CO-JUMP软体机器人康复手套

它是什么?

目前市面上的康复手套体积大、整机重2-3KG不便携，驱动器设计不科学容易在患者关节处造成压力，而且主动抓握力度过大容易造成二次损伤。此外指张训练的效果微弱，部分中风偏瘫患者手指会呈现痉挛状态，对于这类患者，手指张开的训练也很重要。该康复产品采用了基于软体机器人技术的3D打印被动波纹管驱动器，更加符合人体工学，搭载AI视觉游戏康复，同时与线下康复诊所共享医疗资源，用户可以线上问诊，康复记录也会在云端与康复师共享，除此之外，小体积轻量的设计，通过emg捕捉用户小臂信号，可以满足用户日常生活中的抓握，提拉等动作

你的灵感

在一次偶然的机会，我们开始接触软体机器人领域。在一开始学习这个领域的时候，设计了一个气动驱动器，该驱动器充气时候会弯曲，而且我们采用人体皮肤色的硅胶制作，触感非常类似人的皮肤。突然感觉软体机器人的技术在康复领域有着非常好的前景很应用价值。通过实地调研发现目前市面上的软体康复手套有着种种缺点，于是我们希望能够设计出一种新型的康复手套以解决痛点。我们的设计灵感来源于波纹管的结构特性。波纹管在受到外力时会收缩并屈伸，这一特性与人体手指相似，手指在弯曲的时候皮肤表面会拉长，伸直时皮肤表面会收缩。因此，我们设想利用3D打印技术，制作出具有被动波纹管结构的软体康复手套，通过拉动波纹管内的筋腱使得波纹管结构形变带动手指运动，从而辅助穿戴者进行手部运动。

如何运作？

我们设计的康复手套主要包括基于软体机器人技术的3D打印的被动波纹管驱动器（PBA）、电机、肌腱线和EMG传感器。 我们的核心技术是3D打印的PBA，尺寸根据患者的手指尺寸定制，可以采用TPE/TPU进行3D打印制造，用户在小程序上扫描手部的尺寸，我们的会在后台收到手部数据生成对应长度PBA。PBA与手套本体在装配时，波纹管驱动器长度比手套本体的长度长，由于手套本体的弹性模量比波纹管驱动器的弹性模量小，手套本体会因波纹管驱动器的弹性而被动弯曲，手套在初始时保持弯曲状态。由于中风偏瘫患者会出现手部痉挛状态，手指会像鸡爪一呈弯曲状态，这样的设计更符合患者穿戴的初始状态。 当电机驱动肌腱线收缩时，波纹管驱动器收缩并储存弹性势能，同时带动手指张开。当电机驱动肌腱松开时 ，波纹管结构会伸长（该产品的顺应性在于PBA会像人手指皮肤一样随着弯曲伸张改变长度，这样在运动过程中不会对穿戴者手部造成张力和对关节的压力）。因此，储存在 PBA 中的弹性能量被释放出来，并驱动波纹管结构和手指被动弯曲。PBA由内部储存的弹性势能驱动的抓取模式，具有像弹簧一样的被动抓取能力，使佩戴者在即使没有手指内侧的感觉反馈，也能自适应被抓取的物体的形状。而不是主动牵拉肌腱来抓取物体，有效避免了驱动力过大导致的不舒适或意外伤害。手指的弯曲速度和弯曲角度可通过控制电机角度来控制。 EMG信号可以检测用户手臂上的肌肉电信号，当用户做出手指伸张的动作时，EMG识别到对应的信号驱动电机拉线使PBA收缩辅助完成手指弯曲；当用户做出手指弯曲的动作时，EMG识别到对应的信号驱动电机拉放线使PBA伸长辅助完成手指弯曲 产品共有4个功能模块：（1）肌力训练。用户设定训练速度、时间完成重复的抓握训练。通过重复性的训练，恢复患者肌肉力量、重建神经与肌肉的连接、防止关节僵硬和猥琐以恢复手指机能 （2）ADL训练，产品整体都是可穿戴式，重量不到500g，除了满足康复抓握训练，产品搭配EMG传感器可以满足用户在日常生活场景中穿戴使用，辅助用户完成抓握、提拉东西的动作。 （3）游戏康复：以康复医院为第一性原理，结合游戏让患者在训练过程不那么枯燥，提高积极性 （4）健康管理：产品与我们的线下康复门诊连接，患者可以在小程序上与康复师沟通居家康复情况。同时会记录患者的训练数据同步到门诊云端。

设计过程

1.市场调研 我们深入实地走访了广州、杭州的多家三甲医院康复科及神经外科，与临床康复师、神经科医生、患者交流后发现，当前市场上的产品有很多的不足：体积大，不便携带;无法在实际日常中使用：主动驱动抓握容易造成损伤，且对关节有一定压力难以精准控制：指张训练的效果微弱：部分中风偏瘫患者手指会呈现痉挛状态，对于这类患者，手指张开的训练也很重要。而气动的康复手套手指张开是放气状态，驱动力不足，该过程训练效果不佳。 2.结构设计 在构思阶段，我们深入研究了现有的软体机器人技术，特别是肌腱驱动和流体驱动方法的优缺点。肌腱驱动虽然具有输出力大、体积小、可控性好的特点，但在非结构化环境中容易对人体造成伤害。而流体驱动虽然顺应性强，但系统复杂且笨重，可控性较差。基于这些研究，我们提出了被动波纹管驱动器（PBA）的概念，旨在通过被动伸展的方式，实现软式可穿戴机器人的自然顺应性、便携性和良好的可控性。PBA采用弹性材料3D打印制成，通过拉动筋腱收缩并储存弹性势能，松开筋腱时则像弹簧一样伸展，释放能量以驱动人体。 4力学性能实验： 为了评估 PBA 的力学性能，已验证我们的设计是否都满足手指康复的要求，我们进行了相关力学实验。使用数字测力计测量PBA远端指尖处的力。在测量过程中，肌腱释放导致PBA弯曲，PBA远端指尖处产生阻力，这个测量的阻力可以认为是PBA产生带动手指弯曲的力，经过测试，力可达到 2.5 至 3N. 我们使用 手套抓取各种物体。实验是在一名健康人身上 进行的，抓取了各种物体：卡片、橡胶玩具、苹果、 钳子、水瓶、 和工具箱。我们产品的顺应性使实验对象无需过多练习就能抓取所有物体。为了评估康复手套的抓取强度，我们进行了拉力测试，把物体放在弯曲的手套上拉线让手套收缩直到物体掉落。在钩握模式下， 物体的拉脱力约为 53.9 牛顿，。与此同时，在 "前伸 "握持模式下，圆柱体的拉力约 为 29.3 N。实验证明，我们的产品可以满足手部康复的要求以及辅助日常抓握功能 5控制系统开发与手套集成 我们基于esp32芯片开发了一套简单的控制系统和小程序。该系统根据预设的程序控制电机转动角度拉动肌腱，从而控制PBA的运动带动手指运动。在PBA和控制系统设计完成后，我们将其集成到康复手套中。手套采用柔软透气的材料制成，确保穿戴者的舒适度。我们根据人体工学原理设计了手背和小臂上的结构，使其能够紧密贴合手部，同时不妨碍手的灵活运动。6.原型测试及设计优化： 在原型制作完成后，我们进行了多轮测试，以验证手套穿戴的效果。通过预设控制程序控制电机角度观察手指实际运动和抓握能力，我们发现其顺应性和可控性均达到预期效果。然而，我们也发现了一些问题，如筋腱容易滑动、电机受力较大固定不足导致控制盒容易被破坏等。针对测试中发现的问题，我们改进了筋腱的固定方式，肌腱线末端用铝套锁死，以防止其滑动。其次，我们选择了ABS制作控制盒同时在电机固定位置增加板筋结构，增强控制盒的强度。 7.反馈收集 在完成优化之后，我们对接了几家三甲院，让康复师和医生穿戴体验，获取到了更多临床上的建议在未来的迭代中逐步去完善。

它有什么不同？

●首创3D打印被动波纹管结构驱动器和首创家用搭载EMG的康复手套 ●更安全：利用被动波纹管致动器的伸缩性能，实现对关节的屈伸辅助，避免了主动驱动产生过大的力造成二次损伤和不适感。 ●顺应性和自然适应性：能够在与不规则物体交互时保持良好的顺应性，抓握时自适应不同物体的形状 ●可控性高：相比于气动驱动康复手套，采用电机驱动肌腱的方式能够提高对执行器的可控性，通过控制电机的转速和角度控制驱动器的驱动速度、输出力度、弯曲角度 ●更便携：减轻整体的重量和体积，手套的可穿戴式设计能满足患者除了康复训练之外的日常生活佩戴使用。 ●定制化和低成本：波纹管驱动器采用3D打印制作可根据使用者定制尺寸、制作低成本 ●对手部痉挛患者更有效：驱动器被动弹性的设计能够加强患者的指张训练效果

未来计划

商业上：预计8-9月小批量生产50台设备，以社区医疗服务点、私立康复机构、医疗私域平台合作，小范围内收获天使用户 医学上：与三甲医院开展临床课题，针对手部康复临床问题优化设计，在完成第二代产品后开展临床实验和二类医疗器械的申报 技术上：1.优化EMG传感器，提高检测精度和数据处理算法。在医院开展临床实验后建立患者肌肉电数据库，以便更好的实现日常训练的功能2.小程序的完善，完成游戏康复的开发以及手指尺寸定制系统 3.加入拇指对指训练过程，拇指的对指功能是临床上更需要的，而目前没有产品具有该功能

奖项

SCI一篇 发明专利一项