一种基于混合驱动多模式的手部康复装置及方法

技术领域

本发明属于康复医疗机器人技术领域，具体涉及一种智能手部训练、康复装置，可用于中风等病人指关节的助力以及多阶段康复训练的混合驱动多模式的手部康复装置及方法。

背景技术

在目前各种手部康复方法中，运动康复训练是行至有效的方法之一。一对一的医师按摩、拉伸是较为常见的运动康复训练，该康复方法价格昂贵，且严重占用医疗资，无法满足大多数患者的需求。这一现象刺激了市场对于康复设备的需求，而传统的手部康复设备采用刚性材料、复杂的机械结构制造而成，制造工艺繁琐、价格昂贵、且刚性材料大大降低了人机和谐，易造成二次伤害，不利于市场推广。而基于软体的康复训练设备既能解决传统机械结构康复设备存在的不足，也能降低患者的治疗成本，且使得康复治疗家庭化和个性化，有十分重大的意义。

现有的软体康复手套，均采用手指与驱动器一一对应的设计，结构繁琐，由于受软体材料的影响大多只能实现被动的单向抓握。授权号201810979131.7 的一种气动康复手套，采用柔性气动件结构，实现了手指向手掌方向的抓握。但是此结构笨重，控制方式单一，无法满足不同患者的需求。授权号为 201610802331.6的一种以EMG控制的气动软体康复机械手，该专利将纤维缠绕在手指外部，并与限制应变层配合，实现充气时的手指弯曲。然而此机械手过于复杂繁琐，价格昂贵，不便于市场普及与大众化。

综上所述，在康复医疗领域，需要进行康复训练的人群手部功能受损情况各异，所需训练形式各有不同。当手部功能障碍人群手部功能恢复至肌力等级3 级以上时，持续性被动活动无法满足训练需求，需要进行抗阻训练。因此，需要一种能同时提供持续性被动活动和抗阻训练的设备满足使用者不同康复治疗阶段的训练需求。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于混合驱动多模式的手部康复装置，能提供手指关节被动助力训练模式及主动阻抗训练两种模式给不同肌力等级患者，解决了现有技术中存在的问题。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种基于混合驱动多模式的手部康复装置，包括训练手套、气动控制系统、记忆合金控制系统和控制终端；所述训练手套的两指之间分别固定有左右指间驱动器，所述左右指间驱动器对通过驱动器基座与气动控制系统和记忆合金控制系统相连，在控制终端控制气动控制系统和记忆合金控制系统的复合驱动下，实现掌心主动弯曲力与被动伸展力。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

作为优选，所述训练手套包括手套主体和手腕紧固带；

所述手套主体由柔性材料制成，为无掌心四指穿戴结构；

所述手腕紧固带包括腕带，腕带顶部设有一对棘爪基座，棘爪基座通过棘爪轴固定一对棘爪，棘爪轴上还设有扭力弹簧；在腕带内侧还缝合有棘条。

作为优选，指间驱动器包括硅橡胶驱动器、记忆合金片和钓线；所述硅橡胶驱动器通过钓线与驱动器基座相连，记忆合金片设在硅橡胶驱动器和驱动器基座的记忆合金室中，并与记忆合金控制系统相连。

作为优选，所述硅橡胶驱动器包括气囊、气道、锯齿状夹持片和记忆合金室；所述气囊通过气道与气动控制系统相连对气囊充气，锯齿状夹持片设在气囊底部。

作为优选，所述驱动器基座包括记忆合金室、ABS基座孔和气道；ABS基座孔中贯穿有钓线，ABS基座孔外端部嵌入有拉紧弹簧和与钓线相连的拉紧棒。

作为优选，所述气囊底部与两侧植入纤维编织层，其纤维方向垂直于气囊轴向并分别平行于地面与侧面。

作为优选，所述记忆合金控制系统包括控制模块、混合驱动输出模块和供电系统；所述控制模块包括Arduino开发板，Arduino开发板通过蓝牙模块与控制终端连接。

所述混合驱动输出模块包括分别与Arduino开发板连接的电磁阀、调节阀和电源模块，电磁阀、调节阀和电源模块连接气泵，电源模块连接记忆合金片；

所述供电系统连接控制模块和混合驱动输出模块为其供电。

作为优选，所述Arduino开发板中设有并联连接的三极管，三极管的并联节点一端连接5V供电系统，另一端接地，两对三极管的输入端和输出端并联连接电磁阀和调节阀，电磁阀和调节阀输出端接24V电源模块,通过并联电阻R3 后接记忆合金片。

本发明相应地给出了一种混合驱动多模式的手部康复方法，包括：

被动运动康复训练模式下，将腕带固定在使用者手腕上；使用者通过控制终端与Arduino开发板通讯，使用者通过控制终端选择激活气囊驱动、记忆合金驱动或者混合驱动模式，Arduino开发板控制电磁阀和调节阀为气囊充气以及记忆合金的状态，实现指尖驱动器的掌心弯曲与背向恢复；

主动阻抗康复训练模式下，使用者主动完成向掌心弯曲与背向恢复的往复运动，与记忆合金片、硅橡胶驱动器的弹性力形成阻抗训练。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1.本发明采用无掌心手套设计极大的增加了使用患者穿戴时的透气性和舒适性。

2.本发明采用双棘爪结构可以实现腕带的单手紧固与放松，提高了使用者穿戴和取下时的便捷性。

3.本发明采用指间驱动的形式，通过将驱动器置于两指之间实现一对多的驱动效果，仅需要两个驱动器便可驱动四根手指，极大的降低了控制难度；由于固定机构位于指间，也降低了驱动器位于指背的横截面积，提高运动过程的灵活性。

4.本发明采用混合驱动组合控制的策略、主动训练与阻抗训练结合，可实现手指的被动助力及主动运动从而完成两种训练模式，并可以满足不同肌力等级患者的康复需求。

5.本发明采用控制终端(远程手机APP)控制的方式，具有良好的实时性与高效性，患者可根据自身感受进行自行调节，极大的解放了医护工作者的压力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例中的整体立体结构示意图；

图2是图1中手部康复训练装置手套的结构示意图；

图3是图1中手部康复训练装置驱动器的结构示意图；

图4是图3中硅橡胶驱动器的剖视图；

图5是图3手部康复训练装置驱动器的爆炸视图；

图6是本发明整个手部康复训练装置的控制流程图；

图7是图1中手部训练康复装置控制电路示意图。

图中，1.训练手套，2.右指间驱动器，3左指间驱动器，4.气动控制系统， 5.记忆合金控制系统，6.驱动器基座，7.手套主体，8.手腕紧固带，9.棘条， 10.左棘爪，11.右棘爪，12.棘爪基座，13.棘爪轴，14.扭力弹簧，15.硅橡胶驱动器，16.ABS基座孔，17.记忆合金片，18.拉紧弹簧，19.拉紧棒，20.钓线，21.气囊，22.气道，23.锯齿状夹持片，24.记忆合金室，25.气泵，26.电磁阀，27.调节阀，28.Arduino开发板，29.电源模块，30.蓝牙模块，31.控制终端， 32.APP。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于混合驱动多模式的手部康复装置具体实施方式及工作原理进行详细说明。

如图1所示，一种基于混合驱动多模式的手部康复装置，包括训练手套1、气动控制系统4、记忆合金控制系统5和计算机控制系统31，训练手套1的两指之间分别固定有指间驱动器对(右指间驱动器2、左指间驱动器3)，将指间驱动器的力传递给手套佩戴者的手指；指间驱动器对通过连接驱动器基座6并固定在训练手套两指交接处；指间驱动器对通过驱动器基座6相连，并连接至气动控制系统4和记忆合金控制系统5，气动控制系统4和记忆合金控制系统5 连接控制终端31，且在气动控制系统4和记忆合金控制系统5的复合驱动下，实现掌心主动弯曲力与被动伸展力，为使用者施加两个方向的力，以满足不同的康复需求。

如图2所示，训练手套1包括手套主体7和手腕紧固带8。手套主体7由柔性材料制成，采用无掌心设计，仅通过手套背与手腕相连；手腕禁锢扣8由棘条9、左棘爪10、右棘爪11、基座12、棘爪轴13和扭力弹簧14组成，基座12 通过棘爪轴13固定一对棘爪，棘爪轴13上还设有扭力弹簧14；棘条9缝合在腕带内侧，基座12缝合于腕带上方，左棘爪10通过孔与棘爪轴13相配合，扭力弹簧14与棘爪轴13左棘爪10孔共心，右棘爪11通过孔与基座轴相配合。

如图3，4，5所示，指间驱动器包括硅橡胶驱动器15、驱动器基座6、记忆合金片17、拉紧弹簧18、拉紧棒19和钓线20。硅橡胶驱动器包括气囊21、气道22、锯齿状夹持片23和记忆合金室24，气囊21通过气道22与气动控制系统4相连，气囊21底部与两侧分别植入纤维编织层，其纤维方向垂直与轴向并分别平行于地面与侧面；锯齿状夹持片23锯齿角为30x6并缝合在指间内侧；记忆合金室24顶部封闭并位于气囊21底部；驱动器基座6包括记忆合金室24、气道22；拉紧弹簧18与拉紧棒19内嵌入驱动器基座弹簧孔内，拉紧弹簧18一端通过钓线20与硅橡胶驱动器15通孔相连，另一端通过ABS基座孔16与拉紧棒19相连；记忆合金内嵌入硅橡胶驱动器15和ABS基座的记忆合金室24。

如图6，7所示，记忆合金控制5系统包括控制模块、混合驱动输出模块和供电系统；控制模块包括Arduino开发板28，Arduino开发板28通过蓝牙模块 30与控制终端31连接。混合驱动输出模块包括分别与Arduino开发板28连接的电磁阀26、调节阀27和电源模块29，电磁阀26、调节阀27和电源模块29 连接气泵25，电源模块29连接记忆合金片17。供电系统连接控制模块和混合驱动输出模块为其供电。

气泵25与气道22相连作为气囊21动力源，电磁阀26与调节阀27串联并接入气泵25，Arduino开发板28连接并控制电磁阀26与调节阀27，Arduino 开发板28利用其蓝牙模块30与控制终端31通讯；电磁阀26与调节阀27串联并接收Arduino开发板28控制指令；电源模块29与记忆合金片17、Arduino 开发板28相连为其供电。

如图2所示，训练手套1的无掌心设计最大限度的提高了患者使用过程中的透气性。训练手套1手腕的右棘爪11为手动进给棘爪，左棘爪10为扭矩弹簧自锁棘爪，双棘爪的组合可以现腕带的快速紧固和放松。

如图3，4，5所示，硅橡胶驱动器15采用记忆合金片17驱动和气囊21驱动的混合驱动策略，气囊21采用的编制纤维限层在限制气囊底面和侧面膨胀的同时不影响气囊21的轴向拉伸，输入气囊21的所有气体用于其背部的膨胀并产生向掌心的弯矩，指尖夹片23采用30x6的锯齿状设计，实现驱动器的180 度弯曲，满足康复训练时手指运动范围的需求。记忆合金片17利用其通电后恢复初始状态的性能，为驱动器提供额外的掌心弯矩。硅橡胶驱动器15与记忆合金片17在无驱动的工况下，利用其固有的弹性形变提供阻抗力。

如图6，7所示，气泵25作为气囊21的动力源为气囊21充气，电磁阀26 控制充气动作的启停，调节阀27控制充气过程中气流流量。Arduino开发板28 控制各个阀的动作以及记忆合金电路的通断；电源模块29为上述电磁阀26、调节阀27、Arduino开发板28、记忆合金片17供电。

Arduino开发板28中设有并联连接的三极管，三极管的并联节点一端连接5V供电系统，另一端接地，两对三极管的输入端和输出端并联连接电磁阀26和调节阀27，电磁阀26和调节阀27输出端接24V电源模块29,通过并联电阻R3 后接记忆合金17。

本发明一种基于混合驱动多模式的手部康复装置的控制方法为：

被动运动康复训练模式下，棘条9位于左右棘爪10、11下面，且固定在手腕紧固带8上面，使用者将棘条9穿过左棘爪10，并上下往复拨动右棘爪11，实现棘条的进给而紧固腕带8，同时左棘爪10内部的扭力弹簧14自动锁紧防止棘条9松动。固定好手腕紧固带8后，使用者打开手机蓝牙功能并与Arduino 蓝牙模块30成功通讯，使用者根据患者肌力等级，通过控制终端31的APP32 选择激活气囊驱动、记忆合金驱动或者混合驱动等模式。激活以后，设置功率输出曲线的幅值、频率。Arduino开发板28接受控制终端信号并控制电磁阀26 和调节阀27为气囊21充气以及记忆合金17的状态，实现指尖驱动器的掌心弯曲与背向恢复。

主动阻抗康复训练模式下，使用者将棘条9穿过左棘爪10，并上下往复拨动右棘爪11，实现棘条9的进给而紧固手腕紧固带8，同时左棘爪10内部的扭力弹簧14自动锁紧防止棘条9松动。使用者主动完成向掌心弯曲与背向恢复的往复运动，与记忆合金17、硅橡胶驱动器15的弹性力形成对抗之势，完成阻抗训练。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。