CN107432816B - 一种拇指功能康复的外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
一种拇指功能康复的外骨骼机器人，它涉及一种外骨骼机器人。本发明解决现有的康复机械手未能充分模拟手指关节的自然运动，存在康复治疗的效果不尽人意以及不具备感知功能的问题。其中指间关节单元和掌指关节单元均采用平面导杆机构来驱动拇指的指间关节和掌指关节作屈曲或伸展运动；拇指腕骨关节单元通过掌背调整机构直接与拇指的腕骨关节对心实现腕骨关节的内收或外展运动；所述传动驱动机构采用直流电机作为动力源，绕线轮模块通过鲍登线将直流电机输出的力矩传递到指间关节单元、掌指关节单元和腕骨关节单元。本发明的拇指功能康复的外骨骼机器人适用于拇指功能康复。
Description
技术领域
本发明涉及一种拇指功能康复的外骨骼机器人，属于康复机器人领域。
背景技术
由于人手经常在缺乏保护的条件下频繁地接触各种工具去完成一些精细和高强度的操作，手成为最容易受伤的器官之一。近十年来，国内外的研究人员也研制了很多手功能康复的机器人，而将近70％的机器人只支持四指的屈曲/伸展运动，能够主动支持拇指运动的机器人很少。而拇指是人手实现抓握运动功能的关键，失去了拇指，手的功能就损失了近40％。
拇指的运动形式主要有三种：屈曲/伸展、内收/外展和对掌/回复运动。对掌运动是指拇指指腹与其他各指的掌面相接触的运动，使得拇指指腹与其他四指接触形成钳状，是手发挥功能的基础。本发明旨在帮助拇指恢复对掌运动功能。根据临床需求，只需要腕骨关节外展、掌指关节和指间关节的屈曲即可以实现对掌。
研究表明，拇指掌指关节和指间关节的屈曲运动不是完全独立的，两个关节的运动速度之间具有确定的比例关系。如何充分模拟拇指三个关节的自然耦合运动，改善康复效果成为现阶段的研究课题。
目前，国内一些康复机械手的驱动装置已经被研制出来，这些驱动装置通常都只考虑了手指关节的弯曲/伸展运动，而忽略了掌指关节的内收/外展运动，未能充分模拟手指关节的自然运动，康复治疗的效果不尽人意。为此，需要设计一种仿生肌肉驱动技术的外骨骼手指驱动装置，使机械手外骨骼机构的运动轨迹与手指关节的自然运动轨迹更加贴近，创伤手指更快达到预期的康复效果。
目前，在市面上已经存在着一些手功能康复设备，但这一类产品绝大多数都不具备感知功能，为了方便对病人的康复情况进行评价，需要将传感器整合到机器人中，在康复训练的过程中实时采集病人手指各个关节的角度信息以供医生和患者参考。
综上，现有的康复机械手未能充分模拟手指关节的自然运动，康复治疗的效果不尽人意以及不具备感知功能。
发明内容
本发明为解决现有的康复机械手未能充分模拟手指关节的自然运动，存在康复治疗的效果不尽人意以及不具备感知功能的问题，进而提供一种拇指功能康复的外骨骼机器人。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的拇指功能康复的外骨骼机器人包括外骨骼执行机构和传动驱动机构，所述外骨骼执行机构包括指间关节单元1、掌指关节单元2、腕骨关节单元3和掌背调整机构4，其中指间关节单元1和掌指关节单元2均采用平面导杆机构来驱动拇指的指间关节和掌指关节作屈曲或伸展运动；拇指腕骨关节单元3通过掌背调整机构4直接与拇指的腕骨关节对心实现腕骨关节的内收或外展运动；所述传动驱动机构采用直流电机5作为动力源，绕线轮模块7通过鲍登线6将直流电机5输出的力矩传递到指间关节单元1、掌指关节单元2和腕骨关节单元3。
进一步地，所述指间关节单元1包括远节指骨座1-1，第一关节导套1-2、第一关节直线轴承1-3、第一关节导杆1-4、第一关节连架杆1-5、第一关节端盖1-6、第一关节角位移传感器1-7、第一关节磁钢1-8、两个第一关节轴承1-9、第一关节D形轴1-10、第一关节线轮1-11、两个第一关节套管1-12、两个第一关节压簧1-13和近节指骨座1-14；远节指骨座1-1通过魔术贴固定在远节指骨上，近节指骨座1-14通过魔术贴固定在近节指骨上，第一关节导套1-2穿装固定在远节指骨座1-1上，第一关节直线轴承1-3固嵌在第一关节导套1-2内，第一关节导杆1-4的一端穿装在第一关节直线轴承1-3上，第一关节导杆1-4的另一端第一关节连架杆1-5的一端转动连接，第一关节连架杆1-5的另一端与第一关节线轮1-11固接，第一关节线轮1-11固装在第一关节D形轴1-10上，第一关节D形轴1-10通过两个第一关节轴承1-9安装在近节指骨座1-14上，第一关节磁钢1-8贴在第一关节D形轴1-10的轴端上，第一关节角位移传感器1-7安装在近节指骨座1-14的侧壁上且与第一关节磁钢1-8相对设置，第一关节压簧1-13的一端固定在近节指骨座1-14上，第一关节压簧1-13的另一端位于第一关节套管1-12内，第一关节端盖1-6固定在近节指骨座1-14上。
进一步地，掌指关节单元2包括第二关节导套2-2、第二关节直线轴承2-3、第二关节导杆2-4、第二关节连架杆2-5、第二关节线轮2-6、第二关节角位移传感器2-7、两个第二关节轴承2-8、第二关节D形轴2-9、第二关节磁钢2-10、掌骨座2-11、掌骨指环2-12、第二关节端盖2-13、两个第二关节压簧2-14和两个第二关节套管2-15；第二关节导套2-2穿装固定在近节指骨座1-14上，第二关节直线轴承2-3固嵌在第二关节导套2-2内，第二关节导杆2-4的一端穿装在第二关节直线轴承2-3上，第二关节导杆2-4的另一端与第二关节连架杆2-5的一端转动连接，第二关节连架杆2-5的另一端与第二关节线轮2-6固接，第二关节线轮2-6固装在第二关节D形轴2-9上，第二关节D形轴2-9通过两个第二关节轴承2-8安装在掌骨座2-11上，第二关节磁钢2-10贴在第二关节D形轴2-9的轴端上，第二关节角位移传感器2-7安装在掌骨座2-11的侧壁上且与第二关节磁钢2-10相对设置，第二关节压簧2-14的一端固定在掌骨座2-11上，第二关节压簧2-14的另一端位于第二关节套管2-15内，第二关节端盖2-13固定在掌骨座2-11上。
进一步地，腕骨关节单元3包括腕骨关节座3-1、摆杆3-2、第三关节线轮3-3、第三关节角位移传感器3-4、两个第三关节轴承3-5、第三关节D形轴3-6、第三关节磁钢3-7、第三关节端盖3-8、两个第三关节压簧3-9和两个第三关节套管3-10；第三关节线轮3-3固装在第三关节D形轴3-6上，第三关节D形轴3-6通过两个第三关节轴承3-5安装在腕骨关节座3-1上，第三关节磁钢3-7贴在第三关节D形轴3-6的轴端上，第三关节角位移传感器3-4安装在腕骨关节座3-1的侧壁上且与第三关节端盖3-8相对设置，第三关节压簧3-9的一端固定在腕骨关节座3-1上，第三关节压簧3-9的另一端位于第三关节套管3-10内，第三关节端盖3-8固定在腕骨关节座3-1上，摆杆3-2的一端与第三关节线轮3-3固接，摆杆3-2的另一端穿装在掌骨座2-11上。
进一步地，掌背调整机构4包括第一调整板4-1、第二调整板4-2、两个锁紧把手4-3、两个平垫圈4-4和掌背固定板4-5；掌背固定板4-5的上端面上设置有第一螺栓头，第二调整板4-2是由横板和竖板构成的L型调整板，横板沿其长度方向加工有长孔，横板设置在掌背固定板4-5的上端面上且通过一个锁紧把手4-3旋紧在第一螺栓头上，竖板上设置有第二螺栓头，第一调整板4-1上沿其长度方向加工有长孔，第一调整板4-1穿装在第二螺栓头上，第一调整板4-1通过一个锁紧把手4-3旋紧在第二螺栓头上，第一螺栓头和第二螺栓头上均设置有一个平垫圈4-4。
进一步地，所述传动驱动机构包括第一直流电机5-1、第二直流电机5-2、第一联轴器5-3、第二联轴器5-4、电机座5-5、第一绕线模块5-6、第二绕线模块5-7和六根鲍登线5-8；第一直流电机5-1和第二直流电机5-2上下水平安装在电机座5-5上，第一直流电机5-1的输出端通过第一联轴器5-3与第一绕线模块5-6的第一绕线轮输出轴连接，第二直流电机5-2的输出端通过第二联轴器5-4与第二绕线模块5-7的第二绕线轮输出轴连接，六根鲍登线5-8中的两根与第一绕线模块5-6连接，六根鲍登线5-8中的余下的一根与第二绕线模块5-7连接。
进一步地，第一绕线模块5-6包括第一绕线轮5-6-1、第二绕线轮5-6-2、第一法兰轴承5-6-3、第二法兰轴承5-6-4、第一基座5-6-5、第一顶盖5-6-6、第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9和第四调整螺钉5-6-10；第一绕线轮5-6-1固套在第一绕线轮输出轴的中部，第二绕线轮5-6-2通过平键5-6-11固装在第一绕线轮输出轴的上部，第一绕线轮输出轴的两端通过第一法兰轴承5-6-3和第二法兰轴承5-6-4安装在第一基座5-6-5上，第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9和第四调整螺钉5-6-10螺纹连接在第一基座5-6-5的一侧壁上，第一顶盖5-6-6可拆卸连接在第一基座5-6-5上；第二绕线模块5-7包括第三绕线轮5-7-1、第三法兰轴承5-7-2、第四法兰轴承5-7-3、第二基座5-7-4、第二顶盖5-7-5、第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7；第三绕线轮5-7-1固套在第三绕线轮输出轴上，第三绕线轮输出轴的两端通过第三法兰轴承5-7-2和第四法兰轴承5-7-3安装在第二基座5-7-4内，第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7螺纹连接在第二基座5-7-4的一侧壁上，第二顶盖5-7-5可拆卸连接在第二基座5-7-4上；第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9、第四调整螺钉5-6-10、第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7沿其长度方向加工有中心通孔。
进一步地，六根鲍登线5-8的钢丝一端分别缠绕在第一关节线轮1-11、第二关节线轮2-6和第三关节线轮3-3上，六根鲍登线5-8的钢丝另一端缠绕在第一绕线轮5-6-1、第二绕线轮5-6-2和第三绕线轮5-7-1上；六根鲍登线5-8鞘的一端依次固定在第一关节套管1-12、第二关节套管2-15和第三关节套管3-10上，六根鲍登线5-8鞘的另一端穿进第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9、第四调整螺钉5-6-10、第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7的中心圆孔中。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的拇指功能康复的外骨骼机器人采用了基于鲍登线的传动方式，将驱动电机输出的力矩传递到外骨骼驱动关节；该传动方式主要有以下特点：首先，能够实现远距离传输动力，将电机远置与外骨骼分离开来以减轻机器人对手部的负担；其次，允许患者在穿戴外骨骼机器人进行康复训练的时候自由地移动手的位姿，方便在训练的时候完成一些任务和日常生活动作。另外，钢丝穿在鞘里面来传递拉力，而鞘的作用是中和掉钢丝对机构的拉力，使得鲍登线对外骨骼设备的合力为零，即基于鲍登线的驱动器可以看作是一个纯力矩源，不会对手指产生牵拉作用，设置在鲍登线和外骨骼关节之间串联压簧，可以减小冲击，提高稳定性；
本发明的绕线轮模块能够通过旋转空心开槽螺钉来调整钢丝的张力，鲍登线的钢丝从螺钉侧面的开槽穿进螺钉，鞘插进螺钉头的孔，当外旋螺钉时，鞘受到的压力增大，由于鞘的压力与钢丝的张力相等，该绕线模块可以方便的实现对钢丝的预紧；
本发明采用了平面导杆机构能够绕着拇指指间关节和掌指关节做回转运动，由于采用了移动副，机构对手指的作用力始终垂直于指骨，没有指向分量，不会对拇指关节产生牵拉作用，直线轴承安装在导套中，通过顶丝可以调整导套在基座中的位置以适应不同长度的手指；导杆前端设有圆柱状的堵头作为机械限位，确保系统的安全性，欲实现较大范围的弯曲，就要求滑杆足够长，然而拇指的尺寸狭小，为此将两个关节交错排列，使得整个机构结构紧凑，同时也避免了干涉；
本发明采用了两个可调定位手柄来调整外骨骼关节的位姿以确保外骨骼关节的转轴与腕骨关节内收/外展的运动轴线重合，通过魔术贴可以方便可靠地将外骨骼基座穿戴在人手上；
本发明设计的腕骨关节单元的摆杆与掌骨座以圆柱副相连，使得在主动驱动拇指做内收/外展运动的同时，掌指关节单元能够做被动的轴向旋转运动以适应拇指的旋前运动；
本发明设计的绕线轮模块能够通过旋转空心开槽调整螺钉来调节钢丝的张力，方便实现对钢丝的预紧；
本发明设计的外骨骼的各组件，绝大部分都是通过3D打印的选择性烧结技术(SLS)制作而来，其材料选尼龙；通过这种方法，我们能够打印出小型复杂的零件，同时能够使每个零件具有高强度，轻重量的特点；通过3D打印SLS工艺可以快速的制造零件，降低原型样机的开发时间；关键零件可以通过后期的打磨来完成整机的装配。机构中的导轨采用直线轴承，只有导杆和驱动关节处的转轴采用机加工，极大的降低了加工成本。
附图说明
图1是本发明的拇指功能康复的外骨骼机器人的整体结构示意图；
图2是具体实施方式二中指间关节单元1的单元分解图；
图3是具体实施方式三中掌指关节单元2的单元分解图；
图4是具体实施方式四中腕骨关节单元3的单元分解图；
图5是具体实施方式五中掌背调整机构4的单元分解图；
图6是具体实施方式六中传动驱动机构的结构图；
图7是具体实施方式七中第一绕线模块5-6的单元分解图；
图8是具体实施方式七中第二绕线模块5-7的单元分解图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～8所示，本实施方式的拇指功能康复的外骨骼机器人包括外骨骼执行机构和传动驱动机构，所述外骨骼执行机构包括指间关节单元1、掌指关节单元2、腕骨关节单元3和掌背调整机构4，其中指间关节单元1和掌指关节单元2均采用平面导杆机构来驱动拇指的指间关节和掌指关节作屈曲或伸展运动；拇指腕骨关节单元3通过掌背调整机构4直接与拇指的腕骨关节对心实现腕骨关节的内收或外展运动；所述传动驱动机构采用直流电机5作为动力源，绕线轮模块7通过鲍登线6将直流电机5输出的力矩传递到指间关节单元1、掌指关节单元2和腕骨关节单元3。
具体实施方式二：如图2所示，本实施方式所述指间关节单元1包括远节指骨座1-1，第一关节导套1-2、第一关节直线轴承1-3、第一关节导杆1-4、第一关节连架杆1-5、第一关节端盖1-6、第一关节角位移传感器1-7、第一关节磁钢1-8、两个第一关节轴承1-9、第一关节D形轴1-10、第一关节线轮1-11、两个第一关节套管1-12、两个第一关节压簧1-13和近节指骨座1-14；远节指骨座1-1通过魔术贴固定在远节指骨上，近节指骨座1-14通过魔术贴固定在近节指骨上，第一关节导套1-2穿装固定在远节指骨座1-1上，第一关节直线轴承1-3固嵌在第一关节导套1-2内，第一关节导杆1-4的一端穿装在第一关节直线轴承1-3上，第一关节导杆1-4的另一端第一关节连架杆1-5的一端转动连接，第一关节连架杆1-5的另一端与第一关节线轮1-11固接，第一关节线轮1-11固装在第一关节D形轴1-10上，第一关节D形轴1-10通过两个第一关节轴承1-9安装在近节指骨座1-14上，第一关节磁钢1-8贴在第一关节D形轴1-10的轴端上，第一关节角位移传感器1-7安装在近节指骨座1-14的侧壁上且与第一关节磁钢1-8相对设置，第一关节压簧1-13的一端固定在近节指骨座1-14上，第一关节压簧1-13的另一端位于第一关节套管1-12内，第一关节端盖1-6固定在近节指骨座1-14上。如此设计，钢丝带动第一关节线轮1-11转动，从而带动第一关节连架杆1-5绕第一关节线轮1-11的中心做回转运动，从而使第一关节导杆1-4带动着拇指的远节指骨绕指间关节做屈曲/伸展运动；第一关节线轮1-11与第一关节D形轴1-10配合，钢丝拉动第一关节线轮1-11的同时带动第一关节D形轴1-10旋转，粘贴在第一关节D形轴1-10上的第一关节磁钢1-8也做旋转运动，根据霍尔效应可以由关节角度传感器检测的第一关节线轮1-11的转角，再根据几何关系可以计算得到指间关节的运动角度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图3所示，本实施方式掌指关节单元2包括第二关节导套2-2、第二关节直线轴承2-3、第二关节导杆2-4、第二关节连架杆2-5、第二关节线轮2-6、第二关节角位移传感器2-7、两个第二关节轴承2-8、第二关节D形轴2-9、第二关节磁钢2-10、掌骨座2-11、掌骨指环2-12、第二关节端盖2-13、两个第二关节压簧2-14和两个第二关节套管2-15；第二关节导套2-2穿装固定在近节指骨座1-14上，第二关节直线轴承2-3固嵌在第二关节导套2-2内，第二关节导杆2-4的一端穿装在第二关节直线轴承2-3上，第二关节导杆2-4的另一端与第二关节连架杆2-5的一端转动连接，第二关节连架杆2-5的另一端与第二关节线轮2-6固接，第二关节线轮2-6固装在第二关节D形轴2-9上，第二关节D形轴2-9通过两个第二关节轴承2-8安装在掌骨座2-11上，第二关节磁钢2-10贴在第二关节D形轴2-9的轴端上，第二关节角位移传感器2-7安装在掌骨座2-11的侧壁上且与第二关节磁钢2-10相对设置，第二关节压簧2-14的一端固定在掌骨座2-11上，第二关节压簧2-14的另一端位于第二关节套管2-15内，第二关节端盖2-13固定在掌骨座2-11上。如此设计，钢丝带动第二关节线轮2-6转动，从而带动第二关节连架杆2-5绕第二关节线轮2-6的中心做回转运动，从而使第二关节导杆2-4带动着拇指的近节指骨绕掌指关节做屈曲/伸展运动；第二关节线轮2-6与第二关节D形轴2-9配合，钢丝拉动第二关节线轮2-6的同时带动第二关节D形轴2-9旋转，粘贴在第二关节D形轴2-9上的第二关节磁钢2-10也做旋转运动，根据霍尔效应可以由关节角度传感器检测的第二关节线轮2-6的转角，再根据几何关系可以计算得到掌指关节的运动角度。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：如图4所示，本实施方式腕骨关节单元3包括腕骨关节座3-1、摆杆3-2、第三关节线轮3-3、第三关节角位移传感器3-4、两个第三关节轴承3-5、第三关节D形轴3-6、第三关节磁钢3-7、第三关节端盖3-8、两个第三关节压簧3-9和两个第三关节套管3-10；第三关节线轮3-3固装在第三关节D形轴3-6上，第三关节D形轴3-6通过两个第三关节轴承3-5安装在腕骨关节座3-1上，第三关节磁钢3-7贴在第三关节D形轴3-6的轴端上，第三关节角位移传感器3-4安装在腕骨关节座3-1的侧壁上且与第三关节端盖3-8相对设置，第三关节压簧3-9的一端固定在腕骨关节座3-1上，第三关节压簧3-9的另一端位于第三关节套管3-10内，第三关节端盖3-8固定在腕骨关节座3-1上，摆杆3-2的一端与第三关节线轮3-3固接，摆杆3-2的另一端穿装在掌骨座2-11上。如此设计，腕骨关节座通过螺钉与掌背调整机构4的第一调整板4-1固连；通过掌背调整机构4使腕骨关节单元3与拇指的腕骨关节对心，钢丝带动第三关节线轮3-3转动，从而带动摆杆3-2绕第三关节线轮3-3的中心做回转运动，从而带动着拇指的掌骨绕腕骨关节做内收/外展运动；第三关节线轮3-3与第三关节D形轴3-6配合，钢丝拉动第三关节线轮3-3的同时带动第三关节D形轴3-6旋转，粘贴在第三关节D形轴3-6上的第三关节磁钢3-7也做旋转运动，根据霍尔效应可以由关节角度传感器检测的第三关节线轮3-3的转角，由于关节对心，该转角就是腕骨关节的运动转角。其它组成及连接关系与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：如图5所示，本实施方式掌背调整机构4包括第一调整板4-1、第二调整板4-2、两个锁紧把手4-3、两个平垫圈4-4和掌背固定板4-5；掌背固定板4-5的上端面上设置有第一螺栓头，第二调整板4-2是由横板和竖板构成的L型调整板，横板沿其长度方向加工有长孔，横板设置在掌背固定板4-5的上端面上且通过一个锁紧把手4-3旋紧在第一螺栓头上，竖板上设置有第二螺栓头，第一调整板4-1上沿其长度方向加工有长孔，第一调整板4-1穿装在第二螺栓头上，第一调整板4-1通过一个锁紧把手4-3旋紧在第二螺栓头上，第一螺栓头和第二螺栓头上均设置有一个平垫圈4-4。掌背固定板4-5通过魔术贴绑在手腕上。如此设计，通过掌背调整机构4可以使腕骨关节单元3与拇指的腕骨关节对心，从而该得到腕骨关节的运动转角。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：如图6所示，本实施方式所述传动驱动机构包括第一直流电机5-1、第二直流电机5-2、第一联轴器5-3、第二联轴器5-4、电机座5-5、第一绕线模块5-6、第二绕线模块5-7和六根鲍登线5-8；第一直流电机5-1和第二直流电机5-2上下水平安装在电机座5-5上，第一直流电机5-1的输出端通过第一联轴器5-3与第一绕线模块5-6的第一绕线轮输出轴连接，第二直流电机5-2的输出端通过第二联轴器5-4与第二绕线模块5-7的第二绕线轮输出轴连接，六根鲍登线5-8中的四根与第一绕线模块5-6连接，六根鲍登线5-8中的余下的两根与第二绕线模块5-7连接。如此设计，传动驱动机构输出的力矩可以通过鲍登线传递到外骨骼驱动关节。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或五相同。
具体实施方式七：如图7和图8所示，本实施方式第一绕线模块5-6包括第一绕线轮5-6-1、第二绕线轮5-6-2、第一法兰轴承5-6-3、第二法兰轴承5-6-4、第一基座5-6-5、第一顶盖5-6-6、第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9和第四调整螺钉5-6-10；第一绕线轮5-6-1固套在第一绕线轮输出轴的中部，第二绕线轮5-6-2通过平键5-6-11固装在第一绕线轮输出轴的上部，第一绕线轮输出轴的两端通过第一法兰轴承5-6-3和第二法兰轴承5-6-4安装在第一基座5-6-5上，第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9和第四调整螺钉5-6-10螺纹连接在第一基座5-6-5的一侧壁上，第一顶盖5-6-6可拆卸连接在第一基座5-6-5上；第二绕线模块5-7包括第三绕线轮5-7-1、第三法兰轴承5-7-2、第四法兰轴承5-7-3、第二基座5-7-4、第二顶盖5-7-5、第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7；第三绕线轮5-7-1固套在第三绕线轮输出轴上，第三绕线轮输出轴的两端通过第三法兰轴承5-7-2和第四法兰轴承5-7-3安装在第二基座5-7-4内，第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7螺纹连接在第二基座5-7-4的一侧壁上，第二顶盖5-7-5可拆卸连接在第二基座5-7-4上；第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9、第四调整螺钉5-6-10、第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7沿其长度方向加工有中心通孔。如此设计，本发明的绕线轮模块能够通过旋转空心开槽螺钉来调整钢丝的张力，鲍登线的钢丝从螺钉侧面的开槽穿进螺钉，鞘插进螺钉头的孔，当外旋螺钉时，鞘受到的压力增大，由于鞘的压力与钢丝的张力相等，钢丝的张力也增大，该绕线模块可以方便的实现对钢丝的预紧。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：如图1、图2、图3、图4、图7和图8所示，本实施方式六根鲍登线5-8的钢丝一端分别缠绕在第一关节线轮1-11、第二关节线轮2-6和第三关节线轮3-3上，六根鲍登线5-8的钢丝另一端缠绕在第一绕线轮5-6-1、第二绕线轮5-6-2和第三绕线轮5-7-1上；六根鲍登线5-8鞘的一端依次固定在第一关节套管1-12、第二关节套管2-15和第三关节套管3-10上，六根鲍登线5-8鞘的另一端依次穿进第一调整螺钉5-6-7、第二调整螺钉5-6-8、第三调整螺钉5-6-9、第四调整螺钉5-6-10、第五调整螺钉5-7-6和第六调整螺钉5-7-7的中心圆孔中。如此设计，能够实现远距离传输动力，将电机远置与外骨骼分离开来以减轻机器人对手部的负担；其次，允许患者在穿戴外骨骼机器人进行康复训练的时候自由地移动手的位姿，方便在训练的时候完成一些任务和日常生活动作。另外，钢丝穿在鞘里面来传递拉力，而鞘的作用是中和掉钢丝对机构的拉力，使得鲍登线对外骨骼设备的合力为零，即基于鲍登线的驱动器可以看作是一个纯力矩源，不会对手指产生牵拉作用。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
Claims (7)
1.一种拇指功能康复的外骨骼机器人，所述外骨骼机器人包括外骨骼执行机构和传动驱动机构，其特征在于：所述外骨骼执行机构包括指间关节单元(1)、掌指关节单元(2)、腕骨关节单元(3)和掌背调整机构(4)，其中指间关节单元(1)和掌指关节单元(2)均采用平面导杆机构来驱动拇指的指间关节和掌指关节作屈曲或伸展运动；拇指腕骨关节单元(3)通过掌背调整机构(4)直接与拇指的腕骨关节对心实现腕骨关节的内收或外展运动；所述传动驱动机构采用直流电机(5)作为动力源，绕线轮模块(7)通过鲍登线(6)将直流电机(5)输出的力矩传递到指间关节单元(1)、掌指关节单元(2)和腕骨关节单元(3)；所述指间关节单元(1)包括远节指骨座(1-1)，第一关节导套(1-2)、第一关节直线轴承(1-3)、第一关节导杆(1-4)、第一关节连架杆(1-5)、第一关节端盖(1-6)、第一关节角位移传感器(1-7)、第一关节磁钢(1-8)、两个第一关节轴承(1-9)、第一关节D形轴(1-10)、第一关节线轮(1-11)、两个第一关节套管(1-12)、两个第一关节压簧(1-13)和近节指骨座(1-14)；远节指骨座(1-1)通过魔术贴固定在远节指骨上，近节指骨座(1-14)通过魔术贴固定在近节指骨上，第一关节导套(1-2)穿装固定在远节指骨座(1-1)上，第一关节直线轴承(1-3)固嵌在第一关节导套(1-2)内，第一关节导杆(1-4)的一端穿装在第一关节直线轴承(1-3)上，第一关节导杆(1-4)的另一端第一关节连架杆(1-5)的一端转动连接，第一关节连架杆(1-5)的另一端与第一关节线轮(1-11)固接，第一关节线轮(1-11)固装在第一关节D形轴(1-10)上，第一关节D形轴(1-10)通过两个第一关节轴承(1-9)安装在近节指骨座(1-14)上，第一关节磁钢(1-8)贴在第一关节D形轴(1-10)的轴端上，第一关节角位移传感器(1-7)安装在近节指骨座(1-14)的侧壁上且与第一关节磁钢(1-8)相对设置，第一关节压簧(1-13)的一端固定在近节指骨座(1-14)上，第一关节压簧(1-13)的另一端位于第一关节套管(1-12)内，第一关节端盖(1-6)固定在近节指骨座(1-14)上。
2.根据权利要求1所述的拇指功能康复的外骨骼机器人，其特征在于：掌指关节单元(2)包括第二关节导套(2-2)、第二关节直线轴承(2-3)、第二关节导杆(2-4)、第二关节连架杆(2-5)、第二关节线轮(2-6)、第二关节角位移传感器(2-7)、两个第二关节轴承(2-8)、第二关节D形轴(2-9)、第二关节磁钢(2-10)、掌骨座(2-11)、掌骨指环(2-12)、第二关节端盖(2-13)、两个第二关节压簧(2-14)和两个第二关节套管(2-15)；第二关节导套(2-2)穿装固定在近节指骨座(1-14)上，第二关节直线轴承(2-3)固嵌在第二关节导套(2-2)内，第二关节导杆(2-4)的一端穿装在第二关节直线轴承(2-3)上，第二关节导杆(2-4)的另一端与第二关节连架杆(2-5)的一端转动连接，第二关节连架杆(2-5)的另一端与第二关节线轮(2-6)固接，第二关节线轮(2-6)固装在第二关节D形轴(2-9)上，第二关节D形轴(2-9)通过两个第二关节轴承(2-8)安装在掌骨座(2-11)上，第二关节磁钢(2-10)贴在第二关节D形轴(2-9)的轴端上，第二关节角位移传感器(2-7)安装在掌骨座(2-11)的侧壁上且与第二关节磁钢(2-10)相对设置，第二关节压簧(2-14)的一端固定在掌骨座(2-11)上，第二关节压簧(2-14)的另一端位于第二关节套管(2-15)内，第二关节端盖(2-13)固定在掌骨座(2-11)上。
3.根据权利要求1或2所述的拇指功能康复的外骨骼机器人，其特征在于：腕骨关节单元(3)包括腕骨关节座(3-1)、摆杆(3-2)、第三关节线轮(3-3)、第三关节角位移传感器(3-4)、两个第三关节轴承(3-5)、第三关节D形轴(3-6)、第三关节磁钢(3-7)、第三关节端盖(3-8)、两个第三关节压簧(3-9)和两个第三关节套管(3-10)；第三关节线轮(3-3)固装在第三关节D形轴(3-6)上，第三关节D形轴(3-6)通过两个第三关节轴承(3-5)安装在腕骨关节座(3-1)上，第三关节磁钢(3-7)贴在第三关节D形轴(3-6)的轴端上，第三关节角位移传感器(3-4)安装在腕骨关节座(3-1)的侧壁上且与第三关节端盖(3-8)相对设置，第三关节压簧(3-9)的一端固定在腕骨关节座(3-1)上，第三关节压簧(3-9)的另一端位于第三关节套管(3-10)内，第三关节端盖(3-8)固定在腕骨关节座(3-1)上，摆杆(3-2)的一端与第三关节线轮(3-3)固接，摆杆(3-2)的另一端穿装在掌骨座(2-11)上。
4.根据权利要求1所述的拇指功能康复的外骨骼机器人，其特征在于：掌背调整机构(4)包括第一调整板(4-1)、第二调整板(4-2)、两个锁紧把手(4-3)、两个平垫圈(4-4)和掌背固定板(4-5)；掌背固定板(4-5)的上端面上设置有第一螺栓头，第二调整板(4-2)是由横板和竖板构成的L型调整板，横板沿其长度方向加工有长孔，横板设置在掌背固定板(4-5)的上端面上且通过一个锁紧把手(4-3)旋紧在第一螺栓头上，竖板上设置有第二螺栓头，第一调整板(4-1)上沿其长度方向加工有长孔，第一调整板(4-1)穿装在第二螺栓头上，第一调整板(4-1)通过一个锁紧把手(4-3)旋紧在第二螺栓头上，第一螺栓头和第二螺栓头上均设置有一个平垫圈(4-4)。
5.根据权利要求1、2或4所述的拇指功能康复的外骨骼机器人，其特征在于：所述传动驱动机构包括第一直流电机(5-1)、第二直流电机(5-2)、第一联轴器(5-3)、第二联轴器(5-4)、电机座(5-5)、第一绕线模块(5-6)、第二绕线模块(5-7)和六根鲍登线(5-8)；第一直流电机(5-1)和第二直流电机(5-2)上下水平安装在电机座(5-5)上，第一直流电机(5-1)的输出端通过第一联轴器(5-3)与第一绕线模块(5-6)的第一绕线轮输出轴连接，第二直流电机(5-2)的输出端通过第二联轴器(5-4)与第二绕线模块(5-7)的第二绕线轮输出轴连接，六根鲍登线(5-8)中的四根与第一绕线模块(5-6)连接，六根鲍登线(5-8)中的余下的两根与第二绕线模块(5-7)连接。
6.根据权利要求5所述的拇指功能康复的外骨骼机器人，其特征在于：第一绕线模块(5-6)包括第一绕线轮(5-6-1)、第二绕线轮(5-6-2)、第一法兰轴承(5-6-3)、第二法兰轴承(5-6-4)、第一基座(5-6-5)、第一顶盖(5-6-6)、第一调整螺钉(5-6-7)、第二调整螺钉(5-6-8)、第三调整螺钉(5-6-9)和第四调整螺钉(5-6-10)；第一绕线轮(5-6-1)固套在第一绕线轮输出轴的中部，第二绕线轮(5-6-2)通过平键(5-6-11)固装在第一绕线轮输出轴的上部，第一绕线轮输出轴的两端通过第一法兰轴承(5-6-3)和第二法兰轴承(5-6-4)安装在第一基座(5-6-5)上，第一调整螺钉(5-6-7)、第二调整螺钉(5-6-8)、第三调整螺钉(5-6-9)和第四调整螺钉(5-6-10)螺纹连接在第一基座(5-6-5)的一侧壁上，第一顶盖(5-6-6)可拆卸连接在第一基座(5-6-5)上；第二绕线模块(5-7)包括第三绕线轮(5-7-1)、第三法兰轴承(5-7-2)、第四法兰轴承(5-7-3)、第二基座(5-7-4)、第二顶盖(5-7-5)、第五调整螺钉(5-7-6)和第六调整螺钉(5-7-7)；第三绕线轮(5-7-1)固套在第三绕线轮输出轴上，第三绕线轮输出轴的两端通过第三法兰轴承(5-7-2)和第四法兰轴承(5-7-3)安装在第二基座(5-7-4)内，第五调整螺钉(5-7-6)和第六调整螺钉(5-7-7)螺纹连接在第二基座(5-7-4)的一侧壁上，第二顶盖(5-7-5)可拆卸连接在第二基座(5-7-4)上；第一调整螺钉(5-6-7)、第二调整螺钉(5-6-8)、第三调整螺钉(5-6-9)、第四调整螺钉(5-6-10)、第五调整螺钉(5-7-6)和第六调整螺钉(5-7-7)沿其长度方向加工有中心通孔。
7.根据权利要求6所述的拇指功能康复的外骨骼机器人，其特征在于：六根鲍登线(5-8)的钢丝一端分别缠绕在第一关节线轮(1-11)、第二关节线轮(2-6)和第三关节线轮(3-3)上，六根鲍登线(5-8)的钢丝另一端缠绕在第一绕线轮(5-6-1)、第二绕线轮(5-6-2)和第三绕线轮(5-7-1)上；六根鲍登线(5-8)鞘的一端依次固定在第一关节套管(1-12)、第二关节套管(2-15)和第三关节套管(3-10)上，六根鲍登线(5-8)鞘的另一端依次穿进第一调整螺钉(5-6-7)、第二调整螺钉(5-6-8)、第三调整螺钉(5-6-9)、第四调整螺钉(5-6-10)、第五调整螺钉(5-7-6)和第六调整螺钉(5-7-7)的中心圆孔中。
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| CN107432816A (zh) | 2017-12-05 |
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