一种偏心纤维复合弹性体及具有该弹性体的康复训练装置

摘要

本发明公开一种偏心复合纤维弹性体及具有该弹性体的康复训练装置，所述偏心纤维复合弹性体，包括弹性体管和纤维层，所述纤维层缠绕在所述弹性体管外侧或内部；所述弹性体管具有中空部,所述中空部相对于所述弹性体管偏心，根据偏心位置所述弹性体管分为薄壁侧和厚壁侧，所述纤维层由与所述弹性体管的径向成一定角度的纤维编织而成，厚壁侧的纤维缠绕角度小于薄壁侧的纤维缠绕角度。与现有技术比较本发明技术方案能够提供一种具有一定的柔性又兼具一定硬度的材料，并由此材料制成康复训练装置，本装置在穿戴方便、舒适的同时，还可实现手部全方位的训练，满足不同患者的病情需求。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗康复技术领域，具体涉及一种偏心纤维复合弹性体及具有该弹性体的康复训练装置。

背景技术

手部功能康复训练装置是辅助患者手部关节及手指完成弯曲/伸展康复训练的装置，这种装置可以提高手部关节及手指的灵活性，并且具有在恢复过程中重建手部关节及手指运动能力的功能。

作为提供一定强度和压力的训练工具，现有的手部康复训练装置多使用弹性体材料作为主体材料，但是如果弹性体材料过软，无法起到训练的作用，如果弹性体材料过硬，不但无法起到训练的作用且会造成训练者的手部不适甚至受伤，因此亟需一种柔性适中，既有一定的柔性又兼具一定硬度的材料并用这种材料制成工具来帮助患者完成康复训练。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种偏心纤维复合弹性体及具有该弹性体的康复训练装置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一方面提供一种偏心纤维复合弹性体，包括

弹性体管，所述弹性体管具有中空部,所述中空部相对于所述弹性体管偏心，根据偏心位置所述弹性体管分为薄壁侧和厚壁侧；

纤维层，所述纤维层缠绕在所述弹性体管外侧或嵌入到所述弹性管内侧；

所述纤维层由与所述弹性体管的径向成一定角度的纤维编织缠绕而成，所述厚壁侧的纤维缠绕角度小于所述薄壁侧的纤维缠绕角度。

较佳的，所述厚壁侧的纤维缠绕角度为8至60度任意角度，所述薄壁侧的纤维缠绕角度为50至85度任意角度，中空部通气时厚壁侧纤维辅助收缩，薄壁侧纤维辅助伸展，弹性体管发生弯曲。

又一方面提供一种具有所述偏心纤维复合弹性体的康复训练装置，用于实现人体手部康复训练，包括：

手套体，用于连接人体手部，所述手套体包括一组仿生肌条，所述仿生肌条由所述偏心纤维复合弹性体制成，所述偏心纤维复合弹性体的厚壁侧贴近手部需要弯曲位置；

供气系统，用于提供所述手套体活动的动力；

电路控制系统，用于控制所述手套体活动。较佳的，所述仿生肌条包括手指仿生肌条和手腕仿生肌条。

较佳的，所述手套体包括仿生肌条固定件，用于固定所述仿生肌条组成人体手部形状；所述手套体还包括穿戴固定件，用于与人体手部固定。

较佳的，所述手套体外部非仿生肌条部分由尼龙和/或莱卡制成。

较佳的，所述供气系统通过气动软管与所述手套体连接，所述供气系统可调节气体输入输出量，以实现所述手套体的活动状态。

较佳的，所述电路控制系统包括一组电磁阀、一组压力调节阀和一套传感器组；所述传感器组包括弯曲传感器、压力传感器和温度传感器，所述传感器组安装在所述仿生肌条上。

较佳的，所述电路控制系统具有控制单元，用以接收所述传感器组的反馈信号，控制所述压力调节阀和所述电磁阀。

与现有技术相比，本发明偏心纤维复合弹性体及具有该弹性体的康复训练装置，具有以下优点：

1、所述偏心纤维复合弹性体具有内部中空偏心结构，由于通气空腔的位置不在弹性体管中心，导致空腔两端管壁厚度不同，通气后会向厚壁一侧弯曲，这种偏心设计便于仿真及参数化，批量生产只需对模具进行调整，弯曲幅度以及输出力可通过内层和外层材料来控制；

2、不同纤维缠绕角度会导致弹性体在充气以后产生不同驱动效果，中空部通气时弹性体管厚壁侧纤维辅助收缩，薄壁侧纤维辅助伸展，弹性体管向厚壁侧发生弯曲，可通过调整不同纤维缠绕角度控制弯曲幅度和弯曲力的输出；

3、所述偏心纤维复合弹性体具有弹性体管，可通过改变所述弹性体管的生产工艺，改变弹性体的弹性强度和耐压强度，以满足不同患者的需求；

4、所述康复训练装置的仿生肌条通过仿生肌条固定件组成人体手部形状，并通过穿戴固定件与人体手部固定，不仅外观简洁，而且方便患者穿戴；

5、所述手指仿生肌条与手指一一对应，可对单个手指独立锻炼或进行多个手指不同姿态组合锻炼；

6、所述手腕仿生肌条包括上下控制肌条和左右控制肌条，可使手腕进行全方位转动锻炼；

7、所述手套体外部非气动肌条部分由尼龙和莱卡制成，使得整个手套体的透气性良好，轻便，易穿戴；

8、所述电磁阀与所述气动软管、仿生肌条一一对应，可对手指和手腕进行不同组合的锻炼，可控制动作频率、幅度以及输出力的大小；

9、所述传感器组能实时监测手指/手腕受力和温度变化情况，便于患者根据自身情况设定训练强度，可应用于不同阶段手部康复训练；

10、所述电路控制系统有可视化的工作界面，在所述工作界面上可以设定不同的工作模式实现自动控制康复训练；

11、所述的康复训练装置具有背向拉伸和助力抓握两种功能，节省人力辅助训练成本，减少由医护人员经验或能力导差异致的训练结果不确定性。

附图说明

图1是本发明偏心纤维复合弹性体的剖面图；

图2是本发明偏心纤维复合弹性体的纤维缠绕角度为70度时的受力示意图；

图3是本发明偏心纤维复合弹性体的纤维缠绕角度为30度时的受力示意图；

图4是本发明偏心纤维复合弹性体的由两组不同缠绕角度的纤维拼接的受力后弯曲示意图；

图5是本发明康复训练装置的手背面手套结构俯视图；

图6是本发明康复训练装置的手掌面手套结构俯视图；

图7是本发明康复训练装置的手侧面手套结构俯视图；

图8是本发明康复训练装置的手背面手套气路与结构俯视图；

图9是本发明康复训练装置的手掌面手套气路与结构俯视图；

图10是本发明康复训练装置的指端部位剖面视图；

图11是本发明康复训练装置的电路控制系统结构图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员对本发明的技术方案和有益效果进行理解，特结合附图对具体实施方式进行如下描述。

实施例一

请参照图1所示，其为本发明偏心纤维复合弹性体的剖面示意图，所述偏心纤维复合弹性体包括弹性体管和纤维层，所述纤维层32由两种与所述弹性体管的径向成不同角度的纤维编织缠绕而成，所述纤维层嵌入缠绕在所述弹性体管内部。

所述弹性体管有中空部3，所述中空部3为通气空腔，所述中空部相对于弹性体管偏心。由于通气空腔的位置不在复合弹性体管中心，导致空腔两端管壁厚度不同，根据偏心位置所述弹性体管分为薄壁侧33和厚壁侧31。通气空腔通气后复合弹性体管会向厚壁侧31弯曲。通气空腔这种偏心设计便于仿真及参数化，批量生产只需对模具进行调整。

所述的弹性体管的材料可以是弹性塑料、弹性树脂、弹性橡胶、硅胶或者其他带有一定柔性、一定弹性和伸缩性的材料，所述偏心纤维复合弹性体的弹性及耐压强度可以通过调节弹性体管的生产工艺达到，如生产所述弹性体管的原料配比、温度、压强,当生产工艺条件为高温高压时，生产得到的所述弹性体管的强度很大，可承受足够的压强，充气时可增大所述弹性体管的输出力，反之，生产工艺条件温和，生产得到的所述弹性体管的强度一般，材质柔软。

为了限制弹性体管过度膨胀，弹性体管中缠绕纤维层32，增加了弹性体管的强度。请参照图4所示，所述纤维层由两种与弹性体管的径向成不同编织缠绕角度的纤维通过可控加工工艺拼接在一起，厚壁侧31的纤维缠绕角度为8至60度任意角度，薄壁侧33的纤维缠绕角度为50至85度任意角度，厚壁侧31的纤维缠绕角度小于薄壁侧33纤维缠绕角度，当弹性体管的通气空腔通气时两种不同缠绕角度的纤维弹性体受到不同的力，厚壁侧31纤维辅助收缩，薄壁侧33纤维辅助伸展，弹性体管发生弯曲。将通气空腔中的气放出，弹性体管在回复力的作用下恢复到伸直状态。因此可以通过气体的通量来改变弹性体管的弯曲幅度。

实施例二

请参照图2和图3所示，其为本发明偏心纤维复合弹性体的纤维编织缠绕角度与弹性体管的径向成70度和30度时的结构示意图：当纤维缠绕角度为70度，通气后弹性体管轴向伸长，周向略收缩，产生曲张力；当纤维缠绕角度为30度，通气后弹性体管轴向收缩，周向膨胀，产生收缩力。

本实施例中将所述缠绕角度为70度和30度的纤维拼接在一起，30度的纤维缠绕在厚壁侧，70度的纤维缠绕在薄壁侧，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。通气空腔中没有气时，所述弹性体管为伸直状态；当弹性体管的通气空腔通气时，70度和30度的两种纤维弹性体管受到不同的力，厚壁侧的30度缠绕纤维辅助伸缩，薄壁侧的70度纤维辅助伸展，在两个力的作用下，弹性体管向厚壁侧产生弯曲；将通气空腔中的气放出，弹性体管在回复力的作用下恢复到伸直状态。

实施例三

本实施例与实施例二不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为57.4度和85度的纤维拼接在一起，构成偏心纤维复合弹性体的纤维层。57.4度的纤维缠绕在厚壁侧，85度的纤维缠绕在薄壁侧。

通气空腔中没有气时，弹性体管为伸直状态；当弹性体管的通气空腔通气时，57.4度和85度的两种纤维弹性体管受到不同的力，厚壁侧的57.4度缠绕纤维辅助伸缩，薄壁侧的85度纤维辅助伸展，在两个力的作用下，弹性体管向厚壁侧产生弯曲；将通气空腔中的气放出，弹性体管在回复力的作用下恢复到伸直状态。

实施例四

本实施例与实施例三不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为8度和57.4度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。8度的纤维缠绕在厚壁侧，57.4度的纤维缠绕在薄壁侧。

通气空腔中没有气时，弹性体管为伸直状态；当弹性体管的通气空腔通气时，8度和57.4度的两种纤维弹性体管受到不同的力，厚壁侧的8度缠绕纤维辅助伸缩，薄壁侧的57.4度纤维辅助伸展，在两个力的作用下，弹性体管向厚壁侧产生弯曲；将通气空腔中的气放出，弹性体管在回复力的作用下恢复到伸直状态。

实施例五

本实施例与实施例四不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为10度和60度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。10度的纤维缠绕在厚壁侧，60度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例六

本实施例与实施例五不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为20度和60度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。20度的纤维缠绕在厚壁侧，60度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例七

本实施例与实施例六不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为30度和60度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。30度的纤维缠绕在厚壁侧，60度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例八

本实施例与实施例七不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为40度和60度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。40度的纤维缠绕在厚壁侧，70度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例九

本实施例与实施例八不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为50度和60度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。50度的纤维缠绕在厚壁侧，60度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十

本实施例与实施例九不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为10度和70度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。10度的纤维缠绕在厚壁侧，70度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十一

本实施例与实施例十不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为20度和70度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。20度的纤维缠绕在厚壁侧，70度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十二

本实施例与实施例十一不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为40度和70度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。40度的纤维缠绕在厚壁侧，70度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十三

本实施例与实施例十二不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为50度和70度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。50度的纤维缠绕在厚壁侧，70度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十三

本实施例与实施例十二不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为10度和80度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。10度的纤维缠绕在厚壁侧，80度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十四

本实施例与实施例十三不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为20度和80度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。20度的纤维缠绕在厚壁侧，80度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十五

本实施例与实施例十四不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为30度和80度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。30度的纤维缠绕在厚壁侧，80度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十六

本实施例与实施例十五不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为40度和80度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。40度的纤维缠绕在厚壁侧，80度的纤维缠绕在薄壁侧。

实施例十七

本实施例与实施例十六不同之处在于，本实施例中将缠绕角度为50度和80度的纤维拼接在一起，构成所述偏心纤维复合弹性体的纤维层。50度的纤维缠绕在厚壁侧，80度的纤维缠绕在薄壁侧。

参照本实施例，这种偏心纤维复合弹性体通过调整不同纤维缠绕角度进行拼接，可以导致弹性体管在充气以后产生不同驱动效果，因此可以得到弯曲幅度和弯曲力不同的实施例，应注意选择纤维层缠绕角度时应在说明书范围内，并且厚壁侧的纤维缠绕角度要小于薄壁测的纤维缠绕角度。

实施例十八

本发明是具有所述的偏心纤维复合弹性体的康复训练装置。

请参照图8和图9所示，其为本发明康复训练装置的手背面、手掌面气路与结构示意图，所述康复训练装置包括手套体，手套体包括仿生肌条1，供气系统和电路控制系统。

请参照图5、图6和图7所示，其为所述手套体的手背面、手掌面和手侧面结构示意图，所述手套体由一组仿生肌条、一组仿生肌条固定件和一组穿戴固定件2组成，所述仿生肌条材料为所述偏心纤维复合弹性体，安装时将弹性体管壁侧贴近手部需要弯曲位置。

所述仿生肌条包括手指仿生肌条11和手腕仿生肌条12。所述手指仿生肌条11一端与人体手指对应，另一端从所述人体手指端延伸至手指根部。所述手腕仿生肌条12包括上下控制肌条和左右控制肌条，所述上下控制肌条包括：从手指根部延伸至小臂上部手背仿生肌条，位于手背和手背仿生肌条之间横向仿生肌条；所述左右控制肌条包括手腕左右两侧仿生肌条，从手腕之上位置延伸至小臂上部。所述仿生肌条通过所述仿生肌条固定件组成人体手部形状，并通过穿戴固定件2分别与人体手部的手掌和手指部位进行固定，所述穿戴固定件2包括手指固定带和手掌固定带，所述穿戴固定件2以套入手掌固定的方式将所述仿生肌条固定于患者手部，所述手套体外部非仿生肌条部分由尼龙和莱卡制成。康复训练装置不仅外观简洁，而且易方便患者穿戴。进行手功能康复训练时，所述仿生肌条可对人体手部形成径向压力、周向张力和/或轴向拉力，带动手部进行康复训练。

请参照图8所示，所述供气系统通过气动软管4与所述仿生肌条1连接，供气系统可调节气体输入输出量，以实现所述手套体的活动状态。

所述电路控制系统包括一组电磁阀931和一组压力调节阀921和一套传感器组。

请参照图11所示，所述传感器组包括弯曲传感器911、压力传感器912和温度传感器913，所述传感器组安装在所述仿生肌条上。所述电磁阀931用以控制气体输入或输出状态，所述压力调节阀921用以控制气体输入量。所述电路控制系统具有控制单元，用以接收所述传感器组的反馈信号，控制所述压力调节阀和所述电磁阀。

每一条仿生肌条上都有一套供气系统和电路控制系统与之对应，使得所述仿生肌条可以独立活动，互不干扰。

所述康复装置工作原理是：通过气动软管对所述仿生肌条进行充气，所述仿生肌条材料为所述偏心纤维复合弹性体，通气空腔中输入气体，偏心纤维复合弹性体在复合作用力下发生弯曲，将仿生肌条的空气放出，仿生肌条回复到伸展状态。所述手指仿生肌条11与五根手指一一对应，五根手指可独立控制弯曲和伸展；所述手腕仿生肌条12包括上下控制肌条和左右控制肌条，所述上下控制肌条通过手背仿生肌条来牵拉手腕，从而控制手腕上下转动，为避免手腕上方牵拉的力不足，所述上下控制肌条还包括手背和气动肌肉之间横向仿生肌条，所述横向仿生肌条可径向膨胀，改变力矩的垂直距离；所述左右控制肌条包括手腕左右两侧仿生肌条，可以通过肌条弯曲控制肌肉左右扭动。

请参照图10和图11所示，其分别为本发明康复训练装置指端剖面视图和电路控制系统结构示意图。

所述康复训练装置还包括电路控制系统，康复训练中，患者手指和手腕的弯曲程度与所述气源6供给所述气动软管4的气压大小直接相关，所述气压大小可通过所述电路控制系统控制。

所述电路控制系统包括电源7，触控平板8以及控制单元9。所述触控平板8与所述控制单元9通过USB接口相连，所述控制单元9是接收反馈信号的重要装置，包括三个连接端口：

A1连接的是传感器信号调理电路91，其与传感器相连，所述传感器包括弯曲传感器911、压力传感器912及温度传感器913，结合图11所示，所述弯曲传感器911固定设置在所述仿生肌条1上，具体设置在所述仿生肌条1背侧的安装袋内，用以回传手部弯曲数据；所述压力传感器912固定设置在所述仿生肌条1的所述端部，具体设置在所述仿生肌条1的安装袋内，且所述压力传感器912与人体皮肤表面接触，用以回手指和手腕的压力数据；所述温度传感器913为一薄膜贴片，其固定设置在所述手套体内，具体设置在手指及手腕内侧，用以监控所述手部温度变化信息，从而达到监控患者血液循环状况的目的。康复训练中，患者手指/手腕的弯曲程度、作用在指端/手腕的压力大小、手指/手腕温度变化大小分别通过对应的所述弯曲传感器911、压力传感器912和温度传感器913将手部运动实时状况反馈于所述的传感器信号调理电路91，其实时采集并进行信息处理分析，将不同状态下所述手指/手腕的弯曲程度、作用在指端/手腕的压力和手指/腕的温度变化以精确的数值显示于所述触控平板8上，为使用者提供更全面准确的信息资料。

AO连接的是V-1电路92，此电路与压力调节阀921相连，所述压力调节阀921与所述气源6相连，可调节所述气源6供给的气体总量。

DO连接的是驱动控制电路93，此电路与电磁阀931相连，所述压力调节阀921、所述电磁阀931和所述气动软管4依次相连，所述电磁阀931将所述压力调节阀921的气体总量调整成不同的气体压力，再通过所述气动软管4输入到所述仿生肌条1内的通气空腔中。康复训练中，患者可自行设定所述触控平板8上的气压数值、充放气时间、充放气频率以及充放气循环次数，使所述气源6经所述压力调节阀921和所述电磁阀931的控制，将一定气压的气体作用在所述仿生肌条1上。

实施例十九

所述仿生肌条1、气动软管4、弯曲传感器911、压力传感器912、温度传感器913、电磁阀931与患者五根手指和手腕一一对应。

本实施例使用方法及工作原理是：五根手指和手腕对应的电磁阀931都将处于工作状态，接通所述电源7后，设定所述触控平板8上的压力数值、充放气时间、充放气频率、循环次数，启动工作按钮，所述压力调节阀921调节所述气源6供给的气体总量，经所述电磁阀931调整成不同的气体压力后通过所述气动软管4输送到通气空腔中，所述仿生肌条1克服患者手指/手腕伸直力的作用趋于弯曲。在弯曲过程当中，所述弯曲传感器911、压力传感器912和温度传感器913将手部运动实时状况反馈于所述的传感器信号调理电路91，以精确的数值记录当前手指/手腕弯曲程度、指端/手腕压力状况和手指/手腕温度变化信息。当所述仿生肌条1内的充气压力未达到设定的压力数值时，手指/手腕的弯曲度已经超出了患者的舒适程度，可降低压力数值、充气频率或者控制所述电磁阀931使所述气动软管4处于放气状态。当设定的充气压力在患者舒适程度的范围内时，若所述仿生肌条1的充气压力达到设定的压力数值，手指/手腕弯曲状态达到最大，所述弯曲传感器911和压力传感器913感应后，停止充气；所述仿生肌条1维持充气状态并保持一定的充气压力，当达到设定的时间后，所述电磁阀931打开，所述仿生肌条1内的气体经所述气动软管4释放到外界，随着气压的减小，所述仿生肌条1在所述弹性体回复力作用下可带动患者手指/手腕恢复伸直，从而实现控制患者手指/手腕弯曲伸直双向康复训练运动。以此循环，进行新一轮的充气、维持、放气，使手指处于循环的伸直、握拳状态，手腕处于伸直、弯曲状态。此装置可提供训练过程弯曲与手指/手腕力度数据记录，跟踪训练历程，量化康复标准，是一种可以进行全自动手部功能康复训练装置。

本实施例中，五根手指的弯曲程度可相同也可不同，手腕部分可上下弯曲，也可左右弯曲，可根据实际需要任意调整五根手指和手腕分别对应的压力数值、充放气时间、充放气频率来调整手指的弯曲程度，并将其训练状态一一存储，每次使用只需选定模式即可实现自动化训练。所述的手部康复训练装置不仅具有背向拉伸功能，而且还具有助力抓握功能，可节省人力辅助训练成本，提高训练效果。

由于拇指内收者的手指较难分开，训练过程中也可单独锻炼大拇指伸缩运动。参照图9所示，与所述大拇指对应的所述电磁阀931处于工作状态，其余电磁阀关闭，可单独锻炼大拇指的康复训练。也可单独锻炼食指、中指、无名指、小拇指中任意一手指，根据患者实际情况控制所对应的电磁阀即可达到任意锻炼某个手指的目的。

本装置也可进行组合式训练，与大拇指、食指相对应的所述电磁阀931处于工作状态，其余电磁阀关闭，可锻炼所述大拇指、食指的康复训练。也可锻炼其它任意手部组合训练过程，根据患者实际情况控制所对应的电磁阀即可达到任意组合训练的目的，方便患者量身定制训练计划和方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。