层与手套封装外层于手套手腕处密封，形成封闭腔体，用于封装电解液，防止电解液流出。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述手套坚韧表层覆盖在手套封装外层外表面，其外侧直接与外界接触。所述手套坚韧内层内侧与手套柔软内层外表面粘合，外侧与手套封装内层内侧粘合，用于保护手套内部结构，同时为手套提供恢复力。具有高强度高韧性耐高温耐腐蚀等特点。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述手套柔软内层外侧与手套坚韧内层粘合，内侧与人手直接接触，用于使手套贴合人手并给使用者提供舒适体验。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述手套中间层为手套封装内层与手套封装外层围成的腔体。所述手套中间层包含：镂空层；人工肌肉；拉线；电解液；三电极电路电极。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述镂空层为镂空硬质胶垫夹层，位于手套封装内层与手套封装外层形成的腔体中。其镂空间隙起到固定拉线及为拉线与人工肌肉提供正确的运动轨道的作用。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述人工肌肉为碳纳米纤维材料卷绕而成的碳纳米管电化学驱动人工肌肉，具体可采用如《Unipolar stroke,electroosmotic pump carbon nanotube yarn muscles》所述的方法制备。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述三电极电路的电极包括：工作电极、参比电极、辅助电极。其中工作电极数量与人工肌肉数量相等，且与人工肌肉一一相连。其中参比电极、工作电极、辅助电极均浸泡在电解液中并与伸入中间层的电路相连。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述人工肌肉全部浸泡于手套中间层内的电解液中，一端与所述拉线相连，另一端与工作电极连接。人工肌肉通电之后形成三电极电路，吸附电解液中离子或粒子后发生径向膨胀，螺旋结构解捻，从而使人工肌肉出现收缩并输出拉力。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述拉线一端在手指位置固定于所述镂空层间隙中，另一端与所述人工肌肉相连。所述拉线弹性小、强度高，用于传导人工肌肉输出的拉力，带动手套与手指完成动作。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述人工肌肉在通电收缩时对人手与手套各层做功。当人工肌肉断电后，手套各层与处于伸长状态的人工肌肉储存的弹性势能释放会将手套及手指恢复初始状态。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述人工肌肉包括：手掌侧每根手指连接五条人工肌肉，手背侧除大拇指外每根手指连接三条人工肌肉，大拇指连接四条人工肌肉，每条肌肉连接一根拉线。手掌侧人工肌肉带动手套与手指完成各关节的弯曲动作；手背侧人工肌肉带动手套完成手指的伸直动作；两侧人工肌肉配合工作带动手套完成手指的张开与并拢动作。

根据本发明提供的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，所述电池组块与电路与控制元件模块均位于手套封装外层与手套坚韧表层之间的夹缝中。其中电池组块位于手套靠近臂肘一侧的尾端，与电路与控制模块相邻，为手套的人工肌肉与控制系统提供电源。其中电路与控制模块位于手套小臂位置靠近手腕一端，两端分别与电池组块和手套中间层相邻，用来控制电池与中间层的电解液、三个电极相连组成人工肌肉的工作电路的通断。

所述的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套采用仿人手结构，手套贴合在人手表面，等效于人手血肉依附于人手骨骼表面。人手为手套提供支撑，手套带动人手完成锻炼动作以及简单的生活动作。

本发明优异的效果是：

目前市面的康复手套均为气动驱动。气动人工肌肉由于结构限制，体积庞大。由于受到空间上的限制，每根手指只能布置一条人工肌肉，因此康复手套能够实现的动作受到了极大限制：只能带动手指实现初始状态与弯曲状态两种状态，无法带动手指关节单独活动；无法带动手指完成张开与并拢动作。此外，由于气动驱动的康复手套需要输入较大气压，所以需要配套笨重的气压泵使用，极不方便携带。

本发明利用碳纤维电化学人工肌肉的体积优势，仿照人手结构的肌肉分布，在手套总体积远小于气动康复手套的前提下，每根手指布置了三到五条人工肌肉，能够带动手指完成几乎所有人手动作。因此本发明所述的康复手套不仅能更好的完成传统康复手套的复健动作，而且能帮助病人完成生活中所必须的动作，如握筷等，有效提高病人的生活能力。

此外，由于碳纤维电化学人工肌肉的工作电压只有5V，本发明只需要安装配套电池，使用USB接口充电即可使用，轻便便携。

本发明在性能上具有上述诸多优势，同时成本不高且具有极大的优化空间，因此在康复医疗领域有极大的前景与市场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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他的附图。

图1是碳纤维电化学人工肌肉原理图；

图2是本发明具体实例的效果图；

图3是本发明于图2虚线位置的剖面图；

图4是本发明具体实例的中间层结构图；

图5是本发明中间层手掌侧肌肉分布图；

图6是本发明中间层手背侧肌肉分布图；

附图标记：

图1：

1：电化学人工肌肉工作电极； 2：电化学人工肌肉的参比电极；

3：电解液； 4：碳纳米纤维卷绕型电化学驱动人工肌肉；

5：负载砝码； 6：电化学人工肌肉辅助电极；

图3：

7：手套坚韧表层； 8：电池连接件； 9：电池；

10：手套封装外层； 11：手套中间层； 12：手套封装内层；

13：手套坚韧内层； 14：手套柔软内层；

图4：

15：镂空层； 16：拉线； 12：手套封装内层；

18：人工肌肉； 10：手套封装外层； 20：辅助电极；

21：工作电极； 22：电路及控制元件模块； 23：电池组块；

24：参比电极； 25：电解液；

图5与图6：

26：大拇指第一拉线； 27：大拇指第二拉线； 28：大拇指第三拉线；

29：大拇指第四拉线； 30：大拇指第五拉线； 31：小拇指第一拉线；

32：小拇指第二拉线； 33：小拇指第三拉线； 34：小拇指第四拉线；

35：小拇指第五拉线； 36：小拇指第六拉线； 37：小拇指第七拉线；

38：小拇指第八拉线； 39：大拇指第六拉线； 40：大拇指第七拉线；

41：大拇指第八拉线； 42：大拇指第九拉线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。由于除拇指外四指拉线分布及驱动机理完全相同，后续介绍中只以一小拇指与大拇指为例做了介绍。

下面结合图1-图6描述本发明的碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套。

本发明采用碳纤维材料电化学人工肌肉作为驱动器，其驱动原理如图1。肌肉采用三电极电路，电路通电时，人工肌肉吸附溶液中离子，肌肉纤维由于具有各向异性径向膨胀轴向收缩，进而导致人工肌肉退捻。而退捻使人工肌肉的螺旋结构螺旋角增大，进而使人工肌肉的长度收缩。

本发明外观与普通手套无异，如图2。图3为图2虚线处的剖面图。

如图3、图4所示，在本发明的一个实例中，碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套包括：手套柔软内层14；手套坚韧内层13；手套封装内层12；手套中间层11；手套封装外层10；手套坚韧表层7；电池组块23；电路及控制模块22。

前述手套柔软内层14采用触感柔软摩擦系数大的橡胶作为材料，具体实施时要求内腔与人手贴合，要求患者佩戴后应感觉舒适并且手套与人手之间不易发生滑移。

手套封装内层12和手套封装外层10为高强度耐腐蚀的橡胶薄膜，两层薄膜黏合形成腔体即手套中间层11。

前述手套中间层11包括：镂空层15；41条碳纤维卷绕型电化学人工肌肉18；41条拉线16；电解液25；一个辅助电极20；一个参比电极24；41个工作电极21。前述镂空层15是镂空的硬质橡胶层。前述人工肌肉18位于前述镂空层15的细槽中，一端与工作电极21连接，另一端与前述拉线16连接。前述工作电极21位于镂空层15与电路与控制模块22的连接处。前述拉线16为高强度低弹性细线，一端连接人工肌肉18，另一端固定在镂空层15。前述电解液25充满整个手套中间层11。前述辅助电极20与参比电极24均浸泡在电解液25中。

前述电池组块23由14块窄长电池9串联固定在柔性的电池连接件8上组成。

具体实施时，拉线16与镂空层15的连接点位于对应指节靠近指尖的一端。以图5和图6中小拇指的八条拉线与大拇指的九条拉线为例：手掌侧的小拇指第五拉线35与手背侧的小拇指第六拉线36固定于手指尖部；手掌侧的小拇指第四拉线34与小拇指第三拉线33固定于远节指尖关节处；手掌侧的小拇指第一拉线31、小拇指第二拉线32、手背侧的小拇指第七拉线37与小拇指第八拉线38固定于手指近节指间关节两侧。手掌侧的大拇指第一拉线26、大拇指第五拉线30、手背侧的大拇指第八拉线41与大拇指第九拉线42固定于大拇指尖部；手掌侧的大拇指第二拉线27、大拇指第三拉线28、手背侧的大拇指第六拉线39与大拇指第七拉线40固定于大拇指间关节处；手掌侧的大拇指第四拉线29固定于大拇指掌指关节处。前述电路与控制模块22安装在手套的手腕位置，通过控制电路通断控制手套带动手指完成指定动作。前述电池组块23安装在手套的小臂位置，为手套驱动提供能源。

在具体实施例中当所述患者进行康复训练或者需要完成生活动作时，所述患者穿戴所述康复手套，通过电路及控制元件模块22给特定所述人工肌肉通电，多条所述人工肌肉吸附电解液离子出现收缩，共同作用带动所述手套与所述患者人手完成训练或特定动作。除大拇指外四指驱动原理相同，以图5与图6中小拇指为例：手掌侧的小拇指第五拉线35对应肌肉通电则肌肉收缩带动指尖关节弯曲；手掌侧的小拇指第四拉线34与小拇指第三拉线33对应肌肉同时通电带动手指中间关节弯曲；手掌侧的小拇指第一拉线31与小拇指第二拉线32对应肌肉同时通电带动手指根部关节弯曲；手背侧的小拇指第六拉线36、小拇指第七拉线37与小拇指第八拉线38对应肌肉同时通电带动手指伸直与向手背伸展；手掌侧的小拇指第一拉线31与手背侧的小拇指第七拉线37对应肌肉同时通电带动手指摆向靠近拇指一侧；手掌侧的小拇指第二拉线32与手背侧的小拇指第八拉线38对应肌肉同时通电带动手指摆向远离拇指一侧。大拇指驱动原理：手掌侧的大拇指第二拉线27与手背侧的大拇指第六拉线39对应肌肉同时通电带动拇指向食指侧并拢；手掌侧的大拇指第一拉线26与手背侧的大拇指第九拉线42对应肌肉同时通电带动大拇指指尖关节弯曲；手掌侧的大拇指第二拉线27与大拇指第三拉线28对应肌肉同时通电带大动拇指中间关节弯曲；手掌侧的大拇指第四拉线29对应肌肉通电带动大拇指根部扣向掌心；手背侧的大拇指第七拉线40对应肌肉通电带动大拇靠向手背；手掌侧的大拇指第五拉线30与手背侧的大拇指第八拉线41对应肌肉同时通电带动大拇指伸直。

综上所述，本发明利用碳纤维电化学人工肌肉的体积优势，仿照人手结构的肌肉分布，在手套总体积远小于气动康复手套的前提下，每根手指布置了三到五条人工肌肉，能够带动手指完成几乎所有人手动作。因此本发明所述的康复手套不仅能更好的完成传统康复手套的复健动作，而且能帮助病人完成生活中所必须的动作，如握筷等，有效提高病人的生活能力。同时相比于气动肌肉需要搭配笨重气泵使用，本发明使用可USB充电的小型电池作为动力源，更加轻便便携。因此在康复医疗领域有极大的前景与市场。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，其特征在于，所述仿人手康复手套包括手套柔软内层；手套坚韧内层；手套封装内层；手套中间层；手套封装外层；手套坚韧表层；电池组块；电路及控制元件模块；所述手套封装内层贴合在手套中间层的内表面，所述手套封装外层贴合在手套中间层的外表面；手套封装内层与手套封装外层于手套手腕处密封，形成封闭腔体，用于封装电解液，防止电解液流出；所述手套坚韧表层覆盖在手套封装外层外表面，其外侧直接与外界接触，所述手套坚韧内层内侧与手套柔软内层外表面粘合，外侧与手套封装内层内侧粘合，用于保护手套内部结构，同时为手套提供恢复力；所述手套柔软内层外侧与手套坚韧内层粘合，内侧与人手直接接触，用于使手套贴合人手并给使用者提供舒适体验；所述手套中间层为手套封装内层与手套封装外层围成的腔体，所述手套中间层包含：镂空层；人工肌肉；拉线；电解液；三电极电路电极；所述镂空层为镂空硬质胶垫夹层，位于手套封装内层与手套封装外层形成的腔体中，其镂空间隙起到固定拉线及为拉线与人工肌肉提供正确的运动轨道的作用；所述人工肌肉为碳纳米纤维材料卷绕而成的碳纳米管电化学驱动人工肌肉，所述人工肌肉全部浸泡于手套中间层内的电解液中，一端与所述拉线相连，另一端与工作电极连接；所述拉线一端在手指位置固定于所述镂空层间隙中，另一端与所述人工肌肉相连；所述三电极电路的电极包括工作电极、参比电极、辅助电极，工作电极数量与人工肌肉数量相等，且与人工肌肉一一相连；其中参比电极、工作电极、辅助电极均浸泡在电解液中并与伸入中间层的电路相连；人工肌肉在通电收缩时对人手与手套各层做功，当人工肌肉断电后，手套各层与处于伸长状态的人工肌肉储存的弹性势能释放会将手套及手指恢复初始状态。

2.如权利要求1所述的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，其特征在于，手掌侧每根手指连接五条人工肌肉；手背侧除大拇指外每根手指连接三条人工肌肉，大拇指连接四条人工肌肉；每条人工肌肉连接一根拉线；手掌侧人工肌肉带动手套与手指完成各关节的弯曲动作；手背侧人工肌肉带动手套完成手指的伸直动作；两侧人工肌肉配合工作带动手套完成手指的张开与并拢动作。

3.如权利要求1所述的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，其特征在于，所述电池组块与电路与控制元件模块均位于手套封装外层与手套坚韧表层之间的夹缝中；其中电池组块位于手套靠近臂肘一侧的尾端，与电路与控制模块相邻，为手套的人工肌肉与控制系统提供电源；电路与控制模块位于手套小臂位置靠近手腕一端，两端分别与电池组块和手套中间层相邻，用来控制电池与中间层的电解液、三个电极相连组成人工肌肉的工作电路的通断。

4.如权利要求1所述的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，其特征在于，镂空层是镂空的硬质橡胶层，人工肌肉位于镂空层的细槽中，一端与工作电极连接，另一端与前述拉线连接；工作电极位于镂空层与电路与控制模块的连接处；电解液充满整个手套中间层。

5.如权利要求1所述的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，其特征在于，电池组块由14块窄长电池串联固定在柔性的电池连接件上组成。

6.如权利要求1所述的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，其特征在于，拉线与镂空层的连接点位于对应指节靠近指尖的一端。

7.如权利要求1所述的一种基于碳纤维电化学人工肌肉的仿人手康复手套，其特征在于，除拇指外四指拉线分布及驱动机理完全相同；手掌侧的小拇指第五拉线与手背侧的小拇指第六拉线固定于手指尖部；手掌侧的小拇指第四拉线与小拇指第三拉线固定于远节指尖关节处；手掌侧的小拇指第一拉线、小拇指第二拉线、手背侧的小拇指第七拉线与小拇指第八拉线固定于手指近节指间关节两侧；手掌侧的小拇指第五拉线对应肌肉通电则肌肉收缩带动指尖关节弯曲；手掌侧的小拇指第四拉线与小拇指第三拉线对应肌肉同时通电带动手指中间关节弯曲；手掌侧的小拇指第一拉线与小拇指第二拉线对应肌肉同时通电带动手指根部关节弯曲；手背侧的小拇指第六拉线、小拇指第七拉线与小拇指第八拉线对应肌肉同时通电带动手指伸直与向手背伸展；手掌侧的小拇指第一拉线与手背侧的小拇指第七拉线对应肌肉同时通电带动手指摆向靠近拇指一侧；手掌侧的小拇指第二拉线与手背侧的小拇指第八拉线对应肌肉同时通电带动手指摆向远离拇指一侧；手掌侧的大拇指第一拉线、大拇指第五拉线、手背侧的大拇指第八拉线与大拇指第九拉线固定于大拇指尖部；手掌侧的大拇指第二拉线、大拇指第三拉线、手背侧的大拇指第六拉线与大拇指第七拉线固定于大拇指间关节处；手掌侧的大拇指第四拉线固定于大拇指掌指关节处；手掌侧的大拇指第二拉线与手背侧的大拇指第六拉线对应肌肉同时通电带动拇指向食指侧并拢；手掌侧的大拇指第一拉线与手背侧的大拇指第九拉线对应肌肉同时通电带动大拇指指尖关节弯曲；手掌侧的大拇指第二拉线与大拇指第三拉线对应肌肉同时通电带大动拇指中间关节弯曲；手掌侧的大拇指第四拉线对应肌肉通电带动大拇指根部扣向掌心；手背侧的大拇指第七拉线对应肌肉通电带动大拇靠向手背；手掌侧的大拇指第五拉线与手背侧的大拇指第八拉线对应肌肉同时通电带动大拇指伸直。

Images