本发明涉及一种人体运动康复装置，具体涉及一种形状记忆合金弹簧(shapememoryalloy，sma)驱动的软体康复手套及其3d打印制备方法。
背景技术：
人手是一个复杂的生物系统，其功能受损会对日常生活造成不便，而结构的复杂性使其受损后治疗难度大、康复周期长。
手功能受损的主要原因有外伤和偏瘫(由脑血管疾病引发)两大类。
手外伤对体力劳动工作者尤为常见。外伤手术后通常需要将患指固定于某一特定位置3～4周，期间关节附近的淤血可能发生纤维变形，使关节与肌腱粘连形成僵直，辅助康复治疗对关节功能的恢复至关重要。
脑血管疾病引发手部偏瘫后遗症发病率高达80％，发病后手部肌肉出现痉挛和蜷缩浮肿，不及时接受治疗会导致功能完全丧失，而单纯的药物治疗效果有限，必须依赖于辅助康复治疗。
连续被动活动理论和现代循证医学认为带动患肢进行往复运动可：(1)缓解长期缺乏运动导致的肢体肿胀和肌肉萎缩；(2)减轻关节周围组织粘连，强化关节肌肉群；(3)提高关节灵敏度；(4)修复受损运动神经，重建大脑对肢体的控制。
传统的牵拉康复训练多为一对一甚至多对一型辅助治疗，对有限的医疗资源是一种负担，且治疗效果依赖于医生经验，因此开发合适的辅助康复设备以促进手功能恢复具有重要的实用价值。
现有的辅助康复手套以刚性结构为主，采用电机或气缸驱动。刚性机械手能实现精确的控制，但也存在显著的缺点：结构复杂，重量大，制作成本高，使用舒适性差，最重要的是人机交互安全性较差。康复初期的患指处于低肌力状态，而刚性设备运动轨迹固定，不能随患指的偏移自行调整位置，故一旦患指脱离了原佩戴位置，就可能发生二次伤害。
当前已有的软体康复手套普遍存在结构复杂、功能完整性不足、尺寸适应性差的缺点，气驱动康复手套便携性差、精度低，线驱动康复手套结构复杂、制作难度和控制难度大。此外康复手套常需根据个人手部尺寸特征定制，传统的“制作模具→浇注→脱模”工艺在制备小批量、个性化定制的复杂软结构方面能力有限，且过程复杂、制备周期长、成本高。
已有的软体康复手套多为气驱动或线驱动，结构比较复杂，制备多采用传统工艺，周期长、成本高。传统工艺难以实现针对个体差异的个性化定制，因此所得康复手套基本不能做到与人手紧密贴合，在康复效果、佩戴舒适性、人机交互安全性方面有待提升。此外由于驱动原理的限制，所制备康复手功能完整性不足，且控制难度较大，控制难度与功能完整性无法兼顾。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种形状记忆合金驱动软体康复手套及其3d打印制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种形状记忆合金驱动软体康复手套，包括手掌套、有若干手指的手指套及若干sma弹簧；
所述手指套至少包括中指套、食指套和拇指套；
所述中指套和食指套均包括基关节套、近关节套和远关节套，三个关节套正面有v型关节间隙且安装一根第一sma弹簧用于完成单向弯曲动作，背面一体式连接且安装第二sma弹簧用于辅助弯曲的关节恢复原状；
所述食指套的基关节套左右两侧安装有第三sma弹簧用于完成侧摆动作；
所述拇指套包括对掌关节和具备单向弯曲功能的基关节、远关节。基关节和远关节的正反面分别安装第一sma弹簧和第二sma弹簧；对掌关节的两根第四sma弹簧一端与拇指套的根部连接，另一端与手掌套连接；
各手指套根部均与手掌套连接；
所有sma弹簧两端用导线连接至直流稳压电源。
作为本发明的进一步改进，拇指套与手掌套连接处厚度小于手掌套厚度。
作为本发明的进一步改进，所述手掌套和多个手指套为3d打印一体成型结构。
作为本发明的进一步改进，所述3d打印一体成型结构在成型过程中，需要根据45°角原则为悬空部位添加支撑，打印完成后剥离支撑材料得到手套基体。
作为本发明的进一步改进，所述手套基体采用tpu材料；支撑材料为pva、hips或pla。
作为本发明的进一步改进，所述直流稳压电源为30v、5a电源。
作为本发明的进一步改进，所述sma弹簧的参数满足以下条件：
sma弹簧未通电时长度为l，通电完全收缩后长度
联立(5)(6)得：
将式(7)代入式(2)(3)即可解得l、l参数；
其中，α为两个弯曲斜面之间的初始夹角，β为弯曲斜面与指关节套的夹角，γ为两个弯曲斜面之间弯曲的最小夹角，l两个弯曲斜面开口的距离，l0两个弯曲斜面开口的最小距离，l弯曲斜面的长度，h为指关节套高度。
一种形状记忆合金驱动软体康复手套的3d打印制备方法，包括以下步骤：
用三维建模软件建立康复手套三维模型，将三维模型导入3d打印切片软件，在手套基体的悬空部位添加支撑材料，设置打印参数，进行3d打印；
其中，基体材料为tpu，支撑材料为pva、hips或pla；
打印完成后取出模型，剥离支撑材料得到tpu康复手套基体；
把sma弹簧连接到基体的相应位置上，弹簧两端用导线连接至直流稳压电源，得到形状记忆合金驱动软体康复手套。
优选的，设置打印层厚为0.1mm、扫描速度10mm/s、热床温度50℃、1号喷头tpu打印温度220℃、2号喷头pva打印温度210℃。
优选的，若所述支撑材料选择pva，则打印完成后将模型整体浸入水中，pva完全溶于水后得tpu康复手套基体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)灵巧性强且控制难度低。驱动自由度数量和结构复杂程度成正比，是一对难以协调的矛盾。而本发明设计的sma弹簧驱动的康复手套，可以单独控制各关节，灵巧性更强，仅需通电/断电即可完成驱动，与传统控制手段相比难度极低；
(2)功能完整性良好。当前已有的康复手套大多只实现了关节的单向弯曲，而本发明所设计的康复手套同时实现了单向弯曲运动、食指基关节侧摆运动和拇指对掌运动，更贴近人手真实运动，可获得更好的康复效果，其功能完整性优势明显；
(3)驱动方式更为简洁高效。气驱动康复手套通过充气实现关节弯曲，然后在材料本身的回弹作用下伸展，一般不能主动伸展。线驱动康复手套弯曲/伸展运动的实现需要控制多个电机，同时还需考虑减速机构的设计合理性等一系列问题。相比之下sma驱动的康复手套以更为简洁的结构实现了同样的功能。此外，本发明所设计的康复手套实现了侧摆和对掌运动，不显著增加结构和控制的复杂性，体现了sma驱动方式的优越性；
(4)舒适性和人机交互安全性良好。所用基体材料为邵氏硬度80a的tpu，其力学性能接近人体组织，可有效保障佩戴舒适性和康复过程的人机交互安全性；
(5)轻量化，便携性良好。设备总重仅45克，明显低于当前已有的各类气驱动、线驱动康复手套。简单轻巧的便携式康复设备不需要专门安放场所，使用也无需专业人士指导，可满足患者在自己家中进行康复训练的需求，在减轻医疗资源压力的同时有效提高患者的依从性和治疗积极性；
(6)工艺先进，制备效率高。本发明的3d打印制备方法采用两种材料一体化3d打印成型，制备效率相比传统工艺有明显提升。
附图说明
图1为关节动作原理示意图；
图2为单向弯曲关节结构示意图；(a)为侧面，(b)为侧立面；
图3为侧摆关节结构示意图；(a)为正面，(b)为背面；
图4为3d打印的仿真人手；
图5为形状记忆合金驱动软体康复手套总体结构示意图；
图6为中手指套背面示意图；
图7为中指单向弯曲运动示意图；
图8为食指侧摆运动示意图；
图9为对掌运动效果示意图。
其中，11为拇指套，12为中指套，13为食指套，14为基关节套，15为近关节套，16为远关节套，17为v型关节间隙，18为第一sma弹簧，19为第二sma弹簧，20为第四sma弹簧，21为第三sma弹簧，22为对掌关节，23为手掌套。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至9所示，本发明一种形状记忆合金驱动软体康复手套，包括手掌套、有若干手指的手套、若干sma弹簧；
所述手套具有中指套12、食指套13和拇指套14；
中指套12包括基关节套14、近关节套15、远关节套16，三个关节套正面有v型关节间隙17且安装一根sma弹簧18用于完成单向弯曲动作，背面一体式连接且安装sma弹簧19用于辅助弯曲的关节恢复原状；
食指套13的基关节套20具备侧摆功能，关节除正面和背面的sma弹簧外，左右两侧安装有侧摆sma弹簧21用于完成侧摆动作；
拇指套14除仅具备单向弯曲功能的基关节和远关节外，还具备对掌关节22，对掌关节的两根sma弹簧一端与拇指套的根部连接，另一端与手掌套23连接；
各手指套根部均与手掌套23连接；
所有sma弹簧两端用导线连接至直流稳压电源。
为表达清晰，手掌使用图4所示的模拟人手，且仅画出三根手指，实际使用中可以真实人手为基础进行建模。手指至少应包括拇指、食指和中指，均依据人手关节结构特征建模并3d打印成型。其中，中指具有三个单向弯曲关节，食指具有两个单向弯曲关节和一个侧摆关节，拇指具有两个单向弯曲关节和一个对掌关节。
康复手套的建模以所建立的人手模型为依据，以使得所得手套能与人手紧密贴合，满足针对个体差异的个性化定制需求。
康复手套的每个单向弯曲关节套正面和背面都装有sma弹簧；侧摆关节套在单向弯曲关节的基础上加入两根侧摆sma弹簧；拇指套的根部与手掌套23通过两根成一定角度的sma弹簧连接构成对掌关节22，两根sma弹簧的一端均与拇指套的根部连接，另一端分别与手掌套23两个部分连接。
拇指套11与手掌套23连接处厚度较小，具体是指连接处厚度小于手掌套23厚度，使拇指套11能在对掌关节22中的两根sma弹簧带动下向食指、中指方向靠拢。
所述软体康复手套通过3d打印工艺一体成型，所述软体康复手套基体采用tpu材料制成。
本发明还提供了一种形状记忆合金驱动软体康复手套的3d打印制备方法，包括以下步骤：
用三维建模软件建立康复手套三维模型，将三维模型导入3d打印切片软件，在康复手套的悬空部位添加支撑材料，设置打印参数，根据45°角原则为悬空部位添加支撑，设置打印层厚为0.1mm、扫描速度10mm/s、热床温度50℃、1号喷头打印温度220℃、2号喷头打印温度210℃，最后将切片文件导入3d打印机进行3d打印；
其中，康复手基体材料为tpu，支撑材料为pva；
打印完成后取出模型，整体浸入水中，待pva完全溶于水后得到tpu康复手套基体；
把sma弹簧连接到基体的相应位置上，弹簧两端用导线连接至直流稳压电源，得到形状记忆合金驱动软体康复手套。
以下对本发明的具体制备过程进行详细说明：
(1)建立模型：
本发明首先根据测绘患者手部所得的尺寸数据，在三维建模软件中建立康复手套模型，以保证所制备的康复手套与患者手部紧密贴。
(2)材料与工艺：
tpu材料质地柔软，自支撑性较差，在3d打印过程中容易出现塌陷，尤其对于软体机器人中常出现的薄壁、悬空结构难以顺利打印成型。尝试采用tpu自身做支撑，之后手工剥离，但由于tpu韧性良好难以断裂，在剥离过程中会不可避免地造成零件表面撕裂破坏。因此在打印复杂软体结构时，需选用合适的支撑材料保障成型质量。
经测试，常见的硬质fdm打印耗材中，能与tpu良好粘结的有聚乙烯醇(pva)、聚苯乙烯(hips)和聚乳酸(pla)三种。pva可溶于水，打印完成后浸于水中即可去除支撑，是理想的支撑材料，但良好的吸水性使其对存储环境的湿度有一定要求，暴露于空气中的pva会持续吸水，变得质地柔软，成型性能差，吸水过多后即变质，无法打印成型。hips的成型性能比pva更好，性能更稳定，对存储环境无特殊要求，可完全溶于柠檬烯，缺点是溶剂成本相对较高。
使tpu分别与pva、hips、pla组合，打印单轴拉伸模型，测试材料之间的兼容性，模型下半部分为tpu，上半部分分别为pva、hips、pla。三组实验每组打印若干试件，在拉伸机上测量试件断裂应力，用于表征两种材料之间的粘结强度。多次实验后去掉无效试件(粘结质量明显较差，极易断裂)，每组保留10个有效数据求平均值(表1)。
表1tpu与硬质材料粘结强度数据(单位：mpa)
由实验数据可知，pla与tpu的粘接质量明显优于pva、hips。
结合pva和hips的属性，对于方便手工剥离支撑的非腔体结构，hips是最佳支撑材料，打印中可与tpu粘结但粘结强度较低，打印完成后便于剥离，不损伤tpu主体。对于不便手工剥离支撑的腔体类结构，pva是最理想支撑材料，虽然成型性能低于hips且对存储环境有一定要求，但作为内部支撑时可浸于水中使其自然溶解，便于去除且不损伤主体结构。
(3)驱动方式选择：
气驱动软体康复手套3d打印实现难度大，且空气压缩机的存在使便携性相对较差。线驱动结构更容易实现且便携性良好，但存在以下问题：需设计电机与驱动线之间的减速机构；驱动线的防松、防缠绕；驱动力在各关节分布不均匀，难以控制到单个关节；如要实现单个关节控制，需对每个关节加入两个电机，提升了设备重量和控制难度。
sma弹簧作为驱动器，其作用方式与人的肌腱类似，通电时弹簧收缩，拉动结构朝相应方向变形。具有以下优势：①具有响应外界激励产生变形的独特性能，可显著降低驱动系统和控制系统的复杂性；②相变温度较低，容易变形；③具有电流热效应，可通过电流生热进行驱动。
基于线驱动和sma驱动的相关特征，本发明提出在线驱动结构的基础上，采用形状记忆合金驱动软体康复手套，充分利用二者的优势，力求以最简洁的方式实现康复功能，进一步提升轻量化、便携化程度。
根据sma弹簧的性质，将其拉伸率设置为300％，关节内侧弹簧未通电时长度为l，通电完全收缩后长度
联立(5)(6)得：
将式(8)代入式(2)(3)即可解得l、l等设计参数。
其中，α为两个弯曲斜面之间的初始夹角，β为弯曲斜面与指关节套的夹角，γ为两个弯曲斜面之间弯曲的最小夹角，l两个弯曲斜面开口的距离，l0两个弯曲斜面开口的最小距离，l弯曲斜面的长度，h为指关节套高度。
(4)软体康复手套制备
在三维建模软件中，依据人手结构特征与尺寸建立康复手套三维模型；
将stl格式的三维模型导入切片软件，根据45°角原则为悬空部位添加支撑，其中基体材料为tpu，支撑材料为pva；
设置打印层厚为0.1mm、扫描速度10mm/s、热床温度50℃、1号喷头tpu打印温度220℃、2号喷头pva打印温度210℃；
打印完成后取出模型，整体浸入水中，待pva完全溶于水后得到tpu康复手套基体；
采购合适尺寸的形状记忆合金弹簧，将其安装在基体的相应位置上，弹簧两端用导线连接至直流稳压电源，得软体康复手套。
以下通过具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
基体材料：邵氏硬度80a，杨氏模量约8.83×106pa的tpu；
支撑材料：可完全溶于水的pva；
打印设备：安装titanaero喷头，可顺利挤出软材料的双喷头fdm打印机；
驱动器：相变温度37℃的形状记忆合金弹簧；
电源：30v5a低压直流电源。
在三维建模软件中建立康复手套三维模型，将stl格式的三维模型导入切片软件，根据45°角原则为悬空部位添加支撑，设置打印层厚为0.1mm、扫描速度10mm/s、热床温度50℃、1号喷头tpu打印温度220℃、2号喷头pva打印温度210℃；
打印完成后取出模型，整体浸入水中，待pva完全溶于水后得到tpu康复手套基体；
把sma弹簧连接到基体的相应位置上，弹簧两端用导线连接至直流稳压电源，得图5和图6所示康复手套模型；
单向弯曲关节运动效果如图7。关节内侧的1、2、3号弹簧依次通电收缩，使康复手套关节向相应方向弯曲，并带动人手关节弯曲，随后关节内侧弹簧断电，关节外侧的4、5、6号弹簧依次通电收缩，带动关节快速恢复原状，由此完成一次“弯曲—伸展”运动循环。
侧摆关节运动效果如图8。关节左侧的7号弹簧通电收缩，带动关节向左侧弯曲，随后7号弹簧断电，8号弹簧通电收缩，带动关节恢复原位并进一步向右侧弯曲，由此完成一次侧摆运动。
除弯曲、侧摆两项基本功能外，软体手可实现对掌运动。对掌运动是人手的重要功能，是人手区别于动物手掌的标志性功能，而目前已有的康复手套很少有实现对掌功能，即使实现，过程也比较复杂。如图9所示，在大拇指根部布置9号、10号弹簧，通电收缩后可带动拇指向中指靠拢，辅以中指和拇指单向弯曲关节内侧的sma弹簧，使拇指指尖与中指指尖靠拢，完成一次对掌运动。拇指指尖与食指指尖靠拢的对掌运动实现原理相同，不再赘述。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
1.一种形状记忆合金驱动软体康复手套，其特征在于：包括手掌套(23)、有若干手指的手指套及若干sma弹簧；
所述手指套至少包括中指套(12)、食指套(13)和拇指套(11)；
所述中指套(12)和食指套(13)均包括基关节套(14)、近关节套(15)和远关节套(16)，三个关节套正面有v型关节间隙(17)且安装一根第一sma弹簧(18)用于完成单向弯曲动作，背面一体式连接且安装第二sma弹簧(19)用于辅助弯曲的关节恢复原状；
所述食指套(13)的基关节套左右两侧安装有第三sma弹簧(21)用于完成侧摆动作；
所述拇指套(11)包括对掌关节(22)和具备单向弯曲功能的基关节、远关节；基关节和远关节的正反面分别安装第一sma弹簧和第二sma弹簧；对掌关节(22)的两根第四sma弹簧(20)一端与拇指套(11)的根部连接，另一端与手掌套(23)连接；
各手指套根部均与手掌套(23)连接；
所有sma弹簧两端用导线连接至直流稳压电源。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动软体康复手套，其特征在于：拇指套(11)与手掌套(23)连接处厚度小于手掌套(23)厚度。
3.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动软体康复手套，其特征在于：所述手掌套(23)和多个手指套为3d打印一体成型结构。
4.根据权利要求3所述的形状记忆合金驱动软体康复手套，其特征在于：所述3d打印一体成型结构在成型过程中，需要根据45°角原则为悬空部位添加支撑，打印完成后剥离支撑材料得到手套基体。
5.根据权利要求4所述的形状记忆合金驱动软体康复手套，其特征在于：所述手套基体采用tpu材料；支撑材料为pva、hips或pla。
6.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动软体康复手套，其特征在于：所述直流稳压电源为30v、5a电源。
7.根据权利要求1所述的形状记忆合金驱动软体康复手套，其特征在于：所述sma弹簧的参数满足以下条件：
sma弹簧未通电时长度为l，通电完全收缩后长度
联立(5)(6)得：
将式(7)代入式(2)(3)即可解得l、l参数；
其中，α为两个弯曲斜面之间的初始夹角，β为弯曲斜面与指关节套的夹角，γ为两个弯曲斜面之间弯曲的最小夹角，l两个弯曲斜面开口的距离，l0两个弯曲斜面开口的最小距离，l弯曲斜面的长度，h为指关节套高度。
8.权利要求书1至7任一项所述的形状记忆合金驱动软体康复手套的3d打印制备方法，其特征在于，制备过程包括以下步骤：
用三维建模软件建立康复手套三维模型，将三维模型导入3d打印切片软件，在手套基体的悬空部位添加支撑材料，设置打印参数，进行3d打印；
其中，基体材料为tpu，支撑材料为pva、hips或pla；
打印完成后取出模型，剥离支撑材料得到tpu康复手套基体；
把sma弹簧连接到基体的相应位置上，弹簧两端用导线连接至直流稳压电源，得到形状记忆合金驱动软体康复手套。
9.根据权利要求书8所述的3d打印制备方法，其特征在于，设置打印层厚为0.1mm、扫描速度10mm/s、热床温度50℃、1号喷头tpu打印温度220℃、2号喷头pva打印温度210℃。
10.根据权利要求书8所述的3d打印制备方法，其特征在于，若所述支撑材料选择pva，则打印完成后将模型整体浸入水中，pva完全溶于水后得tpu康复手套基体。
技术总结