CN107080310A - 一种便携式穿戴助力手套 - Google Patents

Abstract

本发明的便携式穿戴助力手套包括：手套本体、弯曲传感器、丝杠电机驱动装置、钢丝传动机构以及控制机构。采用弯曲传感器来判断人体手指运动意图，通过控制器来控制丝杠电机的正转和反转，弯曲传感器通过硅胶溶液与手指套紧密连接，使传感器读数具有很高的稳定性。本发明采用绳索驱动方式，由钢丝绳模拟腱传动形式带动手指运动，使手套具有明显的助力效果，其运动形式可以很好的与人体手部运动统一具有穿戴的舒适性，并且该绳索传动形式具有驱动的柔顺性，具有人机交互的安全性。本发明的驱动装置采用微型丝杠电机驱动形式，具有体积小，驱动力大、质量轻、集成度高、控制简单等优点。

Description

一种便携式穿戴助力手套

技术领域

本发明属于医疗康复保健用品领域，具体涉及一种便携式穿戴助力手套。

背景技术

老年人由于年龄的增长，手指肌肉机能不断衰退，或者由于各种疾病引起的手指乏力的现象十分常见。他们往往很难握紧拳头，在提东西上楼时，在颠簸的公交车上握紧扶手时显得力不从心。在一些精细操作方面，比如握住水杯时，有时候也很难克制住手抖的问题，严重影响了老年人的日常生活。在某些工作场合，例如生产车间，工人需要手提零件或者工具进行长时间的劳动，给车间工人带来很大身体压力。如果能为手指抓握机能退化的人群以及需要长时间稳定抓握某种物品的人群设计一款便携式穿戴助力手套，穿戴方便、助力效果明显，可以带动手指完成所需要的任务是很具有现实意义的。

随着社会科技的不断进步，高性价比的穿戴设备引起广泛学者研究。多种形式的助力手套被提出，由于电机驱动控制方便，引起广泛研究。现有的助力外骨骼多采用机械结构驱动，结构复杂、穿戴过程繁琐，并且其运动形式不能很好的与人体手部运动形式统一，存在穿戴的不舒适性，同时由于是电机直接连接机械结构驱动，刚性较大，存在人机交互的不安全性。现有的一些助力手套具有驱动的柔顺性，但是其采用微型电机直接驱动，存在驱动力小的问题，一般只能用于康复训练中，助力效果并不明显。

发明内容

本发明提供一种便携式穿戴助力手套，采用绳索驱动方式，其运动形式可以很好的与人体手部运动统一，具有穿戴的舒适性和驱动的柔顺性。

本发明的一种便携式穿戴助力手套，包括：手套本体、弯曲传感器、丝杠电机驱动装置、钢丝传动机构以及控制机构；

所述弯曲传感器设置于手套本体的小手指上用于检测并判断手指的开合意图；

所述丝杠电机驱动装置设置于手套本体的内侧手臂上，根据控制机构输出的控制信号向手指提供驱动力；

所述钢丝传动机构设置于手套本体的手心侧，用于将丝杠电机驱动装置的驱动力传递给手指；

所述控制机构根据弯曲传感器的检测数据输出控制信号以驱动丝杠电机驱动装置。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，所述丝杠电机驱动装置包括：壳体以及设置于壳体内的微型电机、联轴器、丝杆、滑移螺母、行程开关，壳体两端通过前端盖和后端盖封闭；

所述微型电机安装于后端盖上，并通过联轴器与丝杆一端连接；丝杆另一端连接前端盖，滑移螺母设置于丝杆上；微型电机带动丝杆转动，滑移螺母沿丝杆往复运动；行程开关设置在前端盖上，当滑移螺母向前移动碰到限位开关时，微型电机停止转动。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，所述钢丝传动机构设置包括：钢丝绳、固定扣以及限制环，所述钢丝绳将丝杠电机驱动装置的驱动力传递给手指，所述固定扣用于将钢丝绳一端固定到手套本体的手指指尖，所述限制环套设在手套本体的手指上用于限制钢丝绳；所述钢丝绳另一端固定到滑移螺母上。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，所述控制机构包括信号处理模块、控制器、驱动模块、降压模块、电池以及电源开关；

所述信号处理模块用于对弯曲传感器检测到的数据进行转换处理；控制器根据信号处理模块输出的转换后的信号发送PWM脉冲信号；驱动模块根据PWM脉冲信号向微型电机输出电压信号以向手指提供驱动力；电池与电源开关相连接，电源开关分别与降压模块和驱动模块相连接，降压模块与控制器相连接。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，所述的弯曲传感器由硅胶溶液包裹并通过硅胶与手套本体的小指连接在一起。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，所述手套本体的手臂上设有拉链和尼龙搭扣。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，所述手套本体的手腕处设有腕关节松紧带。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，所述丝杠电机驱动装置通过前固定架和后固定架固定到手套本体上。

在本发明的便携式穿戴助力手套中，在前固定架上设有用于引导钢丝绳走向的导向管。

本发明至少具有如下有益效果：本发明的便携式助力手套采用弯曲传感器来判断人体手指运动意图，通过控制器来控制丝杠电机的正转和反转，弯曲传感器通过硅胶溶液与手指套紧密连接，使传感器读数具有很高的稳定性。本发明采用绳索驱动方式，由钢丝绳模拟腱传动形式带动手指运动，使手套具有明显的助力效果，其运动形式可以很好的与人体手部运动统一具有穿戴的舒适性，并且该绳索传动形式具有驱动的柔顺性，具有人机交互的安全性。本发明的驱动装置采用微型丝杠电机驱动形式，具有体积小，驱动力大、质量轻、集成度高、控制简单等优点。

附图说明

图1是本发明的便携式穿戴助力手套的手背示意图；

图2是本发明的便携式穿戴助力手套的手心示意图；

图3是本发明的便携式穿戴助力手套的立体图；

图4是本发明的丝杠电机驱动装置的结构示意图；

图5是本发明的控制机构的示意图；

图6是本发明的控制机构的结构框图。

具体实施方式

本发明提供一种便携式穿戴助力手套，下面结合附图对助力手套进行详细说明。如图1、图2以及图3所示，本发明的便携式穿戴助力手套包括：手套本体、弯曲传感器1、丝杠电机驱动装置8、钢丝传动机构以及控制机构。弯曲传感器1设置于手套本体的小手指上用于检测并判断手指的开合意图。具体实施时弯曲传感器1可通过硅胶溶液包裹并通过硅胶与手套本体的小指连接在一起。丝杠电机驱动装置8设置于手套本体的内侧手臂上，丝杠电机驱动装置8根据控制机构输出的控制信号向手指提供驱动力。钢丝传动机构设置于手套本体的手心侧，钢丝传动机构用于将丝杠电机驱动装置8的驱动力传递给手指，以实现对手指的开合控制。控制机构根据弯曲传感器1的检测数据输出控制信号以驱动丝杠电机驱动装置8。

如图4所示，丝杠电机驱动装置8包括：壳体以及设置于壳体内的微型电机17、联轴器16、丝杆15、滑移螺母14、行程开关13，壳体两端通过前端盖12和后端盖18封闭。微型电机17安装于后端盖18上，并通过联轴器16与丝杆15的一端连接；丝杆15的另一端连接前端盖12，滑移螺母14设置于丝杆15上。当微型电机17带动丝杆15转动时，滑移螺母14在壳体的约束下，沿丝杆15往复运动，行程开关13设置在前端盖12上，当滑移螺母14向前移动碰到行程开关13时，控制机构控制微型电机17停止转动。丝杠电机驱动装置8通过前固定架9和后固定架10固定到手套本体上。

如图2所示，钢丝传动机构包括：钢丝绳7、固定扣6以及限制环2。钢丝绳7将丝杠电机驱动装置8的驱动力传递给手指，固定扣6用于将钢丝绳7一端固定到手套本体的手指指尖，限制环2套设在手套本体的手指上，钢丝绳7穿设在限制环2内以限制钢丝绳7。钢丝绳7的另一端通过螺钉19固定到滑移螺母14上。

优选的，在手套本体的手臂上设有拉链3和尼龙搭扣4。在手套本体的手腕处设有腕关节松紧带11。在前固定架9上设有用于引导钢丝绳7走向的导向管5。在手套本体的背部设置开口拉链3，使得穿戴过程更加方便、更加快捷，在手套本体的小臂部分有两处尼龙搭扣4用于调节小臂穿戴的松紧性，可以适用不同体重人群的穿戴。其柔性设计，提高了人机交互的安全性，适用人群更加广泛，并且便于折叠、收纳和携带。

具体实施时，可设置3个丝杠电机驱动装置8，一个驱动大拇指，一个驱动食指，一个同时驱动中指和无名指。该种驱动布局在抓取较大物体时三个微型电机17同时驱动可以提供较大的抓取力，在抓取较小的物体时，仅需要驱动大拇指和食指的微型电机17工作，既能保证抓取过程的抓取力又能避免其他手指动作影响抓取效果。

如图5和图6所示，控制机构包括控制盒23以及设置在控制盒23内的信号处理模块25、控制器24、驱动模块26、降压模块21、电池27以及电源开关22，控制盒23顶部设有控制盒上盖20。

信号处理模块25用于对弯曲传感器1检测到的数据进行转换处理，控制器24根据信号处理模块25输出的转换后的信号发送PWM脉冲信号，驱动模块26根据PWM脉冲信号向微型电机17输出电压信号以向手指提供驱动力。电池27用于向控制器24和驱动模块26供电。电池27与电源开关22相连接，电源开关22分别与降压模块21和驱动模块26相连接，降压模块21与控制器24相连接。通过电源开关22进行通断电控制。采用12V锂电池供电，实现了系统的小型化设计。具体实施时，控制机构可通过腰带固定在人体腰部，降低了手部重量，同时提高了手部运动的灵活性。

控制机构对丝杠电机驱动装置8的具体控制过程如下：设置于小指上的弯曲传感器1相当于控制开关，当弯曲传感器1检测到手指有开合意图后，将检测数据输出给控制机构的信号处理模块25，数据经信号处理模块25进行滤波、信号放大处理后，得到弯曲传感器1的弯曲角度和弯曲速度两个数据，然后将弯曲角度和弯曲速度输出给控制器24，弯曲角度和弯曲速度与控制器24内部程序的数据区间进行对比，根据不同的区间选择不同的执行程序，发送PWM脉冲信号给驱动模块26，驱动模块26根据PWM脉冲信号给对应的微型电机17发送不同大小、不同极性的电压信号，以控制微型电机17的正转、反转以及调速功能，控制微型电机17的动作时间和驱动电压，弯曲越大、速度越快，则微型电机17动作时间和驱动电压越大。

当弯曲速度为正时即：其中θ₁表示后一时刻的弯曲角度、θ₀表示前一时刻弯曲角度，t表示采样时间；弯曲角度在不断增大，判定为助力过程，此时：

检测的弯曲角度和弯曲速度在第一区间时，判定为大拇指和食指动作，食指和大拇指微型电机正转；在第二区间时大拇指和食指、中指、无名指的微型电机同时正转。当手指达到稳定抓握状态后微型电机停止动作，实现稳定的保持力。

当弯曲速度为负时即：弯曲角度不断减小，判定为复位过程，此时执行复位程序，各个微型电机反向旋转，微型电机内部的滑移螺母碰触到行程开关时，该电机停止动作。

下面结合附图1至6说明本发明的助力手套的助力过程和复位过程。

助力过程：

由于大拇指、食指、中指、无名指的驱动原理相同，以食指为例说明助力手套的助力过程：

钢丝绳7的前端穿过限制环2，被指尖的固定扣6，分别固定在助力手套的大拇指、食指、中指和无名指上。钢丝绳7的后端穿过腕关节导向管5和前固定架9，被螺钉19固定在滑移螺母14上。微型电机17通过联轴器16与丝杠15连接并固定，滑移螺母14通过螺纹与丝杠15相配合。当人体穿戴上助力手套后通过小臂的尼龙搭扣4和手臂固定。按下电源开关22，电池27的输出电压通过降压模块降至5V后，给控制器24供电。当人手抓取物体时，手指产生弯曲动作，带动手套本体的小指上的弯曲传感器1产生弯曲变形，弯曲传感器1的变形产生内部电阻的增大，弯曲传感器1阻值的变化经过信号处理模块25进行滤波、放大处理后得到弯曲传感器1的弯曲角度和弯曲速度两个数据，将弯曲角度和弯曲速度发送给控制器24，控制器24将弯曲角度和弯曲速度与其内部程序的数据区间进行对比分析，根据不同的区间选择不同的执行程序，将对应的PWM值发送给驱动模块26，驱动模块26将所需的驱动电压输送给对应微型电机17，微型电机17正转并通过联轴器16传递给丝杠15，丝杠15通过螺纹将转动效果传递给滑移螺母14，滑移螺母14转动效果在丝杠电机驱动装置8外壳的限制作用下转换为直线运动，滑移螺母14带动钢丝绳7的向后运动，在固定扣6和限制环2的作用下，钢丝绳7带动手指产生弯曲运动，并实现稳定的抓取效果。

手套的复位过程：

当人手需要放开物体时，由于大拇指、食指、中指、无名指在钢丝绳7的助力作用下无法运动，由于小拇并未与钢丝绳7连接，因此小指可以产生恢复动作，在小拇指做恢复动作时，带动弯曲传感器1产生恢复运动，此时弯曲传感器的电阻值减小，弯曲传感器1阻值的变化经过信号处理模块25后发送给控制器24，控制器24读取弯曲传感器1的数据并进行分析处理，将对应的PWM值发送给驱动模块26，驱动模块26将所需的恢复电压输送给微型电机17，微型电机17反转并通过联轴器16传递给丝杠15，丝杠15通过螺纹将转动效果传递给滑移螺母14，滑移螺母14转动效果在丝杠电机驱动装置8外壳的限制作用下转换为直线运动，滑移螺母14带动钢丝绳7的向前运动，钢丝绳7由拉紧状态变为松开状态，人手可以自由移动恢复到手指伸直状态。在微型电机17反转复位过程中，当滑移螺母14碰触到行程开关13时，通过控制器24发送PWM信号给微型电机17断电。

本发明的便携式穿戴助力手套为一体化设计，将手臂固定部分与手套融为一体，在手套背部设有开口拉链，使得穿戴过程更加方便、更加快捷，在手套小臂部分有两处尼龙搭扣用于调节小臂穿戴的松紧性，可以适用不同体重人群的穿戴。其柔性设计，提高了人机交互的安全性，适用人群更加广泛，并且便于折叠、收纳和携带。采用12V锂电池供电，实现了系统的小型化设计。采用弯曲传感器作为人手抓取和摆放的意图识别，并且可以根据人手动作的速度来调节助力速度，使手套具有一定智能性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实例和说明书中描述的是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种便携式穿戴助力手套，其特征在于，包括：手套本体、弯曲传感器、丝杠电机驱动装置、钢丝传动机构以及控制机构；

所述弯曲传感器设置于手套本体的小手指上用于检测并判断手指的开合意图；

所述丝杠电机驱动装置设置于手套本体的内侧手臂上，根据控制机构输出的控制信号向手指提供驱动力；

所述钢丝传动机构设置于手套本体的手心侧，用于将丝杠电机驱动装置的驱动力传递给手指；

所述控制机构根据弯曲传感器的检测数据输出控制信号以驱动丝杠电机驱动装置。

2.如权利要求1所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，所述丝杠电机驱动装置包括：壳体以及设置于壳体内的微型电机、联轴器、丝杆、滑移螺母、行程开关，壳体两端通过前端盖和后端盖封闭；

所述微型电机安装于后端盖上，并通过联轴器与丝杆一端连接；丝杆另一端连接前端盖，滑移螺母设置于丝杆上；微型电机带动丝杆转动，滑移螺母沿丝杆往复运动；行程开关设置在前端盖上，当滑移螺母向前移动碰到限位开关时，微型电机停止转动。

3.如权利要求2所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，所述钢丝传动机构设置包括：钢丝绳、固定扣以及限制环，所述钢丝绳将丝杠电机驱动装置的驱动力传递给手指，所述固定扣用于将钢丝绳一端固定到手套本体的手指指尖，所述限制环套设在手套本体的手指上用于限制钢丝绳；所述钢丝绳另一端固定到滑移螺母上。

4.如权利要求2所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，所述控制机构包括信号处理模块、控制器、驱动模块、降压模块、电池以及电源开关；

所述信号处理模块用于对弯曲传感器检测到的数据进行转换处理；控制器根据信号处理模块输出的转换后的信号发送PWM脉冲信号；驱动模块根据PWM脉冲信号向微型电机输出电压信号以向手指提供驱动力；电池与电源开关相连接，电源开关分别与降压模块和驱动模块相连接，降压模块与控制器相连接。

5.如权利要求1所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，所述的弯曲传感器由硅胶溶液包裹并通过硅胶与手套本体的小指连接在一起。

6.如权利要求1所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，所述手套本体的手臂上设有拉链和尼龙搭扣。

7.如权利要求1所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，所述手套本体的手腕处设有腕关节松紧带。

8.如权利要求3所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，所述丝杠电机驱动装置通过前固定架和后固定架固定到手套本体上。

9.如权利要求8所述的便携式穿戴助力手套，其特征在于，在前固定架上设有用于引导钢丝绳走向的导向管。