本公開屬于手部康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置。

背景技術(shù)：

目前，我國人口老齡化現(xiàn)象愈發(fā)普遍，腦卒中患者也呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。腦卒中是手功能失效的主要原因之一，腦卒中患者可出現(xiàn)多種神經(jīng)功能缺損癥狀，其中偏癱和運(yùn)動(dòng)障礙最為常見，而上肢偏癱患者的手功能障礙臨床往往表現(xiàn)為手部的屈曲攣縮，手部的屈肌張力過高，指間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)伸展困難。目前針對腦卒中引起的手部偏癱問題只能依賴于醫(yī)護(hù)人員的手動(dòng)訓(xùn)練，而我國目前專業(yè)的康復(fù)醫(yī)療人員卻嚴(yán)重短缺。近幾十年來，國內(nèi)外的機(jī)器人技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，智能醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的出現(xiàn)能夠很好的解決了這一矛盾。

現(xiàn)有的手部康復(fù)機(jī)器人主要是采用剛性結(jié)構(gòu)的手部外骨骼機(jī)器人。由于剛性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人體積大、笨重、穿戴不舒適、價(jià)格高、以及由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人失去控制的風(fēng)險(xiǎn)很高，所以使用起來并不安全。以上因素都限制了它們在實(shí)際中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本公開旨在解決現(xiàn)有剛性外骨骼機(jī)器人笨重、不安全、穿戴不舒適等問題，提出一種軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置，以進(jìn)一步發(fā)揮軟體外骨骼機(jī)器人在康復(fù)領(lǐng)域的優(yōu)勢。

(二)技術(shù)方案

本公開提供了一種軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置，包括：手部執(zhí)行器，穿戴于患者手部，用于帶動(dòng)患者手部運(yùn)動(dòng)；氣驅(qū)系統(tǒng)，與所述手部執(zhí)行器通過氣管連通，用于向所述手部執(zhí)行器提供氣體驅(qū)動(dòng)，使得所述手部執(zhí)行器帶動(dòng)患者手部運(yùn)動(dòng)；微控制器，連接所述氣驅(qū)系統(tǒng)，用于向所述氣驅(qū)系統(tǒng)發(fā)出控制信號以對所述氣驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在本公開的一些實(shí)施例中，還包括：傳感裝置，設(shè)置于所述手部執(zhí)行器中，與所述微控制器連接，用于采集所述手部執(zhí)行器的參數(shù)，與所述微控制器、氣驅(qū)系統(tǒng)和手部執(zhí)行器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在本公開的一些實(shí)施例中，所述氣驅(qū)系統(tǒng)包括：氣泵驅(qū)動(dòng)器，連接所述微控制器；微型真空泵，連接所述氣泵驅(qū)動(dòng)器；閥門驅(qū)動(dòng)電路，連接所述微控制器；閥門組件，連接所述閥門驅(qū)動(dòng)電路，并通過氣管分別與所述微型真空泵和手部執(zhí)行器連通；在所述微控制器的控制下，所述氣泵驅(qū)動(dòng)器，用于向所述微型真空泵發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號；所述閥門驅(qū)動(dòng)電路，用于向所述閥門組件發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號；所述微型真空泵和閥門組件，用于對所述手部執(zhí)行器進(jìn)行充放氣以控制所述手部執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。

在本公開的一些實(shí)施例中，所述微型真空泵具有進(jìn)氣口和排氣口；所述閥門組件包括：第一閥門，其進(jìn)氣口通過連接器和氣管與所述微型真空泵的排氣口連接；其排氣口通過連接器和氣管與所述手部執(zhí)行器連通；第二閥門，其進(jìn)氣口通過連接器和氣管與所述微型真空泵的排氣口連接，其排氣口通過連接器和氣管空接；第三閥門，其進(jìn)氣口通過連接器和氣管與所述微型真空泵的進(jìn)氣口連通，其排氣口通過連接器和氣管空接；第四閥門，其進(jìn)氣口通過連接器和氣管與所述微型真空泵的進(jìn)氣口連接，其排氣口通過連接器和氣管與所述手部執(zhí)行器連接。

在本公開的一些實(shí)施例中，所述手部執(zhí)行器包括：乳膠球、手套和連接組件；所述手套穿戴于患者手部；所述連接組件連接所述乳膠球和手套的手指；所述乳膠球，鑲嵌在所述手套的背面，通過軟管連通所述氣驅(qū)系統(tǒng)，在所述氣驅(qū)系統(tǒng)的氣體驅(qū)動(dòng)下其形狀發(fā)生變化，從而通過所述連接組件帶動(dòng)手套手指運(yùn)動(dòng)。

在本公開的一些實(shí)施例中，所述連接組件包括：第一套連接組件，其四個(gè)彎鉤固定于乳膠球，所述四個(gè)彎鉤位于乳膠球的和手套掌面平行的最遠(yuǎn)切面上，分別與手套的食指、中指、無名指、小拇指位置正對；另外四個(gè)彎鉤固定于手套表面，分別位于手套的食指、中指、無名指、小拇指的掌指關(guān)節(jié)和第一指間關(guān)節(jié)之間位置；四條細(xì)繩分別將彎鉤對應(yīng)連接；第二套連接組件，其四個(gè)彎鉤固定于乳膠球，所述四個(gè)彎鉤位于乳膠球的和手套掌面垂直且最靠近手套手指一側(cè)的切面上，分別與手套的食指、中指、無名指、小拇指位置正對；另外四個(gè)彎鉤固定于手套表面，分別位于手套食指、中指、無名指、小拇指的第二指間關(guān)節(jié)對應(yīng)的位置；四條細(xì)繩分別將彎鉤對應(yīng)連接；第三套連接組件，其兩個(gè)彎鉤固定于乳膠球，所述兩個(gè)彎鉤位于乳膠球的靠近手套大拇指一側(cè)的后面位置；另外兩個(gè)彎鉤固定于手套表面，分別位于手套大拇指的第一指間關(guān)節(jié)和第二指尖關(guān)節(jié)對應(yīng)的位置；兩條細(xì)繩分別將彎鉤對應(yīng)連接。

在本公開的一些實(shí)施例中，在所述氣驅(qū)系統(tǒng)的氣體驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)所述乳膠球充氣而膨脹時(shí)，細(xì)繩被拉緊，手套的手指在細(xì)繩拉力的作用下伸直；當(dāng)所述乳膠球放氣而收縮時(shí)，細(xì)繩變松，手套的手指彎曲。

在本公開的一些實(shí)施例中，所述傳感裝置包括流量傳感器和彎曲度傳感器；所述流量傳感器連接微控制器，用于采集乳膠球內(nèi)的氣體體積參數(shù)，并將氣體體積作為反饋信號送給微控制器；所述彎曲度傳感器連接微控制器，用于采集手套手指的彎曲角度參數(shù)，并將彎曲角度參數(shù)作為反饋信號送給微控制器。

在本公開的一些實(shí)施例中，當(dāng)所述流量傳感器采集的氣體體積達(dá)到或接近一閾值時(shí)，所述微控制器發(fā)出控制信號，所述氣驅(qū)系統(tǒng)不再對所述乳膠球充氣。

在本公開的一些實(shí)施例中，還包括：計(jì)算機(jī)，用于與所述微控制器通信。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本公開軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置具有以下有益效果：

(1)與現(xiàn)有的手部康復(fù)裝置相比，本公開的手部康復(fù)裝置具有價(jià)格低、穿戴舒適、安全有效的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有的手部康復(fù)裝置的價(jià)格高、笨重、穿戴不舒適、安全性不高的缺陷，可廣泛應(yīng)用于中風(fēng)患者手部偏癱康復(fù)訓(xùn)練中。

(2)通過采用流量傳感器和彎曲度傳感器，可以防止乳膠球爆裂，保證產(chǎn)品的安全性，并可以對手部執(zhí)行器進(jìn)行更精確的控制，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。

附圖說明

圖1是本公開實(shí)施例手部康復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本公開實(shí)施例手部康復(fù)裝置的微控制器和氣驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本公開實(shí)施例手部康復(fù)裝置的手部執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)示意圖，(a)為手套手指處于彎曲狀態(tài)，(b)為手套手指處于伸直狀態(tài)。

圖4是本公開另一實(shí)施例手部康復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖5是本公開另一實(shí)施例手部康復(fù)裝置的微控制器和氣驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

本公開提出以手部執(zhí)行器為被控對象、以高性能低功耗的arduinouno作為微控制器、以微型真空泵為驅(qū)動(dòng)器的軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置。因?yàn)檐涹w材料內(nèi)在所具有的柔軟性、彈性、輕巧性，使得用軟體材料制造的手部康復(fù)裝置更加的輕巧、舒適、體積小、便于穿戴和攜帶、安全性高。

為使本公開的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本公開進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本公開實(shí)施例的軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置，如圖1所示，手部康復(fù)裝置包括：微控制器、氣驅(qū)系統(tǒng)、手部執(zhí)行器。

手部執(zhí)行器為被控對象，穿戴于患者手部，用于帶動(dòng)患者手部做康復(fù)訓(xùn)練。

氣驅(qū)系統(tǒng)，與手部執(zhí)行器通過氣管連通，用于向手部執(zhí)行器提供氣壓驅(qū)動(dòng)、以及調(diào)節(jié)手部執(zhí)行器內(nèi)的氣體流向，以驅(qū)動(dòng)手部執(zhí)行器帶動(dòng)患者手部運(yùn)動(dòng)。

微控制器負(fù)責(zé)控制與通信。微控制器連接氣驅(qū)系統(tǒng)，用于向氣驅(qū)系統(tǒng)發(fā)出控制信號以對氣驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

參見圖2，氣驅(qū)系統(tǒng)包括：氣泵驅(qū)動(dòng)器、微型真空泵、閥門驅(qū)動(dòng)電路和閥門組件。

氣泵驅(qū)動(dòng)器電性連接微控制器，微型真空泵作為手部康復(fù)裝置的驅(qū)動(dòng)器，與氣泵驅(qū)動(dòng)器電性連接。

閥門驅(qū)動(dòng)電路電性連接微控制器，閥門組件電性連接閥門驅(qū)動(dòng)電路，并通過氣管分別與微型真空泵和手部執(zhí)行器連通。

微控制器向氣泵驅(qū)動(dòng)器以及閥門驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制信號，在控制信號的作用下，氣泵驅(qū)動(dòng)器向微型真空泵發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，閥門驅(qū)動(dòng)電路向閥門組件發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，微型真空泵通過閥門組件驅(qū)動(dòng)手部執(zhí)行器的動(dòng)作。

具體來說，微型真空泵具有進(jìn)氣口和排氣口。閥門組件包括1號閥門、2號閥門、3號閥門和4號閥門。1號、2號閥門的進(jìn)氣口通過連接器和氣管與微型真空泵的排氣口連接；3號、4號閥門的進(jìn)氣口通過連接器和氣管與微型真空泵的進(jìn)氣口連接；1號、4號閥門的排氣口通過連接器和氣管與手部執(zhí)行器連接；2號、3號閥門的排氣口通過連接器和氣管空接。

本實(shí)施的手部執(zhí)行器包括乳膠球、手套、細(xì)繩、彎鉤。乳膠球鑲嵌在手套的背面，1號、4號閥門的排氣口通過連接器和氣管與乳膠球的軟管連通，乳膠球內(nèi)部可存儲氣體，其形狀隨存儲氣體量的變化而改變。

細(xì)繩和彎鉤組成三套連接組件，連接乳膠球和手套的手指。每套連接組件包括兩組彎鉤和一組細(xì)繩。

對于第一套連接組件，其一組四個(gè)彎鉤固定于乳膠球，該四個(gè)彎鉤位于乳膠球的和手套掌面平行的最遠(yuǎn)切面上，分別與手套的食指、中指、無名指、小拇指位置正對；其另一組四個(gè)彎鉤固定于手套表面，分別位于手套的食指、中指、無名指、小拇指的掌指關(guān)節(jié)和第一指間關(guān)節(jié)之間位置；一組四條細(xì)繩分別將兩組四個(gè)彎鉤對應(yīng)連接。

對于第二套連接組件，其一組四個(gè)彎鉤固定于乳膠球，該四個(gè)彎鉤位于乳膠球的和手套掌面垂直且最靠近手套手指一側(cè)的切面上，分別與手套的食指、中指、無名指、小拇指位置正對；其另一組四個(gè)彎鉤固定于手套表面，分別位于手套食指、中指、無名指、小拇指的第二指間關(guān)節(jié)對應(yīng)的位置；一組四條細(xì)繩分別將兩組四個(gè)彎鉤對應(yīng)連接。

對于第三套連接組件，其一組兩個(gè)彎鉤固定于乳膠球，該兩個(gè)彎鉤位于乳膠球的靠近手套大拇指一側(cè)的后面位置，即以乳膠球的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)，大拇指伸直并與四指垂直的大拇指指向?yàn)閤軸正方向，四指伸直方向?yàn)閥軸正方向，與掌面垂直向上方向?yàn)閦軸正方向，兩個(gè)彎鉤在乳膠球上固定點(diǎn)位置為第四象限對應(yīng)的乳膠球面上；其另一組兩個(gè)彎鉤固定于手套表面，分別位于手套大拇指的第一指間關(guān)節(jié)和第二指間關(guān)節(jié)對應(yīng)的位置；一組兩條細(xì)繩分別將兩組兩個(gè)彎鉤對應(yīng)連接。

本實(shí)施例的手部康復(fù)裝置，微控制器分別輸出數(shù)字控制信號給微型氣泵驅(qū)動(dòng)器和閥門驅(qū)動(dòng)電路，控制閥門的通斷、以及微型真空泵的排氣或吸氣，從而控制手部執(zhí)行器的動(dòng)作。氣驅(qū)系統(tǒng)的氣管和手部執(zhí)行器軟管連接，進(jìn)而氣驅(qū)系統(tǒng)可以通過氣壓驅(qū)動(dòng)手部執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)。手部康復(fù)裝置的具體工作過程如下：

當(dāng)微型真空泵氣排氣口排氣，1號閥門打開時(shí)，排氣經(jīng)1號閥門的排氣口、連接器、氣管以及軟管進(jìn)入乳膠球，乳膠球被充氣并膨脹，細(xì)繩會被拉緊，而細(xì)繩是不可伸縮的，手套的各個(gè)手指在細(xì)繩拉力的作用下伸直，使得中風(fēng)患者痙攣的手指會隨著乳膠球的膨脹而伸直，如圖3中(a)所示。

當(dāng)微型真空泵氣進(jìn)氣口進(jìn)氣，4號閥門打開時(shí)，乳膠球內(nèi)的氣體經(jīng)軟管、氣管、連接器、4號閥門而被微型真空泵吸走，乳膠球會收縮，細(xì)繩會變松，手套的各個(gè)手指不再受到細(xì)繩的拉力，中風(fēng)患者的手指會因?yàn)槭植考埩^高而彎曲，如圖3中(b)所示。

在本公開的一個(gè)示例，微控制器采用意大利arduino公司生產(chǎn)的arduinouno，該微控制器的核心處理器是atmega328，該微控制器同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口(其中6路可作為pwm輸出)，6路模擬輸入，工作頻率最高可達(dá)16mhz，并具有豐富的片上資源和外設(shè)接口。

閥門采用電磁閥門，閥門驅(qū)動(dòng)電路采用電磁閥門驅(qū)動(dòng)電路。本實(shí)施例的手部康復(fù)裝置還包括12v和24v直流電源。12v直流電源接入電磁閥門驅(qū)動(dòng)電路，用于給電磁閥門供電。24v直流電源接入氣泵驅(qū)動(dòng)器，用于給微型真空泵供電。微控制器模擬端口發(fā)出5v、20ma的控制信號，電磁閥門驅(qū)動(dòng)電路將該控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電磁閥門的12v、0.6a的驅(qū)動(dòng)信號。電磁閥門驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)選采用pc817作為光耦隔離芯片，采用npn三極管2sd882作為擴(kuò)流芯片。

由此可見，本實(shí)施例的軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置，與現(xiàn)有的手部康復(fù)裝置相比，具有價(jià)格低、穿戴舒適、安全有效的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有的手部康復(fù)裝置的價(jià)格高、笨重、穿戴不舒適、安全性不高的缺陷，可廣泛應(yīng)用于中風(fēng)患者手部偏癱康復(fù)訓(xùn)練中。

本公開另一實(shí)施例的軟體氣驅(qū)的手部康復(fù)裝置，如圖4所示，與上述手部康復(fù)裝置相比還包括：傳感裝置。

同時(shí)參見圖5，傳感裝置設(shè)置于手部執(zhí)行器中并與微控制器連接，采集手部執(zhí)行器的參數(shù)，作為閉環(huán)控制的反饋信號。微控制器用于接收傳感裝置采集的參數(shù)，以該參數(shù)作為反饋信號而形成手部康復(fù)裝置的閉環(huán)控制。

傳感裝置包括流量傳感器和彎曲度傳感器。彎曲傳感器的模擬信號輸出連接微控制器，流量傳感器的輸出通過rs-485接口連接微控制器，二者與微控制器、氣驅(qū)系統(tǒng)、手部執(zhí)行器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

流量傳感器用于采集乳膠球內(nèi)的氣體體積參數(shù)，將氣體體積作為反饋信號送給微控制器，用于預(yù)警控制。流量傳感器可根據(jù)乳膠球的充放氣次數(shù)采集到乳膠球的氣體體積參數(shù)。預(yù)警控制是指，當(dāng)流量傳感器檢測到的氣體體積達(dá)到或接近一閾值時(shí)，微控制器發(fā)出控制信號，控制微型真空泵關(guān)閉排氣口，并關(guān)閉1號閥門，使得氣驅(qū)系統(tǒng)不會繼續(xù)對乳膠球充氣，防止乳膠球爆裂，保證產(chǎn)品的安全性。

彎曲度傳感器采集手套手指的彎曲角度參數(shù)，該彎曲角度參數(shù)代表了患者手指的彎曲角度，將彎曲角度參數(shù)作為反饋信號送給微控制器，用于控制微型真空泵排氣、進(jìn)氣狀態(tài)的切換、以及排氣、進(jìn)氣的速度，從而控制乳膠球的充放氣狀態(tài)與充放氣速度，通過流量傳感器和彎曲度傳感器，可以對手部執(zhí)行器進(jìn)行更精確的控制，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。

進(jìn)一步地，本實(shí)施例的手部康復(fù)裝置，還包括計(jì)算機(jī)，其通過串口與微控制器通信，計(jì)算機(jī)用于下發(fā)控制指令以及處理手部康復(fù)裝置各部件的工作參數(shù)。手部康復(fù)裝置，還可配備液晶顯示屏等外設(shè)。

利用本實(shí)施例的手部康復(fù)裝置進(jìn)行患者實(shí)驗(yàn)測試。一位65歲的女性中風(fēng)患者，通過穿戴手部康復(fù)裝置的手部執(zhí)行器，在微控制器的控制作用下，氣驅(qū)系統(tǒng)通過氣壓驅(qū)動(dòng)手部執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)中風(fēng)患者手部做伸展康復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該款手部康復(fù)裝置可以有效的帶動(dòng)中風(fēng)患者手部做康復(fù)訓(xùn)練。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本公開有了清楚的認(rèn)識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地更改或替換，例如：

(1)實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本公開的保護(hù)范圍；

(2)上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。

以上所述的具體實(shí)施例，對本公開的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本公開的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本公開，凡在本公開的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。