CN105943308B - 一种用于康复训练的手部外骨骼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于康复训练的手部外骨骼装置，包括手背机构、动力源、食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼、拇指外骨骼；手背机构包括手背平台、电机支座、丝杆支座；动力源包括食指部分、中指部分、无名指部分和小指部分；食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼分别包括连杆、远指节支座、过渡连杆、中指节支座、传动连杆、驱动连杆、近指节支座；拇指外骨骼包括拇指驱动杆、拇指传动杆、拇指连杆、拇指近指节支座、拇指远指节支座、拇指电机、拇指丝杆、拇指滑块、拇指丝杆支座、拇指滑块连杆、拇指电机支座、拇指背部平台。整套设备重量小、成本低廉、易于组装，解决了现有手部康复装置中存在的各手指之间无相互独立、弯曲角度有限、难以完成精细动作、成本高等问题。

Description

一种用于康复训练的手部外骨骼装置
技术领域
本发明涉及一种人体运动辅助设备，尤其涉及一种用于康复训练的手部外骨骼装置。
背景技术
神经肌肉系统损伤并致残的人群中最常见类型就是运动功能障碍，表现为肢体瘫痪，严重影响患者的生活自理能力和生存质量，其中以手部运动功能丧失影响最甚。考虑到手功能的灵巧性，手功能康复对于患者生活质量的提高起到至关重要的作用；也正因为如此，手功能康复一直以来是康复医学的难题。
康复医学研究与实践表明，坚持运动康复训练是恢复肢体运动功能的有效方法。
传统的运动康复训练是由临床理疗师牵拉患者关节与肌肉，协助瘫痪肢体往复运动，从而促进大脑皮层学习和强化运动功能，达到康复治疗的效果。然而，这种传统的方法需要依赖专业理疗师的操作，并以其主观经验为指导，耗时耗力，效率很低且不易于在社区和家庭操作。
外骨骼是一种可穿戴于人体表面并提供保护与额外机能的机械电子装置，因其结构类似某些动物的外骨骼而得名。这样的装置也称为外骨骼机器人。为康复训练设计的外骨骼机器人可以代替理疗师辅助病人完成的康复训练。借助外骨骼机器人的康复训练过程不仅可以将治疗师从重复、机械和大强度体力劳动中解放出来，还具有运动控制更加精确等方面的优势。特别地，外骨骼机器人与功能性电刺激、肌电反馈等技术结合后具有根据用户主观意愿辅助患肢运动的能力，实现主动康复训练更有利于促进中枢神经重塑、取得更好的治疗效果。
手部外骨骼康复机器人一直是外骨骼开发的重难点，需要在有限的空间中设计出能辅助手部灵巧运动的机械装置具有很高的难度。目前有报道的外骨骼康复机器人结构还比较简单，多辅助下肢或上肢的大关节进行伸屈之类的简单运动，少数针对手部的外骨骼装置提供的自由度有限，结构复杂，很难支持各手指独立协同运动，仍然存在很大的改进空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种重量小、成本低廉、易于组装的用于康复训练的手部外骨骼装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的用于康复训练的手部外骨骼装置，包括手背机构、动力源、食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼、拇指外骨骼，所述动力源固定在手背机构上并与所述食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼、拇指外骨骼分别连接；
所述手背机构包括手背平台、电机支座、丝杆支座，所述手背机构通过绑带固定在患者手部，所述电机支座、丝杆支座固定在所述手背平台上；
所述动力源包括食指部分、中指部分、无名指部分和小指部分，所述食指部分包括食指上丝杆、食指下丝杆、食指上滑块、食指下滑块、食指上电机、食指下电机、食指上联轴器、食指下联轴器、食指上滑块连杆、食指下滑块连杆，所述中指部分、无名指部分和小指部分与所述食指部分结构相同；
所述食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼分别包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、远指节支座、过渡连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、中指节支座、传动连杆、驱动连杆、第七连杆、第八连杆、近指节支座；
所述拇指外骨骼包括拇指驱动杆、拇指传动杆、拇指第一连杆、拇指第二连杆、拇指近指节支座、拇指远指节支座、拇指电机、拇指丝杆、拇指滑块、拇指丝杆支座、拇指滑块连杆、拇指电机支座、拇指背部平台。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于康复训练的手部外骨骼装置。整套设备重量小、成本低廉、易于组装，解决了现有手部康复装置中存在的各手指之间无相互独立、弯曲角度有限、难以完成精细动作、成本高等问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于康复训练的手部外骨骼装置的整体结构示意图。
图2为本发明实施例中手背机构部分的结构示意图。
图3为本发明实施例中动力源部分的结构示意图。
图4为本发明实施例中食指部分的结构示意图。
图5为本发明实施例中拇指部分的结构示意图。
图中：
手背机构1、动力源2、食指外骨骼3、中指外骨骼4、无名指外骨骼5、小指外骨骼6、拇指外骨骼7等、手背平台8、电机支座9、丝杆支座10、食指上丝杆11、食指下丝杆12、食指上滑块13、食指下滑块14、食指上电机15、食指下电机16、食指上联轴器17、食指下联轴器18、食指上滑块连杆19、食指下滑块连杆20、第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23、远指节支座24、过渡连杆25、第四连杆26、第五连杆27、第六连杆28、中指节支座29、传动连杆30、驱动连杆31、第七连杆32、第八连杆33、近指节支座34，拇指驱动杆35、拇指传动杆36、拇指第一连杆37、拇指第二连杆38、拇指近指节支座39、拇指远指节支座40、拇指电机41、拇指丝杆42、拇指滑块43、拇指丝杆支座44、拇指滑块连杆45、拇指电机支座46、拇指背部平台47。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的用于康复训练的手部外骨骼装置，其较佳的具体实施方式是：
包括手背机构、动力源、食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼、拇指外骨骼，所述动力源固定在手背机构上并与所述食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼、拇指外骨骼分别连接；
所述手背机构包括手背平台、电机支座、丝杆支座，所述手背机构通过绑带固定在患者手部，所述电机支座、丝杆支座固定在所述手背平台上；
所述动力源包括食指部分、中指部分、无名指部分和小指部分，所述食指部分包括食指上丝杆、食指下丝杆、食指上滑块、食指下滑块、食指上电机、食指下电机、食指上联轴器、食指下联轴器、食指上滑块连杆、食指下滑块连杆，所述中指部分、无名指部分和小指部分与所述食指部分结构相同；
所述食指外骨骼、中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼分别包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、远指节支座、过渡连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、中指节支座、传动连杆、驱动连杆、第七连杆、第八连杆、近指节支座；
所述拇指外骨骼包括拇指驱动杆、拇指传动杆、拇指第一连杆、拇指第二连杆、拇指近指节支座、拇指远指节支座、拇指电机、拇指丝杆、拇指滑块、拇指丝杆支座、拇指滑块连杆、拇指电机支座、拇指背部平台；
所述动力源的食指部分中，食指上丝杆套接在丝杆支座的上层，食指下丝杆套接在丝杆支座的下层，食指上电机套接在电机支座的上孔，食指下电机套接在电机支座下孔，食指上电机通过食指上联轴器与食指上丝杆同轴心固定，食指上滑块螺纹连接于食指上丝杆，并且与食指上滑块连杆铰接，食指下电机套接在电机支座下孔，食指下电机通过食指下联轴器与食指下丝杆同轴心固定，食指下滑块螺纹连接于食指下丝杆，并且与食指下滑块连杆铰接，所述动力源的中指部分、无名指部分和小指部分的连接结构与所述食指部分的连接结构相同；
所述食指外骨骼中的第八连杆的下端通过连接点铰接在手背平台上，第八连杆的上端与食指上滑块连杆铰接；驱动连杆的下端通过另一连接点铰接在手背平台上，并且食指下滑块连杆铰接在驱动连杆上，所述中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼与所述手背机构及动力源的连接结构和所述食指外骨骼与所述手背机构及动力源的连接结构相同；
所述食指外骨骼中，远指节支座、中指节支座、近指节支座通过绑带固定在患者的远节指骨、中节指骨、近节指骨上；第一连杆一端铰接于远指节支座上，另一端与第二连杆相互铰接，第二连杆另一端铰接于中指节支座；第四连杆一端铰接在中指节支座，另一端与第五连杆铰接，第五连杆另一端铰接在近指节支座；过渡连杆一端铰接在近指节支座，另一端与第三连杆铰接；第三连杆另一端铰接在第一、第二连杆的连接处；第七连杆一端铰接在近指节支座，另一端与第八连杆的上端铰接；驱动连杆的上端与传动连杆铰接；传动连杆另一端铰接在过渡连杆与第三连杆的连接处；第六连杆一端铰接于第四连杆、第五连杆的连接处，另一端铰接在驱动连杆上；所述中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼的从属部件连接结构与所述食指外骨骼的从属部件连接结构相同；
所述拇指外骨骼中，拇指电机支座、拇指丝杆支座固定在拇指背部平台上，拇指丝杆套接在拇指丝杆支座，拇指电机套接在拇指电机支座；拇指滑块螺纹固定于拇指丝杆，拇指滑块连杆一端铰接在拇指滑块，另一端铰接在拇指驱动杆中部，拇指驱动杆下端铰接于拇指背部平台；拇指近指节支座绑定于拇指近节指骨，拇指远指节支座绑定于拇指远节指骨；拇指第一连杆一端铰接于拇指远指节支座，另一端铰接于拇指第二连杆；拇指第二连杆另一端铰接于拇指近指节支座；拇指传动杆一端铰接于拇指第一连杆与拇指第二连杆的连接处，另一端铰接于拇指驱动杆的上端。
本发明的用于康复训练的手部外骨骼装置，解决了现有手部康复装置中存在的各手指之间无相互独立、弯曲角度有限、难以完成精细动作、成本高等问题。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.每个手指都是条形连杆加丝杆滑块的结构，模块化设计，原理简单，易于3D打印快速实现。
2.五个手指在运动、控制上是相互独立的，支持更丰富的运动模式。
3.每个手指的三个关节都可在外骨骼驱动之下运动，更有益于手部精细动作康复训练。
4.整套设备有重量小、成本低廉、易于组装等优点。
5.针对不同患者不同的手指尺寸，易于实现外骨骼设备个性化定制、快速组装。
具体实施例：
结合图1说明，一种用于康复训练的手部外骨骼装置包括手背机构1、动力源2、食指外骨骼3、中指外骨骼4、无名指外骨骼5、小指外骨骼6、拇指外骨骼7等；动力源2固定在手背机构1上，食指外骨骼3、中指外骨骼4、无名指外骨骼5、小指外骨骼6、拇指外骨骼7分别与动力源相连。
结合图2说明，所述手背机构1包括手背平台8、电机支座9、丝杆支座10等。手背平台8前端是用于和四个手指外骨骼铰接的连接点，中部是四个相同的安放丝杆与滑块的丝杆支座10，后端是四个电机支座9。
结合图3说明，所述动力源2包括食指部分：食指上丝杆11、食指下丝杆12、食指上滑块13、食指下滑块14、食指上电机15、食指下电机16、食指上联轴器17、食指下联轴器18、食指上滑块连杆19、食指下滑块连杆20等，以及结构相同并且分别对应的中指部分、无名指部分、小指部分。食指上丝杆11、食指下丝杆12分别套接在双层的丝杆支座10上；食指上滑块13、食指下滑块14分别螺纹连接于食指上丝杆11、食指下丝杆12；食指上电机15、食指下电机16分别安装在双层的电机支座9；上食指上联轴器17、食指下联轴器18将电机的出轴与丝杆连接固定在一起，确保其同轴心转动；食指上滑块连杆19、食指下滑块连杆20分别铰接在上下两个滑块上，作为动力源2的输出单元。
结合图4说明，所述食指外骨骼3、中指外骨骼4、无名指外骨骼5、小指外骨骼6均包括第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23、远指节支座24、过渡连杆25、第四连杆26、第五连杆27、第六连杆28、中指节支座29、传动连杆30、驱动连杆31、第七连杆32、第八连杆33、近指节支座34等；以食指为例，远指节支座24绑定在远节指骨上，中指节支座29绑定在中节指骨上，近指节支座34绑定在近节指骨上；第一连杆21一端铰接于远指节支座24上，另一端与第二连杆22相互铰接，第二连杆22另一端铰接于中指节支座29，第一连杆21、第二连杆22与远指节支座24、中指节支座29一同构成一个四边形连杆机构；第四连杆26一端铰接在中指节支座29，另一端与第五连杆27铰接，第五连杆27另一端铰接在近指节支座34，第四连杆26、中指节支座29、第五连杆27、近指节支座34一同构成一个四边形连杆机构；过渡连杆25一端铰接在中指节支座29，另一端与第三连杆23铰接，起到支撑作用；第三连杆23另一端铰接在第一、第二连杆的连接处；第七连杆32一端铰接在近指节支座34，另一端与第八连杆33铰接；第八连杆另一端铰接在手背平台8上，第七连杆32、近指节支座34、第八连杆33、手背平台8一同构成一个四边形连杆机构；驱动连杆31一端铰接在手背平台8，另一端与传动连杆30铰接；传动连杆30另一端铰接在过渡连杆25与第三连杆23的连接处；第六连杆28一端铰接于第四连杆26、第五连杆27的连接处，另一端铰接在驱动连杆31上。其余中指外骨骼4、无名指外骨骼5、小指外骨骼6的从属部件以及连接方式与食指外骨骼3完全相同；
结合图5说明，所述拇指外骨骼7中，拇指电机支座46、拇指丝杆支座44、固定在拇指背部平台47上，拇指丝杆42套接在拇指丝杆支座44，拇指电机41套接在拇指电机支座46，拇指滑块43螺纹固定于拇指丝杆42，拇指滑块连杆45一端铰接在拇指滑块43，另一端铰接在拇指驱动杆35中部，拇指驱动杆35另一端铰接于拇指背部平台47；以上结构与功能与手背机构1的结构功能类似。拇指近指节支座39绑定于拇指近节指骨，拇指远指节支座40绑定于拇指远节指骨；拇指第一连杆37一端铰接于拇指远指节支座40，另一端铰接于拇指第二连杆38；拇指第二连杆38另一端铰接于拇指近指节支座39；拇指第一、第二连杆与近指节支座、远指节支座共同构成一个四边形连杆机构。拇指传动杆36一端铰接于拇指第一连杆37与拇指第二连杆38的连接处，另一端铰接于拇指驱动杆35的上端；
本发明的工作过程如下：
以食指为例，食指上电机与食指下电机同时以不同的速度转动，分别推动食指上丝杆与食指下丝杆绕轴心旋转，丝杆旋转的同时在螺纹的作用下会推动食指上滑块与下食指滑块向前滑行，滑块推动食指上滑块连杆与食指下滑块连杆向前运动，进一步的推动第八连杆与驱动连杆。
第八连杆推动第七连杆进而推动近指节支座34，四边形连杆机构的作用下使得食指的掌骨关节弯曲。
驱动连杆同时推动第六连杆与传动连杆，一方面，第六连杆推动第五连杆进而推动第四连杆，在四边形连杆机构的作用下使得中指节支座推动近节指骨，即近端关节弯曲。另一方面，传动连杆在过渡连杆的支撑下推动第三连杆运动，第三连杆推动第一连杆，在四边形连杆机构的作用下推动远指节支座，使得远端关节弯曲。
两个电机的不同速率转动、第六连杆与驱动连杆的不同旋转半径使得三个关节以不同的角速度协同弯曲，最终使得整个食指达到弯曲的效果。
当电机反向旋转时，即可得到食指伸展的效果。
拇指的工作过程可以视为食指模型的简化，电机推动丝杆转动，丝杆推动滑块连杆向前，滑块连杆推动拇指第一连杆，在四边形连杆机构的作用下，推动远指节支座，使得拇指远端关节弯曲。
其余中指外骨骼、无名指外骨骼、小指外骨骼的工作过程与食指外骨骼在原理上完全相同，只是从属的零件尺寸略有不同，每个手指都有对应的电机与丝杆滑块装置为其提供动力，确保各手指之间的运动相互独立，互不影响。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种用于康复训练的手部外骨骼装置，其特征在于，包括手背机构(1)、动力源(2)、食指外骨骼(3)、中指外骨骼(4)、无名指外骨骼(5)、小指外骨骼(6)、拇指外骨骼(7)，所述动力源(2)固定在手背机构(1)上并与所述食指外骨骼(3)、中指外骨骼(4)、无名指外骨骼(5)、小指外骨骼(6)、拇指外骨骼(7)分别连接；
所述手背机构(1)包括手背平台(8)、电机支座(9)、丝杆支座(10)，所述手背机构(1)通过绑带固定在患者手部，所述电机支座(9)、丝杆支座(10)固定在所述手背平台(8)上；
所述动力源(2)包括食指部分、中指部分、无名指部分和小指部分，所述食指部分包括食指上丝杆(11)、食指下丝杆(12)、食指上滑块(13)、食指下滑块(14)、食指上电机(15)、食指下电机(16)、食指上联轴器(17)、食指下联轴器(18)、食指上滑块连杆(19)、食指下滑块连杆(20)，所述中指部分、无名指部分和小指部分与所述食指部分结构相同；
所述食指外骨骼(3)、中指外骨骼(4)、无名指外骨骼(5)、小指外骨骼(6)分别包括第一连杆(21)、第二连杆(22)、第三连杆(23)、远指节支座(24)、过渡连杆(25)、第四连杆(26)、第五连杆(27)、第六连杆(28)、中指节支座(29)、传动连杆(30)、驱动连杆(31)、第七连杆(32)、第八连杆(33)、近指节支座(34)；
所述拇指外骨骼(7)包括拇指驱动杆(35)、拇指传动杆(36)、拇指第一连杆(37)、拇指第二连杆(38)、拇指近指节支座(39)、拇指远指节支座(40)、拇指电机(41)、拇指丝杆(42)、拇指滑块(43)、拇指丝杆支座(44)、拇指滑块连杆(45)、拇指电机支座(46)、拇指背部平台(47)；
所述动力源(2)的食指部分中，食指上丝杆(11)套接在丝杆支座(10)的上层，食指下丝杆(12)套接在丝杆支座(10)的下层，食指上电机(15)套接在电机支座(9)的上孔，食指下电机(16)套接在电机支座(9)下孔，食指上电机(15)通过食指上联轴器(17)与食指上丝杆(11)同轴心固定，食指上滑块(13)螺纹连接于食指上丝杆(11)，并且与食指上滑块连杆(19)铰接，食指下电机(16)套接在电机支座(9)下孔，食指下电机(16)通过食指下联轴器(18)与食指下丝杆(12)同轴心固定，食指下滑块(14)螺纹连接于食指下丝杆(12)，并且与食指下滑块连杆(20)铰接，所述动力源(2)的中指部分、无名指部分和小指部分的连接结构与所述食指部分的连接结构相同；
所述食指外骨骼(3)中的第八连杆(33)的下端通过连接点铰接在手背平台(8)上，第八连杆(33)的上端与食指上滑块连杆(19)铰接；驱动连杆(31)的下端通过另一连接点铰接在手背平台(8)上，并且食指下滑块连杆(20)铰接在驱动连杆(31)上，所述中指外骨骼(4)、无名指外骨骼(5)、小指外骨骼(6)与所述手背机构(1)及动力源(2)的连接结构和所述食指外骨骼(3)与所述手背机构(1)及动力源(2)的连接结构相同；
所述食指外骨骼(3)中，远指节支座(24)、中指节支座(29)、近指节支座(34)通过绑带固定在患者的远节指骨、中节指骨、近节指骨上；第一连杆(21)一端铰接于远指节支座(24)上，另一端与第二连杆(22)相互铰接，第二连杆(22)另一端铰接于中指节支座(29)；第四连杆(26)一端铰接在中指节支座(29)，另一端与第五连杆(27)铰接，第五连杆(27)另一端铰接在近指节支座(34)；过渡连杆(25)一端铰接在近指节支座(34)，另一端与第三连杆(23)铰接；第三连杆(23)另一端铰接在第一、第二连杆的连接处；第七连杆(32)一端铰接在近指节支座(34)，另一端与第八连杆(33)的上端铰接；驱动连杆(31)的上端与传动连杆(30)铰接；传动连杆(30)另一端铰接在过渡连杆(25)与第三连杆(23)的连接处；第六连杆(28)一端铰接于第四连杆(26)、第五连杆(27)的连接处，另一端铰接在驱动连杆(31)上；所述中指外骨骼(4)、无名指外骨骼(5)、小指外骨骼(6)的从属部件连接结构与所述食指外骨骼(3)的从属部件连接结构相同；
所述拇指外骨骼(7)中，拇指电机支座(46)、拇指丝杆支座(44)固定在拇指背部平台(47)上，拇指丝杆(42)套接在拇指丝杆支座(44)，拇指电机(41)套接在拇指电机支座(46)；拇指滑块(43)螺纹固定于拇指丝杆(42)，拇指滑块连杆(45)一端铰接在拇指滑块(43)，另一端铰接在拇指驱动杆(35)中部，拇指驱动杆(35)下端铰接于拇指背部平台(47)；拇指近指节支座(39)绑定于拇指近节指骨，拇指远指节支座(40)绑定于拇指远节指骨；拇指第一连杆(37)一端铰接于拇指远指节支座(40)，另一端铰接于拇指第二连杆(38)；拇指第二连杆(38)另一端铰接于拇指近指节支座(39)；拇指传动杆(36)一端铰接于拇指第一连杆(37)与拇指第二连杆(38)的连接处，另一端铰接于拇指驱动杆(35)的上端。
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