CN109394475A - 一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，包括手掌部和手指部，手指部包括四根手指结构和拇指结构，拇指结构与每个手指结构均包括近指掌骨、MCP关节、第一指骨和PIP关节；拇指结构的近指掌骨末端设有连接板I，连接板I上设有纵向滑槽；每个手指结构的近指掌骨末端均设有工字型的连接板II；手掌部包括手掌底板、手掌可调底座、拇指连接导轨；手掌可调底座上设有弧形滑槽和卡槽；拇指连接导轨与连接板I上的纵向滑槽相契合；连接板II置于弧形滑槽和卡槽内；MCP关节与PIP关节均由多组相互啮合齿轮构成。本发明手指间距可调节、手指可实现自主拆卸，可适应不同对象，拆卸方便、快捷，利于安装与维护。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，具体涉及一种指间距自主可调可拆卸康复机械手，特别适用于不同年龄段肢体瘫痪病人的手部康复训练。
背景技术
近些年来，我国由于脑损伤((脑卒中、脑瘫、脑外伤、脑肿瘤))、各类事故、小儿麻痹等原因造成的肢体残疾患者约有有2412万人，肢体瘫痪者有1000多万人，其中包含了各种不同年龄段的人群，尤其是老人与小孩。随着我国老龄化的速度加快，由脑血管疾病引起老年偏瘫的受害人数也是不断增加，专业医护人员的一对一康复治疗远远不能满足需要，并且专业医护人员所带来的经济负担也不是普通家庭可以承受的，所以对肢体瘫痪病人的康复治疗装置的研发更是迫在眉睫。截至目前，肢体康复装置中的研究大多是面向上肢的手臂以及下肢的腿部，由于手指康复存在运动精度高、控制分辨率要求高、因人而异的运动模糊性等难点问题，手部康复一直是一个难题。
目前所研发的可穿戴式外骨骼康复机械手大多存在以下不足：①大多数机械手的手掌大小、指间距以及手指长短都已固定，而每个人的手掌大小、指间距和手指长短不一，尤其是老人与小孩的手部差异甚大，无法满足各个年龄段患者的需求；②大多数机械手自由度较少，无法做到手指多个关节的自然弯曲；③大多数机械手只实现单个手指或部分手指的康复，无法做到手部整体康复。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的问题是，提供一种指间距自主可调手指可拆卸五指康复机械手。该机械手通过电机驱动与微控制器系统智能控制患者手指的弯曲，能够辅助患者进行五指屈曲伸展与抓取实物等康复训练，并且由于手掌大小、指间距自主可调、手指及手指关节均可拆卸，可以满足不同年龄段的需求，帮助他们完成手部康复。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，包括手掌部和手指部，手指部包括四根手指结构和拇指结构，四根手指结构分别为食指结构、中指结构、无名指结构和小指结构，拇指结构与每个手指结构均包括近指掌骨、MCP关节、第一指骨和PIP关节；拇指结构的近指掌骨末端设有连接板I，连接板I上设有与手掌部活动式连接的纵向滑槽、以及用于拇指与手掌部连接后固定的拇指固定孔；每个手指结构的近指掌骨末端均设有工字型的连接板II，连接板II由两组横板和中间的竖板构成，竖板上设有手指固定孔；手掌部包括手掌底板、手掌可调底座、拇指连接导轨；手掌可调底座上设有弧形滑槽和卡槽，弧形滑槽和卡槽相互平行；拇指连接导轨与连接板I上的纵向滑槽相契合；连接板II的两组横板分别置于弧形滑槽和卡槽内，手指固定孔则置于弧形滑槽与卡槽之间的位置上，通过螺丝进行固定。
进一步地，MCP关节位于近指掌骨与第一指骨之间，PIP关节位于第一指骨末端；MCP关节与PIP关节之间由贯穿第一指骨的关节连接杆相接；MCP关节与PIP关节均由多组相互啮合齿轮构成并利用各个齿轮之间相互传动驱动近指掌骨和第一指骨弯曲。
进一步地，近指掌骨上设有电机固定座I，电机固定座I上固定安装一组电机I；第一指骨上设有电机固定座II，电机固定座II上固定安装一组电机II；电机固定座I和电机固定座II上均设有用于固定电机的电机螺丝固定孔；MCP关节与PIP关节均包括电机齿轮、中间齿轮、丝杆齿轮、丝杆、齿条、弧形内齿条、从齿轮I、主齿轮、从齿轮II和从齿轮III；每组近指掌骨和第一指骨上分别设置一组用于嵌入安装中间齿轮的放置槽I和放置槽II，放置槽I和放置槽II内设有用于安装中间齿轮的安装孔，近指掌骨与第一指骨的两侧边均设置用于齿轮滑动的齿轮滑槽I与齿轮滑槽II；电机齿轮与中间齿轮相咬合，再与固定于丝杆末端的丝杆齿轮咬合，丝杆穿过齿条，齿条与从齿轮II咬合，从齿轮II与从齿轮III咬合，从齿轮III与主齿轮咬合，主齿轮与从齿轮I咬合；MCP关节的从齿轮I固定于关节连接杆前端且与弧形内齿条相咬合，弧形内齿条固定于齿轮滑槽I内；PIP关节的从齿轮I固定于关节连接杆末端且与弧形内齿条相咬合，弧形内齿条固定于齿轮滑槽II内。
进一步地，手掌可调底座上还设有间隔分布排列的底座固定孔；手掌可调底座上还设有向上凸起的挡板，挡板与卡槽平行，并位于卡槽与底座固定孔之间。
进一步地，手掌可调底座呈马鞍形。
进一步地，MCP关节还包括佩戴挡板，佩戴挡板位于关节连接杆下方，佩戴挡板通过平行四边形结构的四连杆与关节连接杆铰接相连。
进一步地，佩戴挡板两侧还设有用于与康复手固定的绷带固定孔。
进一步地，佩戴挡板为弧形结构。
进一步地，关节连接杆的末端设有多组内具螺纹的关节连接孔I，第一指骨的前端设有与关节连接孔I相对应的关节连接孔II，通过螺丝将关节连接孔I与关节连接孔II两部分相接。
进一步地，本发明还包括运动控制部，运动控制部包括主控制电路部分、leapmotion传感部分以及算法实现的软件部分；主控制电路部分由微控制器与电机驱动芯片及所需元器件构成，通过设计与焊接制成集成电路板，之后从其上引出控制信号线与各电机相连，主控电路板通过传输相应的控制指令，对电机进行控制，从而控制手指关节的伸展与弯曲；Leap motion为一款体感控制器，能够精确追踪每根手指的运动弯曲情况，并能够将手以3D视觉显示在电脑界面上。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)由于手指间距可调节、手指可实现自主拆卸，可根据不同患者人群的实际手指情况进行调节，可以装配长短不同的手指分别适应老人与小孩患者，手指MCP与PIP关节进行拆卸方便、快捷，利于安装与维护。
(2)本发明机械手具有两种康复模式，可分别侧重于双手全瘫病人及手部偏瘫病人的手指康复治疗。
(3)本发明能够通过对手指进行精确控制，加速对精细关节控制恢复，还可以分别控制各个手指的弯曲程度，适合单根手指的康复。
(4)本发明骨骼结构设计合理且新颖，手指下部弧形佩戴挡板能与手指良好接触，增加患者佩戴舒适度。
(5)本发明机械手具有较强的抓力与握力，能够实现实物抓取的康复训练。
附图说明
图1为本发明所涉的整体结构示意图。
图2为本发明所涉的侧面结构示意图。
图3为本发明所涉的拇指结构示意图。
图4为本发明所涉的食指结构示意图。
图5为本发明所涉的食指内部结构剖面图。
图6为本发明所涉的手掌可调底座结构示意图。
图7为本发明所涉的手指关节部分内部结构侧面示意图。
图8为本发明所涉的手指关节部分内部结构正面示意图。
图9为本发明所涉的手指PIP关节部分骨骼结构示意图。
图示说明：1-拇指结构，2-食指结构，3-中指结构，4-无名指结构，5-小指结构，6-电机I，7-电机II，8为手掌可调底座，9为手掌底板，10为拇指连接导轨，11-拇指固定孔，12-拇指MCP关节，13-拇指PIP关节，14-挡板，15-弧形滑槽，16-连接板I，17-纵向滑槽，18-底座固定孔，19-放置槽I，20-电机固定座I，21-放置槽II，22-电机固定座II，23-电机螺丝固定孔，24-连接板II，25-食指固定孔，26-齿轮滑槽I，27-佩戴挡板，28-绷带固定孔，29-关节连接孔I，30-关节连接孔II，31为销钉孔I，32为销钉孔II，33为销钉孔III，34-齿轮滑槽II，35-从齿轮I，36-主齿轮，37-从齿轮II，38-从齿轮III，39-四连杆，40-关节连接杆，41-齿条，42-拇指近指掌骨，43-拇指第一指骨，44-食指近指掌骨，45为食指第一指骨，46-丝杆，48-卡槽，49为弧形内齿条，50-安装孔，51-电机齿轮，52-中间齿轮，53-丝杆齿轮。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
说明：Proximal Interphalangeal(PIP)是近端指间关节，Metacarpophalangeal(MCP)是掌指关节。
如图1和图2所示，一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，包括手掌部、手指部、运动控制部。
手指部包括四根手指结构和拇指结构1，四根手指结构分别为食指结构2、中指结构3、无名指结构4和小指结构5，拇指结构1与每个手指结构均包括近指掌骨、MCP关节、第一指骨和PIP关节。
由于食指、中指、无名指、小指结构相似，在本实施例中以拇指结构1与食指结构2为例进行具体描述。
如图3所示，拇指结构1包括拇指近指掌骨42、拇指MCP关节12、拇指PIP关节13、拇指第一指骨43；拇指近指掌骨42末端设有连接板I 16，连接板I 16用于拇指结构1与手掌部连接，连接板I 16上设有与手掌部活动式连接的纵向滑槽17、以及用于拇指与手掌部连接后固定的拇指固定孔11。
如图4所示，食指结构2包括食指近指掌骨44、食指MCP关节、食指第一指骨45、食指PIP关节；手指第一指骨44；食指近指掌骨44末端设有工字型的连接板II 24，连接板II 24用于食指结构2与手掌部连接，连接板II 24有两组横板和中间的竖板构成，竖板上设有食指固定孔25。
如图1、图2和图6所示，手掌部包括手掌底板9、手掌可调底座8、拇指连接导轨10；手掌可调底座8上设有弧形滑槽15和卡槽48，弧形滑槽15和卡槽48相互平行。
拇指连接导轨10与连接板I 16上的纵向滑槽17相契合，二者连接后移动调节至合适位置后，再用螺钉通过拇指固定孔11将拇指结构1与手掌可调底座8固定。
连接板II 24的两组横板分别置于弧形滑槽15和卡槽48内，食指固定孔25则置于弧形滑槽15与卡槽48之间的位置上，通过螺丝进行固定。连接板II 24可根据患者指间距大小放置在弧形滑槽15和卡槽48上的不同位置，如患者指间距较大，则增大两根手指末端掌指连接板的间距，反之则减。连接板II 24与弧形滑槽15与卡槽48相契合，连接板II 24可以在弧形滑槽15上平滑的移动，组装康复手是将手掌可调底座8放置于患者手背，根据患者实际指间距将各手指连接板固定于弧形滑槽15与卡槽48之上，而且可以根据患者实际手指长短选择适合的手指进行安装。
如图6所示，手掌可调底座8上还设有间隔分布排列的底座固定孔18，手掌可调底座8可根据患者手掌大小自主固定在手掌底板9上，如患者手掌较大，可将手掌可调底座8向手指部方向微调，反之向后微移，置于合适位置后即可用螺丝通过手掌可调底座8的底座固定孔18固定在手掌底板9上。手掌可调底座8还可以根据患者手指与手掌的连接情况适当改变角度固定于手掌底板9上，相比于其他机械手，该康复机械手与人手的拟合程度更高，大大增加患者佩戴舒适度。
如图6所示，手掌可调底座8上还设有向上凸起的挡板14，挡板14与卡槽48平行，并位于卡槽48与底座固定孔18之间。当工字型的连接板II 24安装在弧形滑槽15和卡槽48上，挡板14可与连接板II 24相抵，防止连接板II 24越位、偏移等，使得连接板II 24安装后手指结构与手掌部更加稳固。
手掌可调底座8呈马鞍形，马鞍形的设计让四指固定更加牢固稳定，且外形更加美观。
中指结构3、无名指结构4、小指结构5三者与手掌可调底座8相接部分与食指结构2相同，不一一描述。
MCP关节位于近指掌骨与第一指骨之间；PIP关节位于第一指骨末端；MCP关节与PIP关节之间由贯穿第一指骨的关节连接杆40相接。
如图1、图2和图3所示，近指掌骨上设有电机固定座I 20，电机固定座I 20上固定安装一组电机I 6；第一指骨上设有电机固定座II 22，电机固定座II 22上固定安装一组电机II 7；电机固定座I 20和电机固定座II 22上均设有用于固定电机的电机螺丝固定孔23；电机I 6和电机II 7为驱动MCP关节与PIP关节提供动力。
如图5和图7所示，MCP关节与PIP关节均由多组相互啮合齿轮构成并利用各个齿轮之间相互传动驱动近指掌骨和第一指骨弯曲。MCP关节与PIP关节均包括电机齿轮51、中间齿轮52、丝杆齿轮53、丝杆46、齿条41、弧形内齿条49、从齿轮I 35、主齿轮36、从齿轮II 37和从齿轮III38；电机I 6或电机II 7的输出轴与电机齿轮51连接，用于驱动电机齿轮51转动；近指掌骨和第一指骨上分别设置一组用于嵌入安装中间齿轮52的放置槽I 19和放置槽II 21，放置槽I 19和放置槽II 21内设有用于安装中间齿轮52的安装孔50，近指掌骨与第一指骨的两侧边均设置用于齿轮滑动的齿轮滑槽I 26与齿轮滑槽II 34；电机齿轮51与中间齿轮52相咬合，再与固定于丝杆46末端的丝杆齿轮53咬合，丝杆46穿过齿条41，齿条41与从齿轮II 37咬合，从齿轮II 37与从齿轮III38咬合，从齿轮III38与主齿轮36咬合，主齿轮36与从齿轮I 35咬合。
MCP关节的从齿轮I 35固定于关节连接杆40前端且与弧形内齿条49相咬合，弧形内齿条49固定于齿轮滑槽I 26内；PIP关节的从齿轮I 35固定于关节连接杆40末端且与弧形内齿条49相咬合，弧形内齿条49固定于齿轮滑槽II 34内。
在具体实施中，从齿轮II 37、主齿轮36、从齿轮I 35分别通过销钉孔I 31、销钉孔II 32、销钉孔III33内插入销钉并固定。
如图4和图7所示，MCP关节还包括佩戴挡板27，佩戴挡板27位于关节连接杆40下方，佩戴挡板27通过平行四边形结构的四连杆39与关节连接杆40铰接相连。佩戴挡板27两侧还设有用于与康复手固定的绷带固定孔28。佩戴挡板27为弧形结构，能够更舒适的与患者手指相接触，且平行四边形结构的四连杆39可以更灵活的随着手指关节的转动而转动，患者手指可用绷带通过绷带固定孔28进行连接固定。
MCP关节与PIP关节的工作原理为：电机齿轮51的转动带动中间齿轮52转动，进而带动丝杆齿轮53及丝杆46转动，从而使齿条41缓缓向前移动，齿条41的移动带动从齿轮II377的转动，进而连续带动从齿轮III38、主齿轮36和从齿轮I 35的转动，从齿轮I 35在弧形内齿条49上转动，进而使关节连接杆40及佩戴挡板27沿着弧形内齿条49做弯曲运动。
如图8和图9所示，关节连接杆40的末端设有多组内具螺纹的关节连接孔I 29，第一指骨的前端设有与关节连接孔I 29相对应的关节连接孔II 30，可通过螺丝将关节连接孔I 29与关节连接孔II 30两部分相接，进而将PIP关节与MCP关节连接起来。
运动控制部包括主控制电路部分、leap motion传感部分以及算法实现的软件部分。主控制电路部分由微控制器与电机驱动芯片及所需元器件构成，通过设计与焊接制成集成电路板，之后从其上引出控制信号线与各电机相连，进行弯曲控制。Leap motion为一款体感控制器，能够精确追踪每根手指的运动弯曲情况，并能够将手以3D视觉显示在电脑界面上。该机械手通过硬件电路设计控制驱动电机的转动，从而带动手指关节的转动，由leap motion将采集到的手指弯曲角度信息反馈给微控制系统，形成闭环控制，能够精确控制手指的弯曲角度，以及能够自动控制手指的向下弯曲与向上伸展。与传统机械手用角度传感器采集手指弯曲信息相比，运用Leap motion体感控制器可直观的将手指3D结构显示在电脑上，不需要附加在机械手的传感器，可减轻机械手重量，方便患者佩戴。
在保证该机械手刚度情况下，本发明机械手可采用树脂材料3D打印，制造周期短，成本较低，所用材料环保且轻便，具有良好的可携带性，可供患者在日常生活随时随地进行康复训练。
本发明的工作原理和工作流程为：
(1)患者穿戴：在患者进行康复训练前，先根据患者手指的长度、指间距的大小，选择适合患者各个手指长度的手指安装在手掌可调底座滑槽上。组装好后，将机械手放置在患者待训练手背上，用绷带将患者手指第一指骨和第二指骨分别与机械手指上相应佩戴挡板固定住，适当调整绷带的松紧程度使其最为舒适。
(2)患者训练：该机械手康复训练具有两种模式：双手示踪康复模式、机械手辅助康复模式。①双手示踪康复模式，该种模式适合手部偏瘫患者，即患者只有一只手运动不便。患者将机械手佩戴在患病手上，主控电路通过信号线与PC机的Leap motion检测控制系统通信，通过Leap motion检测偏瘫患者健康手的运动弯曲轨迹，将运动信息反馈至主控制电路，从而控制机械手的弯曲与伸展。在双手示踪康复模式下，电机与主控制电路板相连，控制电路板与leap motion控制器同时与电脑相连，控制电路板的微控制器可以精确控制电机的正反转，leap motion控制器可以精确追踪到健康手手指每时每刻弯曲的状态，将这些数据通过电脑传输至微控制器，从精确控制机械手指的弯曲与伸展。对于手部偏瘫患者，该模式通过追踪正常手指的弯曲帮助患病手的康复训练，手指弯曲按照患者运动习惯进行，而不是以医护工作者的主观判断，可以在最大程度上确保康复过程的安全可靠。②机械手辅助康复模式，该种模式适合双手全瘫痪者，患者无健康手导引，无法辅助患病手康复。该模式下通过向主控电路下载已调试好的康复程序，自主控制机械手的弯曲与伸展，该模式机械手无需与PC机相连，方便携带，可随时随地进行康复训练。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，包括手掌部和手指部，所述手指部包括四根手指结构和拇指结构，所述四根手指结构分别为食指结构、中指结构、无名指结构和小指结构，所述拇指结构与每根所述手指结构均包括近指掌骨、MCP关节、第一指骨和PIP关节，其特征在于：所述拇指结构的所述近指掌骨末端设有连接板I，所述连接板I上设有用于与所述手掌部活动式连接的纵向滑槽、以及用于所述拇指结构与所述手掌部连接后固定的拇指固定孔；每个所述手指结构的所述近指掌骨末端均设有工字型的连接板II，所述连接板II由两组横板和中间的竖板构成，所述竖板上设有手指固定孔；所述手掌部包括手掌底板、手掌可调底座、拇指连接导轨；所述手掌可调底座上设有弧形滑槽和卡槽，所述弧形滑槽和卡槽相互平行；所述拇指连接导轨与所述连接板I上的所述纵向滑槽相契合；所述连接板II的两组横板分别置于所述弧形滑槽和卡槽内，所述手指固定孔则置于所述弧形滑槽与所述卡槽之间的位置上，并通过螺丝进行固定；所述MCP关节与PIP关节均由多组相互啮合齿轮构成并利用各个齿轮之间相互传动驱动所述近指掌骨和第一指骨弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：所述MCP关节位于近指掌骨与第一指骨之间，所述PIP关节位于第一指骨末端；所述MCP关节与所述PIP关节之间由贯穿所述第一指骨的关节连接杆相接；所述近指掌骨上设有电机固定座I，所述电机固定座I上固定安装一组电机I；所述第一指骨上设有电机固定座II，所述电机固定座II上固定安装一组电机II；所述MCP关节与所述PIP关节均包括电机齿轮、中间齿轮、丝杆齿轮、丝杆、齿条、弧形内齿条、从齿轮I、主齿轮、从齿轮II和从齿轮III；每组所述近指掌骨和所述第一指骨上分别设置一组用于嵌入安装所述中间齿轮的放置槽I和放置槽II，所述近指掌骨与第一指骨的两侧边均设置齿轮滑槽I与齿轮滑槽II；所述电机齿轮与所述中间齿轮相咬合，再与固定于所述丝杆末端的所述丝杆齿轮咬合，所述丝杆穿过所述齿条，所述齿条与所述从齿轮II咬合，所述从齿轮II与所述从齿轮ⅡI咬合，所述从齿轮III与所述主齿轮咬合，所述主齿轮与所述从齿轮I咬合；所述MCP关节的从齿轮I固定于所述关节连接杆前端且与所述弧形内齿条相咬合，所述MCP关节的所述弧形内齿条固定于所述齿轮滑槽I内；所述PIP关节的从齿轮I固定于所述关节连接杆末端且与所述弧形内齿条相咬合，所述PIP关节的弧形内齿条固定于所述齿轮滑槽II内。
3.根据权利要求1所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：所述手掌可调底座上还设有间隔分布排列的底座固定孔；所述手掌可调底座上还设有向上凸起的挡板，所述挡板与所述卡槽平行，并位于所述卡槽与所述底座固定孔之间。
4.根据权利要求3所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：所述手掌可调底座呈马鞍形。
5.根据权利要求2所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：所述MCP关节还包括佩戴挡板，所述佩戴挡板位于所述关节连接杆下方，所述佩戴挡板通过平行四边形结构的四连杆与所述关节连接杆相连。
6.根据权利要求5所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：所述佩戴挡板两侧还设有用于与康复手固定的绷带固定孔。
7.根据权利要求5所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：所述佩戴挡板为弧形结构。
8.根据权利要求2所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：所述关节连接杆的末端设有多组内具螺纹的关节连接孔I，所述第一指骨的前端设有与关节连接孔I相对应的关节连接孔II，通过螺丝将关节连接孔I与关节连接孔II两部分相接。
9.根据权利要求2至8任意一些所述的一种指间距自主可调可拆卸五指康复机械手，其特征在于：还包括运动控制部，所述运动控制部包括主控制电路部分、leap motion传感部分以及算法实现的软件部分；所述主控制电路部分由微控制器与电机驱动芯片及所需元器件构成，通过设计与焊接制成集成电路板，在从其上引出控制信号线与各组电机相连，进行弯曲控制；所述Leap motion为体感控制器，用于精确追踪所述手指部的运动弯曲情况，并将手以3D视觉显示在电脑界面上。
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