变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人制造技术

本发明专利技术提供了一种变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人，其中驱动器包括：层状的驱动器本体，驱动器本体采用弹性材料制成，驱动器外部包被有双螺旋纤维丝缠绕层，驱动器本体内设有气腔；在气腔的中间位置处设置有变刚度层，将气腔分隔为上层腔室和下层腔室，所述变刚度层的基底采用高拉伸模量的柔性材料制成，具有较高的强度和柔度，可限制驱动器的轴向应变；在所述变刚度层内部的蛇形流道内设置有低熔点合金，与所述低熔点合金连接设置有电极；气源，分别通过气体管道与上层腔室和下层腔室相通；控制系统包括控制器和刚度控制开关，所述的刚度控制开关与电极的电源装置连接设置，控制器同时与气源的驱动器和刚度控制开关连接。本发明专利技术中所述驱动器具有较大的弯曲范围，能够满足手部关节的活动要求且同时具备较强的承载能力。

Variable stiffness software driver and hand rehabilitation training robot using the driver

【技术实现步骤摘要】
变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人
本申请属于医疗康复机器人
，具体涉及一种变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人。
技术介绍
我国每年新发脑卒中患者150万-200万例，超过75％的脑卒中患者手部运动功能受到不同程度的损伤。手部关节的屈曲、伸展基本功能的康复有赖于被动和主动的抓握等动作训练，这一过程常常需要物理治疗师参与引导。但物理治疗师介入的康复治疗价格高且严重依赖治疗师的康复治疗水平，为减轻手部运动功能障碍的患者治疗成本，缩短康复治疗周期，减轻康复训练师的工作强度，目前已有多种手功能康复辅助训练机器人问世，其中，采用气动柔性驱动器的软体手功能康复训练机器人由于具有重量较小，成本较低，舒适性较高等优势而被广泛应用。如现有技术中的气动软体驱动器即是常用的软体机器人驱动机构，其由弹性硅胶材料构成，其结构上具有可延展部分和不可延展部分，通过通入高压气体使得可延展部分发生形变，从而可使得驱动器产生弯曲作用，实现辅助康复训练的效果。但是气动软体驱动器的缺点在于无法承受较大负载，当负载大时易产生形变，这使得患者在手部康复过程中涉及到提取重物等需要负载的动作时，驱动器无法给出必要的支撑，使得其功能受到了很大的限制，无法满足脑卒中患者手康复的临床需求。当康复机器人用于手部时，由于手部关节活动灵活，所以同时还要求康复机器人具有较大的活动范围，因此有必要探索一种能够承受较大负载、活动范围较大的手部康复训练机器人。
技术实现思路
本申请解决的是现有技术中的软体驱动器负载能力较差、无法满足脑卒中患者手部康复的临床需求的技术问题，进而提供了一种能够承受较大负载、活动范围灵活的变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人。本申请解决上述技术问题采用的技术方案为：一种变刚度软体驱动器，包括：层状的驱动器本体，所述驱动器本体内设置有气腔；在所述气腔的中间位置处设置有变刚度层，将所述气腔分隔为上层腔室和下层腔室；所述变刚度层包括柔性材料层，所述柔性材料层的拉伸模量大于所述气腔的弹性变形腔壁的拉伸模量；在所述驱动器本体的外围包裹有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，限制所述弹性变形腔壁在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀；其中所述第一方向与所述变刚度层相平行；在所述柔性材料层的内部的蛇形流道内设置有低熔点合金，与所述低熔点合金连接设置有电极；气源，分别通过气体管道与所述上层腔室和下层腔室连通，所述上层腔室和下层腔室均设置有气体排出口；控制系统，包括控制器和刚度控制开关，所述刚度控制开关与所述电极连接设置，所述控制器同时与所述气源的驱动器和所述刚度控制开关连接。所述驱动器本体在所述第一方向上的延伸长度大于其在所述第二方向上的延伸长度。所述限位结构为缠绕在所述驱动器本体的外围的双螺旋纤维丝缠绕层，所述双螺旋纤维丝缠绕层包括两组环绕所述第一方向螺旋缠绕的纤维丝，两组所述纤维丝相对于所述变刚度层对称设置。所述弹性变形腔壁的拉伸模量为1-10MPa；所述柔性材料层的拉伸模量为50-100MPa；所述纤维丝的拉伸模量为1-10GPa。所述弹性变形腔壁采用硅胶材料制成，所述柔性材料层采用硅橡胶层，所述纤维丝采用尼龙丝。在与所述上层腔室和下层腔室分别连通设置的所述气体管道上均设置有换向阀，在所述换向阀和所述气源之间的气体管道上还设置有减压阀，所述控制器同时与所述换向阀连接，控制所述换向阀的动作。配有所述的变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，包括康复手套本体，所述变刚度软体驱动器的驱动器本体安装在所述康复手套本体的手指关节部位，所述驱动器本体的所述第一方向沿手指的延伸方向设置。所述驱动器本体设置在所述指关节部位朝向手心的一侧或者朝向手背的一侧。所述气源和控制系统设置在所述康复手套本体的外部。配有所述的变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，所述变刚度软体驱动器覆盖手指的关节设置，所述驱动器本体的所述第一方向沿手指的延伸方向设置。本专利技术所述的变刚度软体驱动器及配有所述变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人，其优点在于：所述变刚度软体驱动器，设置有上下两个腔室，所述的变刚度软体驱动器在处于低刚度时具有较大的变形能力，当需要通过形变带动佩戴者手指活动时，通过控制器控制所述刚度控制开关向电极施加电压，使得变刚度层中的低熔点合金在焦耳热的作用下处于熔融态，刚度较低，此时对驱动器内上层腔室或下层腔室单独充入压缩气体，气腔内部压力升高，因上层腔室和下层腔室中间夹层内的变刚度层限制了驱动器的应变，因而在内部压力作用下驱动器发生弯曲形变，驱动器朝充气腔室内拉伸模量较高的一侧方向弯曲，即朝向变刚度层的方向。本专利技术在所述驱动器本体的外围包裹有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，并限制所述弹性变形腔壁在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀，从而使得所述气腔朝向所述第一方向上的两端膨胀，在变刚度层的限制下沿所述第一方向弯曲，从而实现带动手指活动的功能，本专利技术中所述上下腔室设置在变刚度层的两侧，从而实现软体驱动器的双向运动，能够满足手部关节的活动要求。当佩戴者使用手套提取重物时，则驱动器处于静止状态且需要承受较大负载，这种情况下可通过控制器下达指令，停止对低熔点合金进行加热，低熔点合金凝固，刚度增加，从而使软体机器人具备较强抵抗外力的能力，承载能力显著加强；而当需要驱动器回到初始状态时，则可再次加热低熔点合金，降低变刚度层的刚度，在控制系统的操作下，释放气腔内部的压缩气体，降低内部压力，软体驱动器在自身弹性力的作用下即可回复至初始状态。作为优选的实施方式，本专利技术优选所述驱动器本体在所述第一方向上的延伸长度大于其在所述第二方向上的延伸长度。从而更加便于所述驱动器本体沿所述第一方向进行弯曲，当用于康复手套时，所述第一方向沿使用者的手指方向设置，便于使用者进行手部关节活动。为使本专利技术所述变刚度软体驱动器及配有所述变刚度软体驱动器的手部康复训练机器人的技术方案更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式，对本专利技术进行进一步说明。附图说明如图1所示为本专利技术中变刚度软体驱动器的驱动器本体的剖视图；如图2所示为本专利技术中变刚度软体驱动器的变刚度层的俯视图；如图3所示为本专利技术中变刚度软体驱动器的变刚度层的侧面截面图；如图4所示为本专利技术中变刚度软体驱动器的双螺旋纤维缠绕层；如图5所示为本专利技术中变刚度软体驱动器在低刚度状态时上层腔室充气加压发生形变后驱动器的正面视图；如图6所示为本专利技术所述的变刚度软体驱动器的系统示意图；如图7所示为本专利技术中设置有袋状结构的棉质柔性手套的结构示意图；如图8所示为本专利技术中所述的康复手套本体的结构示意图；如图9所示为本专利技术所述的康复手套本体的穿戴效果示意图；其中，附图标记为：101-双螺旋纤维丝缠绕层；102-弹性变形腔壁；103-变刚度层；104-与上层腔室连通的气体管道；105-与下层腔室连通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变刚度软体驱动器，其特征在于，包括：/n层状的驱动器本体，所述驱动器本体内设置有气腔；/n在所述气腔的中间位置处设置有变刚度层，将所述气腔分隔为上层腔室和下层腔室；/n所述变刚度层包括柔性材料层，所述柔性材料层的拉伸模量大于所述气腔的弹性变形腔壁的拉伸模量；在所述驱动器本体的外围包裹有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，限制所述弹性变形腔壁在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀；其中所述第一方向与所述变刚度层相平行；/n在所述柔性材料层的内部的蛇形流道内设置有低熔点合金，与所述低熔点合金连接设置有电极；/n气源，分别通过气体管道与所述上层腔室和下层腔室连通，所述上层腔室和下层腔室均设置有气体排出口；/n控制系统，包括控制器和刚度控制开关，所述刚度控制开关与所述电极连接设置，所述控制器同时与所述气源的驱动器和所述刚度控制开关连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种变刚度软体驱动器，其特征在于，包括：
层状的驱动器本体，所述驱动器本体内设置有气腔；
在所述气腔的中间位置处设置有变刚度层，将所述气腔分隔为上层腔室和下层腔室；
所述变刚度层包括柔性材料层，所述柔性材料层的拉伸模量大于所述气腔的弹性变形腔壁的拉伸模量；在所述驱动器本体的外围包裹有限位结构，所述限位结构环绕位于第一方向上的轴向设置，限制所述弹性变形腔壁在垂直于所述第一方向的第二方向上的膨胀；其中所述第一方向与所述变刚度层相平行；
在所述柔性材料层的内部的蛇形流道内设置有低熔点合金，与所述低熔点合金连接设置有电极；
气源，分别通过气体管道与所述上层腔室和下层腔室连通，所述上层腔室和下层腔室均设置有气体排出口；
控制系统，包括控制器和刚度控制开关，所述刚度控制开关与所述电极连接设置，所述控制器同时与所述气源的驱动器和所述刚度控制开关连接。


2.根据权利要求1所述的变刚度软体驱动器，其特征在于，所述驱动器本体在所述第一方向上的延伸长度大于其在所述第二方向上的延伸长度。


3.根据权利要求1或2所述的变刚度软体驱动器，其特征在于，所述限位结构为缠绕在所述驱动器本体的外围的双螺旋纤维丝缠绕层，所述双螺旋纤维丝缠绕层包括两组环绕所述第一方向螺旋缠绕的纤维丝，两组所述纤维丝相对于所述变刚度层对称设置。


4.根据权利要求3所述的变刚度软体驱动器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽珍，彭广帅，刘荣，郝明阳，尹晓飞，樊瑜波，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11