CN110695971A - 一种外骨骼机械辅助手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼机械辅助手，包括机械结构部分和动力部分，所述机械结构部分包括塑料手腕套、按照完整的手掌仿形设置的掌部仿形塑料壳和手指关节塑料指套、以及装于掌部仿形塑料壳和手指关节塑料指套背面的连动结构，塑料手腕套与掌部仿形塑料壳连接，所述动力部分包括舵机和压力传感器，舵机安装于掌部仿形塑料壳背面且连接连动结构，压力传感器安装于手指关节塑料指套的指尖部位，舵机和压力传感器电连接至单片机控制系统。本发明的外骨骼机械辅助手重量轻，易携带，能满足大量手功能受损患者日常辅助训练的需求。

Description

一种外骨骼机械辅助手

技术领域

本发明涉及机械手装置，属于机械与控制领域，尤其涉及一种外骨骼机械辅助手。

背景技术

对于手部疾病患者，包括意外伤害、中风等，科学的康复训练治疗对于最大限度的恢复手部灵活有着非常重要的意义。

外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。一般是把虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的几丁质的骨骼称为外骨骼，它有保护和支持作用。机械外骨骼就是从生物外骨骼得到思路的一种全新技术，其作为一种通过机械对人体机能进行强化的方式，早在上世纪就已被提出，最初被尝试运用于军事领域；同时，机械外骨骼的辅助性和强化性也对康复治疗和灾害救援提供了全新的思路。

中国专利CN201910672628.9公开了一种外骨骼手指康复训练装置及其使用方法，这种外骨骼手指康复训练装置结构复杂，重量重从而不易携带，无法满足大量手功能受损患者日常辅助训练的需求。

发明内容

为了解决上述问题之一，本发明提供一种外骨骼机械辅助手，重量轻，从而易携带，能满足大量手功能受损患者日常辅助训练的需求。

为实现上述目的，本发明提供一种外骨骼机械辅助手，包括机械结构部分和动力部分，所述机械结构部分包括塑料手腕套、按照完整的手掌仿形设置的掌部仿形塑料壳和手指关节塑料指套、以及装于掌部仿形塑料壳和手指关节塑料指套背面的连动结构，塑料手腕套与掌部仿形塑料壳连接，所述动力部分包括舵机和压力传感器，舵机安装于掌部仿形塑料壳背面且通过牵拉件连接连动结构，压力传感器安装于手指关节塑料指套的指尖部位，舵机和压力传感器电连接至单片机控制系统。

作为本发明的进一步改进，所述牵拉件的牵拉移动范围为0-3cm，舵机的转动角度为0-60°。使外骨骼机械辅助手完全可以实现抓紧不同半径的物体。

作为本发明的更进一步改进，所述手指关节塑料指套的指尖部位的表面为粗糙面，压力传感器位于粗糙面处。用以增大工作时的摩擦力。

作为本发明的更进一步改进，所述手指关节塑料指套的指尖部位的粗糙面为指纹式粗糙面。用以增大工作时的摩擦力。

作为本发明的进一步改进，所述手指关节塑料指套包括拇指关节指套、食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套，食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套、拇指关节指套的背面均装有一所述连动结构，各连动结构连接一所述舵机，拇指关节指套、食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套均包括彼此铰接连接的前端指节指套、中间指节指套和末端指节指套，各连动结构安装在相应的前端指节指套、中间指节指套和末端指节指套上。每个舵机控制一根手指的控制方式，可以使外骨骼机械辅助手更加偏向于人的手掌，不同的舵机通过单片机控制系统控制，从而可以实现手指的灵活运动。

作为本发明的更进一步改进，所述食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套上的各连动结构均包括连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五、连杆六、连杆七、连杆八、连杆九和连杆十，连杆一、连杆二、连杆三、连杆五均分别安装在末端指节指套、中间指节指套、前端指节指套、掌部仿形塑料壳上，连杆四通过连杆九和连杆十分别连接前端指节指套和掌部仿形塑料壳，连杆一与连杆二连接，连杆二和连杆三之间通过连杆六连接，连杆三和连杆四之间通过连杆七连接，连杆四和连杆五之间通过连杆八连接。结构简单，便于实现食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套活动。

作为本发明的更进一步改进，所述拇指关节指套上的连动结构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和第七连杆，第一连杆、第二连杆、第三连杆、第五连杆均分别安装在拇指关节指套的末端指节指套、中间指节指套、前端指节指套、掌部仿形塑料壳上，第四连杆的两端分别连接前端指节指套、掌部仿形塑料壳，第一连杆、第二连杆连接，第二连杆、第三连杆之间通过第六连杆连接，第三连杆、第五连杆之间通过第七连杆连接。结构简单，便于实现拇指关节指套活动。

作为本发明的更进一步改进，所述拇指关节指套、食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套的前端指节指套、中间指节指套和末端指节指套的背面和掌部仿形塑料壳的背面均安装有安装座，各连杆一、各连杆二、各连杆三、各连杆五、各连杆九、各连杆十、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆均安装在相应安装座上，牵拉件包括牵拉件一和牵拉件二，所述的各连杆五均为v型连杆，各V型连杆的一边与相应的连杆八连接，各V型连杆的另一边通过一所述牵拉件一连接至相应舵机，第五连杆或第七连杆通过一所述牵拉件二连接至相应舵机，牵拉件二位于第五连杆和第七连杆相互连接的位置近侧。

作为本发明的更进一步改进，所述塑料手腕套与手掌仿形壳之间通过弹性伸缩软带连接。弹性伸缩软带的使用使得外骨骼机械辅助手可以适应不同人手长度，使整个外骨骼机械辅助手的设计具有良好的仿生性，让使用者的佩戴更加安全舒适。

作为本发明的更进一步改进，所述弹性伸缩软带安装于塑料手腕套与手掌仿形壳的背面，塑料手腕套的正面开有裂口。裂口的设计更为便于穿戴。

与现有技术相比，本发明的外骨骼机械辅助手的有益效果如下：

(1)采用塑料手腕套、掌部仿形塑料壳和手指关节塑料指套，实现了轻量化设计，使结构更加合理，更易携带，使外骨骼机械辅助手的使用更加简单化，能满足大量手功能受损患者日常辅助训练的需求。

(2)利用机电一体化的设计思想，使产品更加自动化智能化，并且采用单片机控制系统和压力传感器，能够实现对握力的检测，智能化自动化调节握力大小，使产品更加智能化。

(3)采用舵机作为动力系统，可以更加有效的控制外骨骼机械辅助手的收紧和放松，提高产品精度，更好的固定力量，防抖震和反应更快。

(4)机械结构部分采用纯机械结构，使机械手构件更少，结构更为简单，控制更加稳定，精度更高。

(5)外骨骼机械辅助手可穿戴在手上，人的参与提高了外骨骼机械辅助手的智能程度，而外骨骼机械辅助手虽然承受了很高的负载，但拓展了人的能力，还保留了人本身灵活的运动能力，人机组成的系统具有很高的智能程度，对环境的适应能力和改造能力大大得到了增强，而且外骨骼机械辅助手适用范围也更广，可以用于搬运、旅游、救灾、士兵负重行军、助残、工厂装配、辅助等等。

(6)外骨骼机械辅助手能够辅助人们抓持重物，并使得抓持的物品更加稳固，可将日常生活活动与康复训练结合起来，使手指康复运动的进行更加有效。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明外骨骼机械辅助手的示意图。

图2为抓住物体时的示意图。

图3为单根手指的舵机控制结构示意图。

图4为五个舵机的分布示意图。

图5为舵机的控制电路图，其中的S1为控制开关，R2为舵机电位器，R3为舵机传动角度调整电位器。

图6为外骨骼机械辅助手的总控制电路图。

具体实施方式的附图标号说明：塑料手腕套1，裂口11，掌部仿形塑料壳2，手指关节塑料指套3，拇指关节指套31，食指关节指套32，中指关节指套33，无名指关节指套34，小指关节指套35，前端指节指套3a，中间指节指套3b，末端指节指套3c，连动结构4，连杆一41，连杆二42，连杆三43，连杆四44，连杆五45，连杆六46，连杆七47，连杆八48，连杆九49，连杆十40，第一连杆4a，第二连杆4b，第三连杆4c，第四连杆4d，第五连杆4e，第六连杆4f，第七连杆4g，舵机5，压力传感器6，弹性伸缩软带7，牵拉件一8，牵拉件二9，安装座10，压低结构100。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图1-6，所述的外骨骼机械辅助手包括机械结构部分和动力部分，所述机械结构部分包括塑料手腕套1、按照完整的手掌仿形设置的掌部仿形塑料壳2和手指关节塑料指套3、以及装于掌部仿形塑料壳2和手指关节塑料指套3背面的连动结构4，塑料手腕套1与掌部仿形塑料壳2连接。所述动力部分包括舵机5和压力传感器6，舵机5安装于掌部仿形塑料壳2背面且通过牵拉件连接连动结构4，压力传感器6安装于手指关节塑料指套3的指尖部位，舵机5和压力传感器6电连接至单片机控制系统。

所述塑料手腕套1与手掌仿形壳2之间通过弹性伸缩软带7连接，使得外骨骼机械辅助手能够适用于不同大小手掌的人使用。所述弹性伸缩软带7安装于塑料手腕套1与手掌仿形壳2的背面。塑料手腕套1的正面开有裂口11，便于穿戴。

所述牵拉件的牵拉移动范围为0-3cm，舵机在0-60°范围内转动，使外骨骼机械辅助手完全可以实现抓紧不同半径的物体。牵拉件包括牵拉件一8和牵拉件二9。牵拉件一8和牵拉件二9均为钢索。

所述手指关节塑料指套3的指尖部位的表面为粗糙面，用于增大工作时的摩擦力。压力传感器6位于粗糙面处。所述手指关节塑料指套3的指尖部位的粗糙面为指纹式粗糙面，用以增大工作时的摩擦力。

所述手指关节塑料指套3包括拇指关节指套31、食指关节指套32、中指关节指套33、无名指关节指套34、小指关节指套35，食指关节指套32、中指关节指套33、无名指关节指套34、小指关节指套35、拇指关节指套31的背面均装有一所述连动结构4，各连动结构4连接一所述舵机5，拇指关节指套31、食指关节指套32、中指关节指套33、无名指关节指套34、小指关节指套35均包括彼此铰接连接的前端指节指套3a、中间指节指套3b和末端指节指套3c，各连动结构4安装在相应的前端指节指套3a、中间指节指套3b和末端指节指套3c上。

所述食指关节指套32、中指关节指套33、无名指关节指套34、小指关节指套35上的各连动结构4均包括连杆一41、连杆二42、连杆三43、连杆四44、连杆五45、连杆六46、连杆七47、连杆八48、连杆九49和连杆十40，连杆一41、连杆二42、连杆三43、连杆五45均分别安装在末端指节指套3c、中间指节指套3b、前端指节指套3a、掌部仿形塑料壳2上，连杆四44通过连杆九49和连杆十40分别连接前端指节指套3a和掌部仿形塑料壳2，连杆一41与连杆二42连接，连杆二42和连杆三43之间通过连杆六46连接，连杆三43和连杆四44之间通过连杆七47连接，连杆四44和连杆五45之间通过连杆八48连接。所述的各连杆五45均为v型连杆，各V型连杆的一边与相应的连杆八48连接，各V型连杆的另一边通过一所述牵拉件一8连接至相应舵机5。所述牵拉件一8的上方通过固定在掌部仿形塑料壳2背部的压低结构100，压低结构100为T字型，用于调低牵拉件一8的位置。

所述拇指关节指套31上的连动结构4包括第一连杆4a、第二连杆4b、第三连杆4c、第四连杆4d、第五连杆4e、第六连杆4f和第七连杆4g，第一连杆4a、第二连杆4b、第三连杆4c、第五连杆4e均分别安装在拇指关节指套31的末端指节指套3c、中间指节指套3b、前端指节指套3a、掌部仿形塑料壳2上，第四连杆4d的两端分别连接前端指节指套3a、掌部仿形塑料壳2，第一连杆4a、第二连杆连接4b，第二连杆4b、第三连杆4c之间通过第六连杆4f连接，第三连杆4c、第五连杆4e之间通过第七连杆4g连接，第五连杆4e或第七连杆4g通过一所述牵拉件二9连接至相应舵机5，牵拉件二9位于第五连杆4e和第七连杆4g相互连接的位置近侧。

所述拇指关节指套31、食指关节指套32、中指关节指套33、无名指关节指套32、小指关节指套35的前端指节指套3a、中间指节指套3b和末端指节指套3c的背面和掌部仿形塑料壳2的背面均安装有安装座10，各连杆一41、各连杆二42、各连杆三43、各连杆五45、各连杆九49、各连杆十40、第一连杆4a、第二连杆4b、第三连杆4c、第四连杆4d均铰接安装在相应安装座10上。

所述的各连动结构4均为金属材质，质硬，能够有效连动手指灵活运动。

本发明的外骨骼机械辅助手是一款基于正常人手指结构与运动仿生原理来设计的能够穿戴在人们手上的一种辅助型工具，能覆盖整只手掌，通过手指关节之间的配合，实现手指间的灵活运动。在人们在抓持重物时，能够辅助抓持，使得抓持的物品更加稳固。

外骨骼机械辅助手在人正常穿戴的初始状态为微弯曲状态。在工作状态下，当佩戴者需要用力的时候，它会协助用力；当不需要用力时，就像普通的手套一样。

在工作状态下，也就是佩戴者需要用力时，以五个舵机5作为驱动动力，以五条钢索和五个连动结构4带动每根手指运动，实现手指的弯曲，从而实现手指握紧这一动作，舵机5的使用能够加强至少2倍的握力，可以模仿人类手臂的肌肉伸缩动作，协助使用者以更小的力去完成同样的工作，比如让机械维修师能够轻松使用上更重的工具。采用每个舵机5控制一根手指的控制方式，可以使外骨骼机械辅助手更加偏向于人的手掌，通过单片机控制系统控制不同的舵机5，从而可以实现手指的灵活运动。钢索所牵拉移动的距离为0-3cm，让手指处于不同程度的抓紧状态，所以舵机5转动的角度从0°到60°之间完全可以实现抓紧不同半径的物体。

外骨骼机械辅助手的每个指尖指纹处安装有压力传感器6，当需要抓持物品时，只需要做正常的抓持物品的动作，当压力传感器6受到压力的时候，压力传感器6在物品和指尖的挤压下做出反应，单片机控制系统就会控制舵机5运作，把钢索收紧的同时，也会带动手指更加有力的去抓持物品，在这个过程中，可以实现提高至少5倍以上的握力。当需要松开的时候，也就是不需要用力时，只需要把手指松开，压力传感器6不受力的时候，舵机5就会停止工作，手指就可以松开，这时的外骨骼机械辅助手与普通的手套一样。

外骨骼机械辅助手也可以用作医疗康复机器，当作为医疗康复机器时，只需要将压力传感器换为手动控制开关，打开开关按钮，则舵机运作，驱动使用者的手指进行屈曲伸展康复训练。能够帮助早期偏瘫患者随时随地的进行手部康复活动。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.一种外骨骼机械辅助手，包括机械结构部分和动力部分，其特征在于：所述机械结构部分包括塑料手腕套、按照完整的手掌仿形设置的掌部仿形塑料壳和手指关节塑料指套、以及装于掌部仿形塑料壳和手指关节塑料指套背面的连动结构，塑料手腕套与掌部仿形塑料壳连接，所述动力部分包括舵机和压力传感器，舵机安装于掌部仿形塑料壳背面且通过牵拉件连接连动结构，压力传感器安装于手指关节塑料指套的指尖部位，舵机和压力传感器电连接至单片机控制系统。

2.如权利要求1所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述牵拉件的牵拉移动范围为0-3cm，舵机的转动角度为0-60°。

3.如权利要求2所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述手指关节塑料指套的指尖部位的表面为粗糙面，压力传感器位于粗糙面处。

4.如权利要求3所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述手指关节塑料指套的指尖部位的粗糙面为指纹式粗糙面。

5.如权利要求4所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述手指关节塑料指套包括拇指关节指套、食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套，食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套、拇指关节指套的背面均装有一所述连动结构，各连动结构连接一所述舵机，拇指关节指套、食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套均包括彼此铰接连接的前端指节指套、中间指节指套和末端指节指套，各连动结构安装在相应的前端指节指套、中间指节指套和末端指节指套上。

6.如权利要求5所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套上的各连动结构均包括连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五、连杆六、连杆七、连杆八、连杆九和连杆十，连杆一、连杆二、连杆三、连杆五均分别安装在末端指节指套、中间指节指套、前端指节指套、掌部仿形塑料壳上，连杆四通过连杆九和连杆十分别连接前端指节指套和掌部仿形塑料壳，连杆一与连杆二连接，连杆二和连杆三之间通过连杆六连接，连杆三和连杆四之间通过连杆七连接，连杆四和连杆五之间通过连杆八连接。

7.如权利要求6所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述拇指关节指套上的连动结构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆和第七连杆，第一连杆、第二连杆、第三连杆、第五连杆均分别安装在拇指关节指套的末端指节指套、中间指节指套、前端指节指套、掌部仿形塑料壳上，第四连杆的两端分别连接前端指节指套、掌部仿形塑料壳，第一连杆、第二连杆连接，第二连杆、第三连杆之间通过第六连杆连接，第三连杆、第五连杆之间通过第七连杆连接。

8.如权利要求7所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述拇指关节指套、食指关节指套、中指关节指套、无名指关节指套、小指关节指套的前端指节指套、中间指节指套和末端指节指套的背面和掌部仿形塑料壳的背面均安装有安装座，各连杆一、各连杆二、各连杆三、各连杆五、各连杆九、各连杆十、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆均安装在相应安装座上，牵拉件包括牵拉件一和牵拉件二，所述的各连杆五均为v型连杆，各V型连杆的一边与相应的连杆八连接，各V型连杆的另一边通过一所述牵拉件一连接至相应舵机，第五连杆或第七连杆通过一所述牵拉件二连接至相应舵机，牵拉件二位于第五连杆和第七连杆相互连接的位置近侧。

9.如权利要求1-4任一项所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述塑料手腕套与手掌仿形壳之间通过弹性伸缩软带连接。

10.如权利要求9所述的外骨骼机械辅助手，其特征在于：所述弹性伸缩软带安装于塑料手腕套与手掌仿形壳的背面，塑料手腕套的正面开有裂口。

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