[发明专利]基于层状气室的仿生气动拮抗肌设计

说明书

本发明是一种气动驱动器结构仿生设计。仿照人体拮抗肌的结构，在同一运动平面内设置双层、独立的气室。控制单气室的气压，利用气室壳层与隔层之间的长度差能够实现同平面内双向的屈伸；同时对同一运动平面内的两气室的气压进行独立的控制，能够使两气室之间形成力的协同/拮抗关系，从而扩大驱动器所能提供的力度范围。气室之间用硬质杆状结构连接，实现对各指关节的独立控制。气压的控制使用比例阀和总控制器实现。该设计能够实现各指关节的独立屈曲，实现除抓握之外的其他多种手动活动姿态，增加手部康复活动的自由度。双气室的协调作用也能提供更大的力度范围，使得屈曲和回弹运动更加有力。

技术领域

本发明是一种气动驱动器结构仿生设计。仿照人体拮抗肌的结构，在同一运动平面内设置双层、独立的气室，通过对气压的分别控制，实现两气室协调伸缩，从而使驱动器在运动平面内做屈曲活动。可用于辅助手部关节的活动与康复。

背景技术

我国每年新发中风患者150万-200万例，超过75％的中风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，这一过程常常需要训练师参与引导。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辅具由于具有重量较小，成本较低，舒适性较高等优势而被广泛应用。

然而单气室型的气动柔性驱动器存在以下问题：其一，由于气室仅有一个，驱动器的控制自由度较小，不能实现逐关节的屈伸。其二，目前的单气室驱动器所能提供的力量范围较小，且整根手指驱动是同样大小的力，难以实现精准定位控制。

发明内容

针对上述两个问题，本发明提出一种基于层状气室的仿生气动拮抗肌设计，其特征是双层气室、柔性、多单元，整体形成一个链状屈曲结构。该设计能够提高手部活动辅具的控制自由度，适应手指运动改变长度，并且对回弹的力度和速度进行有效控制。

在完成人体特定动作时，一块肌肉或一组肌群主动收缩，另一块肌肉或一组肌群同时伸长，从而实现肢体向收缩方屈曲这一运动效应。这两块/组运动效应相关的肌肉/群就叫做拮抗肌。层状气室的作用效果与拮抗肌类似，也是通过双侧的收缩-舒张配合实现所预想的运动效应。

具体的技术方案是：一种驱动结构单元，包括关节连接处的柔性封闭气动结构和贴合单节指骨背侧的杆状支持结构，三个单元连接形成能够灵活屈曲的、从掌背延伸到指尖的链状结构。其中，关节连接处的柔性封闭气动结构包括：上下两易纵向伸缩的柔软壳层和处于中间位置的弹性模量较大的隔层，三层结构构成两个独立的气室。控制单气室的气压，使得壳层具有伸缩的趋势，而由于隔层具有较大的弹性模量，其长度变化被限制，故能够通过壳层与隔层之间的长度差实现同平面内双向的屈伸。同时对同一运动平面内的两气室的气压进行独立的控制，能够使两气室之间形成力的协同/拮抗关系，从而扩大驱动器所能提供的力度范围。在康复患者肌肉活动粘滞时，双气室协同作用能提供更有力的外部辅助，而拮抗作用可以保证屈曲运动的稳健性与安全性，不致过度屈曲。两侧的气压独立控制，可以使屈曲力的改变更加迅速灵活。

具体的气压控制实现方法是：每个气室(单指3关节，共6个气室)连有独立的气管，每支气管连有独立的比例阀，由总控制器进行控制。当总控制器对单个阀输出某一电平值时，该阀将会切换到相应的工作状态，从而改变气室内的气压。特别的，同一运动平面内两气室的气压之间满足特定的关系，从而实现协同/拮抗的运动效应。

杆状结构由硬质材料构成，不可屈伸。其作用是为柔性封闭气动结构提供支持端面。多个单元连接组成链状结构，外接绑带和固定装置成为可穿戴设备，辅助手部关节的屈伸。为了限制整个屈曲结构在活动平面外的摆动，应保证隔层材料有一定的厚度，从而增加其在垂直运动平面方向上的惯性矩。

本设计的优点在于：该设计能够实现各指关节的独立屈曲，实现除抓握之外的其他多种手动活动姿态，增加手部康复活动的自由度。双气室的协调作用也能提供更大的力度范围，使得屈曲和回弹运动更加有力。