一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器及方法

1.本发明涉及康复训练技术领域，尤其涉及一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器及方法。


背景技术：

2.脑卒中是一种常见的急性脑血管疾病，治疗困难，而且幸存患者也往往伴有全身或部分身体的偏瘫，尤其是上肢(手肘、手腕、手指)的无法伸展，这将导致幸存患者生活无法自理，严重降低生活质量。传统的康复治疗必须在医院或康复中心等机构由康复医师一对一进行康复训练，需要大量财力、物力支撑。大多数患者家庭无法支撑整个或部分康复治疗的耗费从而失去了恢复健康的机会。
3.近几年，随着机器人技术的逐渐成熟，应用于手腕康复的机器人也越来越多，康复机器人可以提供大剂量、高重复的运动康复训练，具有操作简单，适用性广等特点，机器人辅助康复治疗已成为肢体功能康复的有效手段。但现有的手腕康复机器人大多采用电机驱动，且多数是1自由度或2自由度的，随着自由度的增加，机械结构越来越复杂。例如，现有的手腕康复机器人机械驱动元件大多直接安装于运动关节中，存在刚性冲击，可能对患者造成二次损伤并且穿戴舒适性欠佳；同时，现有的手腕康复机器人一般只提供被动训练模式，患者无法实现自主控制，训练过程枯燥，患者无主动参与意识，缺乏自主性，影响了康复训练效果。另外，现有握柄式的手腕康复器，因患者无法抓紧手柄，不适用于软瘫期偏瘫患者通过手部抓紧手柄的方式进行康复运动，适用性差。
4.因此，本发明提供一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器及方法，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器及方法，具有掌屈/背伸、桡偏/尺偏、旋前/旋后三个自由度，能够提供主动、被动多种控制模式，能够带动患者手腕在腕部活动空间范围内做三自由度独立康复运动。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器，包括用于穿戴并辅助手腕动作的执行机构、与执行机构连接并用于控制和调整执行机构的控制结构、以及与控制结构连接并用于给执行机构充气的气源结构；
8.所述执行机构包括穿戴在患者手上的半指手套、以及与半指手套连接的姿态传感器和手套连接件，所述姿态传感器通过丝线缝合在半指手套的背面正中位置，所述手套连接件通过丝线分别缝合在半指手套的食指近节上下两端与小指近节上下两端；所述手套连接件通过扎带与气动人工肌肉的首端连接，所述气动人工肌肉的末端与穿戴在患者肘部的护袖连接。
9.优选地，所述气动人工肌肉包括乳胶管、套接在乳胶管外部的编制网管，所述乳胶管的首端设有堵头并通过喉箍卡紧，所述乳胶管的末端内接有第一pu管并通过两个喉箍卡紧，两个喉箍间隔设置。
10.优选地，所述护袖包括上下对应设置的上臂护袖和下臂护袖、以及上臂海绵和下臂海绵，所述上臂护袖与上臂海绵之间通过双面胶连接，所述下臂护袖与下臂海绵之间通过双面胶连接，所述上臂护袖和下臂护袖通过魔术贴与患者手肘固定，所述上臂护袖和下臂护袖的外侧设有多个支架，所述上臂护袖和下臂护袖通过支架与气动人工肌肉的末端连接。
11.优选地，所述控制结构包括电气比例阀，所述电气比例阀的左右两侧分别设有快插接头、第二pu管和螺纹接头，所述快插接头、第二pu管和螺纹接头以电气比例阀为中心呈左右对称分布，所述电气比例阀的左侧依次通过螺纹接头、第二pu管和快插接头与执行机构连接，所述电气比例阀的右侧依次通过螺纹接头、第二pu管和快插接头与气源结构连接。
12.优选地，所述气源结构包括依次连接的一转六接头、空气过滤器和气泵，所述一转六接头、空气过滤器和气泵之间均通过第三pu管连接。
13.本发明还提供了一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器的康复方法，具体工作流程如下：
14.步骤一：患者穿戴半指手套，并将气动人工肌肉卡进支架内；
15.步骤二：根据患者体型分别调整上臂护袖和下臂护袖的位置，并调整魔术贴的粘贴长度；
16.步骤三：当气泵给半指手套上面两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做背伸运动；当气泵给半指手套下面两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做掌屈运动；
17.步骤四：当气泵给半指手套桡骨一侧两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做桡偏运动；当气泵给半指手套尺骨一侧两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做尺偏运动；
18.步骤五：当气泵给缠绕在手臂上的两根气动人工肌肉充气时，分别带动手腕做旋前、旋后运动；
19.步骤六：健肢手腕作出运动，azurekinect检测健肢运动角度α传至程序处理，程序判断是何种运动；
20.步骤七：程序控制plc对相应的电气比例阀发送电压信号控制阀体开合程度，气动人工肌肉带动患肢做出与健肢同样的动作；
21.步骤八：姿态传感器实时监测患肢运动角度β传至程序处理并与由azure kinect检测到的健肢运动角度α进行比较，如：
22.α＞β，则调大电气比例阀的开合程度，气动人工肌肉充气；
23.α＝β，则保持电气比例阀的开合程度，气动人工肌肉保持；
24.α＜β，则调小电气比例阀的开合程度；气动人工肌肉放气；
25.步骤九：当患肢的转动角度超过预设范围时，程序自动控制电气比例阀断电放气。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.1、本发明采用乳胶管、编制网管、pu管等制作柔性驱动器，采用气动控制方式，结构轻巧，柔性无冲击。
28.2、本发明具有掌屈/背伸、桡偏/尺偏、旋前/旋后三个自由度，能够提供主动、被动
多种控制模式，能够带动患者手腕在腕部活动空间范围内做三自由度独立康复运动。
29.3、本发明采用azurekinect获取健肢的腕关节活动角度，实现了一种主动运动康复训练，即由健肢的运动带动患肢做同步镜像康复运动。
30.4、本发明相较于传统的人工康复训练，能够提供高强度的重复训练，训练效率高；相较于电机驱动的手腕外骨骼康复机器人，采用柔性驱动，结构轻巧，无冲击；相比于被动训练的手腕康复机器人，采用镜像控制，健康的手可以带动患手进行手腕的镜像训练，更有助于运动神经功能的恢复。
附图说明
31.图1为本发明的整体结构示意图；
32.图2为本发明中执行结构的结构示意图；
33.图3为本发明中气动人工肌肉的结构示意图；
34.图4为本发明中护袖的结构示意图；
35.图5为本发明中控制结构的结构示意图；
36.图6为本发明中气源结构的结构示意图。
37.图中：1执行机构、2控制结构、3气源结构、4半指手套、5姿态传感器、6扎带、7气动人工肌肉、8护袖、9手套连接件、10堵头、11喉箍、12编制网管、13乳胶管、14第一pu管、15魔术贴、16上臂护袖、17支架、18上臂海绵、19下臂海绵、20下臂护袖、21快插接头、22螺纹接头、23电气比例阀、24一转六接头、25空气过滤器、26气泵、27第二pu管、28第三pu管。
具体实施方式
38.下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.参照图1-6，一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器，包括用于穿戴并辅助手腕动作的执行机构1、与执行机构1连接并用于控制和调整执行机构1的控制结构2、以及与控制结构2连接并用于给执行机构1充气的气源结构3。
40.具体的，参照图2，所述执行机构1包括穿戴在患者手上的半指手套4、以及与半指手套4连接的姿态传感器5和手套连接件9，所述姿态传感器5通过丝线缝合在半指手套4的背面正中位置，所述手套连接件9通过丝线分别缝合在半指手套4的食指近节上下两端与小指近节上下两端；所述手套连接件9通过扎带6与气动人工肌肉7的首端连接，所述气动人工肌肉7的末端与穿戴在患者肘部的护袖8连接。
41.具体的，参照图3，所述气动人工肌肉7包括乳胶管13、套接在乳胶管13外部的编制网管12，所述乳胶管13的首端设有堵头10并通过喉箍11卡紧，所述乳胶管13的末端内接有第一pu管14并通过两个喉箍11卡紧，两个喉箍11间隔设置，这里两个喉箍11之间保持5mm的间隙。
42.具体的，参照图4，所述护袖8包括上下对应设置的上臂护袖16和下臂护袖20、以及
上臂海绵18和下臂海绵19，所述上臂护袖16与上臂海绵18之间通过双面胶连接，所述下臂护袖20与下臂海绵19之间通过双面胶连接，所述上臂护袖16和下臂护袖20通过魔术贴15与患者手肘固定，所述上臂护袖16和下臂护袖20的外侧设有多个支架17，所述上臂护袖16和下臂护袖20通过支架17与气动人工肌肉7的末端连接。
43.具体的，参照图5，所述控制结构2包括电气比例阀23，所述电气比例阀23的左右两侧分别设有快插接头21、第二pu管27和螺纹接头22，所述快插接头21、第二pu管27和螺纹接头22以电气比例阀23为中心呈左右对称分布，所述电气比例阀23的左侧依次通过螺纹接头22、第二pu管27和快插接头21与执行机构1连接，所述电气比例阀3的右侧依次通过螺纹接头22、第二pu管27和快插接头21与气源结构3连接。实际应用时，每根气动人工肌肉7均接有一个控制结构2，通过控制结构2对每根气动人工肌肉7控制或调整。
44.具体的，参照图6，所述气源结构3包括依次连接的一转六接头24、空气过滤器25和气泵26，所述一转六接头24、空气过滤器25和气泵26之间均通过第三pu管28连接。实际应用时，一转六接头24通过螺纹接头22和第三pu管28与空气过滤器25连接，且空气过滤器25通过螺纹接头22和第三pu管28气泵26连接，这里通过气泵26给执行机构1的气动人工肌肉7充气。
45.一种基于柔性驱动器的镜像手腕康复器的康复方法，具体工作流程如下：
46.步骤一：患者穿戴半指手套，并将气动人工肌肉卡进支架内；
47.步骤二：根据患者体型分别调整上臂护袖和下臂护袖的位置，并调整魔术贴的粘贴长度；
48.步骤三：当气泵给半指手套上面两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做背伸运动；当气泵给半指手套下面两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做掌屈运动；
49.步骤四：当气泵给半指手套桡骨一侧两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做桡偏运动；当气泵给半指手套尺骨一侧两根气动人工肌肉充气时，带动手腕做尺偏运动；
50.步骤五：当气泵给缠绕在手臂上的两根气动人工肌肉充气时，分别带动手腕做旋前、旋后运动；
51.步骤六：健肢手腕作出运动，azurekinect检测健肢运动角度α传至程序处理，程序判断是何种运动；
52.步骤七：程序控制plc对相应的电气比例阀发送电压信号控制阀体开合程度，气动人工肌肉带动患肢做出与健肢同样的动作；
53.步骤八：姿态传感器实时监测患肢运动角度β传至程序处理并与由azure kinect检测到的健肢运动角度α进行比较，如：
54.α＞β，则调大电气比例阀的开合程度，气动人工肌肉充气；
55.α＝β，则保持电气比例阀的开合程度，气动人工肌肉保持；
56.α＜β，则调小电气比例阀的开合程度；气动人工肌肉放气；
57.步骤九：当患肢的转动角度超过预设范围时，程序自动控制电气比例阀断电放气。
58.综上所述，本发明采用乳胶管、编制网管、pu管等制作柔性驱动器，采用气动控制方式，结构轻巧，柔性无冲击；具有掌屈/背伸、桡偏/尺偏、旋前/旋后三个自由度，能够提供主动、被动多种控制模式，能够带动患者手腕在腕部活动空间范围内做三自由度独立康复运动。
59.本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。