CN110812119B - 手部外骨骼机构及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种手部外骨骼机构及机器人，旨在解决现有技术中手部外骨骼机器人无法兼具手指关节运动相容、体积小、质量轻的问题，本发明提供一种手部外骨骼机构包括第一关节单元、第二关节单元；第二关节单元设置有弧状连杆，第二关节单元通过弧状连杆与第一关节单元铰接，并且弧状连杆与第二关节单元铰接，第一关节单元与第二关节单元分别绑缚与手指关节的两端，本发明弧状连杆依据其相对于第二关节单元的位置对第一关节单元提供被动的拉力或推力，实现手指的弯曲和伸展运动，帮助患者做康复训练或者日常生活中助力。本发明手部外骨骼机器人体积小、质量轻、驱动力大、和人手关节运动相容、成本低、易于批量化生产。

Description

手部外骨骼机构及机器人

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种手部外骨骼机构及机器人。

背景技术

近年来，由于车祸、工伤等事故和脑卒中、脊髓损伤等神经系统功能障碍引起手部运动功能障碍的患者数量在不断增加，以及康复治疗成本的增长和康复医师的不足，康复需求问题日益突出。近年来，诸多临床试验表明，康复机器人能在一定程度上可以帮助运动功能障碍患者恢复其肢体主动控制能力，受到了社会各界的广泛关注。现有的绳驱手部外骨骼机器人主要有运动相容设计和运动不相容设计两种形式。手部外骨骼机器人采用运动相容设计，具有机器人关节和手指关节轴线自动对齐优点。但是，存在体积大，质量重的缺点。手部外骨骼机器人采用运动不相容设计，具有体积小，质量轻的优点。但是，存在手指关节和机器人关节轴线不对齐，导致运动不相容的缺点。因此，需要一种新的手部外骨骼机器人，以解决或至少减轻上述矛盾的发生。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中手部外骨骼机器人无法兼具手指关节运动相容、体积小、质量轻的问题，本发明提供一种手部外骨骼机构，包括第一关节单元、第二关节单元、动力装置；

所述第一关节单元包括第一固定部、第一基座；所述第一基座可以通过所述第一固定部固定于手指设定位置；

所述第二关节单元包括第二固定部、第二基座、联动构件；所述第二基座可以通过所述第二固定部固定于手指设定位置或手掌设定位置；所述第二基座包括导向装置，所述导向装置包括直线导向部和移动部；所述联动构件为弧形构件，其弯曲方向与手指的弯曲方向一致；所述联动构件的两端分别与所述导向装置的移动部、所述第一基座铰接；所述直线导向部的导向方向与手指长度方向一致；

所述动力装置用于驱动所述移动部沿所述直线导向部移动。

在一些优选技术方案中，所述动力装置通过牵引连接件驱动所述移动部移动，所述移动部设置有连接孔，所述牵引连接件通过所述连接孔与所述移动部固定，用以带动所述移动部移动。

在一些优选技术方案中，所述牵引连接件包括第一牵引连接件和第二牵引连接件，

所述第一牵引连接件两端分别与所述动力装置的输出端和所述移动部固定，所述第一牵引连接件能够在所述动力装置的驱动下带动所述移动部移动；

所述第二牵引连接件两端分别与所述动力装置的输出端和所述移动部固定，所述第二牵引连接件能够在所述动力装置的驱动下带动所述移动部移动；

所述第一牵引连接件与所述第二牵引连接件牵引方向相反。

在一些优选技术方案中，所述直线导向部还包括滑轮导向结构，所述滑轮导向结构用于改变所述牵引连接件的牵引方向。

在一些优选技术方案中，所述第一牵引连接件与所述第二牵引连接件均为柔性连接件；

所述第一牵引连接件、所述第二牵引连接件与所述动力装置输出端缠绕方向相反，

所述第二牵引连接件穿设于所述滑轮导向结构后，与所述移动部的连接孔固定；

在同一时刻，有且仅有一条牵引连接件能够带动所述移动部移动。

在一些优选技术方案中，所述动力装置与所述移动部之间设置有导管，所述第一牵引连接件和所述第二牵引连接件均穿设于所述导管与所述移动部连接。

在一些优选技术方案中，所述第二关节单元设置有位移传感器，所述位移传感器设置于所述直线导向部内侧面，所述位移传感器用以检测所述移动部的位移。

在一些优选技术方案中，所述位移传感器包括电路板，所述电路板沿所述直线导向部延伸方向横向设置于所述直线导向部与所述移动部的接触面；

所述电路板上横向设置有两条沟槽，所述两条沟槽上下分布，且所述两条沟槽外表面分别均匀印刷有电阻率互不相同的金属膜。

在一些优选技术方案中，所述移动部与所述直线导向部接触面设置有金属弹片，所述移动部通过所述金属弹片与所述电路板连接；

所述电路板基于所述金属弹片与所述位移传感器接触位置的变化，通过外围电路测得所述位移传感器电阻值的变化，得出所述移动部在所述直线导向部中的位置。

在一些优选技术方案中，本发明一种包括上述任一方案中所述的手部外骨骼机构，其中，所述第二关节单元为多个，多个所述第二关节单元顺次设置，相邻所述第二关节单元之间通过所述联动构件铰接。

本发明的有益效果:

本发明可以通过更换直线导向结构和联动构件长度，实现对手指活动角度的调节。具体使用时，还可通过调节第二关节单元的个数，以及第一关节单元和第二关节单元在手部的绑缚位置，实现对患者手指活动角度的调节。

本发明利用电阻式位移传感器对移动部位置检测，使手部外骨骼机构具备传感能力的同时，能够降低使用本发明手部外骨骼机器人的尺寸，同时对环境的抗干扰能力强。

本发明手部外骨骼机器人的体积小，质量轻，运动范围可调，制造简单、成本低，易于实现批量化生产。

本发明手部外骨骼机器人用于帮助存在手部运动障碍的患者活动手指，协助治疗师做康复训练，同时该手部外骨骼机器人也可帮助手指力量小的人进行日常行为操作，给其助力。该手部外骨骼机器人灵活轻巧，可以广泛用于多个领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种实施例的手部外骨骼机器人整体结构的穿戴以及驱动手指伸展状态下示意图；

图2为本发明一种实施例的手部外骨骼机器人的驱动手指弯曲状态下示意图；

图3为本发明一种实施例的手部外骨骼机构结构示意图；

图4为本发明一种实施例的手部外骨骼机器人结构示意图；

图5为本发明一种实施例中移动部与牵引连接件的连接示意图；

图6为本发明一种实施例中动力装置与牵引连接件的连接示意图。

附图标记列表：

100-第一关节单元，110-第一固定部，120-第一基座；200-第二关节单元，210-第二固定部，220-第二基座，230-联动构件，240-直线导向部，250-电路板，260-牵引连接件，261-第一牵引连接件，262-第二牵引连接件，270-导管，280-移动部，290-滑轮导向结构；300-第三关节单元，310-第三固定部，320-第三基座，330-第二联动构件；400-可拆卸连接件；500-动力装置。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明一方面提供一种手部外骨骼机构，包括第一关节单元、第二关节单元、动力装置；

所述第一关节单元包括第一固定部、第一基座；所述第一基座可以通过所述第一固定部固定于手指设定位置；

所述第二关节单元包括第二固定部、第二基座、联动构件；所述第二基座可以通过所述第二固定部固定于手指设定位置或手掌设定位置；所述第二基座包括导向装置，所述导向装置包括直线导向部和移动部；所述联动构件为弧形构件，其弯曲方向与手指的弯曲方向一致；所述联动构件的两端分别与所述导向装置的移动部、所述第一基座铰接；所述直线导向部的导向方向与手指长度方向一致；

所述动力装置用于驱动所述移动部沿所述直线导向部移动。

本发明另一方面提供一种手部外骨骼机器人，包括上述的手部外骨骼机构，其中

所述第二关节单元为多个，多个所述第二关节单元顺次设置，相邻所述第二关节单元之间通过所述联动构件铰接。

为了更清晰地对本发明手部外骨骼机构及机器人进行说明，下面结合附图对本方发明一种优选实施例进行展开详述。

作为本发明的一个优选实施例，本发明一方面提供一种如图3所示的手部外骨骼机构，其包括第一关节单元、第二关节单元、动力装置，本发明另一方面提供一种如图4所示的手部外骨骼机器人，其包括上述动力装置、上述第一关节单元、以及一个或多个上述第二关节单元，多个所述第二关节单元顺次设置。具体地，图1示意了一种本发明的优选实施例的手部外骨骼机器人，其包括一个第一关节单元，以及两个第二关节单元，为便于本领域技术人员理解，本实施例附图将两个第二关节单元通过标号进行区分，即第一关节单元100、第二关节单元200、第三关节单元300，需要说明的是，第三关节单元300与第二关节单元200完全相同，两关节单元仅标号不同。

进一步地，参阅图2和图3，第一关节单元100包括第一固定部110、第一基座120；第一基座120可以通过第一固定部110固定于手指设定位置；图2示意为将第一关节单元100固定于手指中节。

第二关节单元200包括第二固定部210、第二基座220、联动构件230；第二基座220可以通过第二固定部210固定于手指设定位置或手掌设定位置；所述第二基座220包括导向装置，所述导向装置包括直线导向部240和移动部280；所述联动构件230为弧形构件，其弯曲方向与手指的弯曲方向一致；所述联动构件230的两端分别与所述导向装置的移动部280、所述第一基座110铰接；所述直线导向部240的导向方向与手指长度方向一致；所述动力装置500用于驱动所述移动部沿所述直线导向部移动。图2示意为将第二关节单元200固定于手指近节。参阅图1和图2，使用者穿戴本发明手部外骨骼机器人时，当第二关节单元200的移动部280在动力装置的驱动下沿直线导向部240向前方移动，即第一关节单元100所在方向移动时，移动部280与联动构件230连接处可以被动转动，由于第一关节单元100直接绑缚于手指第二指节，不能发生相对位移，并且第二关节单元200、第一关节单元100与联动构件230铰接处均可以被动转动，此时由于联动构件230长度保持不变，穿戴第一关节单元100的手指关节会弯曲。当移动280部在动力装置驱动下，沿着直线导向部240向后运动时，由于第一关节单元100直接绑缚于手指第二指节，不能发生相对位移，此时由于联动构件230长度保持不变，绑缚第一关节单元的手指指节会伸展。需要说明的是，本发明的手部外骨骼机构安装条件为手指关节的两端，即第一关节单元100与第二关节单元200安装后两关节单元相对位置可变。

进一步地，本实施例附图4示意为使用本发明手部外骨骼机构的手部外骨骼机器人，所述手部外骨骼机器人还包括第三关节单元300，所述第三关节单元300与第二关节单元200结构相同，所述第二关节单元200与所述第三关节单元300之间通过第二联动构件330铰接，本领域技术人员可以理解的是，为使得第二联动构件330与第二基座220固定吗，应适当改变第二基座220的结构，增设连接结构，用于固定第二联动构件330，附图仅为基座的一种示意，本领域技术人员也可根据实际情况灵活设计基座结构，这种对基座结构、大小的改变并不偏离本发明的原理，均应当限定在本发明的保护范围之内。接着参阅图2，其示意为将第三关节单元300的第三固定部310将第三基座320固定于手掌处。本领域技术人员可以理解的是，同上述原理一致，第三关节单元300中移动部的前后移动亦可实现手指近节关节的弯曲及伸展运动。

优选地，所述动力装置500通过牵引连接件260驱动所述移动部280移动，所述移动部280设置有连接孔，所述牵引连接件260通过所述连接孔与所述移动部280固定，用以带动所述移动部280移动。需要说明的是，本实施例仅为本发明的一个优选实施例，附图示意的实施例为移动部280与直线导向部240之间为滑动连接，本领域技术人员亦可将移动部280与直线导向部240设置为滚动连接，例如齿轮齿条等。这种对移动部结构和运动原理的改变均不超出本发明的原理和范围，均应限定在本发明的保护范围之内。

具体参阅图3，牵引连接件260包括第一牵引连接件261和第二牵引连接件262，所述第一牵引连接件261两端分别与所述动力装置500的输出端和所述移动部280固定，所述第一牵引连接件261能够在所述动力装置500的驱动下带动所述移动部280移动；

所述第二牵引连接件262两端同样分别与所述动力装置500的输出端和所述移动部280固定，所述第二牵引连接件262能够在所述动力装置500的驱动下带动所述移动部280移动；参阅图5，所述第一牵引连接件261与所述第二牵引连接件262的牵引方向相反。

优选地，为使得所述第一牵引连接件261与所述第二牵引连接件262的牵引方向相反，本发明采用滑轮导向结构290为所述第二牵引连接件262进行导向，滑轮导向结构290通过可拆卸连接件400固设于直线导向部240，所述滑轮导向结构290用于改变所述牵引连接件的牵引方向，附图示意的可拆卸连接件400为螺丝钉，本领域技术人员可根据实际情况灵活更改其结构，例如螺栓、铆接、焊接均可，只要能够使滑轮导向结构290固设于第二基座上即可。

进一步地，本实施例优选牵引连接件260为柔性连接件，则所述第一牵引连接件261和所述第二牵引连接件262均能够改变形状，如图6所示，通过将所述第一牵引连接件261、所述第二牵引连接件262与所述动力装置500输出端缠绕方向相反设置，使得动力装置500在工作状态下，实现对一个牵引连接件收回，另一个牵引连接件释放；本实施例优选将所述第二牵引连接件262穿设于所述滑轮导向结构290后，与所述移动部280的连接孔固定。使得在同一时刻，有且仅有一条牵引连接件能够带动所述移动部移动。本发明的动力装置优选选用能够实现正反转的动力装置，以实现在对一个牵引连接件收回时，对另一个牵引连接件进行释放。

更进一步地，所述动力装置500与所述移动部280之间设置有导管270，所述第一牵引连接件261和所述第二牵引连接件262均穿设于所述导管280与所述移动部280连接。所述导管270一方面用于牵引连接件受力，另一方面为保护牵引连接件避免运动干涉，本发明通过导向装置和牵引连接件的结合设置，使得本发明的牵引连接件仅通过一根导管270即可实现手部外骨骼机器人的拉伸或弯曲动作，减轻了本发明手部外骨骼机器人的结构重量和体积。减轻使用者使用负担，提高灵敏度。

需要说明的是，上述本发明优选实施例为动力装置通过柔性牵引连接件驱动移动部往复移动，本领域技术人员也可根据实际情况更换牵引连接件，采用其他传动结构代替，以实现动力装置驱动移动部往复移动，利于齿轮和两个齿条，在动力装置输出端设置齿轮，两齿条分别设置于齿轮两侧，即同一时间内，动力装置驱动齿轮转动，同时与齿轮啮合的两个齿条实现运动方向相反，即实现对移动部往复运动，具体结构不再详细说明，本发明采用牵引连接件，其材质为鲍登线、尼龙绳、钢丝绳、碳素绳、编织绳等，是在不偏离本发明原理下最优的选择。本领域技术人员可根据实际需求灵活设置动力装置与移动部之间的传动关系，在此不再一一赘述。

在本发明的一些优选实施例中，第二关节单元还设置有位移传感器，所述位移传感器包括电路板250，所述电路板250沿所述直线导向部240延伸方向横向设置于所述直线导向部240与所述移动部280的接触面一侧；所述电路板250上横向设置有两条沟槽，所述两条沟槽上下分布，优选地，所述两条沟槽平行设置。所述两条沟槽外表面分别均匀印刷有电阻率互不相同的金属膜，其中一条沟槽外表面印刷上电阻率几乎为零的金属膜，另一道沟槽里面印刷上电阻均匀分布的金属氧化膜。

所述移动部280与所述电路板250相近面设置有金属弹片，所述金属弹片与电路板250紧密贴合，所述移动部280通过所述金属弹片与所述电路板250连接，当移动部280在直线导向部240内移动时，电路板250通过外部电路检测到输出阻值会发生变化，以此来检测出直线关节的位置，构成位移传感器。所述电路板250基于所述金属弹片与所述位移传感器接触位置的变化，通过外围电路测得所述位移传感器电阻值的变化，得出所述移动部280在所述直线导向部240中的位置。通过对移动部及直线导向部结构增加电路板及金属弹片以进行改造，使得本发明手部外骨骼机构自带位移传感器，无需外接位移传感器，减轻了本发明手部外骨骼机器人的重量，增强手部外骨骼机器人的灵活度，提升使用者的使用感受及体验度。本发明中，虽然图中并未示出，但是发明的手指外骨骼机器人除了图中所示的结构之外还包括控制电路。由于是本领域技术人员所熟知的结构、装置，所以此处不再做过多说明。

本实施例另一方面提供一种手部外骨骼机器人，所述手部外骨骼机器人包括上述手部外骨骼机构，其中，所述第二关节单元为多个，多个所述第二关节单元顺次设置，相邻所述第二关节单元之间通过所述联动构件铰接。图1和图2即为本发明一种手部外骨骼机器人的实施例。本领域技术人员可根据实际需要灵活设置第二关节单元的个数；例如：

当第二关节单元个数为一个时，所述第一关节单元100可以套设在手指末节，所述第二关节单元200可以套设在手指中节；或者所述第一关节单元100可以固定在手指中节，所述第二关节单元200可以固定在手指近节；或者所述第一关节单元100可以绑缚在手指近节，所述第二关节单元200可以绑缚在手掌处。

当第二关节单元个数为两个时，两个第二关节单元顺次设置，可以参阅图1和图2设置，还可以将第一关节单元设置于手指末节，两个第二关节单元顺次分别设置于手指中节和手指近节。

当第二关节单元个数为三个时，三个第二关节单元顺次设置，将第一关节单元设置于手指末节，三个第二关节单元顺次分别设置于手指中节、手指近节、和手掌处。需要说明的是，虽然多个第二关节单元结构相同，但是由于手指关节的长度和宽度不同，需要根据实际情况灵活调整用于绑缚手指及手掌的固定部，以及联动构件的弧度及长度等结构，这种对本发明零部件大小和尺寸的调整均不偏离本发明的原理和范围，均应限定在本发明的保护范围之内。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：

本发明可以通过更换直线导向结构和联动构件长度，实现对手指活动角度的调节。具体使用时，还可通过调节第二关节单元的个数，以及第一关节单元和第二关节单元在手部的绑缚位置，实现对患者手指活动角度的调节。

本发明利用电阻式位移传感器对移动部位置检测，使手部外骨骼机构具备传感能力的同时，能够降低使用本发明手部外骨骼机器人的尺寸，同时对环境的抗干扰能力强。

本发明手部外骨骼机构及机器人体积小，质量轻，运动范围可调，制造简单、成本低，易于实现批量化生产。

本发明手部外骨骼机器人用于帮助存在手部运动障碍的患者活动手指，协助治疗师做康复训练，同时该手部外骨骼机器人也可帮助手指力量小的人进行日常行为操作，给其助力。该手部外骨骼机器人灵活轻巧，可以广泛用于多个领域。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种手部外骨骼机构，其特征在于，包括第一关节单元、第二关节单元、动力装置；

所述第一关节单元包括第一固定部、第一基座；所述第一基座可以通过所述第一固定部固定于手指设定位置；

所述第二关节单元包括第二固定部、第二基座、联动构件；所述第二基座可以通过所述第二固定部固定于手指设定位置或手掌设定位置；所述第二基座包括导向装置，所述导向装置包括直线导向部和移动部；所述联动构件为弧形构件，其弯曲方向与手指的弯曲方向一致；所述联动构件的两端分别与所述导向装置的移动部、所述第一基座铰接；所述直线导向部的导向方向与手指长度方向一致；

所述动力装置通过牵引连接件驱动所述移动部沿所述直线导向部移动；

所述牵引连接件包括牵引方向相反的第一牵引连接件和第二牵引连接件；所述第一牵引连接件两端分别与所述动力装置的输出端和所述移动部固定，所述第一牵引连接件能够在所述动力装置的驱动下带动所述移动部移动；所述第二牵引连接件两端分别与所述动力装置的输出端和所述移动部固定，所述第二牵引连接件能够在所述动力装置的驱动下带动所述移动部移动，所述直线导向部还包括滑轮导向结构，所述滑轮导向结构用于改变所述牵引连接件的牵引方向。

2.根据权利要求1所述的手部外骨骼机构，其特征在于，所述移动部设置有连接孔，所述牵引连接件通过所述连接孔与所述移动部固定，用以带动所述移动部移动。

3.根据权利要求1所述的手部外骨骼机构，其特征在于，所述第一牵引连接件与所述第二牵引连接件均为柔性连接件；

所述第一牵引连接件、所述第二牵引连接件与所述动力装置输出端缠绕方向相反，

所述第二牵引连接件穿设于所述滑轮导向结构后，与所述移动部的连接孔固定；

在同一时刻，有且仅有一条牵引连接件能够带动所述移动部移动。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的手部外骨骼机构，其特征在于，所述动力装置与所述移动部之间设置有导管，所述第一牵引连接件和所述第二牵引连接件均穿设于所述导管与所述移动部连接。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的手部外骨骼机构，其特征在于，所述第二关节单元设置有位移传感器，所述位移传感器设置于所述直线导向部内侧面，所述位移传感器用以检测所述移动部的位移。

6.根据权利要求5所述的手部外骨骼机构，其特征在于，所述位移传感器包括电路板，所述电路板沿所述直线导向部延伸方向横向设置于所述直线导向部与所述移动部的接触面；

所述电路板上横向设置有两条沟槽，所述两条沟槽上下分布，且所述两条沟槽外表面分别均匀印刷有电阻率互不相同的金属膜。

7.根据权利要求6所述的手部外骨骼机构，其特征在于，所述移动部与所述直线导向部接触面设置有金属弹片，所述移动部通过所述金属弹片与所述电路板连接；

所述电路板基于所述金属弹片与所述位移传感器接触位置的变化，通过外围电路测得所述位移传感器电阻值的变化，得出所述移动部在所述直线导向部中的位置。

8.一种手部外骨骼机器人，其特征在于，包括上述权利要求1-7中任一项所述的手部外骨骼机构，其中

所述第二关节单元为多个，多个所述第二关节单元顺次设置，相邻所述第二关节单元之间通过所述联动构件铰接。

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