一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器

摘要

本发明公开了一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器及手套。该软体驱动器包括内层硅胶管、外层硅胶管、凯夫拉纤维线以及两段玻璃纤维布；内层硅胶管的前端封闭，后端设有开口，用于与气压或液压驱动装置连接；内层硅胶管的外壁对应大拇指掌骨的部分以单螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线，内层硅胶管的外壁对应大拇指指骨的部分以双螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线；两段玻璃纤维布均粘贴于内层硅胶管的背离手指侧，位置分别对应于大拇指掌骨和近节指骨连接关节、近节指骨和远节指骨连接关节；外层硅胶管将凯夫拉纤维线和玻璃纤维布固定于内层硅胶管的外壁上。通过在手套上搭载该软体驱动器，能够辅助大拇指进行伸展和外展康复训练。

权利要求

1.一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，包括内层硅胶管、外层硅胶管、凯夫拉纤维线以及两段玻璃纤维布；

内层硅胶管的前端封闭，后端设有开口，用于与气压或液压驱动装置连接；内层硅胶管的外壁对应大拇指掌骨的部分以单螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线，内层硅胶管的外壁对应大拇指指骨的部分以双螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线；两段玻璃纤维布均粘贴于内层硅胶管的背离手指侧，位置分别对应于大拇指掌骨和近节指骨连接关节、近节指骨和远节指骨连接关节；外层硅胶管套在内层硅胶管外，与内层硅胶管紧密结合，将凯夫拉纤维线和玻璃纤维布固定于内层硅胶管的外壁上。

2.如权利要求1所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，内层硅胶管位于大拇指掌骨后端的部分一体成型有扁平硅胶座，内层硅胶管位于扁平硅胶座前端的部分为半圆柱构造，半圆柱构造的平面背向于手指设置，两端玻璃纤维布均粘贴于半圆柱构造的平面上。

3.如权利要求2所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，外层硅胶管套在半圆柱构造外部，外层硅胶管朝向手指侧对应大拇指掌骨、近节指骨、远节指骨位置一体成型有三段凹型硅橡胶固定座，相邻凹型硅橡胶固定座之间的连接部横截面为半圆形，半圆形的直边背向手指设置。

4.如权利要求3所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，对应于大拇指掌骨的凹型硅橡胶固定座与扁平硅胶座连接，且共形设置。

5.如权利要求1所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，玻璃纤维布为长方形，其宽度与手指宽度一致，其长度略长于手指关节活动外径，以覆盖手指关节活动范围；玻璃纤维布的孔径为0.4*0.4mm。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，包括：软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器、柔性弯曲传感器固定套、橡胶固定座、柔性压力传感器、柔性压力传感器固定套和手指套；

外层硅胶管固定于软体驱动器固定套中；

柔性弯曲传感器沿着轴线方向布置在外层硅胶管下表面和软体驱动器固定套的内部底面之间，通过柔性弯曲传感器固定套固定于软体驱动器固定套的内部底面上；

橡胶固定座套在软体驱动器的扁平固定座后端，橡胶固定座的下部与软体驱动器固定套的后端固连；

柔性压力传感器通过柔性压力传感器固定套固定于手指套内部底面，手指套固定于软体驱动器固定套端部下表面。

7.如权利要求6所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，手指套、软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器固定套和柔性压力传感器固定套中的至少一个采用芳纶弹力布制成。

8.如权利要求7所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，手指套尺寸小于正常大拇指尺寸，以提供适当预紧力，紧缚患者大拇指远节指骨和近节指骨的端部。

9.如权利要求6所述的一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，软体驱动器固定套对应于橡胶固定座的位置的下方设有子母扣，用于与手套上对应匹配的子母扣连接。

10.一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的手套，其特征在于，包括权利要求1～9任意一项所述的软体驱动器。

说明书

一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器

技术领域

[0001] 本发明属于手部关节辅助康复机器人领域，更具体地，涉及一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器及手套。

背景技术

[0002] 如今社会人口老龄化加重，由于脑卒中等疾病引起的偏瘫的人数越来越庞大，同时，由生产事故、交通事故等意外造成的手部运动功能受损的人数也逐年增加。这些患者往往因手部运动功能障碍而生活不能自理，给家庭和社会都带来了不小的压力。文献表明，大多数患者的手指都处于屈曲状态，肌肉出现不同程度的僵硬，这是需要借助外力来辅助患者进行手指的伸展打开运动。传统的手部康复治疗多采用一对一的医师进行揉捏拉等机械化动作，同时，患者的康复状态完全由医师个人评定，这种康复训练十分耗费人力，同时治疗费用高，无法满足大多数患者的需求。手部外骨骼康复软体机器人能够辅助康复训练能够节约大量的人力物力，并能够对患者康复水平进行实时量化的评估，根据患者的康复状况制定相应的康复训练策略循序渐进的进行康复活动，以求达到最好的康复训练效果，同时减少患者康复的周期。

[0003] 人手的的大拇指相对于其他的四指来说，其运动更为复杂，不仅仅能够进行弯曲和伸展运动还能进行侧摆运动，因此大拇指的活动度比其余四指的活动度多一个。在康复治疗中，对大拇指的康复训练要求不仅仅是进行弯曲和伸展，还要去能够辅助其进行外展运动。但是现阶段，手部康复机器人仅仅只能辅助其进行弯曲和伸展运动，导致大拇指的康复进度远慢于其他四指，且大拇指的外展功能难以得到有效训练。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其目的在于通过凯夫拉纤维线绕制单螺旋和双螺旋混合线包裹大拇指的指骨和掌骨，同时粘贴玻璃纤维布限制其自由度，由此实现模拟大拇指的弯曲伸展和外展运动，从而解决现有的手部康复机器人不能辅助大拇指外展的技术问题。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的软体驱动器，其特征在于，包括内层硅胶管、外层硅胶管、凯夫拉纤维线以及两段玻璃纤维布；

[0006] 内层硅胶管的外壁对应大拇指掌骨的部分以单螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线，内层硅胶管的外壁对应大拇指指骨的部分以双螺旋方式缠绕凯夫拉纤维线；两段玻璃纤维布均粘贴于内层硅胶管的背离手指侧，位置分别对应于大拇指掌骨和近节指骨连接关节、近节指骨和远节指骨连接关节；外层硅胶管套在内层硅胶管外，与内层硅胶管紧密结合，将凯夫拉纤维线和玻璃纤维布固定于内层硅胶管的外壁上。

[0007] 进一步地，内层硅胶管位于大拇指掌骨后端的部分一体成型有扁平硅胶座，内层硅胶管位于扁平硅胶座前端的部分为半圆柱构造，半圆柱构造的平面背向于手指设置，两端玻璃纤维布均粘贴于半圆柱构造的平面上。

[0008] 进一步地，外层硅胶管套在半圆柱构造外部，外层硅胶管朝向手指侧对应大拇指掌骨、近节指骨、远节指骨位置一体成型有三段凹型硅橡胶固定座，相邻凹型硅橡胶固定座之间的连接部横截面为半圆形，半圆形的直边背向手指设置。

[0009] 进一步地，对应于大拇指掌骨的凹型硅橡胶固定座与扁平硅胶座连接，且共形设置。

[0010] 进一步地，玻璃纤维布为长方形，其宽度与手指宽度一致，其长度略长于手指关节活动外径，以覆盖手指关节活动范围；玻璃纤维布的孔径为0.4*0.4mm。

[0011] 进一步地，该软体驱动器包括：软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器、柔性弯曲传感器固定套、橡胶固定座、柔性压力传感器、柔性压力传感器固定套和手指套；

[0012] 外层硅胶管固定于软体驱动器固定套中；

[0013] 柔性弯曲传感器沿着轴线方向布置在外层硅胶管下表面和软体驱动器固定套的内部底面之间，通过柔性弯曲传感器固定套固定于软体驱动器固定套的内部底面上；

[0014] 橡胶固定座套在软体驱动器的扁平固定座后端，橡胶固定座的下部与软体驱动器固定套的后端固连；

[0015] 柔性压力传感器通过柔性压力传感器固定套固定于手指套内部底面，手指套固定于软体驱动器固定套端部下表面。

[0016] 进一步地，手指套、软体驱动器固定套、柔性弯曲传感器固定套和柔性压力传感器固定套中的至少一个采用芳纶弹力布制成。

[0017] 进一步地，手指套尺寸小于正常大拇指尺寸，以提供适当预紧力，紧缚患者大拇指远节指骨和近节指骨的端部。

[0018] 进一步地，软体驱动器固定套对应于橡胶固定座的位置的下方设有子母扣，用于与手套上对应匹配的子母扣连接。

[0019] 为了实现上述目的，本发明还提供了一种用于辅助人手大拇指伸展和外展的手套，包括前面所述的任意一种软体驱动器。

[0020] 总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0021] 1、本发明通过凯夫拉纤维线绕制单螺旋和双螺旋混合线包裹大拇指的指骨和掌骨，同时在对应大拇指的两个指关节位置粘贴玻璃纤维布限制其自由度，从而在双螺旋凯夫拉纤维线处产生弯曲运动，在单螺旋凯夫拉纤维线处产生偏摆运动，由此实现模拟大拇指的弯曲伸展和外展运动，能够带动脑卒中患者或手指肌肉受损患者的手指进行伸展运动和外展运动康复训练。

[0022] 2、本发明中采用软体驱动器作为执行机构，主体材料为硅胶管，其能够改变自身形态来适应当前环境，不会对穿戴者的手部造成损伤，安全性高，采用液压或者气压驱动，具有很高的功率比。

附图说明

[0023] 图1为人手大拇指指骨骼结构图；

[0024] 图2为一种用于辅助大拇指完成伸展和扭转运动的软体康复器组成框架图；

[0025] 图3为一种用于辅助大拇指完成伸展和扭转运动的软体康复器辅件结构图，其中(a)为分解图，(b)为组装图；

[0026] 图4为一种用于辅助大拇指完成伸展和扭转运动的软体康复器外形结构图；

[0027] 图5为一种用于辅助大拇指完成伸展和扭转运动的软体康复器的驱动器结构示意图；

[0028] 图6为一种用于辅助大拇指完成伸展和扭转运动的软体康复器的驱动器原理示意图；

[0029] 图7为橡胶固定座结构图。

[0030] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0031] 1-软体驱动器，2-柔性弯曲传感器固定套，3-柔性弯曲传感器，4-软体驱动器固定套，5-手指套，6-柔性压力传感器固定套，7-柔性压力传感器，8-橡胶固定座，9-4mm气管，10-子母扣，11-软体驱动器上部，12-类指尖状软体驱动器端部，13-软体驱动器气管通道，
14-凹型硅橡胶固定座，15-硅橡胶本体，16-单螺旋凯夫拉纤维线，17-双螺旋凯夫拉纤维线，18-玻璃纤维布，19-软体驱动器充气膨胀图，20-软体驱动器充气伸长示意图，21-软体驱动器充气弯曲和扭转示意图，22-橡胶固定座外圈，23-橡胶固定座内圈，24-橡胶固定座底部曲面。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0033] 在对本实施例做详细说明前，先对手的生物骨骼结构进行介绍。

[0034] 图1是从手背侧观察的左手的骨骼结构，如图1所示，与腕骨相连接的是大拇指，大拇指具有两节指骨构成，分别是近节指骨和远节指骨。其中近节指骨与大拇指掌骨相连，大拇指能够完成弯曲、伸展和外展运动。而手功能功能障碍患者手指大部分处于弯曲状态，需要外力来辅助其进行伸展运动，其大拇指的处于内缩状态，需要外力来辅助其进行外展运动。

[0035] 请参照图2和图3，本发明提供的一种用于辅助大拇指完成伸展和外展运动的软体驱动器包括：软体驱动器1、柔性弯曲传感器固定套2、柔性弯曲传感器3、软体驱动器固定套4、手指套5、柔性压力传感器固定套6、柔性压力传感器7、橡胶固定座8、4mm气管9以及子母扣10。其中软体驱动器1主要有硅橡胶、凯夫拉纤维和玻璃纤维布通过特殊的基材混合方法制成，手指套包含手指套和驱动器固定套。

[0036] 软体驱动器1通过驱动器固定套4固定在手指套上，柔性弯曲传感器3沿着软体驱动器1的轴线方向布置，通过柔性传感器固定套2固定在手指套中间层上，柔性气管9插入软体驱动器1的气管口内，并通过本体的硅橡胶产生一定的预紧力。软体驱动器气管通道穿过橡胶固定座8的内壁23(如图7)。橡胶固定座的内壁23的孔径小于软体驱动器气管通道外壁，能够紧紧的扣死气管通道，防止软体驱动器内部气体泄漏。橡胶固定座8的底部24与子母扣10的上部相连，橡胶固定座的底部24为凹曲面，能够和人手掌骨想贴合，提高舒适感。柔性压力传感器7通过柔性压力传感器固定套固定于手指套5里，手指套5与手指套4缝制连接在一起，其均采用弹力布料，能够保证软体驱动器和手指紧密贴合。

[0037] 图4是软体驱动器的外形图，其中软体驱动器的端部12为扁平状，软体驱动器的顶部13为长方形状，其截面行为半圆形。软体驱动器的指节固定座为凹曲面状，其一共有三段，分别对应掌骨、近节指骨和远节指骨，其余部分为半圆形截面。与人手的凸曲面状吻合，能够保证驱动器在带动手指做伸展运动时不会沿手指轴线偏离，以达到良好的辅助运动效果。

[0038] 软体驱动器的结构示意图如图5，其包含单螺旋凯夫拉纤维线16和双螺旋凯夫拉纤维线17、硅橡胶本体15、玻璃纤维布18。其中玻璃纤维布18分为两块，其长度为人手指关节的二分之一，其按照一定的间距分别粘贴到柔性弯曲驱动的底部，单凯夫拉纤维线16是以固定的螺旋缠绕在软体驱动器的外面，缠绕一次，形成单螺旋线螺旋线形式，其长度为掌骨长度。双螺旋凯夫拉纤维线17是以固定的螺旋角缠绕在软体驱动器的外面，来回缠绕两次，形成双螺旋线形式。

[0039] 在本实施例中，先通过模具浇筑成型得到内层硅胶管，在内层硅胶管靠近掌骨前端的外围缠绕一圈螺旋凯夫拉纤维线，其编织角为4°，其长度为大拇指掌骨长度，然后继续向前(向指尖方向)缠绕螺旋凯夫拉纤维线，其编织角为5°，缠绕到前端(内层硅胶管的指尖位置)时，再向回缠绕到掌骨的末端。此时，软体驱动器1的掌骨部分为单螺旋线，指骨部分为双螺旋线。在单螺旋处，驱动器会发生扭转运动，用于辅助大拇指进行外展运动，双螺旋线处，驱动器会发生弯曲运动，能够辅助大拇指进行伸展运动。

[0040] 本实施例中，软体驱动器的内壁粘贴两段长方形玻璃纤维布，其宽度与手指宽度一致，其长度略长于手指关节活动外径，以能够包裹手指关节的活动范围为宜，玻璃纤维布的孔径为0.4*0.4mm。缠绕完凯夫拉纤维线、粘贴完玻璃纤维布之后，直接在内层硅胶管外围第二次浇筑硅像胶，得到外层硅胶管，外层硅胶管与内层硅胶管以及扁平固定座紧密结合为一体。外壁能够固定凯夫拉纤维线和玻璃纤维布，同时在致动器的变形过程中起到约束作用，让致动器产生特定弯曲和伸长运动，四指柔性动器的外壁下部有三段凹型硅橡胶固定座14，其与外壁一起浇筑成形，其作用为保持驱动器与人手能较好贴合，防止致动器与患者手指发生脱离。

[0041] 指尖固定套和指节固定套采用芳纶超弹力布制成，其尺寸小于人正常大拇指尺寸，能够提供适当预紧力，紧缚患者大拇指，指尖固定套用于固定远节指骨和近节指骨的端部。

[0042] 柔性弯曲传感器固定套2采用芳纶布制成，其位置位于软体驱动器底部，手指套5中间层的上部，所述柔性传感器固定于其中，其能够保证柔性传感器与手指一起运动，用于采集手指弯曲角度。

[0043] 柔性压力传感器固定套6采用芳纶布制成，其位置位于指尖套内层的上部，柔性压力传感器固定于其中，能够保证柔性压力传感器与手指一起运动，用于采集手指指尖与指尖套的压力值。

[0044] 内层硅胶管的扁平固定座后端穿过橡胶固定座8孔位，孔位的大小小于扁平固定座后端，能够通过自身弹力夹紧扁平固定座，从而固定软体驱动器1。

[0045] 橡胶固定座8底部为曲面，能够很好贴合人手，其底部与手指套5尾部延伸出的布料缝制连接，橡胶固定座8对应位置的手指套5布料下方缝制子母扣10的子扣(即钩面)，能够和任意织物类的半指手套连接，市面上常见的普通毛线半指手套亦可使用。

[0046] 软体驱动器的工作原理如图6，19表示半圆形封闭硅橡胶内腔在外围没有任何约束下，向内腔里面充气，其会沿着轴向伸长和沿着径向膨胀和向上翘起。20表示半圆形橡胶内腔的外壁上缠绕的双螺旋凯夫拉纤维线，再向内腔里面充气，凯夫拉纤维线会阻止其沿着径向膨胀，造成软体驱动器只能沿着轴向伸长，并向上翘起。玻璃纤维布不能拉伸，它会阻止粘贴面伸长，软体驱动器再充气的状态下，粘贴玻璃纤维布的地方不能沿轴向伸长，在驱动器轴线方向上，其轴线上部的伸长比轴线下部伸长量大，因此就会形成弯曲状态，在单螺旋线部分，由于受力不均匀，驱动器会发生扭转变形，最终呈现掌骨端扭转，远节指骨关节弯曲和近节指骨弯曲的复合运动。21表示在软体驱动器底部分段粘贴玻璃纤维布。

[0047] 软体驱动器柔性弯曲传感器能够在软体驱动器辅助患者手指进行伸展运动时采集手指运动角度信息。柔性弯曲传感器接到电压采集模块就能实现对手指弯曲角度信息采集。

[0048] 软体驱动器柔性压力传感器能够在软体驱动器辅助患者手指进行伸展运动时采集手指指尖的压力信息，通过检测压力信息能够防止患者发生痉挛。柔性压力传感器接到电压采集模块就能实现对手指压力信息采集。

[0049] 当使用本发明提供的一种辅助四指指节完成伸展运动的软体驱动器时，患者佩戴好装置，装置采用全柔性材料，因此，穿戴后，整个装置会处于和患者手指一样的屈曲状态。手指套，指节套能够保证软体驱动器与患者手指紧密贴合，这样佩戴在四指上的软体驱动器再动力源的作用下进行伸展运动的同时带动着患者的手指进行伸展和外展运动，帮助患者进行康复训练。

[0050] 控制软体驱动器腔式内的气体压力的设备可以采用常规的气压、液压设备，如电动空压机、脚动气泵、电动液压机等。

[0051] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。