CN102319162A - 外骨骼式拇指运动功能康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外骨骼式的拇指运动功能康复机器人，由执行部分、传动部分和驱动部分组成；执行部分分为指间关节模块、掌指关节模块和腕掌关节模块三大部分；所述腕掌关节模块中，掌骨座固定在患者的手掌和手腕上；掌骨座与掌骨座连接成30°倾角，掌骨座连接自身有45°的角度；角度传感器固连在关节水平旋转上；角度传感器与外展/内收线轮固连；可调轴承座与尺寸调节插孔固连；腕掌从动杆一端和可调轴承座形成转动副，一端和腕掌主动杆形成转动副；腕掌主动杆固定在腕掌主动轴上，主动轴与腕掌主动轴承座形成转动副。本发明实现了拇指四个自由度主被动康复；解决了由于拇指生理结构与其他四指不同而造成的不好佩戴问题，能适合不同病人佩戴。

Description

外骨骼式拇指运动功能康复机器人

技术领域：

本发明一种外骨骼式拇指运动功能康复机器人，涉及一种对手指运动功能障碍患者的手指关节进行运动功能康复训练的机器人装置，属于对运动功能障碍患者进行康复训练的设备。 

技术背景：

手是人体最重要的结构之一，它对人类的功能及外观都显得及其重要。特别是手的运动能力是人类的日常生活和工作得以顺利进行的基本保障。然而，在生活和劳动中手的关节、骨骼、肌腱、神经很容易受到损伤，一般受损治疗都需要对手指长时间的制动，但长时间的制动会由于关节肌腱淤血形成纤维变性，造成手指关节及肌腱的粘连和肌肉的萎缩。另外，关节疾病、中风等心血管疾病造成的偏瘫也会导致手指关节肌腱纤维化和肌肉、韧带的痉挛萎缩。这些情况都会使患者丧失一些运动功能，造成手部运动功能障碍。 

康复科学表明，早期的运动康复治疗有助于患者康复，通过重复的肢体运动，可建立新的神经通道，患者可重获已丧失的运动功能。运动康复主要是指通过肢体的主动运动和被动运动，逐步恢复肢体的运动功能。 

目前的运动康复治疗是在医院中通过康复治疗师进行的，康复治疗师向患者手指施力，让患者手指恢复力量和运动范围。然而，目前的运动康复治疗存在很多问题。首先，康复过程是康复治疗师与病人一对一的，治疗费用昂贵，效率低。其次，康复训练过程持续时间较长且机械枯燥，患者缺乏康复训练的主动性和积极性，康复训练很难坚持。再次，目前的康复训练依赖于康复治疗师的经验和主观判断，不能精确控制训练参数并且缺乏康复过程的客观记录，难以对康复效果的准确评定，不利于治疗方案的改进。 

随着机器人技术、康复医学的发展，为了改良传统的康复治疗手段和提高康复治疗效果，康复机器人技术应运而生。康复机器人由于可以进行高精度的重复运动，对训练过程进行实时监控记录治疗数据，并可以进行医疗测评，因此可以辅助康复治疗师同时对多个患者进行高效的治疗。另外，将虚拟现实技术引入到康复机器人技术上，可以将枯燥的治疗过程变成具有图像、声音和力反馈的治疗游戏，使康复训练充满趣味性，提高患者对康复训练的主动性，从而进一步提高治疗效果。 

本申请人的在先发明专利申请，申请号为200910238175.5，名称为《外骨骼式手指运动 功能康复机器人》，包括执行部分、远近端关节驱动和掌骨关节驱动三部分；所述的执行部分包括远端关节模块、近端关节模块和掌骨关节模块三大部分；该专利申请调节关节间距以适应不同人手尺寸的机构拆装困难，反复拆装出现松脱现象，无法继续佩戴。原设计执行机构部分零件过多，结构过于复杂，装配后精度很难保证康复过程中的运动精度。由于拇指与食指根关节的生理结构有很大不同，导致原设计无法适应拇指佩戴，原设计根关节的外展/内收运动完全是通过面摩擦实现，摩擦力很大，不利于患者手指转动。最后，在康复过程中，钢丝绳要时刻保持在张紧状态，但是原设计在驱动部分的张紧使用几次后会出现松脱，钢丝绳的传动精度就无法得到保证。 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种外骨骼式的拇指运动功能康复机器人，它能够满足拇指四个自由度主动和被动康复模式的运动要求。为保证康复过程中关节转角精度，简化康复机器人的机械结构。由于拇指生理结构的特殊性，拇指康复机器人添加了一个被动转动副；此外，腕掌关节的调节机构可以让不同病人的拇指更好的完成佩戴。最后，为钢丝绳/绳套在传动过程中不出现松脱现象，一种张紧机构集成在了驱动模块的减速大轮上。 

本发明一种外骨骼式的拇指运动功能康复机器人，它由执行部分、传动部分和驱动部分三部分组成。其中，执行部分可以分为指间关节模块(1自由度)、掌指关节模块(1自由度，)和腕掌关节模块(3自由度，其中包含一个被动关节提供的自由度)三大部分；驱动部分则实现对执行部分的三个模块共四个自由度的单独双向驱动，实现手指的弯曲和伸直，外展和内收的动作。整个系统通过钢丝绳与弹簧管绳套实现远距离、变距离传动。同时，为了保证钢丝绳与弹簧管绳套传动的精度，防止钢丝绳使用过程中的松脱，一种张紧机构被应用于驱动部分。 

本发明的执行部分中的三个模块都是主要由主动轴承座、主动杆、从动杆、关节连接和指骨基座组成。指骨基座通过尼龙粘扣固定在相应指节上。而每个模块之间则通过移动轴承座与主动轴承座构成移动副，再由紧定螺钉固定完成连接，同时，这样也可以调节模块之间的距离，来实现适应不同患者手尺寸的功能。当执行部分的三个模块共同作用时，实现拇指弯曲和伸直的动作。而当钢丝绳驱动腕掌关节模块相对基座转动，实现手指外展和内收的动作。 

本发明的驱动部分主要由装有编码器的电机、螺线轮、减速轮、主动轮和固定架组成，另外，由带有通孔的螺钉和弹性垫片组成的张紧机构则与减速轮通过螺旋副连接。当通过旋 转与钢丝绳固连的螺钉挤压弹性垫片完成了初始的张紧后，传动钢丝绳保持张紧状态，电机带动固定在电机输出轴上的螺线轮转动，通过钢丝绳传动经过减速轮减速后将运动传给同轴的驱动轮，驱动轮再通过钢丝绳将运动传递给执行部分的主动轮，最终驱动执行部分工作。 

其中，所述的腕掌关节模块4中，掌骨座406通过尼龙粘扣固定在患者的手掌和手腕上；掌骨座406上的连接孔40601与掌骨座连接405上的调整滑槽40501通过螺钉完成固定，通过连接孔40601在调整滑槽40501中的位置的改变来适应不同的人手尺寸；掌骨座406与掌骨座连接405成30°倾角，而掌骨座连接405自身又有45°的角度，这样，掌骨座连接405通过滚动轴承形成的被动关节连接416与关节水平旋转404形成转动副；角度传感器417固连在关节水平旋转404上；而角度传感器的内部转子则与外展/内收线轮415固连，从而测量外展/内收线轮415转过的角度，也就是拇指掌指关节的外展/内收角度；关节水平旋转404与外展/内收线轮404通过滚动轴承的配合形成转动副；驱动模块通过钢丝绳套8中的钢丝绳7驱动外展/内收轮415实现该模块的水平转动；可调轴承座414与掌指关节模块3中的尺寸调节插孔30601通过紧定螺钉完成固连；腕掌从动杆412一端通过轴与轴承和可调轴承座414形成转动副，一端通过轴与轴承和腕掌主动杆411形成转动副；腕掌主动杆411固定在腕掌主动轴413上，主动轴413通过轴承与腕掌主动轴承座形成转动副；第一腕掌关节连接401一端固定在可调轴承座414上，另一端通过转动销402与第二腕掌关节连接403形成铰接；第二腕掌关节连接403另一端固定在腕掌主动轴承座上；钢丝绳外套8固定在绳外套固定铜柱408上，而钢丝绳外套8内的钢丝绳7驱动腕掌主动杆411，实现该模块的弯曲和伸直运动。 

其中，所述的张紧机构，具体是由一弹性垫片及有孔的紧定螺钉组成。其设置在指间掌指关节驱动及腕掌关节驱动上，具体如下：减速大轮固定在小线轮轴上；钢丝绳缠绕在电机螺线轮上，出来后与减速大轮形成“8”字缠绕后，穿过绳孔，再穿过有孔的紧定螺钉上的孔后打结。有孔的紧定螺钉与弹性垫片一起固定在紧定螺钉孔上，这样，通过紧定螺钉的旋转与弹性垫片挤压力，保证钢丝绳张紧。 

本发明的手指运动功能康复机器人的优点在于：(1)目前尚无能实现拇指四个自由度主被动康复的康复设备；(2)解决了由于拇指生理结构与其他四指不同而造成的不好佩戴的问题，通过被动关节的添加和腕掌关节与基座连接的尺寸可调机构，手指运动功能康复机器人能够很好的适合不同病人的人手佩戴。 

附图说明：

图1是本发明外骨骼式拇指运动功能康复机器人的整体系统图； 

图2是执行部分的三个模块； 

图3是指间关节模块的爆炸图； 

图4是掌指关节模块的爆炸图； 

图5(a)(b)是腕掌关节模块的爆炸图； 

图6是指间掌指关节驱动模块的爆炸图； 

图7是张紧机构的爆炸图 

图中：              1.执行部分 

2.指间关节模块      201.远节基座       202.双面铰链销        203.转动销 

204.指间主动杆      205.角度传感器     206.指间主动轴        207.指间主动轴承座 

20701.紧定螺纹孔    20702.限位滑槽     208.管接头            209.绳外套固定铜柱 

210.止动销          211.指间关节从动杆 

3.掌指关节模块      301.可调轴承座     302.第一掌指关节连    303.转动销 

                                       接 

304.第二掌指关节连  305.角度传感器     306.掌指主动轴承座    30601.尺寸调整插孔接 

30602.限位滑槽      307.管接头         308.掌指主动轴        309.掌指主动杆 

310.止动销          311.掌指关节从动杆 

4.腕掌关节模块      401.第一腕掌关节连 402.转动销            403.第二腕掌关节连 

                    接                                       接 

404.关节水平旋转    405.掌骨座连接     40501.调整滑槽        406.掌骨座 

40601.连接孔        407.管接头         408.绳外套固定铜柱    409.腕掌主动轴承座 

410.止动销          411.腕掌主动杆     412.腕掌从动杆        413.腕掌主动轴 

414.可调轴承座      415.外展/内收线轮  416.被动关节连接      417.角度传感器 

5.指间掌指关节驱动  501.第一编码器     502.第一直流电机      503.基座 

504.第一电机螺线    505.第一紧定螺钉   506.第一张紧螺钉      507.第一弹性垫片 轮 

508.第一减速大轮    50801.第一绳孔    50802.第一张紧螺   509.第二编码器 

                                      钉孔 

510.第二直流电机    511.第一小线轮轴  512.第一挡块       513.减速轮紧定螺钉 

514.第二减速大轮    51401.第二绳孔    51402.第二张紧螺   515.第二弹性垫片 

                                      钉孔 

516.第二张紧螺钉    517.第二紧定螺钉  518.第二电机螺线   519.第一绳套管 

                                      轮 

520.第二挡块        521.第二小线轮轴  522.第二绳套管     6.腕掌关节驱动 

7.钢丝绳(8根)       8.钢丝绳外套(8根) 

9.张紧机构          901.电机螺线轮    902.基座           903.编码器直流电机 

904.小线轮轴        905.减速大轮      90501.张紧螺钉孔   90502.绳孔 

906.有孔紧定螺钉    907.弹性垫片 

具体实施方式：

下面将结合附图对发明进行进一步的详细说明。 

本发明是一种外骨骼式拇指运动功能康复机器人，对于拇指进行运动功能康复训练。图1所示是该装置的系统图，可分为执行部分1、指间掌指关节驱动5和腕掌关节驱动6。指间掌指关节驱动5和腕掌关节驱动6相互独立，通过钢丝绳7(8根)实现对执行部分1的单独双向驱动，实现患者手指的弯曲和伸直，外展和内收的康复动作。为了防止执行部分1与远近端关节驱动5和掌骨关节驱动6之间的钢丝绳7松弛，其之间通过钢丝绳外套8(8根)连接，钢丝绳7穿过钢丝绳外套8实现传动。此外，在驱动模块的减速轮上设计有钢丝绳的张紧装置，可以保证钢丝绳在完成张紧后不发生松脱现象。如图2，执行部分1又可以分为指间关节模块2(1自由度)、掌指关节模块3(1自由度)和腕掌关节模块4(3自由度，其中包括被动关节提供的一个绕拇指指骨自身轴线的转动，不过没有相应的驱动)。指间关节模块2通过指间主动轴承座207与掌指关节模块3的可调轴承座301相连；掌指关节模块3通过掌指主动轴承座306与腕掌关节模块4的可调轴承座414相连。由于可调轴承座301、414可以沿主动轴承座207，306上的方孔进行滑动，并通过主动轴承座上的紧定螺纹孔完成固定，因此可以调节执行部分1各个模块之间的距离，达到适应不同患者人手长度的要求。 

在本发明的指间关节模块2中，如图1和图3所示，远节基座201通过螺纹孔与带有力传感器的垫片相连，而指间主动轴承座207通过尼龙粘扣固定在患者拇指的中节指骨上；从动杆211的一端通过双面铰链销202和轴承相对远节基座201转动，形成转动副，而另一端则通过轴和轴承与指间主动杆204相连，形成转动副；主动杆204包含的线轮部分通过指间主动轴206和轴承与指间主动轴承座形成转动副；角度传感器205固定在指间主动轴承座座207上，角度传感器座上，并使角度传感器205的转子轴线与指间主动轴206重合，用来测量主动杆204的转角；止动销210固定在指间主动杆204上，随其绕主动轴206的轴线转动，同时，止动销210也在主动轴承座限位滑槽20701内滑动。通过调整止动滑块206与止动销210的起始相对位置，就可以实现调节最大关节角的功能；远节基座201与指间主动轴承座207转动销203a，203b铰接，形成转动副；钢丝绳外套8的一端固定在绳外套固定铜柱209上；钢丝绳外套8内的钢丝绳7驱动指间主动杆204，实现整个模块的运动。 

在本发明的掌指关节模块3中，如图1和图4所示，可调轴承座通过紧定螺钉与指间主动轴承座207固连。掌指关节从动杆311的一端通过轴和轴承与可调轴承座301形成转动副，而另一端则通过轴和轴承与掌指主动杆309相连，形成转动副；主动杆309固定在掌指主动轴308上，主动轴308通过轴承与掌指主动轴承座306相连，形成转动副；角度传感器305固定在主动轴承座306上，并使角度传感器305的转子轴线与掌指主动轴308重合，用来测量掌指主动杆309的转角；止动滑块309可以在扇形滑槽30701内滑动，止动销310固定在主动杆309上，通过调整止动滑块309与止动销309的起始相对位置，就可以实现调节最大关节角的功能；第一掌指关节连接302与第二掌指关节连接304通过转动销303铰接，并分别固定在可调轴承座301和主动轴承座306上；钢丝绳外套8的一端固定在绳外套固定铜柱307上；钢丝绳外套8内的钢丝绳7驱动掌指主动杆309，实现整个模块的运动。 

在本发明的掌骨关节模块4中，如图1和图5所示，掌骨座406通过尼龙粘扣固定在患者的手掌和手腕上；掌骨座406上的连接孔40601与掌骨座连接405上的调整滑槽40501通过螺钉完成固定，通过连接孔40601在调整滑槽40501中的位置的改变来适应不同的人手尺寸。由于拇指生理结构的复杂性，掌骨座406在设计过程中依照拇指生理数据与掌骨座连接405成30°倾角，而掌骨座连接405自身又有45°的角度，这样，掌骨座连接405通过滚动轴承形成的被动关节连接416与关节水平旋转404形成转动副，可以很好的适应人手的生理结构。角度传感器417固连在关节水平旋转404上；而角度传感器的内部转子则与外展/内收线轮415固连，从而测量外展/内收线轮415转过的角度，也就是拇指掌指关节的外展 /内收角度。关节水平旋转404与外展/内收线轮404通过滚动轴承的配合形成转动副(背景技术中提及的现有技术中没有考虑到摩擦的问题，零件与零件间的转动完全是面摩擦，不利于患者手指的外展内收运动)。驱动模块通过钢丝绳外套8中的钢丝绳7驱动外展/内收轮415实现该模块的水平转动。可调轴承座414与掌指关节模块3中的尺寸调节插孔30601通过紧定螺钉完成固连。腕掌从动杆412一端通过轴与轴承和可调轴承座414形成转动副，一端通过轴与轴承和腕掌主动杆411形成转动副。腕掌主动杆411固定在腕掌主动轴413上，主动轴413通过轴承与腕掌主动轴承座形成转动副。第一腕掌关节连接401一端固定在可调轴承座414上，另一端通过转动销402与玩第二腕掌关节连接403形成铰接。第二腕掌关节连接403的另一端固定在腕掌主动轴承座409上。钢丝绳外套8固定在绳外套固定铜柱408上，而钢丝绳外套8内的钢丝绳7驱动腕掌主动杆411，实现该模块的弯曲和伸直运动。 

本发明的指间掌指关节驱动模块5中，如图6所示，带第一编码器501的第一直流电机502固定在基座503上；第一电机螺线轮504通过第一紧定螺钉505固定在带第一编码器501的第一直流电机502的输出轴上，通过钢丝绳将力矩传递到固定在小线轮轴b521的第一减速大轮508上；同时，第二小线轮轴521通过钢丝绳驱动指间关节模块2中的指间主动杆204；两根钢丝绳外套8通过第二绳套管522固定在第二挡块520上。带第二编码器509的第二直流电机510固定在基座503上；第二电机螺线轮518通过第二紧定螺钉517固定在带第二编码器509的第二直流电机510的输出轴上，通过钢丝绳将力矩传递到固定在第一小线轮轴511的第二减速大轮514上；同时，第一小线轮轴511通过钢丝绳驱动掌指关节模块3中的掌指主动杆309，两根钢丝绳外套8通过第一绳套管519固定在第一挡块512上。 

本发明的腕掌关节驱动模块6与所述的指间掌指关节驱动模块5的结构完全相同，在此不赘述。 

本发明的张紧机构，具体是由一弹性垫片及有孔的紧定螺钉组成。其设置在指间掌指关节驱动及腕掌关节驱动上，如图7所示，带编码器的直流电机903固定在基座902上。电机螺线轮固定在直流电机903的输出轴上。小线轮轴904通过轴承与基座902形成转动副。减速大轮905固定在小线轮轴904上。钢丝绳缠绕在电机螺线轮901上，出来后与减速大轮905形成“8”字缠绕后，穿过绳孔90502，再穿过有孔紧定螺钉906上的孔后打结。有孔紧定螺钉906与弹性垫片907一起固定在紧定螺钉孔90501上，这样，通过有孔紧定螺钉906的旋转与弹性垫片907挤压力，保证钢丝绳张紧。 

Claims (2)

1.一种外骨骼式的拇指运动功能康复机器人，由执行部分、传动部分和驱动部分三部分组成；其中，执行部分可以分为指间关节模块、掌指关节模块和腕掌关节模块三大部分；执行部分中的三个模块都是主要由主动轴承座、主动杆、从动杆、关节连接和指骨基座组成；指骨基座通过尼龙粘扣固定在相应指节上；而每个模块之间则通过移动轴承座与主动轴承座构成移动副，再由紧定螺钉固定完成连接；驱动部分包括装有编码器的电机、螺线轮、减速轮、主动轮和固定架，其特征在于：

所述的腕掌关节模块(4)中，掌骨座(406)通过尼龙粘扣固定在患者的手掌和手腕上；掌骨座(406)上的连接孔(40601)与掌骨座连接(405)上的调整滑槽(40501)通过螺钉完成固定，通过连接孔(40601)在调整滑槽(40501)中的位置的改变来适应不同的人手尺寸；掌骨座(406)与掌骨座连接(405)成30°倾角，而掌骨座连接(405)自身又有45°的角度，这样，掌骨座连接(405)通过滚动轴承形成的被动关节连接(416)与关节水平旋转(404)形成转动副；角度传感器(417)固连在关节水平旋转(404)上；而角度传感器的内部转子则与外展/内收线轮(415)固连，从而测量外展/内收线轮(415)转过的角度，也就是拇指掌指关节的外展/内收角度；关节水平旋转(404)与外展/内收线轮(404)通过滚动轴承的配合形成转动副；驱动模块通过钢丝绳外套(8)中的钢丝绳(7)驱动外展/内收轮(415)实现该模块的水平转动；可调轴承座(414)与掌指关节模块中的尺寸调节插孔(30601)通过紧定螺钉完成固连；腕掌从动杆(412)一端通过轴与轴承和可调轴承座(414)形成转动副，一端通过轴与轴承和腕掌主动杆(411)形成转动副；腕掌主动杆(411)固定在腕掌主动轴(413)上，主动轴(413)通过轴承与腕掌主动轴承座形成转动副；第一腕掌关节连接(401)一端固定在可调轴承座(414)上，另一端通过转动销(402)与第二腕掌关节连接(403)形成铰接；第二腕掌关节连接(403)另一端固定在腕掌主动轴承座上；钢丝绳外套(8)固定在绳外套固定铜柱(408)上，而钢丝绳外套(8)内的钢丝绳(7)驱动腕掌主动杆(411)，实现该模块的弯曲和伸直运动。

2.根据权利要求1所述的外骨骼式的拇指运动功能康复机器人，所述的驱动部分进一步包括一张紧机构，该张紧机构具体是由一弹性垫片及有孔的紧定螺钉组成，钢丝绳缠绕在驱动机构的电机螺线轮上，出来后与减速大轮形成“8”字缠绕后，穿过绳孔，再穿过有孔的紧定螺钉上的孔后打结；有孔的紧定螺钉与弹性垫片一起固定在减速轮的紧定螺钉孔上，这样，通过紧定螺钉的旋转与弹性垫片挤压力，保证钢丝绳张紧。

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