CN116872187A - 一种助力手套 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种助力手套，涉及康复医疗器械技术领域，包括：使用拉索驱动的手套本体、热驱动聚合物纤维拉伸执行器、袖套、电源接口以及控制器。热驱动聚合物纤维拉伸执行器设置在袖套上，一端与手套本体上的拉索在手腕处连接，另一端连接于袖套手肘端上，热驱动聚合物纤维拉伸执行器两端设有导电材料管并引出导线连接于电源接口，电源接口连接于电源，用于为热驱动聚合物纤维拉伸执行器供电，控制器用于控制电源接口从电源所获得的的电力通断以及生成脉宽调制信号控制热驱动聚合物纤维拉伸执行器的收缩和伸展程度。本申请能够减轻助力手套的重量，并提升助力手套穿戴部分的柔性，从而提升助力手套的使用体验。
Description
技术领域
本发明设涉及手部康复助力设备，尤其涉及一种助力手套。
背景技术
手是人类进行日常生活活动和劳动生产的重要身体部位，是人类进行手工艺、工业生产、农业生产、运动、娱乐等活动的重要工具。手的正常运动是人类生活的基本要求，但是由于各种原因，如工作、生活、运动等活动过度，或者由于疾病、意外等原因，使得人的手部受到损伤，会导致手部功能障碍，使得人的日常生活和工作受到严重影响。因此，人们对于手部功能障碍的康复有着极为迫切的需求。
为了恢复手部的日常功能，一般都通过手部康复助力设备来协助手部实现或恢复人体的日常功能，但是，现有技术中的手部康复助力设备，如中国发明公开专利CN111843992 A，大多采用电机驱动或气泵作为动力，电机和气泵作为刚性结构，与人体柔软的结构相冲突，易造成穿戴的不适，同时，电机和气泵工作时的噪音也较大，易对使用者造成困扰，更多的，使用气泵还需要在手指布置庞大的屈伸传动机构，其结构非常的复杂，穿戴也很不方便，还会使得手部无法紧握而不能实现全范围的运动。
发明内容
鉴于以上背景，本发明提供一种基于热驱动聚合物纤维拉伸执行器的助力手套，主要目的是为了减轻助力手套的重量，并提升助力手套穿戴部分的灵活性，提高助力手套的使用效率。
为实现本发明目的，本发明提供的一种助力手套，包括拉索驱动的手套本体、热驱动聚合物纤维拉伸执行器、用于安放热驱动聚合物纤维拉伸执行器的袖套、电源接口、传感器以及控制器，其中，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器设置在袖套上，一端与手套本体上的拉索在手腕处连接，另一端连接于袖套手肘端上，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器两端均设置有导电材料管并引出导线连接于所述电源接口，所述电源接口用于连接电源，用于为热驱动聚合物纤维拉伸执行器供电；所述控制器用于控制电源输送至电源接口的电力通断以及生成脉宽调制信号，进而控制热驱动聚合物纤维拉伸执行器的收缩和伸展程度。所述传感器布置于手指上，所述传感器用于监测手指的弯曲程度，并将信息发送至控制器。所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器通电时，热驱动聚合物纤维拉伸执行器能够加热，使热驱动聚合物纤维拉伸执行器收缩，当热驱动聚合物纤维拉伸执行器断电后，热驱动聚合物纤维拉伸执行器的温度缓慢降低，无法实现快速的伸展；所述控制器包括上位机及开关电路，开关电路用于控制电源到电源接口电流的通断，并受到上位机的控制，所述上位机输出脉宽调制信号控制开关电路的通断，从而控制热驱动聚合物纤维拉伸执行器的收缩和伸展；传感器将收集的物理量发送到控制器的上位机，上位机将物理量转换为手指的形态并发送控制信号至开关电路，开关电路根据控制信号控制电路通断以控制所述热驱动聚合物纤维执行器的发热量，进而控制所述热驱动聚合物人造肌肉伸展以及收缩。
进一步优化的，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器为多个，多个所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器分别设置于所述袖套上。
进一步优化的，多个所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器分别固定于袖套的手掌侧和手背侧。
进一步优化的，手套本体的每个手指上均设置有指尖套、固定环，手掌和手背侧均设置有手部固定管路，指尖套环套于指尖处，内埋有拉索可穿过的线管，固定环套设在手指处，拉索嵌入指尖套且依次穿过固定环和手部固定管路，并延伸至手腕部。优选地，所述手套本体每个手指的三个关节位置上分别设有指尖套、第一固定环和第二固定环，以及手套的手掌部分设有手部固定管路，指尖套环套于指尖处，内埋有拉索可穿过的线管，第一、第二固定环为线孔环，上开有小孔，线管从指尖套引出，穿过第一固定环，再穿过第二固定环，最后穿过手部固定管路延伸至手腕部。
进一步优化的，所述袖套的一端固定于前臂手腕处，另一端固定于手肘关节处，袖套肘关节端设有多个热驱动聚合物纤维拉伸执行器的固定孔，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器通过所述固定孔固定于袖套上。
进一步优化的，所述袖套固定于肘关节的一端设有一个固定带，所述固定带可以前后连接成为固定环并控制松紧，所述固定环通过两条连接带与袖套相连接，并且越过肘关节与大臂的肘关节端相连接。
进一步优化的，所述袖套上设有用于隔绝热驱动聚合物纤维拉伸执行器发热的隔热层。
进一步优化的，所述袖套的手肘端设有固定环稳定带，所述固定环稳定带为没有弹性的柔性片状材料，紧贴于袖套上，通过袖套手肘端的连接带与固定带相连接，固定稳定带上安装有硬质固定环用于连接热驱动聚合物纤维执行器。
进一步优化的，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器由聚合物纤维制成，经过扭绕和热处理，受热会产生收缩。
进一步优化的，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器的表面具有金属镀层或外绕电阻材料，通电可以发热。
进一步优化的，还在袖套上安装风扇，用于为热驱动聚合物纤维拉伸执行器降温。
进一步优化的，还在手套本体的手背侧设有热驱动聚合物纤维拉伸执行器或者具有弹性的材料来形成拮抗对拉。
与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：
（1）本发明提供了一种助力手套，通过对热驱动聚合物纤维拉伸执行器通断电可以实现对热驱动聚合物纤维拉伸执行器温度的控制，以使热驱动聚合物纤维拉伸执行器收缩，以完成手套本体的弯曲或伸展动作，进而实现对人体手部的助力作用，能够为需要恢复手部功能的患者提供康复辅助和生活助力。
（2）本发明能够简化助力手套的结构，减轻助力手套的重量，提高其穿戴舒适性。
（3）本发明提供的助力手套结构简单，穿戴也很方便。
附图说明
图 1 为本发明一种实施例提供的助力手套的手套部分的结构示意图。
图 2 为本发明一种实施例提供的助力手套的袖套部分结构示意图。
图 3 为本发明一种实施例提供的助力手套的控制框图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效 ，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的助力手套其具体实施方式、结构、特征及其功效， 详细说明如后。
如图 1、图 2 所示，本发明提供的一种由热驱动聚合物纤维拉伸执行器（Thermally-powered polymer fiber tensile actuator）作为驱动器的助力手套，包括手套本体 1、袖套 9 、热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 、控制器（附图3中上位机与开关电路共同组成）、电源接口（图中略）以及传感器18。其中，热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14一端通过线缆15与手套拉索3相连接，另一端固定于袖套9上安装的固定孔 13 。热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 两端都安装有铜管 17 用于与电源进行连接以使热驱动聚合物纤维拉伸执行器14导电。
其中，手套本体1采用手套状结构，由柔性低弹布料制成，例如纺布材料。手套本体1包括手掌部分和五个手指部分。使用时，使用者将手部穿戴在手套本体1内，以此对手部进行保护。
其中，热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 是将聚合物纤维材料制成的丝线通过扭绕以及热处理制作成的热驱动人工肌肉。在一些实施例中，热驱动聚合物纤维拉伸执行器14 由镀银尼龙丝线制成，热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 在通电时，其镀银层会发热，其长度会发生缩短，具体的，当热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 的温度升高时，热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 的长度将会收缩；当热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 的温度降低时，热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 的长度将会恢复，本发明利用热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 的伸缩特性来实现手套本体 1 的抓取和伸展动作，以实现对人体手部的助力作用。
其中，每个热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 可以由一根镀银尼龙线经过卷绕后热处理而成，丝体两端加有铜管 17 并引出导线，导线接口可以设计为可拔插结构，如USB接口等，以方便连接于电源。
本发明实施例提供了一种助力手套，用于减轻助力手套的重量、简化其结构以及提升其柔性，使其穿戴更加舒适方便，目前，对于手部康复，一般采用手部康复助力设备来协助手部实现或恢复人体的日常功能。然而，现有技术中的手部康复助力设备通常采用电机驱动或气泵作为动力，需要使用笨重的外部设备，这些设备结构非常复杂，穿戴也很不方便或者无法全部穿戴在人体上。与现有技术相比，本发明实施例提供的康复助力手套包括手套本体 1 、热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 、袖套 9 、控制器以及传感器 18 ，其中，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 沿所述袖套 9 并排布置，一端连接于袖套的固定孔 13 上，另一端通过线缆 15 与手套的拉索 3 相连接，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 通过铜管 17 引出导线连接电源接口（图中略），所述电源接口用于连接电源（图中略），以使所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 通电，本实施例提供对热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 通断电可以实现对热驱动聚合物纤维拉伸执行器温度的控制，以使热驱动聚合物纤维拉伸执行器 14 收缩，以完成手套本体 1 手指部分的弯曲或伸展动作，进而实现对人体手部的助力作用，并且本实施例中助力手套的结构简单，穿戴也很方便。
在一些实施例中，热驱动聚合物纤维拉伸执行器14有多个，多个热驱动聚合物纤维拉伸执行器14分别设置于袖套9上，并连接于固定孔13。本实施例中，手套本体1上具有五根手指，每个手指上的手背侧以及手掌侧都可以分别连接一根或多根热驱动聚合物纤维拉伸执行器14，这样在对一侧的一根或多个热驱动聚合物纤维拉伸执行器14进行通电加热后，助力手套可以实现五根手指的弯曲抓取或者伸展动作，当然，除了可以在全部的五根手指上都设有热驱动聚合物纤维拉伸执行器14外，还可以单独在部分手指上连接热驱动聚合物纤维拉伸执行器14，例如：可以在大拇指、食指以及中指连接热驱动聚合物纤维拉伸执行器，驱动这三个手指已经可以完成大部分日常任务，以及可以单独为某一根手指连接热驱动聚合物纤维拉伸执行器，其设置方式可以具有多种，在此不作具体限定，其中，多个热驱动聚合物纤维拉伸执行器14可以沿直线、近似直线或者在外部限制条件弯曲布置。
在一些实施例中，所述手套本体1除大拇指外每个手指的三个指节以及手掌和手背位置上分别设有指尖套6、第一固定环8、第二固定环7和掌部固定管路2，所述拉索3嵌入所述指尖套6上、穿过所述第一固定环8、所述第二固定环7上的穿线孔和掌部固定管路2，大拇指由于其特殊性，没有第二固定环7。指尖套6可以稳定地将拉索3所受的力传导到指尖，第一固定环8、第二固定环7以及掌部固定管路2可以避免拉索与手套本体1相脱离以及能够按照预定的线路移动，其中，指尖套6、第一固定环8、第二固定环7可以通过3D打印制造或硅胶制造，外有魔术贴加固，以保证制成强度。本实施例中，指尖套6可以设置在手套本体1的指尖处，第一固定环8可以设置在手套本体1的指中指节处，第二固定环7可以设置在手套本体1的指根指节处，当手部穿戴至手套本体1内时，手指可以依次穿过对应的第二固定环7、第一固定环8和指尖套6。
在一些实施例中，上述的助力手套还包括袖套9，所述袖套9的一端通过前端固定条16固定于手腕处，另一端，所述袖套9位于前臂靠近手肘关节处，所述袖套9在这一端连接有固定条连接带11，固定条连接带11另一端连接有后端固定条12，固定条连接带11在穿戴时越过手臂肘关节处，后端固定条12固定于大臂前端，该种连接方式利用了肘关节特点固定袖套，可使袖套穿戴稳固。所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器14近似平行排列于所述袖套9上，一端连接手套本体1上的拉索3，另一端连接袖套9上的固定孔13，固定孔13由硬质材料环，嵌入袖套9中。本实施例中，袖套9与手套本体1之间可以为一体成型结构，也可以为分体式结构，可以通过按压扣等方式连接也可以不连接，在此不作具体限定，其中，袖套9同样可以由弹性纺织材料材质制成；另外，袖套9的手肘端设有孔位稳定条10，孔位稳定条10由没有弹性的纺织材料制成，并缝制于袖套9上，结合固定条连接带11以及后端固定条12，可以使固定孔13与袖套9不做相对移动。其中，前端固定条16以及后端固定条12可以由魔术贴或搭扣等各种方式固定，在此不做限制。
当上述的热驱动聚合物纤维拉伸执行器14通电时，热驱动聚合物纤维拉伸执行器14能够快速加热，使热驱动聚合物纤维拉伸执行器14可以快速收缩，但是当热驱动聚合物纤维拉伸执行器14断电后，热驱动聚合物纤维拉伸执行器14的温度降低较慢，无法实现快速的伸展。为了实现热驱动聚合物纤维拉伸执行器14的快速伸展，在一些实施例中，可在袖套9上安装风扇来帮助热驱动聚合物纤维拉伸执行器14快速冷却，还可以在手背侧也设有热驱动聚合物纤维拉伸执行器14或者其它具有弹性的材料来形成拮抗对拉来快速回复。
在一些实施例中，上述的助力手套还包括设置在手指上的传感器18以及外部的控制器(附图中上位机与开关电路共同组成)，传感器18用于将收集的物理量发送到上位机，上位机将物理量转换为手指的形态并发送控制信号至开关电路，开关电路根据控制信号控制电路通断以控制所述热驱动聚合物纤维执行器14的发热量，进而控制所述热驱动聚合物人造肌肉伸展以及收缩。其中，传感器18可以是弹性应变传感器、惯性测量单元等各种将手指位置转换为可供分析物理量的装置。
可采用不同的材料制造扭绕式人造肌肉，以适应不同的使用场景和需求；
可为手套设计不同的拉索驱动方案（如只驱动特定手指、一个执行驱动两根手指等以实现不同的助力操作；
在一些实施例中，可采用不同的控制系统和算法，如采用不同的单片机作为上位机或者使用电脑作为上位机，采用肌电检测、语音识别等系统检测使用者意图，采用互补滤波算法、卡尔曼滤波算法等处理传感器信号，以实现更为精确和灵活的控制方式。
本发明实施例提供了一种助力手套，用于简化助力手套的结构，使其穿戴更加方便，而现有技术中，一般都通过手部助力设备来协助手部实现或恢复人体的运动机能，但是现有技术中的手部助力设备大多采用电机驱动作为动力，并且还需要采用笨重的外部设备，其结构非常的复杂，穿戴也很不方便。与现有技术相比，本发明实施例提供的康复助力手套包括手套本体1、热驱动聚合物纤维拉伸执行器14、袖套9、控制器（附图3中单片机与开关电路共同组成）以及传感器18，其中，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器14一端与拉索3连接于手腕处，另一端连接于前臂上端，并固定于袖套9上，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器14连接于所述电源接口（图中未示出），所述电源接口用于连接电源（图中未示出），以使所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器14导电，本实施例提供对热驱动聚合物纤维拉伸执行器14通断电可以实现对热驱动聚合物纤维拉伸执行器温度的控制，以使热驱动聚合物纤维拉伸执行器收缩，以完成手套本体1的弯曲或伸展动作，进而实现对人体手部的助力作用，并且本实施例中助力手套的结构简单，穿戴也很方便。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种助力手套，其特征在于，包括拉索驱动的手套本体、热驱动聚合物纤维拉伸执行器、用于安放热驱动聚合物纤维拉伸执行器的袖套、电源接口、传感器以及控制器，其中，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器设置在袖套上，一端与手套本体上的拉索在手腕处连接，另一端连接于袖套手肘端上，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器两端均设置有导电材料管并引出导线连接于所述电源接口，所述电源接口用于连接电源，用于为热驱动聚合物纤维拉伸执行器供电；所述控制器用于控制电源输送至电源接口的电力通断以及生成脉宽调制信号，进而控制热驱动聚合物纤维拉伸执行器的收缩和伸展程度；所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器通电时，热驱动聚合物纤维拉伸执行器能够加热，使热驱动聚合物纤维拉伸执行器收缩，当热驱动聚合物纤维拉伸执行器断电后，热驱动聚合物纤维拉伸执行器的温度缓慢降低，无法实现快速的伸展；所述控制器包括上位机及开关电路，开关电路用于控制电源到电源接口电流的通断，并受到上位机的控制，所述上位机输出脉宽调制信号控制开关电路的通断，从而控制热驱动聚合物纤维拉伸执行器的收缩和伸展；传感器设在手套本体的手指上，所述传感器用于监测手指的弯曲程度，并将信息发送至控制器；传感器将收集的物理量发送到控制器的上位机，上位机将物理量转换为手指的形态并发送控制信号至开关电路，开关电路根据控制信号控制电路通断以控制所述热驱动聚合物纤维执行器的发热量，进而控制所述热驱动聚合物人造肌肉伸展以及收缩。
2.根据权利要求 1 所述的一种助力手套，其特征在于，所述的热驱动聚合物纤维拉伸执行器有多个，沿小臂方向布置于袖套上，一端与手套本体上的拉索在手腕处连接，另一端连接于袖套手肘端的固定孔上。
3.根据权利要求1所述的一种助力手套，其特征在于，手套本体的每个手指上均设置有指尖套、固定环，手掌和手背侧均设置有手部固定管路，指尖套环套于指尖处，内埋有拉索可穿过的线管，固定环套设在手指处，拉索嵌入指尖套且依次穿过固定环和手部固定管路，并延伸至手腕部。
4.根据权利要求1所述的一种助力手套，其特征在于，多个所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器固定于所述袖套的正侧或背侧，或同时布置形成拮抗作用，相应位于手掌侧的热驱动聚合物纤维拉伸执行器驱动手指屈曲，相应位于手背侧的热驱动聚合物纤维拉伸执行器驱动手指伸展。
5.根据权利要求1所述的一种助力手套，其特征在于，所述袖套的一端用于固定在前臂手腕处，另一端用于固定在肘关节处，袖套肘关节端设有多个用于固定热驱动聚合物纤维拉伸执行器的固定孔，所述热驱动聚合物纤维拉伸执行器通过所述固定孔连接于袖套上。
6.根据权利要求5所述的一种助力手套，其特征在于，所述袖套固定于肘关节的一端设有固定带，所述固定带连接形成固定环并控制其松、紧，所述固定环通过连接带与袖套相连接，并且越过肘关节与大臂的肘关节端相连接。
7.根据权利要求6所述的一种助力手套，其特征在于，所述袖套的肘关节端设有固定环稳定带，紧贴于袖套上，通过连接带与固定带相连接。
8.根据权利要求1所述的一种助力手套，其特征在于，所述袖套上设有用于隔绝热驱动聚合物纤维拉伸执行器散发出热量的隔热层。
9.根据权利要求1~8任一项所述的一种助力手套，其特征在于，还在袖套上安装风扇，用于为热驱动聚合物纤维拉伸执行器降温。
10.根据权利要求1~8任一项所述的一种助力手套，其特征在于，还在手套本体的手背侧设有热驱动聚合物纤维拉伸执行器或者具有弹性的材料来形成拮抗对拉。
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