CN117281712A - 一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，涉及康复机器人、可穿戴康复装备技术领域。包括手套，穿戴在人体的手部；护肘，穿戴在人体的肘部，采用柔性织物制作；护肩，穿戴在人体的肩部，采用柔性织物制作；一对小臂细径气动肌肉束，设置在小臂的前后两侧，一端与手套连接，一端与护肘连接；一对大臂细径气动肌肉束，设置在大臂的前后两侧，一端与手肘连接，另一端与护肩连接；控制系统，控制小臂细径气动肌肉束和大臂细径气动肌肉束的收缩和伸展，获取肘关节和腕关节角度的数据并进行处理。本发明穿戴方便，更贴合人体，舒适度高，收缩性能好，柔顺性高。

Description

一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置

技术领域

本发明属于康复机器人、可穿戴康复装备技术领域，更具体地说，是涉及一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置。

背景技术

近年来，我国社会老龄化加速，脑卒中患者数量不断增加。据统计，我国每年新增约240万例脑卒中病例，现有患者累计超过1100万人。脑卒中患者中约80％术后出现上肢功能障碍，其中只有30％的人能最终恢复基本的运动功能。肘关节和腕关节在上肢运动系统中起着重要作用，活动频繁，是人类进行复杂和精细活动的关键组成部分。其功能障碍会严重影响患者的日常生活和工作效率。因此，除了及时手术和必要的药物治疗外，尽早的实施康复训练变得尤为重要。然而，传统的人工康复资源有限且费用较高。在这种情况下，人们正在探索一种经济实惠且更高效的可穿戴康复装置。

传统的康复装置主要由电机驱动和刚性机械构件组成，这种康复装置存在着很多缺点。除了质量大、体积大、安全性差和便携性差等问题外，其驱动系统的性能也难以满足高效、准确和柔顺的人机交互要求。为了解决这些问题，柔性驱动器引起了学者们的广泛关注。

气动肌肉是一种与人体肌肉特性相似的柔性驱动器。由于气体的可压缩性，气动肌肉具有天然的柔顺特性。充气后产生的拉力是普通气缸的10倍，具有低成本、快速响应时间、高功率/质量比和高功率/体积比等优点。然而，传统的气动肌肉存在一定的局限性，如直径过大、不易弯曲和两端金属部件过重，这极大地限制了其柔顺性和轻量性。

综上所述，设计一种新式的细径气动肌肉，以及设计一种搭载细径气动肌肉驱动器的肘腕关节柔性康复装置能够为患者带来更多的方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，穿戴方便，采用的细径气动肌肉束体积小、收缩性能好、柔顺性高。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，包括：

手套，穿戴在人体的手部，手套上装有第一固定卡扣；

护肘，穿戴在人体的肘部，采用柔性织物制作，配有第一魔术贴，以便于不同手臂尺寸的人穿戴，还配有第二固定卡扣；

护肩，穿戴在人体的肩部，采用柔性织物制作，配有第二魔术贴，以便于不同手臂尺寸的人穿戴；

一对小臂细径气动肌肉束，设置在小臂的前后两侧；小臂细径气动肌肉束的一端设有第一插扣，第一插扣与第一固定卡扣连接，另一端与护肘连接；两个小臂细径气动肌肉束采用拮抗驱动模式，当一侧的小臂细径气动肌肉束充气收缩时，对侧的小臂细径气动肌肉束伸展，从而带动腕关节完成屈曲、伸展运动；

一对大臂细径气动肌肉束，设置在大臂的前后两侧，大臂细径气动肌肉束的一端设有第二插扣，第二插扣与第二固定卡扣连接，另一端与护肩连接；两个大臂细径气动肌肉束采用拮抗驱动模式，当一侧的大臂细径气动肌肉束充气收缩时，对侧的大臂细径气动肌肉束伸展，从而带动肘关节完成屈曲、伸展运动；

控制系统，控制小臂细径气动肌肉束和大臂细径气动肌肉束的收缩和伸展，获取肘关节和腕关节角度的数据并进行处理。

优选地，所述小臂细径气动肌肉束和所述大臂细径气动肌肉束均包括3D打印进气口和若干股细径气动肌肉，所述细径气动肌肉的一端与3D打印进气口固定连接，另一端与第一插扣或第二插扣连接，3D打印进气口与护肩或护肘连接。

优选地，所述细径气动肌肉由单丝纤维编织网和硅胶管组成，单丝纤维编织网套设在硅胶管的外面，单丝纤维编织网的编织角度为22度；硅胶管的一端与3D打印进气口连接，气体由3D打印进气口进入硅胶管，控制系统控制硅胶管内的气压来实现所述细径气动肌肉的收缩或伸展。

优选地，所述小臂细径气动肌肉束的整体长度为16cm，最宽处的宽度为4.8cm，所述小臂细径气动肌肉束包括两组肌肉，每组肌肉由八根所述细径气动肌肉进行编织，每根细径气动肌肉的直径为2.7mm。

优选地，所述大臂细径气动肌肉束的整体长度为28cm，最宽处的宽度为6.5cm，所述大臂细径气动肌肉束包括四组肌肉，每组肌肉由八根所述细径气动肌肉进行编织，每根细径气动肌肉的直径为2.7mm。

优选地，所述3D打印进气口整体由3D打印而成，侧边具有螺纹，用于连接进气螺钉，正面具有凹槽结构，用于连接所述细径气动肌肉。

优选地，所述控制系统包括气泵机、比例压力阀、控制器、气压传感器、角度传感器；

所述气泵机，提供气压以驱动所述细径气动肌肉；

所述比例压力阀，通过接收电压信号来控制阀门的通断时间，从而调节气泵机的输出气压；

控制器，控制比例压力阀的开通比例，并负责接收、计算、处理数据，发送相应的指令；

所述角度传感器，可以实时检测关节的旋转角度，并将角度信息反馈给控制器；

所述气压传感器，可以实时检测气动肌肉内部气压值，并将气压信息反馈给控制器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本装置整体采用柔性材质，更加贴合人体，舒适度高。

2、本装置采用细径气动肌肉束作为驱动器，柔顺性更好，体积小，安全性高。

3、本装置穿戴部位采用魔术贴，方便不同臂围的人穿戴。

4、本装置采用卡扣方式连接细径气动肌肉束，便于不同臂长的人调整肌肉的连接位置。

5、本装置配备外接控制模块，可以更方便的读取装置的实时信息并对装置进行实时控制。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是自制细径气动大臂肌肉束的结构示意图；

图3是3D打印进气口的结构示意图；

图4是细径气动肌肉的结构示意图；

图5是本发明的侧面工作示意图；

图6是本发明的控制流程示意图；

图中：1、护肩；2、大臂细径气动肌肉束；201、魔术贴；202、3D打印进气口；203、细径气动肌肉；2031、单丝纤维编织网；2032、硅胶管；204、插扣；3、护肘；4、魔术贴绑带；5、小臂细径气动肌肉束；6、手套；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，康复装置包括护肩1、大臂细径气动肌肉束2、护肘3、魔术贴绑带4、小臂细径气动肌肉束5和手套6。

护肩1、护肘3和手套6固定于穿戴者手臂上，护肩1，护肘3和手套6整体采用柔性材质，穿戴更加舒适，且本身具有魔术贴，可通过调节魔术贴的松紧从而紧密的贴合手臂，适应不同尺寸的手臂需求。

大臂细径气动肌肉束2和小臂细径气动肌肉束5，可通过其上自带的魔术贴和插扣分别连接护肩1，护肘3和手套6。魔术贴绑带4将装置固定于手臂上，此种设计方式可保证护肘3在收到细径气动肌肉束的拉力时不会产生位移，以确保其可以作为受力组件的基座部分。

图2为大臂细径气动肌肉束2的结构示意图。大臂自制细径气动肌肉束2，采用细径气动肌肉203、3D打印进气口202、插扣204组装而成，细径气动肌肉203共32根，分为4组，每组8根，采用编辫子的编织方式，排列更加紧凑，且提高肌肉整体的收缩率和强度。大臂细径气动肌肉束2可产生230N的最大收缩力，以及30％的最大收缩率。与传统气动肌肉相比具有更小的体积、更好的收缩性能以及更高的柔顺性。编织后的细径气动肌肉203的一端与3D打印进气口202通过密封胶连接，另外一端连接插扣204缝合，用于连接护肩1，护肘3。

图3为3D打印进气口202的结构示意图，3D打印进气口202用于连接细径气动肌肉束和导气管。3D打印进气口202上配有螺纹，可连接PVC气管，用作气体接收部分，其上装有螺丝与魔术贴201，便于后期更换维护。

小臂细径气动肌肉束5同样由细径气动肌肉203和3D打印进气口以及插扣组装而成。小臂细径气动肌肉束5分为2组肌肉，每组由8根细径气动肌肉203进行编织，共16根。小臂细径气动肌肉束5可产生120N的最大收缩力，以及27％的最大收缩率。与传统气动肌肉相比具有更小的体积、更好的收缩性能以及更高的柔顺性。小臂细径气动肌肉束5一端连接在护肘部分处，另一端连接手套，以确保气动肌肉可以将拉力作用于手腕处。

图4为细径气动肌肉203的结构示意图；每根细径气动肌肉203由单丝纤维编织网2031和硬度为40的硅胶管2032组成。单丝纤维编织网2031的编织角度为22°，具有良好的收缩性。40硬度的硅胶管2032插入单丝纤维编织网2031中，并在两端用胶水固定，制作起来简便，材料价格低廉，安全性高。

图5是康复装置的侧面工作示意图，其中A、B和C、D为装置两侧肌肉的固定点，Lup表示A、B之间肌肉的实际长度，Ldown表示C、D之间肌肉的实际长度，Ldown-init表示C、D之间肌肉的初始长度。两侧肌肉采用拮抗驱动，一侧肌肉充气收缩时，对侧的肌肉伸展，从而带动肘腕关节完成屈曲、伸展运动。当A、B间的肌肉充气收缩时，两侧肌肉的实际长度可表示如下：

Ldown＝Ldown-init+rθ

图6是本装置的控制流程图，气泵机可为大臂细径气动肌肉束2和小臂细径气动肌肉束5提供持续稳定的气压，满足康复转置肘腕关节转动角度的需求。比例压力阀，压力调节范围为0.02～10bar，由输入电压信号控制阀门通断时间，进而控制输出气压。控制器选用的是STM32F407单片机。为了使系统的控制误差小、稳定性强，通过使用气压传感器与角度传感器实时采集气压信息和角度信息形成闭环控制系统。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，其特征在于，包括：

手套，穿戴在人体的手部，手套上装有第一固定卡扣；

护肘，穿戴在人体的肘部，采用柔性织物制作，配有第一魔术贴，以便于不同手臂尺寸的人穿戴，还配有第二固定卡扣；

护肩，穿戴在人体的肩部，采用柔性织物制作，配有第二魔术贴，以便于不同手臂尺寸的人穿戴；

一对小臂细径气动肌肉束，设置在小臂的前后两侧；小臂细径气动肌肉束的一端设有第一插扣，第一插扣与第一固定卡扣连接，另一端与护肘连接；两个小臂细径气动肌肉束采用拮抗驱动模式，当一侧的小臂细径气动肌肉束充气收缩时，对侧的小臂细径气动肌肉束伸展，从而带动腕关节完成屈曲、伸展运动；

一对大臂细径气动肌肉束，设置在大臂的前后两侧，大臂细径气动肌肉束的一端设有第二插扣，第二插扣与第二固定卡扣连接，另一端与护肩连接；两个大臂细径气动肌肉束采用拮抗驱动模式，当一侧的大臂细径气动肌肉束充气收缩时，对侧的大臂细径气动肌肉束伸展，从而带动肘关节完成屈曲、伸展运动；

控制系统，控制小臂细径气动肌肉束和大臂细径气动肌肉束的收缩和伸展，获取肘关节和腕关节角度的数据并进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，其特征在于，所述小臂细径气动肌肉束和所述大臂细径气动肌肉束均包括3D打印进气口和若干股细径气动肌肉，所述细径气动肌肉的一端与3D打印进气口固定连接，另一端与第一插扣或第二插扣连接，3D打印进气口与护肩或护肘连接。

3.根据权利要求2所述的一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，其特征在于，所述细径气动肌肉由单丝纤维编织网和硅胶管组成，单丝纤维编织网套设在硅胶管的外面，单丝纤维编织网的编织角度为22度；硅胶管的一端与3D打印进气口连接，气体由3D打印进气口进入硅胶管，控制系统控制硅胶管内的气压来实现所述细径气动肌肉的收缩或伸展。

4.根据权利要求3所述的一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，其特征在于，所述小臂细径气动肌肉束的整体长度为16cm，最宽处的宽度为4.8cm，所述小臂细径气动肌肉束包括两组肌肉，每组肌肉由八根所述细径气动肌肉进行编织，每根细径气动肌肉的直径为2.7mm。

5.根据权利要求3所述的一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，其特征在于，所述大臂细径气动肌肉束的整体长度为28cm，最宽处的宽度为6.5cm，所述大臂细径气动肌肉束包括四组肌肉，每组肌肉由八根所述细径气动肌肉进行编织，每根细径气动肌肉的直径为2.7mm。

6.根据权利要求3所述的一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，其特征在于，所述3D打印进气口整体由3D打印而成，侧边具有螺纹，用于连接进气螺钉，正面具有凹槽结构，用于连接所述细径气动肌肉。

7.根据权利要求1所述的一种细径气动肌肉驱动的肘腕关节柔性康复装置，其特征在于，所述控制系统包括气泵机、比例压力阀、控制器、气压传感器、角度传感器；

所述气泵机，提供气压以驱动所述细径气动肌肉；

所述比例压力阀，通过接收电压信号来控制阀门的通断时间，从而调节气泵机的输出气压；

控制器，控制比例压力阀的开通比例，并负责接收、计算、处理数据，发送相应的指令；

所述角度传感器，可以实时检测关节的旋转角度，并将角度信息反馈给控制器；

所述气压传感器，可以实时检测气动肌肉内部气压值，并将气压信息反馈给控制器。