一種用于手部康復訓練的柔性外骨骼手套系統的制作方法

本發明屬于上肢外骨骼康復機器人領域，更具體地，涉及一種用于手部康復訓練的柔性外骨骼手套系統。

背景技術：

如今社會人口老齡化加重，由于中風等疾病引起的偏癱的人數越來越龐大，同時，由生產事故、交通事故等意外造成的肢體運動功能受損的人數也逐年增加。這些患者往往因肢體運動功能障礙而生活不能自理，給家庭和社會都帶來了不小負擔。機器人輔助康復訓練能夠節約大量的人力物力，并能夠對患者康復水平進行實時量化的評估，根據患者的康復狀況循序漸進的進行訓練。

軟體外骨骼康復手采用氣動可彎曲驅動器來輔助偏癱患者進行相應的手部功能性運動，例如抓握運動等，從而幫助患者進行康復訓練。軟體外骨骼康復手可以輔助并替代康復醫師進行繁重的康復訓練，顯著提高康復訓練的效率和效果，具有重要的意義。

公開號為cn105496728a的專利公開了一種用于手部運動功能康復的軟體機器人手套，該手套能夠輔助手部運動功能受損或者喪失的病患進行康復性訓練，但該裝置存在一定的缺點：1)采用電機驅動，電機帶動鋼絲繩進行運動，從而帶動患者手部運動，會產生很大的瞬間負載，可能會對患者造成二次傷害；2)采用鮑登線,僅僅是安裝在普通手套上，不能在康復訓練中保證外骨骼的關節的中心始終和患者手部的重合，會給患者帶來一定不舒適性，減少患者的康復效果；3)整個驅動裝置多為剛性元器件，質量偏重，不利于攜帶。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于手部康復訓練的柔性外骨骼手套系統，其穿戴簡單，與日常生活中穿戴手套類似，不需要專業人士進行指導，使用方便，患者可獨立完成手部功能運動訓練。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種用于手部康復訓練的柔性外骨骼手套系統，其特征在于，包括手指數據采集手套、決策驅動模塊和柔性外骨骼手套，其中，

所述手指數據采集手套包括第一手套本體及共同安裝在所述第一手套本體上的柔性傳感器和無線發送模塊，所述柔性傳感器用于測量手指彎曲角度和指尖壓力，并且所述柔性傳感器與所述無線發送模塊連接；

所述決策驅動模塊包括決策模塊和驅動模塊，所述決策模塊包括微控制器和與所述微控制器相連接的無線接收模塊，所述無線接收模塊與所述無線發送模塊通過無線網絡連接，以用于將手指彎曲角度和指尖壓力傳送給所述微控制器；所述驅動模塊包括模塊支撐架及共同安裝在所述模塊支撐上的氣泵和電氣比例閥，所述電氣比例閥與所述氣泵相連接；

所述柔性外骨骼手套包括第二手套本體以及安裝在所述第二手套本體背面的柔性彎曲驅動器，所述的柔性彎曲驅動器包含凱夫拉纖維線、硅膠管、玻璃纖維布和氣動密封接頭，所述硅膠管的橫截面呈弓形，所述玻璃纖維布粘貼在所述硅膠管的平底面并鋪滿該平底面，所述硅膠管和玻璃纖維布共同構成硅膠纖維管，所述凱夫拉纖維線以雙向螺旋纏繞的方式纏繞在所述硅膠纖維管的外側，所述硅膠管的一端設置有密封接頭，所述密封接頭與所述電氣比例閥連接；

所述微控制器根據手指數據采集手套采集的手指彎曲角度信息和指尖壓力信息控制電氣比例閥的開閉，從而控制硅膠管內的氣體壓力，進而控制所述硅膠纖維管的彎曲程度。

優選地，所述驅動模塊還包括消聲器、儲氣罐、油霧分離器、減壓閥和氣體過濾器，所述消聲器依次連接所述氣泵、儲氣罐、油霧分離器、減壓閥、氣體過濾器和電氣比例閥。

優選地，所述微控制器通過線纜連接有模式控制器。

優選地，所述柔性外骨骼手套還包括縫在所述第二手套本體上的柔性指尖套、柔性指節套和驅動器末端固定套，以用于固定柔性彎曲驅動器。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發明采用柔性外骨骼手套，與剛性外骨骼相比，能夠與患者的手更緊密的貼合，提高穿戴的舒適性；

2)本發明中采用柔性彎曲驅動器作為執行機構，其能夠改變自身形態來適應當前環境，不會對穿戴者的手部造成損傷，安全性高。

3)本發明中手指之間可以單獨運動也可以協調運動，提高患者手部康復訓練的效果和穿戴的舒適性。

4)本發明提供了多種康復訓練模式，增加康復訓練的多樣性。

附圖說明

圖1為本發明的整體示意圖；

圖2為本發明中柔性彎曲驅動器的結構示意圖；

圖3a～圖3c依次為硅膠套上不加玻璃纖維布和凱夫拉纖維線、只加玻璃纖維面、同時加玻璃纖維布和凱夫拉纖維線后充氣的示意圖；

圖4為本發明中柔性外骨骼手套的結構示意圖；

圖5為本發明中決策驅動模塊的內部結構示意圖；

圖6為本發明中手指數據采集手套示意圖；

圖7為本發明中驅動模塊連接柔性外骨骼手套的結構框圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

參照各附圖，一種用于手部康復訓練的柔性外骨骼手套系統，包括手指數據采集手套2、決策驅動模塊和柔性外骨骼手套5，其中，

所述手指數據采集手套2包括第一手套本體及共同安裝在所述第一手套本體上的柔性傳感器31和無線發送模塊33，柔性傳感器31的縱向沿所述第一手套本體的手指軸線方向一致，所述柔性傳感器31用于測量手指彎曲角度和指尖壓力，并且所述柔性傳感器31與所述無線發送模塊33通過導線32連接；

所述決策驅動模塊包括決策模塊4和驅動模塊1，所述決策模塊4包括微控制器24和與所述微控制器24相連接的無線接收模塊30，所述無線接收模塊30與所述無線發送模塊33通過無線網絡連接，以用于將手指彎曲角度和指尖壓力傳送給所述微控制器24；所述驅動模塊1包括模塊支撐架及共同安裝在所述模塊支撐上的氣泵21和電氣比例閥20，所述電氣比例閥20與所述氣泵21相連接；

所述柔性外骨骼手套5包括第二手套本體以及安裝在所述第二手套本體背面的柔性彎曲驅動器16，所述的柔性彎曲驅動器16包含凱夫拉纖維線7、硅膠管8、玻璃纖維布9和氣動密封接頭10，所述硅膠管8的橫截面呈弓形，所述玻璃纖維布9粘貼在所述硅膠管8的平底面并鋪滿該平底面，所述硅膠管8和玻璃纖維布9共同構成硅膠纖維管，所述凱夫拉纖維線7以雙向螺旋纏繞的方式纏繞在所述硅膠纖維管的外側，所述硅膠管8的一端設置有密封接頭10，所述密封接頭10與所述電氣比例閥20連接；其中“雙向螺旋纏繞的方式”是指凱夫拉纖維線7先以正旋的方式從硅膠纖維管的a端纏繞到b端，然后再以反旋的方式從硅膠纖維管的b端纏繞到a端；第二手套本體背面的柔性彎曲驅動器16在彎曲時，可以帶動患病手也跟隨著彎曲；

所述微控制器24通過線纜23與電氣比例閥20連接，所述微控制器24根據手指數據采集手套2采集的手指彎曲角度信息和指尖壓力信息控制電氣比例閥20的開閉，從而控制硅膠管8內的氣體壓力，進而控制所述硅膠纖維管的彎曲程度。

進一步，所述驅動模塊1還包括模塊內架19及共同安裝在所述模塊內架19上的消聲器22、儲氣罐28、油霧分離器25、減壓閥26和氣體過濾器27，所述消聲器22依次連接所述氣泵21、儲氣罐28、油霧分離器25、減壓閥26、氣體過濾器27和電氣比例閥20。

進一步，決策模塊1還包括鋰電池29，其中所述的鋰電池29通過電纜與微控制器24連接，為所述位處理芯片24提供電能。所述無線接收模塊通過線纜與微控制器24連接，將無線發送模塊的發送的數據傳輸給所述微控制器24。

所述消音過濾器22通過氣體軟管與氣泵21的進氣口相連接，所述氣泵21的排氣口通過軟管與所述儲氣罐28的入口相連接，所述儲氣罐28的排氣口通過軟管與所述油霧分離器25的進氣口相連接，所述油霧分離器25的排氣口通過軟管與所述減壓閥26的進氣口相連接，所述減壓閥26的排氣口通過軟管與所述氣體過濾器27的進氣口相連接，所述氣體過濾器27的排氣口通過軟管與所述電氣比例閥20的進氣口相連接，所述電氣比例閥20的排氣口通過氣體輸送軟管6與所述柔性外骨骼手套5中密封接頭10相連接，所述的氣泵21的電源通過電纜與決策模塊4的鋰電池29連接，為氣泵提供電能。鋰電池29能夠為整個柔性外骨骼手套提供電能，保持其持續運轉30分鐘，鋰電池可充電循環使用。

進一步，所述微控制器24通過線纜連接有模式控制器3。

進一步，所述柔性外骨骼手套5還包括縫在所述第二手套本體上的柔性指尖套14、柔性指節套15和驅動器末端固定套17，以用于固定柔性彎曲驅動器16；柔性指尖套14、柔性指節套15以及驅動器末端固定套17都通過縫線與柔性外骨骼手套的本體相連接本固定；柔性彎曲驅動器16的一端與柔性指尖套14連接，另一端與驅動器末端固定套17連接，其中間部分與柔性指節套15連接。

參照圖3a～圖3c，其中圖3a示出了硅膠管8外側不加任何其它材料約束，向內腔里面充氣，其會沿著軸向伸長和沿著徑向膨脹。其中圖3b示出了硅膠管8的平底面上以雙螺旋線的形式纏繞凱夫拉纖維線7，再向內腔里面充氣，凱夫拉纖維線7會限制其沿著徑向膨脹，造成柔性驅動器只能沿著軸向伸長。其中圖3c示出了在硅膠管8平底面貼玻璃纖維布和在外部以雙向螺旋纏繞的方式纏繞凱夫拉纖維線7，則玻璃纖維布9不能拉伸，它會限制柔性驅動器的底部伸長，柔性驅動器在充氣的狀態下，其軸線上部的伸長量比軸線下部伸長量大，因此就會形成彎曲狀態，這樣可以帶動患病手指進行康復訓練。同時，由于采用了硅膠軟材料，在和手指進行力交互時，會改變自身的形態來適應患者的手指骨骼結構，不會對患者造成二次傷害。

在使用本發明的柔性外骨骼手套5進行手部康復訓練，當患者選擇主動康復模式時，手部功能障礙患者將手指數據采集手套2戴在健康的手上作為康復訓練的主動端，穿戴在手部運動障礙患者的患病手上的柔性外骨骼手套5作為從動端，柔性傳感器31采集主動端的五根手指關節角度信息，通過無線方式將其發送到決策模塊4，決策模塊4中的微控制器24根據主動端的手指角度信息和指尖壓力信息來控制電氣比例閥20的開度，從而控制輸入硅膠管8內的氣體流量，而控制硅膠管8內的氣壓，驅動模塊1中有五個電氣比例閥20，每一個電氣比例閥20對應柔性外骨骼手套5的每一根柔性彎曲驅動器，電氣比例閥20控制每個柔性彎曲驅動器的內腔氣體壓力值，控制每個柔性彎曲驅動器的屈和伸，柔性外骨骼手套2通過指尖套和指節套來保持柔性彎曲驅動器與患病手的相對固定，帶動患者做出和主動端相一致的手指運動，實現手部運動功能障礙患者的主動康復訓練。

當患者進行被動模式訓練時，不需要佩戴手指數據采集手套2，通過模式控制器3上的按鈕來選擇不同的訓練模式，模式控制器3通過微控制器24控制電氣比例閥20，可以有握拳訓練、抓球訓練、指尖接觸訓練和抓卡片訓練等多種康復訓練模式，模式控制器3上面的液晶屏幕顯示關鍵的信息，如電池電量、訓練模式、訓練時長、指尖壓力等。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。