CN109498373A - 可穿戴式手部康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴式手部康复机器人，包括固定模块，动力传输模块，四指执行模块和拇指执行模块四部分。本发明利用轻巧可靠的结构以及紧凑的装配解决了现有手部康复机器人存在重量大体积大的问题；将一个直线电机的驱动动力通过动力传输模块传递给四指执行模块，再通过二级传动机构传递给拇指执行模块，从而实现一个直线电机同时驱动四指执行模块和拇指执行模块，达到五指协同运动的效果；利用可调长度式指杆结构和拇指可调角度固定板实现了手部康复机器人穿戴的通用性。

Description

可穿戴式手部康复机器人
技术领域
本发明涉及一种人体运动辅助装置，尤其涉及一种可穿戴式手部康复机器人。
背景技术
脑血管疾病位居人类死亡原因的第三位，每年有超过200万人死于中风。我国每年新发完全性脑中风患者120万—150万人，死亡80万—100万人，其中脑卒中后存活者遗留单侧肢体运动功能障碍，而肢体运动功能受损表现在肢体灵活性和肌肉力量的减弱，导致患者的生活质量急剧下降并且难以进行日常生活活动。
近年来，康复机器人的发展受到越来越多的关注，依据物理疗法和运动疗法的原理设计外骨骼设备用于临床和家庭康复等可以帮助患者肢体肌肉得到锻炼以及神经重塑。在康复科学中，手部康复在神经可塑性中起着关键和独特的作用，这为中风和脊髓损伤后运动功能的恢复提供了基础。同时，由于手部功能所需的感觉运动控制的复杂性以及操作能力的广泛恢复，手部康复极其具有挑战性。
现有的手部康复装置大多数训练模式为固定平台式的，专利CN201110121085中介绍了“固定式外骨骼康复训练机械手”，它主要用于康复应用，固定在基础平台上而不是可穿戴设备。这些康复设备具有大型，笨重，不可穿戴的特点，不适合患者携带和进行持续训练。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴式手部康复机器人，本发明体积小，重量轻，可穿戴，具有尺寸可调性和通用性的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可穿戴式手部康复机器人，包括固定模块、动力传输模块、四指执行模块和拇指执行模块，
所述固定模块包括固定板、电机固定架以及多个固定连接件；
所述动力传输模块包括直线电机、电机连接件、平面连杆机构以及联接转动轴；
所述四指执行模块包括分别对应食指、中指、无名指以及小指的四个手指执行机构以及对应食指、中指、无名指以及小指的多个指节固定件；
所述拇指执行模块包括二级传动机构、拇指固定板以及对应拇指的一个所述手指执行机构以及对应拇指的所述指节固定件；
在所述固定模块中，所述固定板将人手与所述手部康复机器人进行联接固定，所述电机固定架固定在所述固定板表面，将所述直线电机固定在所述电机固定架上，在所述多个固定连接件中，其中固定连接件一连接所述拇指执行模块的拇指固定板，其中固定连接件二连接所述动力传输机构中的所述平面连杆机构，其中固定连接件三连接所述四指执行模块的手指执行机构；
在所述动力传输模块中，所述电机连接件连接所述直线电机，将直线驱动动力传递给所述平面连杆机构；所述平面连杆机构连接所述联接转动轴，将所述直线驱动动力传输给所述联接转动轴；
所述联接转动轴联接所述四指执行模块中的所述手指执行机构以及联接所述拇指执行模块中的所述二级传动机构，所述联接转动轴作为将所述直线电机提供的直线运动转化为所述手指执行机构所需的转动运动的节点，将所述直线驱动动力转化为转动运动的动力传递给所述四指执行模块中的所述手指执行机构和所述二级传动机构，所述二级传动机构再传递给所述拇指执行模块中的所述手指执行机构；所述手指执行机构带动对应的所述指节固定件转动，所述指节固定件固定着人手的手指指节。
在上述方案中，所述电机固定架和固定连接件将动力传输模块以及四指执行模块和拇指执行模块集成在固定板上，实现了紧凑装配，缩小了手部康复机器人的体积，并且固定模块中的电机固定架固定在固定板表面，将直线电机固定在电机固定架上，使直线电机在使用过程中保证稳定运行，更重要的是，所述平面连杆机构实现了动力的远距离传输，可以将所述的直线电机的负重从手背转移到手臂上，从而避免了手部功能损伤患者手背部位肌肉无力带来的承重问题，将一个直线电机的驱动动力通过动力传输模块传递给四指执行模块和二级传动机构，再通过二级传动机构传递给拇指执行模块，从而实现一个直线电机同时驱动四指执行模块和拇指执行模块，达到五指协同运动的效果。
进一步的，所述固定模块中的固定板通过所述固定板边缘的槽孔利用固定带将人手与所述手部康复机器人进行联接固定。
进一步的，所述固定板为镂空结构，以减轻手部康复机器人的重量，同时在手部功能损伤患者使用过程中穿戴部分的皮肤可以保持透气。
进一步的，所述平面连杆机构包括平面连杆输入件、平面连杆传输件以及平面连杆输出件；
所述平面连杆输入件与所述电机连接件连接，所述固定连接件二与所述平面连杆输入件连接，所述平面连杆传输件与所述平面连杆输入件连接，所述平面连杆输出件与所述平面连杆传输件连接，所述联接转动轴联接所述平面连杆传输件和所述平面连杆输出件。
进一步的，所述手指执行机构包括近指杆前螺纹件、近指杆螺纹套筒、近指杆后螺纹件，所述近指杆前螺纹件和所述近指杆后螺纹件通过螺纹连接方式与所述近指杆螺纹套筒相连接，通过转动所述近指杆螺纹套筒可伸长或收缩所述近指杆前螺纹件和所述近指杆后螺纹件露出所述近指杆螺纹套筒的长度；
所述手指执行机构还包括远指杆前螺纹件、远指杆螺纹套筒、远指杆后螺纹件，所述远指杆前螺纹件和所述远指杆后螺纹件通过螺纹连接方式与所述远指杆螺纹套筒相连接，通过转动所述远指杆螺纹套筒可伸长或收缩所述远指杆前螺纹件和所述远指杆后螺纹件露出所述远指杆螺纹套筒的长度；
所述指节固定件包括近指节固定件和远指节固定件，所述近指节固定件和所述远指节固定件分别与人手对应的指节相连接；
所述联接转动轴联接所述四指执行模块中的近指杆前螺纹件，所述平面连杆输出件连接所述四指执行模块中的所述近指节固定件，所述四指执行模块中的所述远指节固定件连接所述四指执行模块中的所述远指杆后螺纹件。
上述通过转动指杆螺纹套筒实现指杆长度的调节，以实现手部康复机器人的通用性。
进一步的，所述二级传动机构包括前端二级传动件和后端二级传动件，所述前端二级传动件连接后端二级传动件，
所述拇指执行模块还包括连接固定件和连接件，所述连接件固定在所述拇指固定板上，所述连接件连接所述后端二级传动件，所述拇指固定板通过所述连接固定件与所述固定连接件一连接；
所述前端二级传动件与所述联接转动轴联接，所述拇指固定板通过槽孔利用固定带将人手拇指固定；
在所述拇指执行模块中，所述手指执行机构的所述近指杆前螺纹件连接所述后端二级传动件，所述指节固定件的所述远指节固定件连接所述远指杆后螺纹件，所述近指节固定件连接所述后端二级传动件。
进一步的，所述近指节固定件和所述远指节固定件呈开放式圆弧状，内侧与手指外部形状类似，边缘有槽孔，用固定带穿过槽孔联接并固定人手指指节。
进一步的，所述拇指固定板通过所述连接固定件与所述固定连接件一连接，具体为：所述拇指固定板通过所述连接固定件与所述固定连接件一活动连接，使得所述拇指固定板具有角度可调的功能，可适应不同手部尺寸，实现了手部康复机器人穿戴的通用性。
与现有技术相比，本发明取得了以下的技术效果：
1、利用轻巧可靠的结构以及紧凑的装配解决了现有手部康复机器人存在重量大体积大的问题；
2、将一个直线电机的驱动动力通过动力传输模块传递给四指执行模块，再通过二级传动机构传递给拇指执行模块，从而实现一个直线电机同时驱动四指执行模块和拇指执行模块，达到五指协同运动的效果；
3、通过转动指杆螺纹套筒实现指杆长度的调节以及拇指固定板的角度调节实现了手部康复机器人穿戴的通用性。
附图说明
图1为本发明的手部康复机器人整体结构示意图；
图2为本发明固定模块的结构示意图；
图3为本发明动力传输模块的结构示意图；
图4为本发明手指执行机构和指节固定件的结构示意图；
图5为本发明拇指执行模块的结构示意图；
图6为本发明手指伸展状态手部康复机器人结构示意图；
图7为本发明手指屈曲状态手部康复机器人结构示意图；
图中，固定模块1，直线电机2，动力传输机构3，对应食指的手指执行机构4，对应中指的手指执行机构5，对应无名指的手指执行机构6，对应小指的手指执行机构7，拇指固定板8，二级传动机构9，对应拇指的手指执行机构10，固定板11，槽孔12，电机固定架13，固定连接件一14，固定连接件二15，固定连接件三16，电机连接件17，平面连杆输入件18，平面连杆传输件19，联接转动轴20，平面连杆输出件21，近指节固定件22，远指节固定件23，近指杆前螺纹24，近指杆螺纹套筒25，近指杆后螺纹件26，远指杆前螺纹件27，远指杆螺纹套筒28，远指杆后螺纹件29，轴孔30，固定孔31，槽孔32，槽孔33，连接固定件34，槽孔35，连接件36，后端二级传动件37，前端二级传动件38。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例，本发明的目的和效果将变得更加明显。
可穿戴式手部康复机器人包括固定模块、动力传输模块、四指执行模块和拇指执行模块，参见图1，本发明实施例提供的可穿戴式手部康复机器人包括固定模块1；动力传输模块中的直线电机2以及包括电机连接件、平面连杆机构以及联接转动轴的动力传输机构3；四指执行模块中的对应食指的手指执行机构4、对应中指的手指执行机构5、对应无名指的手指执行机构6、对应小指的手指执行机构7以及对应食指、中指、无名指以及小指的多个指节固定件；拇指执行模块中的拇指固定板8、二级传动机构9以及对应拇指的手指执行机构10和对应拇指的指节固定件。
参见图2，本发明所述的固定模块1包括固定板11，电机固定架13、三个固定连接件以及槽孔12，三个固定连接件分别为固定连接件一14、固定连接件二15和固定连接件三16。在本文中，固定连接件一、固定连接二以及固定连接三都是起到固定连接其他构件的作用，但是固定连接件一、固定连接二以及固定连接三的功能相同，结构却可以不同。
参见图3，本发明所述的动力传输模块包括直线电机2，电机连接件17、包括平面连杆输入件18、平面连杆传输件19和平面连杆输出件21的平面连杆机构以及联接转动轴20。
本发明前述的四指执行模块包括手指执行机构4、手指执行机构5、手指执行机构6、手指执行机构7以及对应食指、中指、无名指以及小指的多个指节固定件，拇指执行模块也包括手指执行机构10以及对应拇指的指节固定件。在本发明的手部康复机器人中，这些手指执行机构结构相同，这些指节固定件也结构相同。
参见图4，手指执行机构和指节固定件具体为：指节固定件包括近指节固定件22和远指节固定件23，近指节固定件22和远指节固定件23分别与人手对应的指节相连接，手指执行结构包括：近指杆前螺纹件24，近指杆螺纹套筒25，近指杆后螺纹件26，远指杆前螺纹件27，远指杆螺纹套筒28，远指杆后螺纹件29，近指杆前螺纹件24和近指杆后螺纹件26通过螺纹连接方式与近指杆螺纹套筒25相连接，通过转动近指杆螺纹套筒25可伸长或收缩近指杆前螺纹件24和近指杆后螺纹件26露出近指杆螺纹套筒25的长度；远指杆前螺纹件27和远指杆后螺纹件29通过螺纹连接方式与远指杆螺纹套筒28相连接，通过转动远指杆螺纹套筒28可伸长或收缩远指杆前螺纹件27和远指杆后螺纹件29露出远指杆螺纹套筒28的长度。
参见图5，本发明所述的拇指执行模块包括连接固定件34，拇指固定板8，槽孔35，连接件36，包括后端二级传动件37和前端二级传动件38的二级传动结构以及如图4中所示的手指执行机构10和对应拇指的指节固定件。
各部分连接方式如下：
固定板11为镂空结构，固定板11通过所述固定板边缘的槽孔12利用固定带将人手与所述手部康复机器人进行联接固定，电机固定架13固定在固定板11上，直线电机2固定在电机固定架13上，电机连接件17与直线电机2连接，平面连杆输入件18与电机连接件17连接，固定连接件二15与平面连杆输入件18连接，固定连接件二15固定在固定板11上，平面连杆传输件19与平面连杆输入件18连接，平面连杆输出件21与平面连杆传输件19连接，联接转动轴20联接平面连杆传输件19、平面连杆输出件21。
在本文中，四指执行模块中对应食指的手指执行机构4、对应中指的手指执行机构5、对应无名指的手指执行机构6、对应小指的手指执行机构7以及拇指执行模块中对应拇指的手指执行机构10都是采用图4所述的手指执行机构，在后继的阐述中，为方便起见，均将结合图4，阐述四指执行模块的手指执行机构4、手指执行机构5、手指执行机构6、手指执行机构7和拇指执行模块的手指执行结构10的连接方式。
手指执行机构4、手指执行机构5、手指执行机构6、手指执行机构7的连接方式相同，以手指执行机构4为例，联接转动轴20联接手指执行机构4的近指杆前螺纹件24，平面连杆输出件21连接手指执行机构4的近指节固定件22，远指节固定件23连接远指杆后螺纹件29。
在拇指执行模块中，前端二级传动件38与联接转动轴20联接，后端二级传动件37连接前端二级传动件38，连接件36连接后端二级传动件37，连接件36固定在拇指固定板8上，拇指固定板8通过连接固定件34与固定连接件一14连接，拇指固定板8通过槽孔35利用固定带将人手拇指固定，近指杆前螺纹件24连接后端二级传动件37，远指节固定件23连接远指杆后螺纹件29，近指节固定件22连接后端二级传动件37。
本发明的工作过程如下，
患者手臂和手背部分通过固定带与所述手部康复机器人的固定板11进行固定，拇指固定板8与拇指进行固定，手指部分的近指节通过固定带与所述手部康复机器人的近指节固定件32固定，手指部分的远指节通过固定带与所述手部康复机器人的远指节固定件23固定。开始阶段，直线电机2处于静止状态，无伸缩距离，所述手部康复机器人处于如图6所示的伸展状态；要使所述手部康复机器人处于弯曲状态，直线电机2获得向前驱动的信号，直线电机2的伸缩杆向前驱动，将动力通过电机连接件17传递给动力传输机构3，动力传输机构3利用平面连杆机构原理将直线电机2所输出的直线动力传递给手指执行机构4、手指执行机构5、手指执行机构6、手指执行机构7和手指执行机构10，并在联接转动轴20处将直线运动形式转化为转动运动形式。其中在四指部分，实现近指杆前螺纹件24与近指节固定件22转动，近指杆前螺纹件24的转动带动近指杆螺纹套筒25转动，近指杆螺纹套筒25转动带动近指杆后螺纹件26转动，近指杆后螺纹件26转动带动远指杆前螺纹件27转动，远指杆前螺纹件27转动带动远指杆螺纹套筒28转动，远指杆螺纹套筒28转动带动远指杆后螺纹件29转动，远指杆后螺纹件29转动带动远指节固定件23转动，远指节固定件23转动带动远指节端的转动，近指节固定件22转动带动近指节端的转动，实现四根手指的转动；其中在拇指部分，联接转动轴20将动力传递给二级传动件38，二级传动件38带动二级传动件37运动，二级传动件37带动拇指执行机构10转动，实现拇指的主动，即实现各手指的屈曲运动，如图7所示。若直线电机2获得反向驱动的信号，即实现各手指的伸展动作如图6所示。
本发明的保护范围并不限于上述实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明分范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (8)

1.一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，包括固定模块、动力传输模块、四指执行模块和拇指执行模块，
所述固定模块包括固定板、电机固定架以及多个固定连接件；
所述动力传输模块包括直线电机、电机连接件、平面连杆机构以及联接转动轴；
所述四指执行模块包括分别对应食指、中指、无名指以及小指的四个手指执行机构以及对应食指、中指、无名指以及小指的多个指节固定件；
所述拇指执行模块包括二级传动机构、拇指固定板以及对应拇指的一个所述手指执行机构以及对应拇指的所述指节固定件；
在所述固定模块中，所述固定板将人手与所述手部康复机器人进行联接固定，所述电机固定架固定在所述固定板表面，将所述直线电机固定在所述电机固定架上，在所述多个固定连接件中，其中固定连接件一连接所述拇指执行模块的拇指固定板，其中固定连接件二连接所述动力传输机构中的所述平面连杆机构，其中固定连接件三连接所述四指执行模块的手指执行机构；
在所述动力传输模块中，所述电机连接件连接所述直线电机，将直线驱动动力传递给所述平面连杆机构；所述平面连杆机构连接所述联接转动轴，将所述直线驱动动力传输给所述联接转动轴；
所述联接转动轴联接所述四指执行模块中的所述手指执行机构以及联接所述拇指执行模块中的所述二级传动机构，所述联接转动轴作为将所述直线电机提供的直线运动转化为所述手指执行机构所需的转动运动的节点，将所述直线驱动动力转化为转动运动的动力传递给所述四指执行模块中的所述手指执行机构和所述二级传动机构，所述二级传动机构再传递给所述拇指执行模块中的所述手指执行机构；所述手指执行机构带动对应的所述指节固定件转动，所述指节固定件固定着人手的手指指节。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，所述固定模块中的固定板通过所述固定板边缘的槽孔利用固定带将人手与所述手部康复机器人进行联接固定。
3.根据权利要求2所述的一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，所述固定板为镂空结构。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，所述平面连杆机构包括平面连杆输入件、平面连杆传输件以及平面连杆输出件；
所述平面连杆输入件与所述电机连接件连接，所述固定连接件二与所述平面连杆输入件连接，所述平面连杆传输件与所述平面连杆输入件连接，所述平面连杆输出件与所述平面连杆传输件连接，所述联接转动轴联接所述平面连杆传输件和所述平面连杆输出件。
5.根据权利要求4所述的一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，
所述手指执行机构包括近指杆前螺纹件、近指杆螺纹套筒、近指杆后螺纹件，所述近指杆前螺纹件和所述近指杆后螺纹件通过螺纹连接方式与所述近指杆螺纹套筒相连接，通过转动所述近指杆螺纹套筒可伸长或收缩所述近指杆前螺纹件和所述近指杆后螺纹件露出所述近指杆螺纹套筒的长度；
所述手指执行机构还包括远指杆前螺纹件、远指杆螺纹套筒、远指杆后螺纹件，所述远指杆前螺纹件和所述远指杆后螺纹件通过螺纹连接方式与所述远指杆螺纹套筒相连接，通过转动所述远指杆螺纹套筒可伸长或收缩所述远指杆前螺纹件和所述远指杆后螺纹件露出所述远指杆螺纹套筒的长度；
所述指节固定件包括近指节固定件和远指节固定件，所述近指节固定件和所述远指节固定件分别与人手对应的指节相连接；
所述联接转动轴联接近指杆前螺纹件，所述平面连杆输出件连接所述近指节固定件，所述远指节固定件连接所述远指杆后螺纹件。
6.根据权利要求5所述的一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，
所述二级传动机构包括前端二级传动件和后端二级传动件，所述前端二级传动件连接后端二级传动件，
所述拇指执行模块还包括连接固定件和连接件，所述连接件固定在所述拇指固定板上，所述连接件连接所述后端二级传动件，所述拇指固定板通过所述连接固定件与所述固定连接件一连接；
所述前端二级传动件与所述联接转动轴联接，所述拇指固定板通过槽孔利用固定带将人手拇指固定；
在所述拇指执行模块中，所述手指执行机构的所述近指杆前螺纹件连接所述后端二级传动件，所述指节固定件的所述远指节固定件连接所述远指杆后螺纹件，所述近指节固定件连接所述后端二级传动件。
7.根据权利要求6所述的一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，
所述近指节固定件和所述远指节固定件呈开放式圆弧状，内侧与手指外部形状类似，边缘有槽孔，用固定带穿过槽孔联接并固定人手指指节。
8.根据权利要求7所述的一种可穿戴式手部康复机器人，其特征在于，
所述拇指固定板通过所述连接固定件与所述固定连接件一连接，具体为：
所述拇指固定板通过所述连接固定件与所述固定连接件一活动连接。
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