一种高压增强型软体机器人驱动装置及其应用

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种高压增强型软体机器人驱动装置及其应用。

背景技术

运动障碍的中枢病多是因为脑卒中和脑外伤，病理过程主要涉及皮层或皮质脊髓束的完全或不完全损伤破坏，阻断或干扰感觉运动神经传导通路的功能，导致肢体运动障碍，尤以单侧肢体运动障碍症状最为常见。神经环路是脑内不同性质和功能的神经元通过各种形式的复杂连接。肢体运动功能障碍对应的康复训练手段和设备需要基于大脑网络特性，通过脑肢协同训练促进神经环路重建、功能网络重组和运动能力提升。

目前，市面上已经开始出现一些对于康复器械的研究和产品开发，根据驱动方式的不同可分为气缸驱动、电机驱动、液压机驱动等，根据产品材质的不同可分为柔性、刚性等。由于气动柔性的康复器械具有结构简单、便携性好等优势，受到越来越多使用者的青睐，也有部分专利涉及该领域。如中国专利CN110876670A公开了一种仿生手指关节康复驱动装置，包括控制器、外壳、气腔、气管和传感器；所述控制器连接所述气管；所述气管连接所述气腔；所述气管插入所述外壳；所述传感器连接所述控制器，所述外壳包裹所述气腔和所述传感器，所述气腔和所述外壳为可屈伸的，所述外壳上设置有纤维增强结构。但是，该专利对应的产品在生产过程中，如何将纤维增强结构放置在外壳内部称为一大难题，导致生产成本较高。另外，在使用过程中，气腔内充气或者抽气所需的能耗较高，需要配备较大功率的充气设备或者抽气设备，也增加了成本，且不利于携带。

因此，如何设计一款生产容易且更利于携带的高压增强型软体机器人驱动装置就尤为重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本更低的高压增强型软体机器人驱动装置。

本申请之目的还在于提供上述医疗器械的应用。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种高压增强型软体机器人驱动装置，所述驱动装置包括腔体、气源，所述腔体内中空并形成气腔，所述气腔的一端封闭，另一端设置气道，并通过气管连接气源，所述腔体外部的一侧设有限制结构，所述腔体的外表面固定有骨架。

在第一方面的一种实施方式中，所述骨架为分体式结构，包括多段闭环型的箍筋，且所有箍筋沿着腔体轴线方向均匀固定分布。

在第一方面的一种实施方式中，所述骨架为一体式结构，包括多个依次连接的重复单元，每个重复单元包括依次连接的顶部结构、第一连接结构、底部结构以及第二连接结构，其中，所述顶部结构垂直于腔体的轴线方向，且所有重复单元的顶部结构均匀分布且平行，所述底部结构位于腔体设置限制结构的一侧。

在第一方面的一种实施方式中，所述腔体上与限制结构相对的一侧呈波浪状，且所述骨架位于腔体波浪状结构的波谷处。

在第一方面的一种实施方式中，所述气源为充气装置或抽气装置。更优选的，所述气源为充气装置。

在第一方面的一种实施方式中，所述腔体的材质为可伸缩的柔性材料。

在第一方面的一种实施方式中，所述限制结构的材料为可弯曲但限制伸缩的材料。

在第二方面，本申请还提供一种如上所述高压增强型软体机器人驱动装置的应用，所述高压增强型软体机器人驱动装置用于手指、上肢或下肢的康复训练。

在第二方面的一种实施方式中，当所述高压增强型软体机器人驱动装置用于上肢或下肢的康复训练时，所述限制结构的数量为1。

在第二方面的一种实施方式中，当所述高压增强型软体机器人驱动装置用于大拇指的康复训练时，所述限制结构的数量为2。

在第二方面的一种实施方式中，当所述高压增强型软体机器人驱动装置用于除大拇指外的其他手指的康复训练时，所述限制结构的数量为3。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)将仿生骨架直接设置在壳体的外部，可以先制作腔体，再安装外部仿生骨架，从而简化生产过程，降低生产成本；

(2)仿生骨架可以增大可承受气压范围，将气压有1bar左右提高到8bar以上；

(3)仿生骨架可以增大驱动装置驱动力，可从1N左右驱动力提升至10N以上；

(4)仿生骨架可以增大驱动装置弯曲度，可从180度左右提高到360度以上；

(5)成波浪状，在壳体膨胀是可逐步展开，相比于现有技术，同样弯曲度所需驱动气压更小，可有效减小驱动气源的功率及大小，可以减小材料变形量、提高驱动器寿命；同时进一步降低成本，且便于携带；

(6)整个高压增强型软体机器人驱动装置为软体结构，重量轻，便携性好，人机相容性好。

附图说明

图1为现有的高压增强型软体机器人驱动装置结构示意图；

图2为实施例1中康复手套的结构示意图；

图3为实施例1中高压增强型软体机器人驱动装置的结构示意图；

图4为实施例1中骨架的结构示意图；

图5为实施例2中高压增强型软体机器人驱动装置的结构示意图；

图6为实施例2中骨架的结构示意图。

在附图中，1为腔体，2为骨架，3为限制结构，4为气腔，5为气管，6为波浪状结构，7为手套本体，8为顶部结构，9为底部结构，10为第一连接结构，11为第二连接结构。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。

传统的柔体高压增强型软体机器人驱动装置结构如图1所示，其包含腔体1，腔体1的内部中空形成气腔4，气腔4的一端封闭，另一端连通气管5，在腔体1外部的一侧设置限制结构3，在腔体内部放置骨架2。这种结构在生产过程中，如何将骨架放置在腔体内部，并形成均匀的气腔，相对比较困难，导致产品生产成本较高。本申请之目的在于提供一种生产成本低的高压增强型软体机器人驱动装置。

在一种具体实施方式中，本申请提供一种高压增强型软体机器人驱动装置，所述驱动装置包括腔体、气源，所述腔体内中空并形成气腔，所述气腔的一端封闭，另一端设置气道，并通过气管连接气源，所述腔体外部的一侧设有限制结构，所述腔体的外表面固定有骨架。在本申请的结构中，骨架相当于是套设在腔体外部的，因此，只需要将腔体成型之后再加装骨架即可，大大降低了生产难度，降低生产成本。

在一种具体实施方式中，所述骨架为分体式结构，包括多段闭环型的箍筋，且所有箍筋沿着腔体轴线方向均匀固定分布。

在另一种具体实施方式中，所述骨架为一体式结构，包括多个依次连接的重复单元，每个重复单元包括依次连接的顶部结构、第一连接结构、底部结构以及第二连接结构，其中，所述顶部结构垂直于腔体的轴线方向，且所有重复单元的顶部结构均匀分布且平行，所述底部结构位于腔体设置限制结构的一侧。

本申请的骨架具有以下特点：(1)骨架沿腔体轴向方向均匀布置，两段骨架之间距离相同；(2)可变形侧的骨架(即顶部结构)之间平行而且垂直于轴线方向，使两段骨架之间的弹性材料初始尺寸完全一致，避免应力集中；(3)骨架增强结构可以显著提高腔体寿命，增强腔体耐压性能；(4)骨架增强结构可以增大驱动装置驱动力，可从1N左右驱动力提升至10N以上；(5)骨架可以增大驱动装置弯曲度，可从180度左右提高到360度以上；(6)骨架增强结构可以增大可承受气压范围，将气压有1bar左右提高到8bar以上。

骨架的截面投影形状包括圆形、椭圆形、方形、半圆形或月牙形中的一种。骨架的截面形状要与气腔的截面(除去波浪状结构部分的气腔)大致相同，而气腔的截面要与应用场合相匹配，如手指、下肢等应用场景，圆形、半圆形、椭圆形、方形会比较合适，而对于上肢，月牙形比较合适。

在一种具体实施方式中，所述腔体上与限制结构相对的一侧呈波浪状，且所述骨架位于腔体波浪状结构的波谷处。由于腔体上存在波浪状结构，在腔体膨胀后，该波浪状结构可以逐步展开，且并不需要很大的作用力，因此，可以大大降低腔体伸长所需的作用力，即可减小充气所需的气压，从而选用小功率充气设备即可，也可降低成本。

在一种具体实施方式中，所述气源为充气装置或抽气装置，更优选的，气源为充气装置。由于骨架是设置在腔体外部，其可以限制腔体向外膨胀，因此，对于充气装置(即向气腔内充气这种情况)非常合适。但是，由于腔体上波浪状结构的存在，在气腔被抽气之后，波浪状结构可以稍微进行收缩，但是，抽气装置的功率不能太大，一旦超出波浪状结构的调整范围，整个腔体将全面收缩，而无法起到弯曲的目的。优选的，充气装置和抽气装置可选择为抽、充一体式的设备。若没有波浪状结构，则气源只能为充气装置。

在第一方面的一种实施方式中，所述骨架的材质选用刚性材质，如不锈钢、铝合金等材质均可，尽量选用质量较轻的材质，可降低驱动装置的总重量，提升便携性。

在第一方面的一种实施方式中，所述限制结构的材料为可弯曲但限制伸长的材料，比如可以选择工程塑料、尼龙、纤维布中的一种。

在第一方面的一种实施方式中，所述腔体的材料为可伸缩的柔性材料，比如可选择硅胶、橡胶或PVC中的一种。本申请所使用的材质均为轻质材料，可有效降低该医疗康复器械的重量，便于携带。

在第二方面，本申请还提供上述高压增强型软体机器人驱动装置的应用，所述高压增强型软体机器人驱动装置用于手指、上肢或下肢的康复训练。

在第二方面的一种实施方式中，每个驱动装置中限制结构的数量为1，即腔体的外部一侧全部固定限制结构。这种设置能够使得整个腔体全部进行弯曲，在使用过程中，可能与使用者的肢体贴合度好是很好。

在第二方面的一种实施方式中，当所述高压增强型软体机器人驱动装置用于上肢或下肢的康复训练时，所述限制结构的数量为1；

当所述高压增强型软体机器人驱动装置用于大拇指的康复训练时，所述限制结构的数量为2；

当所述高压增强型软体机器人驱动装置用于除大拇指外的其他手指的康复训练时，所述限制结构的数量为3。由于该高压增强型软体机器人驱动装置主要是驱动关节的弯曲运动，从而训练关节两端的肌肉和神经，因此每个关节上对应一个限制结构。大拇指上有两个关节(包括大拇指与手掌之间的关节)，因此需要2个限制结构，同理，其余手指，需要设置3个限制结构。

实施例

下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种医疗康复手套，其结构如图2所示，包括手套本体7和5个康复驱动器，每个康复驱动器对应一根手指，且康复驱动器与手套本体7固定。每个康复驱动器的结构如图3所示(以食指为例)，包括硅胶的腔体1，腔体1的内部中空并形成气腔4，气腔4的一端封闭，另一端设置气道，并通过气管5连接充气装置(图上未显示充气装置)。腔体1的一个外侧面固定两个不锈钢的限制结构3，分别对应食指上的三个关节。在腔体1的外侧套设如图4形状的骨架2(图4显示的为驱动装置弯曲后骨架2的分布示意图)，该骨架2包括多个半圆形的箍筋，所有箍筋平行且均匀分布。

该康复手套的工作原理如下：

使用时，将患者的手掌穿入手套本体7中，然后充气装置逐渐向气腔4内充气。气腔4充气之后，腔体1可径向膨胀或轴向伸长，由于腔体1外部套设骨架2，限制了腔体1的径向膨胀，从而使得腔体1只能轴向伸长。由于限制结构3和腔体1固定，因此，与限制结构3固定的腔体1无法伸长，其余部分的腔体1可以伸长，这就使得在同一截面的腔体1，有部分可以伸长，有部分无法伸长，这就导致腔体1弯曲，从而驱动手指弯曲，起到康复训练的目的。

实施例2

采用与实施例1类似的康复手套，不同之处在于：

(1)腔体1上相对限制结构3的一侧设有波浪状结构，且在波浪状结构6处，骨架2位于波谷处；如图5所示。采用该结构，可以使得驱动装置弯曲度显著增大，可从实施例1中的180度左右提高到360度以上。同时，将气压有1bar左右提高到8bar以上；仿生骨架可以增大驱动装置驱动力，可从1N左右驱动力提升至10N以上。

(2)骨架的投影形状为方形，如图6所示，包括多个重复单元，每个重复单元，每个重复单元包括依次连接的顶部结构8、第一连接结构10、底部结构9以及第二连接结构11，其中，顶部结构8垂直于腔体1的轴线方向，且所有重复单元的顶部结构8均匀分布且平行，底部结构9位于腔体设置限制结构的一侧。该结构能够使得骨架在使用时避免应力集中，从而提升骨架的使用寿命。

该康复手套的工作原理如下：

使用时，将患者的手掌穿入手套本体7中，然后充气装置逐渐向气腔4内充气。气腔4充气之后，腔体1可径向膨胀或轴向伸长，由于腔体1外部套设骨架2，限制了腔体1的径向膨胀，从而使得腔体1只能轴向伸长。由于限制结构3和腔体1固定，因此，与限制结构3固定的腔体1无法伸长，其余部分的腔体1可以伸长，这就使得在同一截面的腔体1，有部分可以伸长，有部分无法伸长，这就导致腔体1弯曲。由于波浪状结构6的存在，其褶皱部分可逐步展开，且不需要很大的拉伸力，因此用较小的拉伸力(来自于气腔4的膨胀)即可实现弯曲，降低了现有产品弯曲所需气压较大的问题。

同时，该康复手套的气腔可连接抽气装置，实现轻微的反向弯曲，原理与充气类似，只是弯曲方向相反，这种做法进一步刺激手指的神经和肌肉，起到更好的康复效果。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。