基于双气动柔性驱动器的手指康复器弯曲关节

摘要

一种基于双气动柔性驱动器的手指康复器弯曲关节，包括两个结构参数完全相同的气动柔性驱动器、一个T型结构和两个转动结构，两个转动结构通过转轴安装在T型结构形成转动副，所述气动柔性驱动器的前后端盖分别固定在T型结构和转动结构上，所述两个气动柔性驱动器的轴线之间平行且同时垂直于转轴。本发明结构简单、具有很好的柔性、适用性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种弯曲关节，尤其是一种针对气动柔性手指康复器的弯 曲关节。

背景技术

人手作为人类日常生活中使用频率最高的肢体部位，发生意外导致的 、或其他疾病引发的手部运动功能缺失及其并发症的发病率一直居高 不下。与此同时，手部外伤术后的康复护理，以及脑损伤造成的肢体 偏瘫患者的功能恢复训练，都需要借助器械进行被动式的运动康复训 练，以达到最佳的康复效果。基于人类手指关节结构，设计的手指康 复器，主要完成的任务是：连续的关节弯曲动作，带动手指关节弯曲 ，从而实现康复训练。由此可知，弯曲关节的性能直接决定了手指康 复器的最终效果。同时，手指康复器的整体结构限制了弯曲关节的结 构大小。因此，在尺寸限制的前提下，保证弯曲关节的弯曲性能，是 手指康复器设计过程中的核心问题。

目前的手指康复器弯曲关节主要有：1、以气动柔性驱动器为基础设计 的弯曲关节，如美国KMI公司研制的Hand Mentor；2、以刚性机械结 构为基础设计的弯曲关节，如浙江大学研制CPM微型手指康复器。前者 采用的是气动人工肌肉，也就是气动柔性驱动器，其原理是以利用驱 动器内腔气压变化导致的形变，推动机械结构转动一定 角度，从而形成关节的弯曲动作。经研究，这种基于气动柔性驱动器 设计的弯曲关节相对于传统的机械弯曲关节，具有更好的柔顺性，安 全性，仿生性。这种气动柔性弯曲关节的弯曲性能取决于其刚性结构 参数、气动柔性驱动器参数和性能等因素。因此，由于结构参数的影 响，气动柔性弯曲关节大都应用于腕部康复器，手臂康复器等整体结 构相对较大的康复器上。而对于手指关节康复器等小型康复器，目前 还是采用基于机械结构设计的弯曲关节为主，如前文提及的CPM微型手 指康复器。这一点，严重限制了手指关节康复器等的发展。如何在保 证气动柔性弯曲关节结构大小的同时，提高应用于手指关节康复器， 是目前研究的核心问题。

发明内容

为了克服目前气动柔性弯曲关节的结构大小对其弯曲性能的制约的不 足，本发明提供一种结构简单，柔性良好，同时其结构大小适用于手 指康复器的基于双气动柔性驱动器的手指康复器弯曲关节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于双气动柔性驱动器（Flexible Pneumatic Actuator，简称 FPA）的手指康复器弯曲关节，包括两个结构参数完全相同的气动柔性 驱动器、一个T型结构和两个转动结构，两个转动结构通过转轴安装在 T型结构形成转动副，所述气动柔性驱动器的前后端盖分别固定在T型 结构和转动结构上，所述两个气动柔性驱动器的轴线之间平行且同时 垂直于转轴。

进一步，所述气动柔性驱动器包括前端盖、后端盖、一个橡胶管 以及一个管接头，所述的橡胶管两端分别与前端盖、后端盖密封联接 ，前端盖上还设有一个与大气相连接的通孔，所述的管接头安装在前 端盖上，所述的橡胶管管壁中嵌套有螺旋钢丝且螺旋钢丝是沿着橡胶 管的径向螺旋密绕在橡胶管的内壁中。

更进一步，所述的T型结构的上半部分与气动柔性驱动器的进气端端盖 固定连接；两个气动柔性驱动器以T型结构的下半部分为中线，左右对 称设置。

本发明的有益效果主要表现在：1、可以在保证弯曲性能的前提下，安 装在手指关节康复器等结构较小的康复装置上，实现其关节的弯曲运 动；2、采用两个气动柔性驱动器作为驱动装置，不需要附加任何传动 减速机构；3、相比传统的弯曲关节，在充气弯曲过程中，能量损失更 小，弯曲性能更好；4、在保证弯曲性能的前提下，尺寸更易小性化， 结构简单紧凑，加工方便、装配以及修理维护简便、成本低廉；4、采 用气动柔性驱动器驱动使其具有很好的柔性和适应性，且容易控制； 5、适用性好。

附图说明

图1是弯曲关节的结构原理示意图。

图2是弯曲关节某一工作状态时的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种基于双气动柔性驱动器的弯曲关节，所述弯曲关 节包括两个气动柔性驱动器1和一个转动副，且两个气动柔性 驱动器1的轴线平行并垂直于转轴4 ；

所述的气动柔性驱动器1包括前端盖13、后端盖14以及橡胶管11，所述 的橡胶管11的两端分别与前端盖13、后端盖11密封联接，其中前后端 盖13、14分别设有定位台阶轴，且前端盖13上设有一个与大气相连通 的通孔与管接头5通过螺纹固定联接，所述的橡胶管11管壁中嵌套有螺 旋钢丝12且螺旋钢丝是沿着橡胶管11的径向螺旋密绕在橡胶管11的内 壁中，当高压气体通过管接头5进入橡胶管11内腔，由于螺旋钢丝12的 径向限制作用，在压缩气体的压力下，橡胶管11与螺旋钢丝12发生轴 向形变，而其径向变形可以忽略，从而产生驱动效果。

所述的转动副包括一个T型结构2、两个转动结构3和一个转轴4。T型结 构2下端设有圆孔，所述圆孔上安装转轴4，转动结构3的一端设有长孔 ，所述转轴4穿过所述长孔。

所述气动柔性驱动器1的前后端盖13、14上分别设有台阶定位轴；所述 T型结构2、转动结构3上分别左右对称设有两个定位孔，所述定位孔和 气动柔性驱动器1前后端盖13、14上的定位台阶轴配合。

基于双气动柔性驱动器的手指康复器弯曲关节的工作原理如下：通过 管接头向两个气动柔性驱动器内腔充入相同气压的压缩气体，驱动器 轴向伸长。由于T型结构的限制，气动柔性驱动器只能推动转动结构， 使转动结构围绕转轴转动作圆周运动。在转动过程中，两个转动结构 之间形成夹角。当FPA内腔的气压降低时，FPA在橡胶弹性和弹簧的作 用下，恢复原状，拉动转动结构回到原位，弯曲关节恢复 到初始状态。