CN111249111A - 一种末端牵引式手指康复机器人 - Google Patents

一种末端牵引式手指康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明属于康复医疗器械领域，具体涉及一种末端牵引式手指康复机器人，包括：固定座、动力驱动组件和手指屈伸机构；动力驱动组件包括：伺服电机连接在伺服电机输出轴上的扭矩传感器；与扭矩传感器同轴连接的主动带轮组件，与主动带轮组件相连接的编码器，通过同步带与主动带轮组件连接的从动带轮组件；手指屈伸机构包括：电动推杆、指板、开设在指板滑槽、拇指连接件、第一拇指连杆、第二拇指连杆和指套。本发明由一台伺服电机带动四条同步带运动，并通过指板上的滑槽对运动轨迹的限定，实现了手指的屈伸运动，扭矩传感器精确采集与反馈患者手部力信号，从而判断患者想要运动的方向，更加保证了患者在康复训练时的安全。

Description

一种末端牵引式手指康复机器人
技术领域
本发明属于康复医疗器械技术领域，具体涉及一种末端牵引式手指康复机器人。
背景技术
手是人类生活和从事社会生产劳动的精细“工具”，这个部位的运动障碍会严重影响人们的正常生活。手部运动障碍最好的治疗方法是修复受损神经和连续的被动康复训练，但是传统的一对一的康复治疗存在劳动量大和费用昂贵等问题。随着科学技术的发展，机器人技术被成功引入医疗康复领域，在康复机器人领域，复杂的手部康复是国内外研究的热点之一，通过手指康复机器人进行治疗与传统的治疗方法相比，机器人可以更加精准地控制复杂的运动轨迹，且具有人工成本低、灵活度高、操作简易和疗效好等特点，受到临床医生的高度重视和患者的青睐。
由于手部关节复杂，现有的手指康复机器人，大多存在电机较多、难以实现手部力信号的采集与反馈、结构复杂、安全性低且容易造成二次伤害等问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的电机较多、难以实现手部力信号的采集与反馈、结构复杂、安全性低且容易造成二次伤害的缺陷，提供一种只需一台电机、能够准确采集与反馈手部力信号、结构简单且相对安全的末端牵引式手指康复机器人。
具体的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种末端牵引式手指康复机器人，其包括固定座、安装在所述固定座上的动力驱动组件和两个相对设置并分别与所述固定座滑动连接的手指屈伸机构；
所述动力驱动组件包括固定在所述固定座一端内侧的电机支架、与所述电机支架相对固定在所述固定座另一端内侧的第一支架、安装在所述电机支架上的第二支架、安装在所述电机支架上的伺服电机、与所述伺服电机的输出轴同轴连接的主动带轮组件、转动安装在所述第一支架上的两相对设置的从动带轮组件、依次套设在主动带轮组件和两个从动带轮组件上从而形成三角形布局的同步带以及通过第一联轴器与所述主动带轮组件同轴连接的编码器；
两个手指屈伸机构分别包括设置在所述固定座上的导轨、与所述导轨滑动连接并位于所述同步带外侧的指板以及固定安装在所述固定座上的电动推杆；
所述电动推杆的伸缩端与所述指板的底端固定连接，所述导轨的延伸方向与所述同步带的方向一致，所述指板上开设有至少四个滑槽，所述主同步带上安装有拇指驱动组件和四指驱动组件，所述拇指驱动组件包括固定在所述同步带上的拇指连接件、铰接在所述拇指连接件上的第一拇指连杆、分别与所述第一拇指连杆和所述指板铰接的第二拇指连杆以及铰接在所述第二拇指连杆末端的拇指指套；所述四指屈伸组件包括固定在所述同步带上的四指连杆，所述四指连杆包括食指连杆、中指连杆、无名指连杆和小拇指连杆，所述食指连杆、中指连杆、无名指连杆和小拇指连杆的末端分别铰接有一个指套，所述食指连杆、中指连杆、无名指连杆和小拇指连杆分别穿过一个所述滑槽并与所述滑槽滑动连接。
进一步地，所述动力驱动组件还包括通过第二联轴器与所述伺服电机的输出轴同轴连接的扭矩传感器，所述扭矩传感器通过第三联轴器与所述主动带轮组件同轴连接。
进一步地，所述主动带轮组件包括同轴连接的第一主动带轮、第二主动带轮、第三主动带轮和第四主动带轮。
进一步地，所述同步带包括第一同步带、第二同步带、第三同步带和第四同步带，所述从动带轮组件包括通过第一同步带与所述第一主动带轮传动连接的第一从动带轮、通过第二同步带与所述第二主动带轮传动连接的第二从动带轮、通过第三同步带与所述第三主动带轮传动连接的第三从动带轮以及通过第四同步带与所述第四主动带轮传动连接的第四从动带轮。
进一步地，所述食指连杆、中指连杆、无名指连杆和小拇指连杆的末端呈弯曲状。
进一步地，所述拇指连接件以及食指连杆通过压带件安装在所述第一同步带上，所述中指连杆通过压带件设置在所述第二同步带上，所述无名指连杆通过压带件设置在所述第三同步带上，所述小拇指连杆通过压带件设置在所述第四同步带上。
进一步地，所述指板的底端通过滑块与所述导轨滑动连接。
进一步地，所述指板上自上而下依次开设有四个滑槽，相邻的两个所述滑槽的滑动平面间夹角为12°。
进一步地，所述电动推杆的伸缩端通过推杆连接件与所述指板的底端固定连接。
进一步地，所述食指连杆、中指连杆、无名指连杆和小拇指连杆分别通过滚针轴承沿所述滑槽滑动。
与现有技术相比，本发明的的有益效果如下：
1、本发明通过一台伺服电机带动同步带运动，并通过指板对运动轨迹进行限定从而实现左、右手手指的曲伸运动。
2、本发明通过相对设置的两台电动推杆分别带动位于同步带两侧的指板运动，又由指板上滑槽的限位实现了左右手手指独立的内收/外展运动，结构简单，安全性高。
3、本发明的伺服电机的输出轴上连接有扭矩传感器，患者在主动训练时，扭矩传感器能够精确采集与反馈患者手部力信号，根据扭矩传感器受的力的大小和方向判断患者想要运动的方向，从而控制相应的电机运动辅助训练，而且能够在被动训练时保证患者的安全，避免对患者造成二次伤害。
4、本发明的左右手对应的手指由同一根同步带牵引运动，因此可以通过扭矩传感器实现左、右手的协同训练，当只有一只手有运动障碍时，由另一只健康手对训练位置及训练速度进行控制，更加保证了患者在康复训练时的安全。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例动力驱动组件结构示意图；
图3是本发明实施例主动带轮组件结构爆炸图；
图4是本发明实施例从动带轮组件机构爆炸图；
图5是本发明实施例手指屈伸机构结构示意图；
图6是本发明实施例四指屈伸组件结构示意图；
图7是本发明实施例大拇指连接爆炸图；
图8是本发明实施例四指屈伸组件爆炸图；
图9是本发明实施例手指屈伸机构与电动推杆连接爆炸图；以及
图10是本发明实施例滑槽的分布图。
图中:1、固定座，2、动力驱动组件，20、电机支架，21、第一支架，22、第二支架，23、伺服电机，24、第一联轴器，25、扭矩传感器，26、主动带轮组件，261、第一主动带轮，262、第二主动带轮，263、第三主动带轮，264、第四主动带轮，27、编码器，28、从动带轮组件，281、第一从动带轮，282、第二从动带轮，283、第三从动带轮、284、第四从动带轮，29、同步带，291、第一同步带，292、第二同步带，293、第三同步带，294、第四同步带，210、第二联轴器，211、第三联轴器，3、手指屈伸机构，30、电动推杆，31、推杆连接件，32、指板，33、滑槽，34、压带件，35、拇指驱动组件，351、拇指连接件，352、第一拇指连杆，353、第二拇指连杆，354、拇指指套，36、四指屈伸组件，361、四指连杆，3611、食指连杆，3612、中指连杆，3613、无名指连杆，3614、小拇指连杆，362、四指指套，4、导轨，5、滑块，6、滚针轴承。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图10所示的本发明的一种末端牵引式手指康复机器人的具体实施例，包括：固定座1、安装在固定座1一端的动力驱动组件2和两个相对设置的与固定座1滑动连接的手指屈伸机构3。
动力驱动组件2包括固定在固定座1一端内侧的电机支架20、相对固定在固定座1另一端内侧的第一支架21、安装在电机支架20上的第二支架22、安装在电机支架20上的伺服电机23、与伺服电机23的输出轴同轴连接的主动带轮组件26、转动安装在第一支架21上的两相对设置的从动带轮组件28、依次套设在主动带轮组件26和两个从动带轮组件28上从而形成三角形布局的同步带29以及通过第一联轴器24与主动带轮组件26同轴连接的编码器27。
主动带轮组件26通过轴承安装在第二支架22上，主动带轮组件26和两个从动带轮组件28之间形成三角形布局。通过一台伺服电机23带动主动带轮组件26和从动带轮组件28运动，从而带动铰接在同步带29上的左右手指板32运动，又由左右手指板32上的滑槽33的限位实现患者左右手手指的内收/外展运动。
结合图1和图2，动力驱动组件2还包括通过第二联轴器210与伺服电机23的输出轴同轴连接的扭矩传感器25，扭矩传感器25通过第三联轴器211与主动带轮组件26同轴连接，当患者在主动训练时，扭矩传感器25能够精确采集与反馈患者手部力信号，根据扭矩传感器25受的力的大小和方向判断患者想要运动的方向，从而控制相应的电机运动辅助训练，保证患者的安全，避免对患者造成二次伤害。
参见图3和图4，主动带轮组件26包括同轴连接的第一主动带轮261、第二主动带轮262、第三主动带轮263和第四主动带轮264。从动带轮组件28包括通过第一同步带291与第一主动带轮261传动连接的第一从动带轮281、通过第二同步带292与第二主动带轮262传动连接的第二从动带轮282、通过第三同步带293与第三主动带轮263传动连接的第三从动带轮283以及通过第四同步带294与第四主动带轮264传动连接的第四从动带轮284，通过一台伺服电机23带动四条同步带29运动，并通过位于同步带29两侧的左右手指板32对手指运动轨迹的限定，实现了左右手手指的屈伸运动。
参见图5-图10，手指屈伸机构3包括设置在固定座1上的导轨4、与导轨4滑动连接的位于同步带29外侧的指板32以及固定安装在固定座1上的电动推杆30，电动推杆30的伸缩端与指板32的底端固定连接，导轨4的延伸方向与连接在主动带轮组件26和从动带轮组件28之间的同步带29的方向一致，指板32上开设有至少四个滑槽33，同步带29上固定有的拇指驱动组件35和四指驱动组件35，通过相对设置的两台电动推杆30分别带动位于同步带29两侧的四指屈伸组件36运动，又由指板32上滑槽33的限位实现患者左右手手指独立的内收/外展运动。为了保证在训练时，患者手指能够舒适的插入对应的指套内并自然的沿滑槽33运动，本实施例中相邻的两个滑槽的滑动平面之间的夹角为12°。
结合图6和图7，拇指驱动组件35包括固定在同步带29上的拇指连接件351、铰接在拇指连接件351上的第一拇指连杆352、分别与第一拇指连杆352和指板32顶端铰接的第二拇指连杆353以及铰接在第二拇指连杆353末端的拇指指套354。四指屈伸组件36包括：固定在同步带29上的四指连杆361和分别铰接在四指连杆361上的四指指套362，四指连杆361穿过滑槽33并与其滑动连接，四指连杆361通过滚针轴承6沿滑槽33滑动，指板32的底端通过滑块5与导轨4滑动连接，电动推杆30的伸缩端通过推杆连接件31与指板32的底端固定连接。在训练时，将患者的手指指尖固定在对应的指套中，由伺服电机23带动固定在同步带29上的拇指驱动组件35和四指屈伸组件36运动，又由指板32上滑槽33的限位实现患者手指的屈伸运动。
四指连杆361包括食指连杆3611、中指连杆3612、无名指连杆3613和小拇指连杆3614。四指屈伸组件36的末端为弯曲状。拇指连接件351通过压带件34设置在第一同步带291上，食指连杆3611也通过压带件34设置在第一同步带291上，中指连杆3612通过压带件34设置在第二同步带292上、无名指连杆3613通过压带件34设置在第三同步带293上，小拇指连杆3614通过压带件34设置在第四同步带294上，左右手对应的手指由同一根同步带29牵引运动，因此可以通过扭矩传感器25实现左、右手的协同训练，当只有一只手有运动障碍时，由另一只健康手对训练位置及训练速度进行控制，更加保证了患者在康复训练时的安全。
本发明实施例的具体工作过程为：
被动训练时，将患者的左右手手指指尖分别插入对应的指套中，伺服电机23带动主动带轮组件26及从动带轮组件28运动，进而带动分别与第一同步带291、第二同步带292、第三同步带293和第四同步带294铰接的第二拇指连杆353、食指连杆3611、中指连杆3612、无名指连杆3613和小指连杆沿滑槽33运动，又由指板32上滑槽33对患者手指运动轨迹的限定，实现了患者手指的内收/外展运动。也可由左侧电动推杆30带动左侧指板32在导轨4上滑动，实现左手手指独立的内收/外展运动，右侧电动推杆30带动右侧指板32在导轨4上滑动，实现右手手指独立的内收/外展运动。
当患者只有一只手有运动障碍时，由另一只健康的手对训练位置及训练速度进行控制，扭矩传感器25采集与反馈伺服电机23及人手之间的交互力，并通过电气控制及算法实现患者双手协同训练，保证患者在康复训练时的安全。
当患者在主动训练时，带动主动带轮组件26和从动带轮组件28运动，扭矩传感器25根据主动带轮组件26和从动带轮组件28运动产生的力的大小和方向判断患者主动训练想要运动的方向，从而控制相应的电机运动辅助患者训练，保证患者的安全，避免对患者造成二次伤害。
本发明的末端牵引式手指康复机器人结构简单，只需一台伺服电机23和两台电动推杆30就可实现左、右手手指的内收/外展运动，伺服电机23的输出轴上装有一台扭矩传感器25，通过电气控制及算法可实现对患者手指的被动训练、主动训练及双手协同训练等多种训练模式，功能丰富，成本较低，适合规模商用。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：其包括固定座(1)、安装在所述固定座(1)上的动力驱动组件(2)和两个相对设置并分别与所述固定座(1)滑动连接的手指屈伸机构(3)；
所述动力驱动组件(2)包括：固定在所述固定座(1)第一端内侧的电机支架(20)、与电机支架(20)相对固定在所述固定座(1)第二端内侧的第一支架(21)、安装在所述电机支架(20)上的第二支架(22)、安装在所述电机支架(20)上的伺服电机(23)、与所述伺服电机(23)的输出轴同轴连接的主动带轮组件(26)、转动安装在所述第一支架(21)上的两相对设置的从动带轮组件(28)、依次套设在主动带轮组件(26)和两个从动带轮组件(28)上从而形成三角形布局的同步带(29)以及通过第一联轴器(24)与所述主动带轮组件(26)同轴连接的编码器(27)；
两个手指屈伸机构(3)分别包括设置在所述固定座(1)上的导轨(4)、与所述导轨(4)滑动连接并位于所述同步带(29)外侧的指板(32)以及固定安装在所述固定座(1)上的电动推杆(30)；所述电动推杆(30)的伸缩端与所述指板(32)的底端固定连接，所述导轨(4)的延伸方向与同步带(29)的方向一致，所述指板(32)上开设有至少四个滑槽(33)，所述同步带(29)上安装有拇指驱动组件(35)和四指驱动组件(36)，所述拇指驱动组件(35)包括固定在所述同步带(29)上的拇指连接件(351)、铰接在所述拇指连接件(351)上的第一拇指连杆(352)、分别与第一拇指连杆(352)和所述指板(32)铰接的第二拇指连杆(353)以及铰接在所述第二拇指连杆(353)末端的拇指指套(354)；所述四指屈伸组件(36)包括固定在所述同步带(29)上的四指连杆(361)，四指连杆(361)包括食指连杆(3611)、中指连杆(3612)、无名指连杆(3613)和小拇指连杆(3614)，所述食指连杆(3611)、中指连杆(3612)、无名指连杆(3613)和小拇指连杆(3614)的末端分别铰接有一个四指指套(362)，所述食指连杆(3611)、中指连杆(3612)、无名指连杆(3613)和小拇指连杆(3614)分别穿过一个所述滑槽(33)并与所述滑槽(33)滑动连接。
2.根据权利要求1所述的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述动力驱动组件(2)还包括通过第二联轴器(210)与所述伺服电机(23)的输出轴同轴连接的扭矩传感器(25)，所述扭矩传感器(25)通过第三联轴器(211)与所述主动带轮组件(26)同轴连接。
3.根据权利要求1所述的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述主动带轮组件(26)包括同轴连接的第一主动带轮(261)、第二主动带轮(262)、第三主动带轮(263)和第四主动带轮(264)。
4.根据权利要求3所述的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：同步带(29)包括第一同步带(291)、第二同步带(292)、第三同步带(293)以及第四同步带(294)，所述从动带轮组件(28)包括通过第一同步带(291)与所述第一主动带轮(261)传动连接的第一从动带轮(281)、通过第二同步带(292)与所述第二主动带轮(262)传动连接的第二从动带轮(282)、通过第三同步带(293)与所述第三主动带轮(263)传动连接的第三从动带轮(283)以及通过第四同步带(294)与所述第四主动带轮(264)传动连接的第四从动带轮(284)。
5.根据权利要求1的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述食指连杆(3611)、中指连杆(3612)、无名指连杆(3613)和小拇指连杆(3614)，的末端均呈弯曲状。
6.根据权利要求4所述的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述拇指连接件(351)和食指连杆(3611)通过压带件(34)安装在所述第一同步带(291)上，所述中指连杆(3612)通过压带件(34)设置在所述第二同步带(292)上，所述无名指连杆(3613)通过压带件(34)设置在所述第三同步带(293)上，所述小拇指连杆(3614)通过压带件(34)设置在所述第四同步带(294)上。
7.根据权利要求1的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述指板(32)的底端通过滑块(5)与所述导轨(4)滑动连接。
8.根据权利要求1的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述指板(32)自上而下依次开设有四个滑槽(33)，相邻的两个所述滑槽(33)的滑动平面间夹角为12°。
9.根据权利要求1的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述电动推杆(30)的伸缩端通过推杆连接件(31)与所述指板(32)的底端固定连接。
10.根据权利要求1的一种末端牵引式手指康复机器人，其特征在于：所述四指连杆(361)通过滚针轴承(6)沿所述滑槽(33)滑动。
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