本发明属于手部外骨骼康复机器人领域，更具体地，涉及一种用于辅助手指伸展运动的模块化软体康复手套及系统。
背景技术：
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。
专利cn105496728a公开了用于手部运动功能康复的软体机器人手套，申请日期为2016年4月20日。该装置能够辅助手部功能受损或者丧失的患者进行康复训练，但是，该装置存在如下问题：
1、该装置的动力部件为牵引绳，牵引方向总体上具有由前向后的趋势，牵引动作较为生硬，并且不符合人体手指的骨骼形态及自然运动状态，牵引过程中易导致手指关节相互挤压、摩擦，对患者手部产生伤害；
2、该装置与手指形状相差较大，与手指的匹配性较差，佩戴时有异物感，不舒适。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种用于辅助手指伸展运动的模块化软体康复手套及系统，通过可以独立拆装使用的柔性手指驱动器，针对特定损伤手指进行康复训练，并且符合手指的骨骼构造及自然运动形态，不造成二次伤害。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于辅助手指伸展运动的模块化软体康复手套及系统，包括手套本体和至少一个柔性手指驱动组件；
柔性手指驱动组件可拆装地安装于手套本体上，包括：柔性弯曲驱动器、柔性弯曲传感器、柔性弯曲驱动器封套、指尖套、指尖压力传感器、柔性弯曲驱动器固定座以及柔性气管；
柔性弯曲驱动器设于柔性弯曲驱动器封套内，柔性弯曲驱动器包括尾端开口的空心硅胶管以及设于空心硅胶管外壁下部的硅胶座，柔性弯曲驱动器的尾端开口为气管口，硅胶座的数量及位置与手指指节对应，硅胶座的下表面为上凹的弧面，与人体手指指背的弧面相吻合；相邻硅胶座之间对应指关节的位置通过向下隆起的圆弧状构造连接，且该圆弧状构造的最低点高于硅胶座上凹的弧面的最高点；
柔性弯曲传感器沿着轴线方向布置在柔性弯曲驱动器的下表面和柔性弯曲驱动器封套的内部底面之间，且固定于柔性弯曲驱动器封套的内部底面上；柔性气管插入柔性弯曲驱动器的气管口内，与气管口密封连接；柔性弯曲驱动器固定座套在柔性弯曲驱动器的尾部，柔性弯曲驱动器固定座的下部与柔性弯曲驱动器封套的尾部固连；指尖压力传感器固定于指尖套内部底面，指尖套固定于柔性弯曲驱动器封套端部下表面。
进一步地，柔性弯曲驱动器用于大拇指的康复训练，包括凯夫拉纤维线和两段玻璃纤维布；空心硅胶管为双层构造，其截面形状为半圆形，内层空心硅胶管的外壁尾端缠绕单螺旋线，对应大拇指掌骨部位，缠绕空间长度为大拇指掌骨长度；内层空心硅胶管的外壁前端缠绕双螺旋线，对应大拇指近节指骨和远节指骨，缠绕空间长度为近节指骨和远节指骨的和；
内层空心硅胶管的外壁前端底部粘贴两段玻璃纤维布，分别对应掌骨与近节指骨的连接关节、近节指骨与远节指骨的连接关节；外层空心硅胶管将凯夫拉纤维线和玻璃纤维布紧密固定于内层空心硅胶管上。
进一步地，柔性弯曲驱动器用于四指中任意一个的康复训练，包括凯夫拉纤维双螺旋线和三段玻璃纤维布；空心硅胶管为双层构造，凯夫拉纤维双螺旋线缠绕于内层空心硅胶管的外壁，缠绕空间的整体长度为手指近节指骨、中节指骨及远节指骨之和；三段玻璃纤维布对应于四指的三个指关节的位置粘贴在内层空心硅胶管的外壁；外层空心硅胶管将凯夫拉纤维双螺旋线及三段玻璃纤维布紧密固定于内层空心硅胶管上。
进一步地，每段玻璃纤维布的长度人手四指关节长度的二分之一。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种用于辅助手指伸展运动的模块化软体康复手套及系统，包括前文所述的模块化软体康复手套、气压控制模块和无线发射器；
软体康复手套通过柔性气管与气压控制模块相连接，指尖柔性压力传感器和柔性弯曲传感器与无线发射器连接；柔性弯曲传感器用于采集手指弯曲角度信息，指尖压力传感器用于采集软体康复手套与患者手指指尖的相互作用力得到指尖压力信息，无线发射器用于手指弯曲角度信息和指尖压力信息发送至的气压控制模块；气压控制模块用于根据接收到的手指弯曲角度信息和指尖压力信息控制输出气压的大小，进而控制柔性弯曲驱动器的弯曲程度。
进一步地，气压控制模块包括单向阀快速接头、气罐、空气过滤器、气体减压阀、电气比例阀、stm32主控器和无线接收器；单向阀快速接头、气罐、空气过滤器、气体减压阀、电气比例阀依次连接，电气比例阀的气体出口与柔性气管相连，单向阀快速接头的输入端用于连接外部气源；stm32主控器的信号采集端口连接无线接收器，stm32主控器用于根据接收到的手指弯曲角度信息和指尖压力信息，按照预设指令控制电气比例阀的驱动电压，进而控制输出气压的大小，从而控制柔性弯曲驱动器的弯曲程度。
进一步地，包括人机交互模块；人机交互模块包括液晶触摸显示屏和微型主板；
微型主板与stm32主控器连接，以交换图像和控制指令；stm32主控器用于将收集的手指角度和压力信息上传给微型主板，微型主板向触摸显示屏发出图像指令，触摸显示屏显示出当前所处状态；触摸显示屏还用按照预设程序将人工操作指令发送至微型主板，进而通过微型主板发送至stm32主控器，从而对气体压力进行相应控制，进而调节柔性弯曲驱动器的弯曲程度。
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：
1、本发明采用软体康复手套，与刚性外骨骼相比，能够与患者的手跟紧密的贴合，提高穿戴者的舒适性；
2、本发明中采用柔性弯曲驱动器作为执行机构，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。
3、本发明中采用模块化思想，设计可拆装的柔性手指驱动组件，能够根据患者受损手指的数量选着相同数量的柔性手指驱动组件，以满足患者的个性化康复需求。
4、本发明中采用四指弯曲致动器，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，并且采用三段玻璃纤维布、双层空心硅胶管、凯夫拉纤维双螺旋线配合模拟弯曲运动，更符合四指自然弯曲状态，操作舒适，不会产生异物感和二次拉伤。
5、现有技术无法模拟大拇指的侧摆运动，本发明中采用的大拇指弯曲扭转驱动器，采用两段玻璃纤维布、双层空心硅胶管，结合凯夫拉纤维线单螺旋、双螺旋绕线对应大拇指不同指骨的设计，能够同时模拟人手大拇指的弯曲和侧摆运动，且运动状态更符合大拇指的自然运动状态，操作舒适，不会产生异物感和二次拉伤。
附图说明
图1为一种用于辅助手指伸展运动的模块化软体康复手套及系统示意图；
图2为软体康复手套驱动控制柜后视图；
图3为软体康复手套具体结构示意图；
图4为软体康复手套驱动控制柜内部结构示意图；
图5为软体康复手套驱动控制柜系统框图；
图6为软体康复手套四指结构示意图；
图7为本发明的大拇指内部结构示意图；
图8为本发明的单个手指结构示意图。
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：
1-软体康复手套，2-柔性气管，3-液晶显示屏，4-气压控制柜，5-控制柜总开关，6-控制柜急停按钮，7-控制柜状态显示灯，8-控制柜总电源插座，9-控制柜的底座，10-软体康复手套供气头，11-外部气源进口，12-四指柔性驱动器，13-无线蓝牙通信模块，14-大拇指柔性驱动器，15-子母扣，16-手掌固定套，17-单向阀快速接头，18-微型减压阀，19-1.5l气罐，20-微型洁净气体过滤器，21-电气比例阀，22-微型主板，23-stm32主控板，24-控制柜底壳，25-大拇指柔性驱动器内壁，26-凯夫拉双螺旋线，27-三段玻璃纤维布，28-四指柔性驱动器内壁，29-凯夫拉纤维单螺旋线，30-凯夫拉双螺旋线，31-两段玻璃纤维布，32-柔性驱动器外形图，33-柔性传感器固定套，34-柔性弯曲传感器，35-柔性驱动器封套，36-指尖套，37-指尖压力传感器，38-橡胶固定套，39-柔性气管，40-子母扣。
具体实施方式
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。
请参照图1～6，为本发明提供的一种用于辅助手指伸展运动的模块化软体康复手套系统的优选实施例。如图1～2，该系统包括软体康复手套1、柔性气管2、液晶触摸显示屏3和气压控制柜4(即气力控制模块)。气压控制柜4上设有控制柜总开关5、控制柜急停按钮6和控制柜状态显示灯7、控制柜总电源插座8、控制柜的底座9、软体康复手套供气头10和外部气源进口11。
请参照图3其中所述柔性外骨骼手套包括四指柔性驱器12、无线蓝牙通信模块13、子母扣15、大拇指柔性驱动器14和手掌固定套16。
请参照图3～5及图8，所述柔性驱动器的下底部都缝制一个子母扣的母扣，手掌固定套的每个指头的端部都缝制一个子母扣的子口。四指柔性驱动器12和大拇指柔性驱动器14通过子母扣15链接至手掌固定套16。其中无线蓝牙通信模块通过线缆与柔性驱动内的弯曲传感器34和压力传感器37相连，无线蓝牙模块采集弯曲传感器和指尖压力传感器的值，并上传至stm32控制模块。
所述性弯曲驱动器手指包含柔性驱动器32，柔性弯曲扭转驱动器通过弹力布的预紧力固定在柔性驱动器的封套35内，柔性弯曲传感器34沿着柔性驱动器32的轴线方向布置在柔性弯曲驱动器的下方和柔性驱动器封套的下底部的上面，柔性气管39插入柔性弯曲驱动器8的气管口内，并通过本体的硅橡胶产生一定的预紧力，驱动器固定座38套在柔性弯曲驱动器32的端部，驱动器固定座38的下部通过缝线与驱动器封套35的端部固连在一起，子母扣40通过缝线与驱动器11的端部固连到一起，指尖压力传感器37通过压力传感器封套固连在一起，然后整体通过缝线固连在手指指尖套36内。手指指尖套通过缝线与驱动器封套35固连在一起。
如图4所示，所述的气压控制柜包含单向阀快速接头17,1.5l气罐19、微型洁净空气过滤器20、微型减压阀18、薄型电-气比例阀21,、stm32主控器24和微机主板22。
所述的气压控制柜包含气道系统和控制显示系统，如图5所示，外部气源通过气管与带单向阀的快速接头17，带单向阀的快速接头另一端与1.5l气罐19的入口相连，1.5l气管19的出口与微型洁净气体过滤器20的入口相连，微型洁净气体过滤器20的出口与微型减压阀18的入口相连，微型减压阀18的出口与薄型电-气比例阀21的入口相连。薄型电-气比例阀21的出口与软体康复手套上的驱动器气管相连。
带单向阀的快速接头能够保证压缩空气的流向，由外部流向控制柜。1.5l气罐能够起到气体缓冲的作用，保证气流的平稳，微型洁净气体过滤器20能够过滤压缩空气中的水分以及油雾。微型加压阀18能够保证供给给薄型电-气比例阀的压力值稳定在0.5mpa。薄型电-气比例阀能够控制其出口压缩空气的压力值，其控制范围为0～0.5mpa。
stm32主控器包含电压输出模块，无线蓝牙通信模块，电压输出模块与电气比例阀相连接，通过控制输出电压值来控制电气比例阀的出口压力，无线蓝牙通信模块与软体外骨骼手上的无线蓝牙通信模块之间通过蓝牙连接，能够接受到软体康复手套的运动信息和指尖压力信息。
微型主板22与stm32主控器之间通过usb进行通信，stm32主控器向微型主板22发送接受到的手指弯曲角度信息和手指指尖压力信息，并且触摸显示屏能够显示手指弯曲和交互力信息，微型主板在接受触摸屏上的触摸操作后会向stm32控制发送指令，控制柔性驱动器的气腔内气体压力值。
其中所述的四指柔性弯曲驱动器的结构示意图如图6，其包含凯夫拉纤维双螺旋线26、硅橡胶内壁25、三段玻璃纤维布27。玻璃纤维布27分为两块，其长度为人手四指关节长度的二分之一，其按照一定的间距分别粘贴到柔性弯曲驱动的底部，其中心线的间距为四指指节的长度，凯夫拉纤维线26以固定的螺旋角缠绕在柔性驱动器的外面，来回缠绕两次，形成双螺旋线形式，其长度为大拇指近节指骨、中节指骨及远节指骨之和。
所述的大拇指柔性弯曲驱动器的结构示意图如图7，其包含凯夫拉纤维线双螺旋线30、单螺旋凯夫拉纤维线29、硅橡胶本体28和两段玻璃纤维布31。玻璃纤维布31分为两块，其长度等于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，凯夫拉纤维线29以固定的螺旋角缠绕在柔性驱动器的外面，其形式为单螺旋线形式，其长度为大拇指掌骨长度，凯夫拉纤维线30的缠绕形式为双螺旋线形式，其长度为中指节长度和远端指节的长度之和。
其中在双螺旋线的位置，由于玻璃纤维布的限制，其会发生弯曲运动。与人手的伸展运动相匹配。在单螺旋的位置由于受力两边不平衡，会发生扭转运动。与人手的伸展运动所匹配。
当使用本发明提供的一种辅助手指伸展运动的模块化外骨骼软体康复手时，先根据患者的手指受损的个数，挑选不同手指的柔性外骨骼手指驱动器12或者14进行匹配，然后根据患者手指长度，来调节每根驱动器手指固定在康复手手掌部分16的位置，两者通过子母扣15进行贴合，再通过调节松紧带来保证外骨骼康复手套能够始终与患者的手部贴合，由于偏瘫患者手部的手指基本上是处于屈曲的状态，因此，在穿戴上外骨骼康复手套时，柔性驱动器手指的状态都是处于屈曲状态的，通过对柔性驱动器进行充气能够带动患者进行手指的展开的运动，同时弯曲角度传感器能够监测到患者的手指的角度变化，指尖压力传感器能够监测患者每个手指的指尖压力变化，无线蓝牙数据采集发送模块将信息发送到stm32控制和微型主板内，作为患者康复治疗信息储存。
对于有一定运动能力的患者来说，通过穿戴外骨骼康复手套，在不充气的状态下，通过医师指导患者进行手指运动，压力传感器柔性弯曲传感器能够采集患者手指运动和输出力的信息能够评价患者的手部运动能力，同时，对柔性驱动器手指充入不同压力的空气，患者在医师的指导下，进行不同模式的手指抓握运动，通过采集手指运动角度和指尖压力能够评价患者在有负载情况下的运动能力信息。
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。
辅助手指伸展功能外骨骼康复机器人用采用软体柔性致动器来辅助偏瘫患者进行手指进行伸展打开运动，从而帮助患者进行康复训练。辅助手指功能外骨骼软体机器人可以大大减轻康复医师繁重的劳动，同时手部运动能力评价模块帮助医师做出最优的康复治疗方案，从而显著提高康复训练的效率和效果，减少康复训练周期，对手部康复治疗具有及其重要的意义。辅助手指功能的外骨骼软体机器人采用部件模块化组合。能够辅助单一手指进行伸展运动或者多指协调性运动，能够适应不同患者情况。
本发明的柔性手指驱动组件外形类人手指，能够很好与人手相融合，穿戴方便，手指驱动器的固定位可以调整，能够适应不同的大小的手指；同时采用模块化设计，能根据患者手指的损伤个数，选择相应的数量的手指驱动器进行康复训练；多种训练模式；能够改变自身形态来适应患者运动的环境，不会对患者手部造成过大的冲击载荷，同时，在患者运动受到很大阻力时能够改变自身形态来保持不会对患者造成拉伤等二次伤害。
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。