一种柔性手部康复外骨骼及其控制方法

1.本发明属于康复医疗器械技术领域，具体指一种柔性手部康复外骨骼及其控制方法。


背景技术：

2.世界卫生组织估计，每年都有数百万人患中风疾病，中风疾病会引起手部功能障碍，手在日常生活的正常活动中起着重要的作用，手功能障碍会严重影响患者的日常生活。手部康复训练可以减轻手指的僵直状态，增加手指关节灵活程度、促进血液循环、恢复手指肌肉活性，能有效促进患者手部功能的康复。
3.现有的手部康复外骨骼装置主要分为两类：刚性装置和柔性装置。刚性装置主要由刚性连杆机构和齿轮齿条机构等构成，虽然刚性装置目前结构较为完善，可以进行精确的运动控制，但由于其结构复杂，刚性性质，容易让患者佩戴时感到不舒适，产生抵触情绪，严重的还可能对患者产生二次伤害。柔性装置主要通过气体压力改变软质驱动器内部空腔的压强，使软质驱动器产生弯曲，利用模具和硅橡胶浇筑静置成型，具有制作简单、成本低、安全、重量轻等优点。但现有的多数柔性手部康复外骨骼还普遍存在一些不足，比如：1）康复活动功能太少，仅实现手指的屈曲伸展，缺乏对五根手指外展内收功能的训练；2）缺乏对拇指多自由度的训练。


技术实现要素：

4.为解决现有技术上的不足，本发明提供了一种柔性手部康复外骨骼及其控制方法，通过外部电机拉动线绳，对手指进行牵引，实现对手指外展内收功能的训练；拇指外展内收驱动器带动拇指，实现拇指外展内收功能的训练，拇指掌骨内外旋驱动器带动拇指，实现拇指内外旋功能的训练，实现拇指的多自由度训练。
5.为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种柔性手部康复外骨骼，主要包括：手指驱动装置、拇指掌骨内外旋驱动器、拇指外展内收驱动器、四指外展内收驱动线绳、四指外展限位线绳、手背壳体、手背壳体护罩、弹性松紧带、转轴连接件、拇指掌骨背壳。
6.作为优选，手背壳体上设有定位小滑轮、四指气路分配板、拇指气路分配板，手指驱动装置与四指气路分配板固连，拇指掌骨内外旋驱动器有气管接口一侧与拇指气路分配板固连，另一侧与转轴连接件固连，转轴连接件与拇指掌骨背壳铰接，拇指外展内收驱动器有气管接口一侧与拇指气路分配板固连，另一侧与拇指掌骨背壳固连，弹性松紧带与手背壳体固连，四指系线盖板有四个，形状为半圆形。
7.作为优选，所述手背壳体与手背接触面采用微曲面设计，符合人体工程学；使用者通过弹性松紧带将手背壳体固定在手背上，将拇指掌骨背壳固定在拇指掌上，将手指尖固定在指套内，完成手部康复外骨骼的穿戴。
8.作为优选，所述手指驱动装置包括指套、限制层、传感器层、四指屈伸驱动器、拇指
屈伸驱动器和四指系线盖板；所述传感器层包括指尖力传感器、弯曲传感器；指套、限制层、传感器层、四指屈伸驱动器依次紧密贴合固连。
9.作为优选，所述四指屈伸驱动器包括远端弯曲段、中间弯曲段、近端弯曲段、四指中空气腔、远端连接段、近端连接段；所述拇指屈伸驱动器包括拇指远端弯曲段、拇指近端弯曲段、拇指中空气腔、中间连接段；所述四指屈伸驱动器、拇指屈伸驱动器均由模具和硅橡胶浇筑静置成型。
10.作为优选，所述四指系线盖板固定在四指屈伸驱动器的近端连接段上，四指系线盖板的左右两侧均设有用于系绳的小圆孔，四指系线盖板分别用四指外展限位线绳相连，四指外展限位线绳用于限制四指外展的最大角度；第一四指外展内收驱动线绳与第一四指系线盖板左侧圆孔相连，并依次绕过第一定位小滑轮、第二定位小滑轮、第三定位小滑轮；同理第二四指外展内收驱动线绳与第四四指系线盖板右侧圆孔相连，并依次绕过第六定位小滑轮、第五定位小滑轮、第四定位小滑轮；第一、第二四指外展内收驱动线绳末端系在一起后与外部电机轴相连，外部电机正向旋转，带动第一、第二四指外展内收驱动线绳，实现四指的外展功能；电机断电，手指驱动装置在弹性作用下复位，实现四指的内收功能。
11.作为优选，对四指屈伸驱动器供气，使四指屈伸驱动器内四指中空气腔充满气体，远端弯曲段、中间弯曲段、近端弯曲段充气膨胀，波纹状结构膨胀伸长，限制层限制四指屈伸驱动器靠近手指的一侧轴向伸长，从而使四指屈伸驱动器产生弯曲且形状符合四指的弯曲形状；四指气管接口均采用单独气源供气，通过不同供气顺序可实现四指不同的动作。
12.作为优选，对拇指外展内收驱动器进行供气，拇指外展内收驱动器伸长推动拇指掌骨背壳绕拇指外展内收转轴顺时针转动实现拇指外展功能；拇指外展内收驱动器排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指掌骨背壳绕拇指外展内收转轴逆时针转动实现拇指内收功能；对拇指掌骨内外旋驱动器供气，其波纹状结构一侧膨胀伸长，充气后呈扇形膨胀展开，带动拇指掌骨背壳沿着与手掌垂直平面向下弯曲，实现拇指掌骨对掌内旋功能；拇指掌骨内外旋驱动器排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指掌骨背壳沿着与手掌垂直平面运动，实现拇指掌骨对掌外旋功能；对拇指屈伸驱动器充气，使其膨胀弯曲，带动拇指屈曲，拇指屈伸驱动器排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指伸展复位；拇指气管接口与气源单独连接，拇指屈伸驱动器与四指屈伸驱动器配合，通过不同供气顺序可实现不同的五指动作。
13.与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：1）本发明的结构紧凑、集成度高、便于携带、重量轻；2）本发明使用电机单独控制四指的外展内收功能，可实现拇指的多自由度锻炼；3）本发明软质驱动器均采用模具和硅橡胶浇筑静置成型、塑料块均采用3d打印技术成型，制备简单，替换方便；4）本发明中每个软质气动驱动器均采用单独供气，可以实现多种较为复杂的手指动作。
附图说明
14.构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的总体结构示意图图2为本发明去掉手背壳体护罩后的结构示意图
图3为本发明的仰视图图4为本发明的手指驱动装置剖面示意图图5为本发明的四指屈伸驱动器剖面示意图图6为本发明的拇指屈伸驱动器剖面示意图图7为本发明的四指外展内收布线示意图图8为本发明实现五指外展内收功能的示意图图9为图2的俯视图图10为本发明实现拇指内旋功能示意图图11为本发明的传感器层示意图图12为本发明的拇指掌骨内外旋驱动器充气后的剖面示意图图13为本发明的拇指外展内收驱动器充气后的剖面示意图图14为本发明的四指系线盖板结构示意图图15为本发明的定位小滑轮结构示意图附图标记说明：1-手指驱动装置，2-拇指掌骨内外旋驱动器，3-拇指外展内收驱动器，4-四指外展内收驱动线绳，5-四指外展限位线绳，6-手背壳体，7-手背壳体护罩，8-弹性松紧带，9-转轴连接件，10-拇指掌骨背壳，11-指套，12-限制层，13-传感器层，14-四指屈伸驱动器，15-拇指屈伸驱动器，16-四指系线盖板，4a-第一四指外展内收驱动线绳，4b-第二四指外展内收驱动线绳，61-定位小滑轮，62-四指气路分配板，63-拇指气路分配板，101-拇指气管接口，102-拇指外展内收转轴，131-指尖力传感器，132-弯曲传感器，141a-远端弯曲段，141b-中间弯曲段，141c-近端弯曲段，142-四指中空气腔，143a-远端连接段，143b-近端连接段，151a-拇指远端弯曲段，151b-拇指近端弯曲段，152-拇指中空气腔，153-中间连接段，16a-第一四指系线盖板，16b-第二四指系线盖板，16c-第三四指系线盖板，16d-第四四指系线盖板，61a-第一定位小滑轮，61b-第二定位小滑轮，61c-第三定位小滑轮，61d-第四定位小滑轮，61e-第五定位小滑轮，61f-第六定位小滑轮，621-四指气管接口，16a1-第一四指系线盖板左侧圆孔，16d2-第四四指细线盖板右侧圆孔。
具体实施方式
15.为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面将结合参考附图和实施例来详细说明本发明的具体结构和工作方式。
16.如附图1、附图2、附图3、附图14所示，一种柔性手部康复外骨骼，主要包括：手指驱动装置1、拇指掌骨内外旋驱动器2、拇指外展内收驱动器3、四指外展内收驱动线绳4、四指外展限位线绳5、手背壳体6、手背壳体护罩7、弹性松紧带8、转轴连接件9、拇指掌骨背壳10；手背壳体6上设有定位小滑轮61、四指气路分配板62、拇指气路分配板63，手指驱动装置1与四指气路分配板62固连，拇指掌骨内外旋驱动器2有气管接口一侧与拇指气路分配板63固连，另一侧与转轴连接件9固连，转轴连接件9与拇指掌骨背壳10铰接，拇指外展内收驱动器3有气管接口一侧与拇指气路分配板63固连，另一侧与拇指掌骨背壳10固连，弹性松紧带8与手背壳体6固连，四指系线盖板16有四个，形状为半圆形。
17.进一步，如附图4、附图5、附图6、附图11所示，所述手指驱动装置1包括指套11、限
制层12、传感器层13、四指屈伸驱动器14、拇指屈伸驱动器15和四指系线盖板16；所述传感器层13包括指尖力传感器131、弯曲传感器132；指套11、限制层12、传感器层13、四指屈伸驱动器14依次紧密贴合固连；四指屈伸驱动器14包括远端弯曲段141a、中间弯曲段141b、近端弯曲段141c、四指中空气腔142、远端连接段143a、近端连接段143b；拇指屈伸驱动器15包括拇指远端弯曲段151a、拇指近端弯曲段151b、拇指中空气腔152、中间连接段153；四指屈伸驱动器14、拇指屈伸驱动器15均由模具和硅橡胶浇筑静置成型。
18.进一步，如附图5、附图7、附图8、附图9、附图15所示，所述一种柔性手部康复外骨骼的控制方法，其特征在于，四指系线盖板16固定在四指屈伸驱动器14的近端连接段143b上，四指系线盖板16的左右两侧均设有用于系绳的小圆孔，第一、第二、第三、第四四指系线盖板16a、16b、16c、16d分别用四指外展限位线绳5相连，四指外展限位线绳5用于限制四指外展最大角度；第一四指外展内收驱动线绳4a与第一四指系线盖板左侧圆孔16a1相连，并依次绕过第一定位小滑轮61a、第二定位小滑轮61b、第三定位小滑轮61c；同理第二四指外展内收驱动线绳4b与第四四指系线盖板右侧圆孔16d2相连，并依次绕过第六定位小滑轮61f、第五定位小滑轮61e、第四定位小滑轮61d；第一、第二四指外展内收驱动线绳4a、4b末端系在一起后与外部电机轴相连，外部电机正向旋转，带动第一、第二四指外展内收驱动线绳4a、4b，实现四指的外展功能；电机断电，手指驱动装置1在弹性作用下复位，实现四指的内收功能；对四指屈伸驱动器14供气，使四指屈伸驱动器14内四指中空气腔142充满气体，远端弯曲段141a、中间弯曲段141b、近端弯曲段141c充气膨胀，波纹状结构膨胀伸长，限制层12限制四指屈伸驱动器14靠近手指的一侧轴向伸长，从而使四指屈伸驱动器14产生弯曲且形状符合四指的弯曲形状；四指气管接口621均采用单独气源供气，通过不同供气顺序可实现四指不同的动作。
19.进一步，如附图8、附图10、附图12、附图13所示，所述一种柔性手部康复外骨骼的控制方法，其特征在于，对拇指外展内收驱动器3进行供气，拇指外展内收驱动器3伸长推动拇指掌骨背壳10绕拇指外展内收转轴102顺时针转动实现拇指外展功能；拇指外展内收驱动器3排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指掌骨背壳10绕拇指外展内收转轴102逆时针转动实现拇指内收功能；对拇指掌骨内外旋驱动器2供气，其波纹状结构一侧膨胀伸长，充气后呈扇形膨胀展开，带动拇指掌骨背壳10沿着与手掌垂直平面向下弯曲，实现拇指掌骨对掌内旋功能；拇指掌骨内外旋驱动器2排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指掌骨背壳10沿着与手掌垂直平面运动，实现拇指掌骨对掌外旋功能；对拇指屈伸驱动器15充气，使其膨胀弯曲，带动拇指屈曲，拇指屈伸驱动器15排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指伸展复位；拇指气管接口101与气源单独连接，拇指屈伸驱动器15与四指屈伸驱动器14配合，通过不同供气顺序可实现不同的五指动作。
20.以上描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的基本思想和原理，在不脱离本发明原理和范围的前提下，本发明还会有各种变化、修改、替换和变形，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种柔性手部康复外骨骼，其特征在于，主要包括：手指驱动装置（1）、拇指掌骨内外旋驱动器（2）、拇指外展内收驱动器（3）、四指外展内收驱动线绳（4）、四指外展限位线绳（5）、手背壳体（6）、手背壳体护罩（7）、弹性松紧带（8）、转轴连接件（9）、拇指掌骨背壳（10）；手背壳体（6）上设有定位小滑轮（61）、四指气路分配板（62）、拇指气路分配板（63），手指驱动装置（1）与四指气路分配板（62）固连，拇指掌骨内外旋驱动器（2）有气管接口一侧与拇指气路分配板（63）固连，另一侧与转轴连接件（9）固连，转轴连接件（9）与拇指掌骨背壳（10）铰接，拇指外展内收驱动器（3）有气管接口一侧与拇指气路分配板（63）固连，另一侧与拇指掌骨背壳（10）固连，弹性松紧带（8）与手背壳体（6）固连，四指系线盖板（16）有四个，形状为半圆形。2.根据权利要求1所述的一种柔性手部康复外骨骼，其特征在于，所述手指驱动装置（1）包括指套（11）、限制层（12）、传感器层（13）、四指屈伸驱动器（14）、拇指屈伸驱动器（15）和四指系线盖板（16）；所述传感器层（13）包括指尖力传感器（131）、弯曲传感器（132）；指套（11）、限制层（12）、传感器层（13）、四指屈伸驱动器（14）依次紧密贴合固连；所述四指屈伸驱动器（14）包括远端弯曲段（141a）、中间弯曲段（141b）、近端弯曲段（141c）、四指中空气腔（142）、远端连接段（143a）、近端连接段（143b）；所述拇指屈伸驱动器（15）包括拇指远端弯曲段（151a）、拇指近端弯曲段（151b）、拇指中空气腔（152）、中间连接段（153）；所述四指屈伸驱动器（14）、拇指屈伸驱动器（15）均由模具和硅橡胶浇筑静置成型。3.根据权利要求1所述的一种柔性手部康复外骨骼的控制方法，其特征在于，四指系线盖板（16）固定在四指屈伸驱动器（14）的近端连接段（143b）上，四指系线盖板（16）的左右两侧均设有用于系绳的小圆孔，第一、第二、第三、第四四指系线盖板（16a）、（16b）、（16c）、（16d）分别用四指外展限位线绳（5）相连，四指外展限位线绳（5）用于限制四指外展最大的角度；第一四指外展内收驱动线绳（4a）与第一四指系线盖板左侧圆孔（16a1）相连，并依次绕过第一定位小滑轮（61a）、第二定位小滑轮（61b）、第三定位小滑轮（61c）；同理第二四指外展内收驱动线绳（4b）与第四四指系线盖板右侧圆孔（16d2）相连，并依次绕过第六定位小滑轮（61f）、第五定位小滑轮（61e）、第四定位小滑轮（61d）；第一、第二四指外展内收驱动线绳（4a）、（4b）末端系在一起后与外部电机轴相连，外部电机正向旋转，带动第一、第二四指外展内收驱动线绳（4a）、（4b），实现四指的外展功能；电机断电，手指驱动装置（1）在弹性作用下复位，实现四指的内收功能；对四指屈伸驱动器（14）供气，使四指屈伸驱动器（14）内四指中空气腔（142）充满气体，远端弯曲段（141a）、中间弯曲段（141b）、近端弯曲段（141c）充气膨胀，波纹状结构膨胀伸长，限制层（12）限制四指屈伸驱动器（14）靠近手指的一侧轴向伸长，从而使四指屈伸驱动器（14）产生弯曲且形状符合四指的弯曲形状；四指气管接口（621）均采用单独气源供气，通过不同供气顺序可实现四指不同的动作。4.根据权利要求1所述的一种柔性手部康复外骨骼的控制方法，其特征在于，对拇指外展内收驱动器（3）进行供气，拇指外展内收驱动器（3）伸长推动拇指掌骨背壳（10）绕拇指外展内收转轴（102）顺时针转动实现拇指外展功能；拇指外展内收驱动器（3）排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指掌骨背壳（10）绕拇指外展内收转轴（102）逆时针转动实现拇指内收功能；
对拇指掌骨内外旋驱动器（2）供气，其波纹状结构一侧膨胀伸长，充气后呈扇形膨胀展开，带动拇指掌骨背壳（10）沿着与手掌垂直平面向下弯曲，实现拇指掌骨对掌内旋功能；拇指掌骨内外旋驱动器（2）排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指掌骨背壳（10）沿着与手掌垂直平面运动，实现拇指掌骨对掌外旋功能；对拇指屈伸驱动器（15）充气，使其膨胀弯曲，带动拇指屈曲，拇指屈伸驱动器（15）排气泄压后，在弹性作用下恢复原状，带动拇指伸展复位；拇指气管接口（101）与气源单独连接，拇指屈伸驱动器（15）与四指屈伸驱动器（14）配合，通过不同供气顺序可实现不同的五指动作。

技术总结
本发明提供了一种柔性手部康复外骨骼及其控制方法，外骨骼由手背壳体、四指外展内收驱动线绳、四指外展限位线绳、手指驱动装置、拇指掌骨内外旋驱动器、拇指外展内收驱动器等组成。通过外部电机拉动线绳，对手指进行牵引，实现四指外展内收动作的训练，利用拇指外展内收驱动器和拇指掌骨内外旋驱动器，可以实现拇指的多自由度训练。本发明具有结构紧凑、集成度高、便于携带、重量轻、拇指多自由度训练等优点。点。点。


技术研发人员：唐德栋 齐凌志 沈成成 姜金刚 沈文烁 吕鑫
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/31