CN111135011B - 一种闭链级联式可穿戴外骨骼手部机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可穿戴外骨骼机械手领域，尤其涉及一种闭链级联式可穿戴外骨骼机器人，包括：四指传动机构、拇指传动机构、手背板、电机托板和电机，所述电机和其他控制电路等放置在所述电机托板上，所述电机托板与所述手背板连接，各个手指运动辅助机构的各零部件长度与对应手指长度呈比例，所述闭链级联式可穿戴外骨骼机器人由电机驱动，由闭链级联式多杆结构组成的所述四指传动机构和所述拇指传动机构传动。本发明采用闭链级联式连杆传动结构，能够对手指每个关节进行大角度范围的驱动，活动空间大，在手指关节处不采用机构连接，通过人体手部自身关节进行结构连接，实现了人机共融，能够适应不同使用者的手指尺寸特征，增加了穿戴的舒适度。

Description

一种闭链级联式可穿戴外骨骼手部机器人

技术领域

本发明涉及可穿戴外骨骼机械手领域，尤其涉及一种基于闭链级联式结构的可穿戴外骨骼手部机器人。

背景技术

手是人体最重要的器官之一，同时也是骨骼结构最复杂的器官之一。由于手在人们的生产生活中占据极为重要的位置，会使用手去完成一些较为危险的活动，时常造成手部损伤且手部损伤后康复周期长，同时对完成精细动作的功能恢复大多不理想，严重影响了患者的生活质量。另外，脑卒中导致的手部运动功能障碍，也急需有效的手部康复训练，综上所述，如何促进受伤后或脑卒中后的手部功能恢复，显得至关重要。

加拿大骨科医生罗伯特·索尔特在1960年提出了连续被动活动康复疗法(Continuous Passive Motion，CPM)。通过外力带动患肢做长时间全范围的被动活动，以此阻止病患关节的僵硬，并促进患肢血液循环达到加速康复的目的。CPM疗法已被证实效果明显，但由于高强度和高重复性的特点，对理疗师的劳动强度提出了很高要求。为解决上述问题，机器人及其相关技术被应用到手部康复中，利用手部外骨骼系统代替理疗师，驱动患肢进行被动运动，促进手部功能恢复。

外骨骼原指一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型、建筑和保护的坚硬外部结构。外骨骼机器人是一种由刚性的框架构成并且可以穿戴的机器装置，可以提供额外能量来供应或者辅助相应的肢体运动，实践证明外骨骼机器人能够在人们的生产生活中进行正常肢体的运动力量增强或者患侧肢体的运动功能改善。

人体手部共有约21个自由度，骨骼结构复杂，使得手部外骨骼机器人的设计更加困难。经过文献检索发现，国内在手部外骨骼机器人的研究仍处于初期阶段。中国专利申请号为：201310217665.3的发明专利公开了一种基于记忆合金驱动的手部外骨骼康复系统，该专利所述的手部外骨骼装置采用记忆合金驱动，四连杆机构传动，结构简单且易于实现。但仍存在以下问题：

（1）外骨骼装置与人手结合的部分为固定连接，对不同体态的手部无法适应匹配，而且即使对于同一体态的手部，也不能做到穿戴时的位置调整，穿戴舒适性和长时间使用的安全性不高。

（2）外骨骼传动部分采用的四连杆机构存在以下弊端：机构运动空间小，进而对手指关节的驱动幅度小，无法满足手指大角度运动需求；机构只能对手部的指掌关节（Metacarpophalangeal，MCP）、指间关节（Proximal Interphalangeal，PIP）进行运动辅助，不能对除拇指外其他四指的第三个关节进行运动辅助，如远指关节（Distal Phalangeal，DP）；

针对上述问题，设计一种能够进行人机融合、驱动手部全关节、运动空间大的外骨骼手部机器人变得十分必要。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，设计了一种由电机驱动、局部闭链十杆结构传动、能够进行人机融合的闭链级联式可穿戴外骨骼手部机器人。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种闭链级联式可穿戴外骨骼手部机器人，包括四指传动机构、拇指传动机构、手背板、电机托板和电机；

所述四指传动机构包括：托板组、摇杆组、连杆组和绑带，所述四指传动机构包括了食指、中指、环指和小指的运动辅助机构，根据人体手部食指、中指、环指和小指的长度比例，所述四指传动机构中各个手指运动辅助机构的各零部件长度也呈对应比例，但四指的运动辅助机构具有完全相同的结构；

进一步地，所述托板组包括：MCP托板、PIP托板和DP托板，其中，在穿戴时所述MCP托板对应放置在手指的近指端，所述PIP托板对应放置在手指的中指端，所述DP托板对应放置在手指的远指端；

进一步地，所述摇杆组包括：第一摇杆、第二摇杆、第三摇杆、第四摇杆和第五摇杆，所述第一摇杆、第二摇杆、第三摇杆、第四摇杆分别与所述托板组的各个托板铰接，所述第五摇杆是所述四指传动机构的输入杆，与所述手背板铰接；

进一步地，所述连杆组包括：第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆分别与所述摇杆组铰接；

进一步地，所述绑带分别与所述托板组固连，并绑系在手指对应的近指端、中指端和远指端；

所述拇指传动机构包括：拇指托板组、拇指摇杆组 、拇指连杆组和绑带；

进一步地，所述拇指托板组包括：MCP拇指托板、PIP拇指托板和DP拇指托板，其中，在穿戴时所述MCP拇指托板对应放置在手指的近指端，所述PIP拇指托板对应放置在手指的中指端，所述DP拇指托板对应放置在手指的远指端；

进一步地，所述拇指摇杆组包括：第一拇指摇杆、第二拇指摇杆、第三拇指摇杆和第四拇指摇杆，所述第一拇指摇杆、第二拇指摇杆和第三拇指摇杆分别与所述拇指托板组的各个拇指托板铰接，所述第四拇指摇杆是所述拇指传动机构的输入杆，与所述手背板铰接；

进一步地，所述拇指连杆组包括：第一拇指连杆、第二拇指连杆和第三拇指连杆，所述第一拇指连杆、第二拇指连杆和第三拇指连杆分别与所述拇指摇杆组铰接；

所述手背板包括：传动机构铰接孔、束带孔和电机托板连接孔，所述传动机构铰接孔按人体手指的位置在所述手背板上分布五列，每列共有两个共线排列的所述手背板铰接孔，靠近手腕一侧的所述手背板铰接孔与所述第五摇杆和所述第四拇指摇杆的中间孔铰接，靠近手指一侧的所述手背板铰接孔与所述的第三摇杆和所述第二拇指摇杆铰接，所述电机托板连接孔用于与所述电机托板连接；

所述电机托板包括：电路盖、拇指电机槽、四指电机槽、连接销和手背板连接孔，所述电路盖下方放置控制电路等电控器件，所述拇指电机槽放置驱动所述拇指传动机构的电机，所述四指电机槽放置驱动所述四指传动机构的电机，所述连接销固定在所述四指电机槽和所述拇指电机槽中，穿过电机尾端孔，所述手背板连接孔用于与所述手背板连接；

所述电机为直线推杆电机，所述电机前后两端均具有铰接孔，所述电机前端的铰接孔与所述第五摇杆或所述第四拇指摇杆的尾端孔铰接；

本发明提供了一种闭链级联式可穿戴外骨骼机器人，所述四指传动机构中的所述托板组与所述摇杆组一端铰接，所述摇杆组另一端与所述连杆组铰接，所述连杆组之间存在相互铰接，所述拇指传动机构中的所述拇指托板组与所述拇指摇杆组一端铰接，所述拇指摇杆组另一端与所述拇指连杆组铰接，所述拇指连杆组之间存在相互铰接，形成了闭链级联式结构，所述四指传动机构和所述拇指传动机构分别与所述手背板铰接，所述手背板与所述电机托板连接，所述电机放置在对应电机槽中，并与所述电机托板、所述四指传动机构和拇指传动机构分别铰接，从而形成一个机器人整体，所述闭链级联式可穿戴外骨骼机器人采用直线推杆电机驱动，采用闭链级联式连杆结构传动，使用所述绑带与使用者手指固定，所述电机伸长时，推动所述四指传动机构和所述拇指传动机构，经过传动后，通过所述拇指托板组推动人体拇指的近指端和远指端，完成拇指指掌关节和指间关节的活动，通过所述托板组推动人体其他四指的近指端、中指端和远指端，完成其他四指指掌关节、指间关节和远指关节的活动，综上，所述闭链级联式可穿戴外骨骼机器人可以辅助穿戴者进行手指各个关节的活动，完成对应的手部康复训练或者手部日常活动；

进一步地，使用者在所述穿戴闭链级联式可穿戴外骨骼机器人时，可以通过调节所述托板组位置和所述绑带来适应手部的体征，从而使得穿戴舒适；

进一步地，所述四指传动机构和所述拇指传动机构并不像绝大多数同类外骨骼结构将各个关节位置进行铰接，而是不采用任何连接，从而使得使用者在调节所述托板组位置时能够自由调节不受结构限制，所述四指传动机构和所述拇指传动机构在进行传动时依靠人手指自身的关节连接实现结构的稳定性，即利用人体手指自身关节作为完成外骨骼机器人运动的一部分结构，实现人机融合；

由于采用上述技术方案，本发明提供一种闭链级联式可穿戴外骨骼机器人，与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）外骨骼机器人的传动结构采用了闭链级联式连杆机构，能够对手指每个关节进行大角度范围的驱动，活动空间增大，能够完成更多手部日常活动，提高康复训练效率。

（2）外骨骼机器人在手指关节处不采用机构连接，而是通过人体手部自身关节进行结构连接，实现了人机共融，能够适应不同使用者的手指尺寸特征，增加了穿戴的舒适度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的闭链级联式可穿戴外骨骼机器人整体结构示意图；

图2为本发明提供的四指传动机构示意图；

图3为本发明提供的拇指传动机构示意图；

图4为本发明提供的手背板结构示意图；

图5为本发明提供的电机托板结构示意图；

图6为本发明提供的手背板与电机托板配合示意图；

图7为本发明提供的四指传动机构与手背板和电机托板配合示意图；

图8为本发明提供的拇指传动机构与手背板和电机托板配合示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述的实施例是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种闭链级联式可穿戴外骨骼机器人，具体结构如图1所示，包括四指传动机构1，拇指传动机构2，手背板3，电机托板4和电机5；

具体地，下文将结合附图对闭链级联式可穿戴外骨骼机器人的结构及原理进行描述：

图2展示的是四指传动机构1的结构示意图，四指传动机构1包括：托板组、摇杆组、连杆组和绑带14，四指传动机构1包括了食指、中指、环指和小指的运动辅助机构，根据人体手部食指、中指、环指和小指的长度比例，四指传动机构1中各个手指运动辅助机构的各零部件长度也呈对应比例，但四指的运动辅助机构具有完全相同的结构；托板组包括：MCP托板113、PIP托板112和DP托板111，其中，在穿戴时MCP托板113对应放置在手指的近指端，PIP托板112对应放置在手指的中指端，DP托板111对应放置在手指的远指端；摇杆组包括：第一摇杆121、第二摇杆122、第三摇杆123、第四摇杆124和第五摇杆125，第一摇杆121一端铰接DP托板111，另一端铰接第二摇杆122和第一连杆131，第二摇杆122一端铰接PIP托板112，另一端铰接第一摇杆121和第一连杆131，第三摇杆123一端铰接MCP托板113，另一端铰接第一连杆131和第二连杆132，第四摇杆124共有两个，二者相互铰接，其中一个的另一端与MCP托板113铰接，另一个的另一端与手背板3的传动机构铰接孔32铰接，第五摇杆125是四指传动机构1的输入杆，中间孔与手背板3铰接，前端与第四连杆134铰接，后端与电机前端铰接孔51铰接；连杆组包括：第一连杆131、第二连杆132、第三连杆133和第四连杆134，第一连杆131、第二连杆132、第三连杆133和第四连杆134分别按上述方式与摇杆组铰接；绑带14分别与托板组固连，并绑系在手指对应的近指端、中指端和远指端；

图3展示的是拇指传动机构2的结构示意图，拇指传动机构2包括：拇指托板组、拇指摇杆组 、拇指连杆组和绑带14；拇指托板组包括：MCP拇指托板212和DP拇指托板211，其中，在穿戴时MCP拇指托板212对应放置在手指的近指端， DP拇指托板211对应放置在手指的远指端；拇指摇杆组包括：第一拇指摇杆221、第二拇指摇杆222、第三拇指摇杆223和第四拇指摇杆224，第一拇指摇杆221一端与DP拇指托板211铰接，另一端与第二拇指摇杆212和第一拇指连杆231铰接、第二拇指摇杆222一端与MCP拇指托板212铰接，另一端与第一拇指摇杆221和第一拇指连杆231铰接，第三拇指摇杆223共有两个，相互铰接，其中一个的另一端与MCP拇指托板铰接，另一个的另一端与手背板3的传动机构铰接孔32铰接，第四拇指摇杆224是拇指传动机构2的输入杆，中间孔与手背板3铰接，前端与第三连杆233铰接，后端与电机前端铰接孔51铰接；拇指连杆组包括：第一拇指连杆231、第二拇指连杆232和第三拇指连杆233，第一拇指连杆231、第二拇指连杆232和第三拇指连杆233分别按上述方式与拇指摇杆组铰接；

图4展示的是手背板3结构示意图，手背板3包括：传动机构铰接孔32、束带孔33和电机托板连接孔31，传动机构铰接孔32按人体手指的位置在手背板3上分布五列，每列共有两个共线排列的传动机构铰接孔32；

图5展示的是电机托板4结构示意图，电机托板4包括：电路盖41、拇指电机槽42、四指电机槽43、连接销44和手背板连接孔45，电路盖41下方放置控制电路等电控器件；

图6展示的是手背板3与电机托板4以及电机5的配合方式，拇指电机槽42放置驱动拇指传动机构2的电机5，四指电机槽43放置驱动四指传动机构1的电机，连接销44固定在四指电机槽43和拇指电机槽42中，穿过电机尾端孔，手背板连接孔45用于与手背板3连接；电机5为直线推杆电机，电机5前后两端均具有铰接孔，电机5前端的铰接孔与第五摇杆125或第四拇指摇杆224的尾端孔铰接；

图7和图8展示的是四指传动机构1、拇指传动机构2与手背板3以及电机托板4配合方式，靠近手腕一侧的传动机构铰接孔32与第五摇杆125和第四拇指摇杆224的中间孔铰接，靠近手指一侧的传动机构铰接孔与四指传动机构1连杆组的第四摇杆124和第三拇指摇杆223铰接，电机托板连接孔31用于与电机托板4连接；

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种闭链级联式可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，包括：

四指传动机构(1)，四指传动机构(1)采用局部闭链多杆传动结构，通过绑带与人体除拇指外的四指束绑连接，受到驱动后，可带动人体手部除拇指外的其他四指各个关节进行弯曲和伸展动作；四指传动机构(1)包括：托板组、摇杆组、连杆组和绑带(14)，四指传动机构(1)包括了食指、中指、环指和小指的运动辅助机构，根据人体手部食指、中指、环指和小指的长度比例，四指传动机构(1)中各个手指运动辅助机构的各零部件长度也呈对应比例，但四指的运动辅助机构具有完全相同的结构，

托板组包括：MCP托板(113)、PIP托板(112)和DP托板(111)，其中，在穿戴时MCP托板(113)对应放置在手指的近指端，PIP托板(112)对应放置在手指的中指端，DP托板(111)对应放置在手指的远指端；摇杆组包括：第一摇杆(121)、第二摇杆(122)、第三摇杆(123)、第四摇杆(124)和第五摇杆(125)，第一摇杆(121)一端铰接DP托板(111)，另一端铰接第二摇杆(122)和第一连杆(131)，第二摇杆(122)一端铰接PIP托板(112)，另一端铰接第一摇杆(121)和第一连杆(131)，第三摇杆(123)一端铰接MCP托板(113)，另一端铰接第一连杆(131)和第二连杆(132)，第四摇杆(124)共有两个，相互铰接，其中一个的前端与MCP托板(113)铰接，另一个的前端与手背板(3)的传动机构铰接孔(32)铰接，两个第四摇杆（124）的后端与第三连杆（133）三者铰接，第三连杆（133）的另一端与第四连杆（134）前端铰接，第五摇杆(125)是四指传动机构(1)的输入杆，中间孔与手背板(3)铰接，前端与第四连杆(134)后端铰接，后端与电机前端铰接孔(51)铰接；连杆组包括：第一连杆(131)、第二连杆(132)、第三连杆(133)和第四连杆(134)，第一连杆(131)、第二连杆(132)、第三连杆(133)和第四连杆(134)分别按上述方式与摇杆组铰接；绑带(14)分别与托板组固连，并绑系在手指对应的近指端、中指端和远指端，

拇指传动机构(2)，拇指传动机构(2)采用局部闭链多杆传动结构，通过绑带与人体拇指束绑连接，受到驱动后，可带动人体手部拇指各个关节进行弯曲和伸展动作；

手背板(3)，手背板(3)通过束带与人体手掌部连接，依靠人体手背支撑，作为四指传动机构(1)和拇指传动机构(2)的机架；

电机托板(4)，电机托板(4)依靠人体前臂支撑，用于放置控制电路、电源及电机，并与手背板(3)连接；

电机（5），电机(5)为直线推杆电机，电机(5)前后两端均具有铰接孔，通过所述铰接孔接入整个设备作为驱动。

2.根据权利要求1所述的一种闭链级联式可穿戴外骨骼机器人，其特征在于，拇指传动机构(2)包括：拇指托板组、拇指摇杆组、拇指连杆组和绑带(14)；拇指托板组包括：MCP拇指托板(212)和DP拇指托板(211)，其中，在穿戴时MCP拇指托板(212)对应放置在手指的近指端， DP拇指托板(211)对应放置在手指的远指端；拇指摇杆组包括：第一拇指摇杆(221)、第二拇指摇杆(222)、第三拇指摇杆(223)和第四拇指摇杆(224)，第一拇指摇杆(221)一端与DP拇指托板(211)铰接，另一端与第二拇指摇杆(222)和第一拇指连杆(231)铰接、第二拇指摇杆(222)一端与MCP拇指托板(212)铰接，另一端和第一拇指摇杆(221)和第一拇指连杆(231)铰接，第三拇指摇杆(223)共有两个，相互铰接，其中一个的前端与MCP拇指托板铰接，另一个的前端与手背板(3)的传动机构铰接孔(32)铰接，两个第三拇指摇杆（223）的后端与第二拇指连杆（232）前端三者铰接，第二拇指连杆（232）后端与第三拇指连杆（233）前端铰接，第四拇指摇杆(224)是拇指传动机构(2)的输入杆，第四拇指摇杆(224)共有前中后3个铰接孔，中间孔与手背板(3)铰接，前端孔与第三拇指 连杆(233)后端铰接，后端孔与电机前端铰接孔(51)铰接；拇指连杆组包括：第一拇指连杆(231)、第二拇指连杆(232)和第三拇指连杆(233)，第一拇指连杆(231)、第二拇指连杆(232)和第三拇指连杆(233)分别按上述方式与拇指摇杆组铰接。

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