CN102274107A - 固定式外骨骼康复训练机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定式手指康复训练装置，它包括手腕支座、拇指、动力源、食指和中指等；其中，动力源固定在手腕支座上，拇指、食指和中指分别与动力源相连；本发明体积小、灵巧、智能化、操作性能好；本发明通过电机驱动丝杆螺母获得动力，结构简单，且易于实现；手部外骨骼通过支撑部分承担重量，不会对患者构成负担；本发明提供了多个自由度的运动，可以完成更多更灵巧的康复训练动作。

Description

固定式外骨骼康复训练机械手

技术领域

本发明涉及一种人体运动辅助装置，尤其涉及一种固定式外骨骼康复训练机械手及其使用方法。

背景技术

对于手部疾病患者，包括意外伤害、中风等，科学的康复训练治疗对于最大限度的恢复手部灵活性有着非常重要的意义。目前，主要通过专业医师进行康复治疗，这样的治疗方式过于依赖医生的经验，而且对于病人的个体差异性问题，缺乏相应的针对措施，治疗效果受到很大局限。

外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。一般是把虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的几丁质的骨骼称为外骨骼，它有保护和支持作用。机械外骨骼就是从生物外骨骼得到思路的一种全新技术，其作为一种通过机械对人体机能进行强化的方式，早在上世纪就已被提出，最初被尝试运用于军事领域；同时，机械外骨骼的辅助性和强化性也对康复治疗和灾害救援提供了全新的思路。

采用外骨骼康复训练方法与现有方法相比优点在于：一、患者不再单纯依赖医生的经验性治疗，可以进行量化训练；二、通过建立患者数据库，可以针对不同患者的个体差异性，进行有差别的量化治疗；三、可以通过网络连接数据库实现远程治疗；四、医生根据数据库可以对病症进行量化分析，有助于建立系统的康复训练理论。

现有的手部康复治疗，主要通过专业医师进行康复训练，这样的治疗方式有三个缺点：一、过于依赖医生的经验；二、掌握方法的医生很少；三、对于病人的个体差异性问题，缺乏相应的针对措施，治疗效果受到很大局限。同时现有公知技术中尚未出现成熟的外骨骼康复训练装置或方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种固定式外骨骼康复训练机械手，本发明体积小、灵巧、智能化、操作性能好。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种固定式手指康复训练装置，它包括手腕支座、拇指、动力源、食指和中指等；其中，动力源固定在手腕支座上，拇指、食指和中指分别与动力源相连。

进一步地，所述动力源包括手掌、第一轴承连接件、下轴承座、上轴承座、上传动丝杆、螺母导向板、上传动螺母、下传动螺母、下传动丝杆、下电机座、第二轴承连接件、上电机座、上驱动电机和下驱动电机等；食指或中指均包括远端指节外骨骼、DIP关节弯杆、中端指节外骨骼、远端关节三铰链杆、三铰链杆、近端指节、PIP关节弯杆、烟斗铰链烟斗、烟斗铰链上连杆、烟斗铰链下连杆、烟斗铰链机架和MP关节弯杆等；拇指2包括拇指远端指节、拇指MP关节弯杆、拇指机架、拇指轴承座、拇指传动丝杆、拇指传动螺母、拇指电机座、第一拇指连接件、第二拇指连接件和拇指驱动电机；手腕支座包括机架、手腕固定件、手腕外环、手掌连接件、手腕内环和小臂托垫等；部件动力源通过手掌固定在部件手腕支座的手掌连接件上；部件食指通过烟斗铰链机架固定在手掌上，并且食指MP关节弯杆与对应下传动螺母铰接，PIP关节弯杆与对应上传动螺母铰接；部件中指与其它部件连接方式和部件食指相同，部件拇指通过第一拇指连接件固定在手掌上。

进一步地，，所述动力源部件有上轴承座，通过深沟球轴承支撑上传动丝杆，上传动丝杆上套有上传动螺母，螺母导向板与上传动螺母配合并为其导向，上电机座通过深沟球轴承支撑上传动丝杆，上传动丝杆通过上电机座与上驱动电机联结；下轴承座，通过深沟球轴承支撑下传动丝杆，下传动丝杆上套有下传动螺母，螺母导向板与下传动螺母配合并为其导向，下电机座通过深沟球轴承支撑下传动丝杆，下传动丝杆通过下电机座与下驱动电机联结；第一轴承连接件同时和上轴承座和下轴承座螺纹连接，第二轴承连接件同时和上电机座和下电机座螺纹连接；下轴承座和下电机座固定在手掌上。

进一步地，所述食指或中指部件有MP关节弯杆一端与下传动螺母铰接，MP关节弯杆另一端与近端指节外骨骼铰接，近端指节外骨骼上固定有烟斗铰链烟斗，烟斗铰链烟斗一端与烟斗铰链下连杆铰接，烟斗铰链烟斗另一端与烟斗铰链上连杆铰接，烟斗铰链机架固定在手掌上，并分别于烟斗铰链上连杆和烟斗铰链下连杆铰接；PIP关节弯杆一端与上传动螺母铰接，另一端与近端关节三铰链杆铰接，近端关节三铰链杆的上部与远端关节三铰链杆铰接，下部与近端指节外骨骼铰接，近端指节外骨骼铰接有中端指节外骨骼，中端指节外骨骼的上部与远端关节三铰链杆铰接，下部与远端指节外骨骼铰接，远端指节外骨骼铰接有DIP关节弯杆，DIP关节弯杆另一端与远端指节三铰链杆铰接。

进一步地，所述拇指远端指节与拇指机架铰接，同时还与拇指MP关节弯杆铰接，拇指MP关节弯杆另一端与拇指传动螺母铰接，拇指传动螺母套在拇指传动丝杆上，拇指传动丝杆一端由拇指轴承座通过深沟球轴承支撑，另一端由拇指电机座通过深沟球轴承支撑，拇指传动丝杆通过拇指电机座与拇指驱动电机联结，拇指机架与第二拇指连接件螺纹连接，第二拇指连接件与第一拇指连接件螺纹连接，第一拇指连接件固定在手掌上。

进一步地，所述部件手腕支座有手腕内环，通过手掌连接件与手掌固定，手腕内环通过滚针轴承和手腕外环配合，手腕外环放在机架上，并与手腕固定件固定，手腕固定件螺纹连接在机架上，小臂托垫由螺纹连接在机架上。

与现有技术相比，本发明取得了以下的技术效果：

1、  通过电机驱动丝杆螺母获得动力，结构简单，且易于实现。

2、  手部外骨骼通过支撑部分承担重量，不会对患者构成负担。

3、  提供了多个自由度的运动，可以完成更多更灵巧的康复训练动作。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中部件动力源的结构示意图；

图3为本发明的部件食指或中指的结构示意图；

图4为本发明的部件拇指的结构示意图；

图5为本发明的部件手腕支座的结构示意图；

图中，手腕支座1、拇指2、动力源3、食指4、中指5、手掌6、第一轴承连接件7、下轴承座8、上轴承座9、上传动丝杆10、螺母导向板11、上传动螺母12、下传动螺母13、下传动丝杆14、下电机座15、第二轴承连接件16、上电机座17、上驱动电机18、上驱动电机19、远端指节外骨骼20、DIP关节弯杆21、中端指节外骨骼22、远端关节三铰链杆23、三铰链杆24、近端指节25、PIP关节弯杆26、烟斗铰链烟斗27、烟斗铰链上连杆28、烟斗铰链下连杆29、烟斗铰链机架30、MP关节弯杆31、拇指远端指节32、拇指MP关节弯杆33、拇指机架34、拇指轴承座35、拇指传动丝杆36、拇指传动螺母37、拇指电机座38、第一拇指连接件39、第二拇指连接件40、拇指驱动电机41、机架42、手腕固定件43、手腕外环44、手掌连接件45、手腕内环46、小臂托垫47。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图所示，本发明固定式手指康复训练装置包括手腕支座1、拇指2、动力源3、食指4和中指5；其中，动力源3固定在手腕支座1上，拇指2、食指4和中指5分别与动力源3相连。

动力源3包括手掌6、第一轴承连接件7、下轴承座8、上轴承座9、上传动丝杆10、螺母导向板11、上传动螺母12、下传动螺母13、下传动丝杆14、下电机座15、第二轴承连接件16、上电机座17、上驱动电机18和下驱动电机19；食指4或中指5均包括远端指节外骨骼20、DIP关节弯杆21、中端指节外骨骼22、远端关节三铰链杆23、三铰链杆24、近端指节25、PIP关节弯杆26、烟斗铰链烟斗27、烟斗铰链上连杆28、烟斗铰链下连杆29、烟斗铰链机架30和MP关节弯杆31；拇指2包括拇指远端指节32、拇指MP关节弯杆33、拇指机架34、拇指轴承座35、拇指传动丝杆36、拇指传动螺母37、拇指电机座38、第一拇指连接件39、第二拇指连接件40和拇指驱动电机41；手腕支座1包括机架42、手腕固定件43、手腕外环44、手掌连接件45、手腕内环46、小臂托垫47。

各部分之间连接关系如下：

部件动力源3通过手掌6固定在部件手腕支座1的手掌连接件45上；部件食指4通过烟斗铰链机架30固定在手掌6上，并且食指MP关节弯杆31与对应下传动螺母13铰接，PIP关节弯杆26与对应上传动螺母12铰接；部件中指5与其它部件连接方式和部件食指4相同，部件拇指2通过第一拇指连接件42固定在手掌6上。

参见图2，所述的动力源部件有上轴承座9，通过深沟球轴承支撑上传动丝杆10，上传动丝杆10上套有上传动螺母12，螺母导向板11与上传动螺母10配合并为其导向，上电机座17通过深沟球轴承支撑上传动丝杆10，上传动丝杆10通过上电机座17与上驱动电机18联结；下轴承座8，通过深沟球轴承支撑下传动丝杆14，下传动丝杆10上套有下传动螺母13，螺母导向板11与下传动螺母13配合并为其导向，下电机座15通过深沟球轴承支撑下传动丝杆14，下传动丝杆14通过下电机座15与下驱动电机19联结；第一轴承连接件7同时和上轴承座9和下轴承座8螺纹连接，第二轴承连接件16同时和上电机座17和下电机座15螺纹连接；下轴承座8和下电机座15固定在手掌6上。一个动力源部分包含两个上述零件，分别对应于食指外骨骼和中指外骨骼。

参见图3，所述食指或中指部件有MP关节弯杆24一端与下传动螺母13铰接，MP关节弯杆24另一端与近端指节外骨骼25铰接，近端指节外骨骼25上固定有烟斗铰链烟斗27，烟斗铰链烟斗27一端与烟斗铰链下连杆29铰接，烟斗铰链烟斗27另一端与烟斗铰链上连杆28铰接，烟斗铰链机架30固定在手掌6上，并分别于烟斗铰链上连杆28和烟斗铰链下连杆29铰接；PIP关节弯杆26一端与上传动螺母12铰接，另一端与近端关节三铰链杆24铰接，近端关节三铰链杆24的上部与远端关节三铰链杆23铰接，下部与近端指节外骨骼25铰接，近端指节外骨骼25铰接有中端指节外骨骼22，中端指节外骨骼22的上部与远端关节三铰链杆23铰接，下部与远端指节外骨骼20铰接，远端指节外骨骼20铰接有DIP关节弯杆21，DIP关节弯杆21另一端与远端指节三铰链杆23铰接。

参加图4，拇指远端指节32与拇指机架34铰接，同时还与拇指MP关节弯杆33铰接，拇指MP关节弯杆33另一端与拇指传动螺母37铰接，拇指传动螺母37套在拇指传动丝杆36上，拇指传动丝杆36一端由拇指轴承座35通过深沟球轴承支撑，另一端由拇指电机座38通过深沟球轴承支撑，拇指传动丝杆36通过拇指电机座38与拇指驱动电机41联结，拇指机架34与第二拇指连接件40螺纹连接，第二拇指连接件40与第一拇指连接件39螺纹连接，第一拇指连接件39固定在手掌6上。

参见图5，所述部件手腕支座1有手腕内环46，通过手掌连接件45与手掌6固定，手腕内环46通过滚针轴承和手腕外环44配合，手腕外环44放在机架42上，并与手腕固定件43固定，手腕固定件43螺纹连接在机架42上，小臂托垫49由螺纹连接在机架42上。

本发明的工作过程如下：

患者手从手腕内环46穿过，小臂放在小臂托垫47上，并穿戴好手部外骨骼。外骨骼机械手做抓握动作时，上驱动电机18和下驱动电机19转动，分别带动上传动丝杆10和下传动丝杆14转动，使得上传动螺母12和下传动螺母13做直线运动。以食指为例，下传动螺母13向前移动，推动MP关节弯杆31运动，间接推动近端指节外骨骼25转动，即带动患者近端指节屈曲。上传动螺母12向前移动，推动PIP关节弯杆26运动，使近端关节三铰链杆24转动，同时推动远端关节三铰链杆23转动，也使得中端指节外骨骼22围绕近端指节外骨骼18发生转动，即带动患者中端指节屈曲；远端关节三铰链杆23转动的同时也使DIP关节弯杆21向前运动，从而推动远端指节外骨骼20转动，即带动患者远端指节屈曲。电机反向转动，则实现各手指的伸展运动。

不同的电机转速，对应不同的指节转动速度，不同的电机转矩，对应不同的屈伸力。

本发明的保护范围并不限于上述实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

本发明中，动力由手背和拇指背上的电机提供，通过丝杠螺母传动将电机的转动转化为螺母的直线运动，在经由多连杆运动传递系统将其转变为各指节外骨骼的屈曲伸展动作，最终实现康复训练。

Claims (6)

1.一种固定式手指康复训练装置，其特征在于，它包括手腕支座（1）、拇指（2）、动力源（3）、食指（4）和中指（5）等；其中，动力源（3）固定在手腕支座（1）上，拇指（2）、食指（4）和中指（5）分别与动力源（3）相连。

2.根据权利要求1所述固定式手指康复训练装置，其特征在于，所述动力源（3）包括手掌（6）、第一轴承连接件（7）、下轴承座（8）、上轴承座（9）、上传动丝杆（10）、螺母导向板（11）、上传动螺母（12）、下传动螺母（13）、下传动丝杆（14）、下电机座（15）、第二轴承连接件（16）、上电机座（17）、上驱动电机（18）和下驱动电机（19）等；食指（4）或中指（5）均包括远端指节外骨骼（20）、DIP关节弯杆（21）、中端指节外骨骼（22）、远端关节三铰链杆（23）、三铰链杆（24）、近端指节（25）、PIP关节弯杆（26）、烟斗铰链烟斗（27）、烟斗铰链上连杆（28）、烟斗铰链下连杆（29）、烟斗铰链机架（30）和MP关节弯杆（31）等；拇指（2）包括拇指远端指节（32）、拇指MP关节弯杆（33）、拇指机架（34）、拇指轴承座（35）、拇指传动丝杆（36）、拇指传动螺母（37）、拇指电机座（38）、第一拇指连接件（39）、第二拇指连接件（40）和拇指驱动电机（41）；手腕支座（1）包括机架（42）、手腕固定件（43）、手腕外环（44）、手掌连接件（45）、手腕内环（46）和小臂托垫（47）等；部件动力源（3）通过手掌（6）固定在部件手腕支座（1）的手掌连接件（45）上；部件食指（4）通过烟斗铰链机架（30）固定在手掌（6）上，并且食指MP关节弯杆（31）与对应下传动螺母（13）铰接，PIP关节弯杆（26）与对应上传动螺母（12）铰接；部件中指（5）与其它部件连接方式和部件食指（4）相同，部件拇指（2）通过第一拇指连接件（42）固定在手掌（6）上。

3.根据权利要求1所述固定式手指康复训练装置，其特征在于，所述动力源部件有上轴承座（9），通过深沟球轴承支撑上传动丝杆（10），上传动丝杆（10）上套有上传动螺母（12），螺母导向板（11）与上传动螺母（10）配合并为其导向，上电机座（17）通过深沟球轴承支撑上传动丝杆（10），上传动丝杆（10）通过上电机座（17）与上驱动电机（18）联结；下轴承座（8），通过深沟球轴承支撑下传动丝杆（14），下传动丝杆（10）上套有下传动螺母（13），螺母导向板（11）与下传动螺母（13）配合并为其导向，下电机座（15）通过深沟球轴承支撑下传动丝杆（14），下传动丝杆（14）通过下电机座（15）与下驱动电机（19）联结；第一轴承连接件（7）同时和上轴承座（9）和下轴承座（8）螺纹连接，第二轴承连接件（16）同时和上电机座（17）和下电机座（15）螺纹连接；下轴承座（8）和下电机座（15）固定在手掌（6）上。

4.根据权利要求1所述固定式手指康复训练装置，其特征在于，所述食指或中指部件有MP关节弯杆（24）一端与下传动螺母（13）铰接，MP关节弯杆（24）另一端与近端指节外骨骼（25）铰接，近端指节外骨骼（25）上固定有烟斗铰链烟斗（27），烟斗铰链烟斗（27）一端与烟斗铰链下连杆（29）铰接，烟斗铰链烟斗（27）另一端与烟斗铰链上连杆（28）铰接，烟斗铰链机架（30）固定在手掌（6）上，并分别于烟斗铰链上连杆（28）和烟斗铰链下连杆（29）铰接；PIP关节弯杆（26）一端与上传动螺母（12）铰接，另一端与近端关节三铰链杆（24）铰接，近端关节三铰链杆（24）的上部与远端关节三铰链杆（23）铰接，下部与近端指节外骨骼（25）铰接，近端指节外骨骼（25）铰接有中端指节外骨骼（22），中端指节外骨骼（22）的上部与远端关节三铰链杆（23）铰接，下部与远端指节外骨骼（20）铰接，远端指节外骨骼（20）铰接有DIP关节弯杆（21），DIP关节弯杆（21）另一端与远端指节三铰链杆（23）铰接。

5.根据权利要求1所述固定式手指康复训练装置，其特征在于，所述拇指远端指节（32）与拇指机架（34）铰接，同时还与拇指MP关节弯杆（33）铰接，拇指MP关节弯杆（33）另一端与拇指传动螺母（37）铰接，拇指传动螺母（37）套在拇指传动丝杆（36）上，拇指传动丝杆（36）一端由拇指轴承座（35）通过深沟球轴承支撑，另一端由拇指电机座（38）通过深沟球轴承支撑，拇指传动丝杆（36）通过拇指电机座（38）与拇指驱动电机（41）联结，拇指机架（34）与第二拇指连接件（40）螺纹连接，第二拇指连接件（40）与第一拇指连接件（39）螺纹连接，第一拇指连接件（39）固定在手掌（6）上。

6.根据权利要求1所述固定式手指康复训练装置，其特征在于，所述部件手腕支座（1）有手腕内环（46），通过手掌连接件（45）与手掌（6）固定，手腕内环（46）通过滚针轴承和手腕外环（44）配合，手腕外环（44）放在机架（42）上，并与手腕固定件（43）固定，手腕固定件（43）螺纹连接在机架（42）上，小臂托垫（49）由螺纹连接在机架（42）上。

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