CN106309083A - 一种emg控制的气动软体康复机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种EMG控制的气动软体康复机械手，可以帮助中风患者或者有手部残疾的患者进行手部康复活动。这种康复机械手不同于传统的刚体式机械手，它的每根手指主要是由软材料(硅橡胶等超弹性材料)组成的中空腔体结构，***布置了纤维和限制应变层，将弯曲变形、伸长变形、扭曲变形和扭转伸长变形的结构组合设计成软体手指，通过气动驱动实现运动变形。可以实现类似于人手指的多段式关节弯曲，带动中风手指的弯曲和伸展，恢复患者部运动能力。这种气动软体康复机械手具有低刚度、安全性高、舒适度高、轻量、噪声小等优点，相较于目前传统的机械刚体式康复手具有更明显的优势，在康复领域具有很大的应用前景。
Description
【技术领域】
本发明属于医疗保健器械康复机器人和工业抓手技术领域，特别设计一种EMG控制的气动软体康复机械手，适用于老年人由于中风患者导致的手部功能障碍等症状进行康复训练和助力抓取。
【背景技术】
据世界卫生组织统计，全世界每6个人中就有1人可能罹患脑中风；每6秒钟就有1人死于脑中风；每6秒钟就有1人因为脑中风而永久致残……在全球3000万脑中风病人中，中国约占1/3，脑中风已经成为我国人口死亡和致残的第一位因素。70％的脑中风患者身体上患有不同程度的残疾。上肢残疾患者尤其是手残疾患者更能影响患者的正常生活，因为日常活动包括穿衣、吃饭、喝水等必须依靠手才能完成，因此手部的康复也显得尤为重要，从上世纪60年代起，就开发出了可以戴在患者手上的一系列机械式康复手，包括电机带动、拉线带动等，但是他们都是刚体，而且比手指关节的刚度还要大，当机械式的弯曲角度超过手指关节所能承受的弯曲角度时，这种机械康复手就会对手指产生压迫和抑制，造成患者的疼痛，因此，这种机械式的康复手有很大的危险性；而且对于不同的患者，手指所能承受的弯曲角度差异性很大，因此这种机械手不能广泛的被普及，调整也很不方便；它的成本和价格都太高，一般的消费者根本承担不起；机械式的一般重量都较重，因此携带起来不太方便，限制了患者的活动范围。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种EMG控制的气动软体康复机械手。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种EMG控制的气动软体康复机械手，包括上下两层结构的手套、以及安装于软体手套上层的五根中空的软体手指；手套的下层穿戴在使用者手上，每根软体手指均通过气管连接便携式驱动装置，便携式驱动装置能够通过采集使用者小臂上的肌肉电信号，并对其解码，将得到的识别信号作为出发信号，控制电磁阀和比例阀实现气压的充放气速度调节，以实现对软体手指的主动控制。
本发明进一步的改进在于：
所述软体手指的食指、中指、无名指以及小指为弯曲伸长类结构；软体康复手指的拇指为软体拇指类结构；
弯曲伸长类结构的软体手指包括5段变形，其中3段弯曲变形和2段伸长变形，3段弯曲角度与手指关节的弯曲角度相同，2段伸长变形与手指表面皮肤的伸长量相等，一个软体手指在充气后，从伸直状态变为弯曲状态，能够产生人手指的多段关节式变形；
软体拇指结构包括5段变形，其中1段扭曲变形、1段扭转伸长变形、2段弯曲变形和1段伸长变形；扭曲变形与拇指的第一段关节产生的扭曲变形相同，扭转伸长变形与扭曲变形与拇指皮肤表面的伸长量相等，2个弯曲变形与拇指第二个、三个关节产生的弯曲变形相等；对软体拇指充气后，能够产生拇指的变形。
所述软体手指包括本体和绕在本体表面的左螺旋纤维和有螺旋纤维，本体采用弹性材料制成；本体上还粘接有用于限制本体在充气后不产生膨胀变形的限制应变层。
所述软体手指的截面结构为长方形、梯形、半圆形或变截面型，软体手指变形所需的气压和产生的驱动力与软体手指的截面形状相关。
所述软体手指能够通过纯弯曲结构实现，每根软体手指都产生弯曲变形，通过中风手指的肌肉痉挛力和手套的松紧度作为外力改***体手指的运动变形，使其能够带动手指进行康复锻炼和助力抓取。
所述手套采用适合穿戴和康复锻炼的柔软布料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明介绍的气动软体康复机械手采用软材料，刚度比手指的刚度小，因此手指能够克服所产生的压迫力，安全性已经大大提高。而且，它可以通过大变形柔性传感器进行实现姿态反馈，时刻监测软体手指手的变形，提高了气动软体康复机械手的安全性。气动软体康复机械手使用材料的价格较为便宜，它的重量也很轻，携带方便，而且具有柔软舒服等特点，能够很好的与患者交互。诸如上述优点，弥补了机械刚体式康复手的不足，为手部需要康复的患者带来了新的希望，如果能够得到推广，将提升患者的生活质量，减轻家庭和社会医护人员的负担。
【附图说明】
图1为软体驱动器伸长变形的实现原理示意图；
图2为软体驱动器弯曲变形的实现原理示意图；
图3为软体手指的截面形状结构图；
图4为弯曲伸长类软体手指的结构组成示意图；
图5为弯曲伸长类软体手指的变形结果图；
图6为软体拇指的结构组成；
图7为软体拇指的变形结果图；
图8为气动软体康复机械手结构示意图；
图9为软体手指与手指贴合情况示意图。
其中：1-软体手指；2-气管。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图8，本发明EMG控制的气动软体康复机械手，其特征在于，包括上下两层结构的手套、以及安装于软体手套上层的五根中空的软体手指；手套的下层穿戴在使用者手上，每根软体手指均通过气管连接便携式驱动装置，便携式驱动装置能够通过采集使用者小臂上的肌肉电信号，并对其解码，将得到的识别信号作为出发信号，控制电磁阀和比例阀实现气压的充放气速度调节，以实现对软体手指的主动控制。软体康复手指的食指、中指、无名指以及小指为弯曲伸长类结构；软体手指的拇指为软体拇指类结构；
弯曲伸长类结构的软体手指包括5段变形，其中3段弯曲变形和2段伸长变形，3段弯曲角度与手指关节的弯曲角度相同，2段伸长变形与手指表面皮肤的伸长量相等，一个软体手指在充气后，从伸直状态变为弯曲状态，能够产生人手指的多段关节式变形；
软体拇指结构包括5段变形，其中1段扭曲变形、1段扭转伸长变形、2段弯曲变形和1段伸长变形；扭曲变形与拇指的第一段关节产生的扭曲变形相同，扭转伸长变形与扭曲变形与拇指皮肤表面的伸长量相等，2个弯曲变形与拇指第二个、三个关节产生的弯曲变形相等；对软体拇指充气后，能够产生拇指的变形。
软体手指包括本体和绕在本体表面的左螺旋纤维和有螺旋纤维，本体采用弹性材料制成；本体上还粘接有用于限制本体在充气后不产生膨胀变形的限制应变层。软体手指的截面结构为长方形、梯形、半圆形或变截面型，软体手指变形所需的气压和产生的驱动力与软体手指的截面形状相关。软体手指能够通过纯弯曲结构实现，每根软体手指都产生弯曲变形，通过中风手指的肌肉痉挛力和软体手套的松紧度作为外力改***体手指的运动变形，使其能够带动手指进行康复锻炼和助力抓取。手套采用适合穿戴和康复锻炼的柔软布料。
本发明的原理：
本发明提供了一种可以帮助手部无力、肌肉退化或者手部运动不灵活等患者恢复手部正常运动能力的装置。气动软体康复机械手可以像手套似的穿戴在手的背面，使手被动的跟随软体康复手的弯曲而使手产生弯曲，对于某些患者，可以通过不断的被动锻炼，舒活手部神经，并且重塑大脑中的手部神经控制网络，使患者可以恢复手部正常运动。
本发明也可以作为机器人的末端执行器，由于它可以产生类似于手指那样的多段式变形，因此可以像手那样进行物体的抓取，由于它的刚度较小，在抓取一般的物体时，不会对物体产生损害，在工业应用领域主要用做分拣、转移物体等任务，比如摘水果、分拣水果，不会对水果表面产生损害；家用领域则可以用来做家务(洗菜、按摩)等；民用领域则可以作为气动玩具，给人以活灵活现、惟妙惟肖的感觉。
本发明包括康复手套和软体手指两个部分。当从伸展状态变为弯曲状态时，气动软体康复机械手可实现单方向弯曲变形带动中风手指康复运动；当从弯曲状态变为伸展状态时，可依靠软体手指材料的自身弹性和软体手套的弹性将中风手指拉回到伸展状态。
将软体手指分为两大类：弯曲伸长类和软体拇指类两种。
弯曲伸长类包含5段：3段弯曲变形和2段伸长变形，每段的长度都可以根据软体手机的原理进行设计计算，最终得到的软体手指可以实现手指般的多段关节式变形。
软体拇指包含5段：1段扭曲变形、1段扭转伸长变形、2段弯曲变形和1段伸长变形，每段的长度都可以根据软体手机的原理进行设计计算，最终得到的软体手指与拇指弯曲的多段关节式变形类似。
每根软体手指都包含三个部分：本体、纤维和限制应变层。本体为中空腔体，纤维包含左螺旋纤维和右螺旋纤维，纤维用来限制径向方向的膨胀变形，使软体手指可以承受更高的气压，限制应变层可以改***体运动变形的方向，使其实现弯曲变形和扭曲变形。
软体手指截面结构包含长方形、梯形、半圆形和变截面型等，其中，长方形、梯形和半圆形均可以实现常曲率弯曲，而变截面实现的是变曲率弯曲，软体手指变形所需的气压和产生的驱动力与截面形状相关。
软体手指也可设计为纯弯曲结构，通过中风手指的肌肉痉挛力和软体手套的松紧度作为外力改***体手指的运动变形，使其能够带动手指进行康复锻炼和助力理抓取。虽然这种结构的软体手指没能完全与手指贴合，但是可以通过合理设计手套的松紧度改善软体手指与中风手指的贴合度，这样的结构便于制造，而且输出的力较大，便于患者使用。
设计软体手套的上下层，使其能够包裹软体手指和带动中风手指运动，选择合适的材料使得在康复时不会对患者造成不适。
气动软体康复手的结构主要包括三种材料：
本体：由超弹性材料构成，比如硅橡胶材料，对人体不能有伤害，无毒无味，没有副作用，材料弹性模量在0.1～1Mpa左右，与皮肤、肌肉等生物材料的弹性模量相当。此外材料的流动性、可浇注性要好，材料固化后不能有黏性，固化后的表面要光洁柔软。
如图3所示，软体手指截面形状有多种形状：比如长方形、梯形、半圆形、变截面等，不同截面产生的变形效果不一样，比如长方形和半圆形可以产生常曲率弯曲变形，而变截面型却产生变曲率弯曲变形，因此，在设计手指时可根据功能需要设计不同的截面形状。
纤维：纤维的强度要高，直径要小，柔度要小，比普通缝纫使用的线的强度要高。易与本体材料粘接在一起，在使用时分为左螺旋纤维和右螺旋纤维。
限制应变层：薄层网状纤维布不可拉伸，强度要求高，柔度要大，比如玻璃纤维层。它一般是网格状结构，中间小孔便于制造时液体浇筑，与本体材料粘为一体。
如图1所示，伸长变形原理：伸长驱动器包含一个中空腔体，本体表面绕有左螺旋纤维和右螺旋纤维，对其充气后，产生轴向伸长变形，径向由于受到纤维的限制不会产生膨胀变形；其中，a为软材料制作的腔体，b为顺时针缠绕的纤维即左螺旋纤维，c为逆时针缠绕的纤维即右螺旋纤维，d为对缠绕了纤维的腔体充气后的伸长变形的示意图。
如图2所示，弯曲变形原理：弯曲驱动器包含一个中空腔体和一层限制应变层，本体表面绕有左螺旋纤维和右螺旋纤维，对其充气后，沿着不产生应变的限制应变层产生弯曲变形，径向由于受到纤维的限制不会产生膨胀变形；其中，e为限制应变层，f为对缠绕了纤维并加上限制应变层的腔体充气后的弯曲变形的示意图。
由于人手指产生的是多段式关节弯曲，因此软体康复手指也应该设计成多段式结构。软体康复手包含五根软体手指，每根手指的长度不一，分别与各根手指的长度近似，都是中空结构；不同的是，食指、中指、无名指、小指的变形类似，属于弯曲伸长类结构，只是各根手指的宽窄和长度不一样；拇指较为特殊，拇指的第一个关节为扭曲结构，需单独进行设计。
如图4和图5所示，弯曲伸长类结构软体手指包含5段，其中图4的a1、a2、a3为弯曲变形的长度，b1、b2为伸长变形的长度，各个部分的长度可按照软体变形的原理进行设计计算，它的变形结果如图5所示，可以产生三段弯曲和2段伸长，与手指弯曲变形类似，不会产生阻碍作用。
如图6和图7所示，软体拇指手指包含5段，其中图6的a1为扭曲变形长度、b1为扭转伸长变形长度、a2和a3为弯曲变形的长度，b2为伸长变形的长度，各个部分的长度也可按照软体变形的原理进行设计计算，它的变形结果如图7所示，可以产生类似于拇指的多段关节式变形。
本发明的工作过程：
根据患者手指尺寸设计制造出五根软体手指，保证实际制造出得软体手指与仿真分析的变形结果相近，每根手指都可以产生多段关节式运动学变形和足够的力带动手指运动。将软体手指装入手套中，根据患者手部的实际情况调整软体手指位置和松紧度。将每根软体手指的气管连接便携式驱动装置，对其进行充放气。为了实现能够自主控制软体康复手的运动，可通过采集小臂上的肌肉电信号并对其解码，将得到的识别信号作为触发信号控制电磁阀和比例阀实现气压和充放气速度调节，最终实现对软体康复手指的主动控制。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种EMG控制的气动软体康复机械手，其特征在于，包括上下两层结构的手套、以及安装于软体手套上层的五根中空的软体手指(1)；手套的下层穿戴在使用者手上，每根软体手指均通过气管(2)连接便携式驱动装置，便携式驱动装置能够通过采集使用者小臂上的肌肉电信号，并对其解码，将得到的识别信号作为出发信号，控制电磁阀和比例阀实现气压的充放气速度调节，以实现对软体手指的主动控制。
2.根据权利要求1所述的EMG控制的气动软体康复机械手，其特征在于，所述软体手指(1)的食指、中指、无名指以及小指为弯曲伸长类结构；软体康复手指(1)的拇指为软体拇指类结构；
弯曲伸长类结构的软体手指(1)包括5段变形，其中3段弯曲变形和2段伸长变形，3段弯曲角度与手指关节的弯曲角度相同，2段伸长变形与手指表面皮肤的伸长量相等，一个软体手指在充气后，从伸直状态变为弯曲状态，能够产生人手指的多段关节式变形；
软体拇指结构包括5段变形，其中1段扭曲变形、1段扭转伸长变形、2段弯曲变形和1段伸长变形；扭曲变形与拇指的第一段关节产生的扭曲变形相同，扭转伸长变形与扭曲变形与拇指皮肤表面的伸长量相等，2个弯曲变形与拇指第二个、三个关节产生的弯曲变形相等；对软体拇指充气后，能够产生拇指的变形。
3.根据权利要求1或2所述的EMG控制的气动软体康复机械手，其特征在于，所述软体手指(1)包括本体和绕在本体表面的左螺旋纤维和有螺旋纤维，本体采用弹性材料制成；本体上还粘接有用于限制本体在充气后不产生膨胀变形的限制应变层。
4.根据权利要求1或2所述的EMG控制的气动软体康复机械手，其特征在于，所述软体手指(1)的截面结构为长方形、梯形、半圆形或变截面型，软体手指(1)变形所需的气压和产生的驱动力与软体手指(1)的截面形状相关。
5.根据权利要求1或2所述的EMG控制的气动软体康复机械手，其特征在于，所述软体手指(1)能够通过纯弯曲结构实现，每根软体手指(1)都产生弯曲变形，通过中风手指的肌肉痉挛力和手套的松紧度作为外力改***体手指的运动变形，使其能够带动手指进行康复锻炼和助力抓取。
6.根据权利要求1或2所述的EMG控制的气动软体康复机械手，其特征在于，所述手套采用适合穿戴和康复锻炼的柔软布料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |