CN116000902B - 一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置，所述驱动装置包括腔体、设置在腔体内的骨架和多个限制结构，所述腔体内设有多个气腔，所述气腔沿着腔体的长度方向依次排列，每个气腔均独立通过气管连接驱动气源，所述骨架位于腔体内部且位于气腔的外部，所述限制结构固定在所述腔体外部的一侧。与现有技术相比，本发明的多气腔变刚度软体机器人驱动装置可针对特定的关节作强化式康复训练，康复效果更佳。

Description

一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置及其应用

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置及其应用。

背景技术

人类通过双手来感知以及活动，尤其是手掌，对于人们的日常生活极其重要。但是，当手指受伤或者脑梗患者，会导致手功能障碍，影响生活质量。临床证明，在患者肢体损伤后的早期康复期间，连续实施被动运动可以补偿患者主动运动的不足，增大其肢体活动度，同时减少相应的并发症，因此，市面上出现大量的辅助型康复医疗器械。

现有的多气腔变刚度软体机器人驱动装置，大多实现五指集体屈伸单一驱动，少数实现了手指独立驱动，但是都无法针对某一个或某几个指关节独立驱动，进行个性化的康复训练，从而影响治疗效果。

因此，本领域急需一种针对单关节独立驱动的多气腔变刚度软体机器人驱动装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置，所述驱动装置包括腔体、设置在腔体内的骨架和多个限制结构，所述腔体内设有多个气腔，所述气腔沿着腔体的长度方向依次排列，每个气腔均独立通过气管连接驱动气源，所述骨架位于腔体内部且位于气腔的外部，所述限制结构固定在所述腔体外部的一侧

在第一方面的一种实施方式中，每根所述气管上均设有气阀，所述驱动装置包括用于驱动气阀开关的控制器。

在第一方面的一种实施方式中，所述气腔的数量与所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置对应的手指的关节数量相同。

在第一方面的一种实施方式中，所述限制结构的材料为可弯曲但限制伸缩的材料。

在第一方面的一种实施方式中，所述腔体的材料为可伸缩的柔性材料。

在第一方面的一种实施方式中，所述骨架的材料为刚性材料。

在第二方面，本申请还提供所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置用于驱动上肢、下肢中关节的运动，或者所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置用于制成仿生手。

在第二方面的一种实施方式中，所述上肢中关节包括肩关节、肘关节、腕关节或指关节中的一种或多种。

在第一方面的一种实施方式中，所述下肢中关节包括髋关节、膝关节或踝关节中的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的多气腔变刚度软体机器人驱动装置可针对特定的关节作强化式康复训练，即可以正压驱动关节弯曲，负压驱动关节伸直，康复效果更佳，跟人手指的贴合度更好，人机交互体验更佳。

附图说明

图1为实施例1中康复手套的结构示意图；

图2为图1中A-A截面示意图；

图3为图1中B-B截面示意图；

图4为图1中C-C截面示意图；

图5为康复手套在运行时的结构示意图。

在附图中，1为手套，2为腔体，3为气腔，4为气管，5为限制结构，6为骨架，7为气道

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。

传统的多气腔变刚度软体机器人驱动装置都是针对一根手指甚至一只手作整体的驱动，无法针对某个或某几个关节作加强性训练，从而影响康复的针对性。本申请之目的在于提供一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置，所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置包括腔体、设置在腔体内的骨架和多个限制结构，所述腔体内设有多个气腔，所述气腔沿着腔体的长度方向依次排列，每个气腔均独立通过气管连接驱动气源，所述骨架设置在气腔的外侧，所述限制结构固定在所述腔体的一侧。在本申请中，气腔的数量与需要驱动的关节数量相同，比如要驱动大拇指，大拇指上有两个关节，即需要设置两个气腔；需要驱动食指，其具有三个关节，就需要3个气腔。同理，若需要驱动上肢，包含肩关节、肘关节、腕关节，那就需要3个气腔，下肢也一样。对于手指的驱动装置，每一根限制结构的位置与一个气腔的位置相匹配，因为指骨比较短，不需要很长的限制结构，该驱动装置的弯曲也不会过分压迫指骨。对于上肢、下肢来说，限制结构、气腔都不需要太长，和关节的位置对应即可，关节两侧的骨骼处无需设置气腔和限制结构。以手指上的多气腔变刚度软体机器人驱动装置为例描述该驱动装置的工作原理：当需要整根手指作康复训练时，所有气腔全部充气，所有气腔径向膨胀或者轴向伸长；由于骨架的存在限制了气腔的径向膨胀，从而使得整个腔体只能均匀伸长，又由于限制结构的存在，腔体的一个侧面无法伸长，导致在同一截面上，部分腔体伸长，部分腔体不能伸长，因此腔体会呈现弯曲的状态。当需要对某个关节作针对性康复训练时，只需向特定的气腔内充气即可，此时，只有一节腔体会伸长，同样由于限制结构的存在，该节腔体会弯曲，而其余部分的腔体基本保持原样，这样，只有某一个关节会随着腔体进行弯曲，起到针对性治疗的目的。

在本申请中，所用的驱动气源可以选择充气用的气泵，也可选用抽气用的真空泵，或者充气抽气一体的装置。

在一种具体实施方式中，每根所述气管上均设有气阀，所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置包括用于驱动气阀开关的控制器。

在一种具体实施方式中，所述气腔的数量与所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置对应的手指的关节数量相同。

在一种具体实施方式中，所述限制结构的材料为可弯曲但限制伸缩的材料，比如可以选择工程塑料、尼龙、纤维布中的一种。

在一种具体实施方式中，所述腔体的材料为可伸缩的柔性材料，比如可选择硅胶、橡胶或PVC中的一种。

本申请还提供上述驱动装置的应用，所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置用于驱动上肢、下肢中关节的运动，或者所述多气腔变刚度软体机器人驱动装置用于制成仿生手。

所述上肢中关节包括肩关节、肘关节、腕关节或指关节中的一种或多种；

所述下肢中关节包括髋关节、膝关节或踝关节中的一种或多种。

例如，将该驱动装置用于制成康复手套，所述康复手套中至少包含1个如上所述驱动装置。优选，5个手指都设有如上所述驱动装置。

在一种具体实施方式中，所述康复手套包括手套，所述驱动装置的腔体与手套固定，使用时，手指插入手套中，且手指与所述气腔的延伸方向相同。

实施例

下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种康复手套，其结构如图1～图4所示，包括一副五指手套1，在手套1的每个手指的一侧固定一个多气腔变刚度软体机器人驱动装置。该驱动装置包括腔体2和多个气腔3，每个气腔3的前端封闭，末端设置气道7，并通过气管4连接驱动气源，在气道7的末端可设置插接头，便于气管的插接(图上未显示插接头)。在气管4上设置气阀，气阀受控制器控制(图上未显示气阀、驱动气源和控制器)。其中，大拇指对应的驱动装置设有2个气腔3，其他四根手指对应的驱动装置设有3个气腔3，且在同一个驱动装置中，所有气腔3沿着手指长度方向依次排列，且位置与手指上的关节相对应(本发明中的关节包括手指与手掌之间连接的关节)。在腔体2外侧与手套1固定的这一侧面，设有2节或3节限制结构5，限制结构5的位置与气腔3位置相对应(大拇指对应的驱动装置设有2节限制结构5，其他四根手指对应的驱动装置设有3节限制结构5)。在腔体2内还安装有限制腔体2径向膨胀的骨架6，骨架6呈环状设置在气腔3的外部。腔体2所用的材料为硅胶，具有一定的延展性能(弹性)，骨架6采用铝合金，限制结构5采用工程塑料。

使用时，使用者的五根手指分别穿入手套1的五个指套中。本实施例的康复手套的工作原理如下(以食指为例作说明)：

当整根手指需要作同步弯曲时，同时打开三个气腔3对应的气阀，即驱动气源同时向三个气腔3内充气。三个气腔3同时膨胀或伸长，由于骨架6的存在，腔体2无法径向膨胀(即无法变粗)，整个腔体2只能伸长。同时，由于限制结构5的存在，与限制结构5固定处的腔体2没法伸长，这就使得在同一截面上，腔体2的一侧无法伸长，其他部分伸长，因此腔体2整体向无法伸长的一侧弯曲，从而驱动食指整体进行弯曲。若五根手指都按上述原理进行弯曲，则可完成摊开手掌以及握拳两种状态之间的切换。

当对食指前端的两个关节作针对性康复时(即食指与手掌连接处的关节不需要康复)，则只对前端两个气腔3进行充气。此时，腔体2的前端伸长，后端不动，而前端同样因为限制结构5的存在，可以使得腔体2前端弯曲，而后端保持平直，如图5所示，而前端的弯曲，就能对食指前端的两个关节进行针对性的驱动。若五根手指都按上述原理进行弯曲，则可完成摊开手掌以及爪型手两种状态之间的切换。

若将驱动气源从气泵(充气)换成抽真空泵(抽气)，将限制结构5的材质换成工程塑料(即不能缩短)，则可实现关节的反向弯曲，原理与上一致。

实施例2

一个用于下肢的康复器械，其包括腔体，在腔体内沿其轴向设置三个气腔，三个气腔的位置分别对应髋关节、膝关节和踝关节，每个气腔的一端封闭，另一端通过气管连接驱动气源。在每个气腔的外部设有用于限制腔体径向膨胀的骨架，且每个气腔对应两个限制结构，限制结构设置在腔体的外部的一侧。在腔体外部还设置固定结构，如绑带等，可在使用时使得腔体固定在使用者的下肢上。腔体的大小可根据使用者的实际情况进行定制。

该下肢康复器械拥有三个可以独立控制的气腔，分别用于单独驱动髋关节、膝关节和踝关节，每个关节弯曲的原理与实施例1相同。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。

Claims (4)

1.一种多气腔变刚度软体机器人驱动装置，其特征在于，所述驱动装置用于制成针对关节作强化式康复训练的康复器，所述驱动装置包括腔体、设置在腔体内的骨架和多个限制结构，所述腔体内设有多个气腔，所述气腔沿着腔体的长度方向依次排列，所述气腔的数量与所述驱动装置对应的关节数量相同，每个气腔均独立通过气管连接驱动气源，所述驱动气源为充气抽气一体的气源装置，所述骨架位于腔体内部且位于气腔的外部，所述骨架的材料为刚性材料，所述限制结构固定在所述腔体外部的一侧，且所述限制结构的材料为可弯曲但限制伸缩的材料。

2.如权利要求1所述的多气腔变刚度软体机器人驱动装置，其特征在于，每根所述气管上均设有气阀，所述驱动装置包括用于驱动气阀开关的控制器。

3.如权利要求1所述的多气腔变刚度软体机器人驱动装置，其特征在于，所述腔体的材料为可伸缩的柔性材料。

4.如权利要求1所述的多气腔变刚度软体机器人驱动装置，其特征在于，所述关节包括肩关节、肘关节、腕关节、指关节、髋关节、膝关节或踝关节中的一种或多种。