CN111529308B - 一种基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，包括手掌支架，所述的手掌支架上铰接固定有拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构，所述的拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构的结构相同，均分别包括齿轮连杆机构、近指组件、中指组件及远指组件，所述的齿轮连杆机构与电机相连，所述的齿轮连杆机构与近指组件之间设有连接两者的第一推动棒，所述的中指组件与远指组件之间设有连接两者的第二推动棒，所述的第一推动棒及第二推动棒分别推动近指节及远指节运动，所述的齿轮传动机构带动中指节运动。本发明具有适应性强、康复效率高、使用寿命长、控制简单等优点。

Description

一种基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，具体涉及一种基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手。

背景技术

生活中手部的重要性不言而喻。人类正常生活需要频繁的使用手部，这一方面加强了手部的灵活性，但是另一方面也给手部瘫痪提供了一定的可能性。此外，由于病症后患留下的手部瘫痪比率也在逐年上升，特别是对患有脑卒中的病人。脑卒中已成为我国第一位死亡原因，也是中国成年人残疾的主要原因，其中40岁以上成年男性占主要部分，而对于40岁左右的男性，正是家中的顶梁柱，因此必须有安全、可靠、高效的康复训练机构，帮助其尽快的恢复手部健康。这也导致手部外骨骼式康复机械手已经成为人体康复领域的一个研究热点。

人体的运动关节中，手部的自由度较多，灵活程度更高，所以手部康复训练机构的设计也很困难。很多康复训练机构在使用一段时间后会有很大误差，极易对手部造成二次伤害。其次，对于手部尺寸不同的人没有很强的适应性，同时没能达到手指运动的极限位置，也会导致手部康复的效果出现瑕疵。

在康复训练初期需要进行大量的、长时间的、慢速的被动康复训练，这也对康复训练装置的承载能力和使用寿命提出了一定的要求。同时，在康复训练后期，为了达到正常人的手部功能，还需要不同频率的手部康复训练，包括快速的手部动作模拟训练。

目前，国内大部分的手部康复装置采用的是连杆机构。对于连杆机构来说，易产生较大的误差累积，且连杆产生的惯性力难以用一般方法消除，因而繁琐的连杆机构不宜用于快速运动，这无法完成对康复患者后期的快速康复训练，因而会让康复时间加长，降低了康复效率。其次，采用连杆机构的康复训练装置对于指节间距的调节的设计相对复杂，且调节之后会改变手指各个关节的运动状态(包括转动角度和转动速度)，这同样会使得不同的人使用同一种康复装置会有不同的状态，很难精准控制，从而降低了康复训练的效果和效率。再次，很多手部康复装置需要使用较多的动力装置(例如电机)，这增加了将康复装置与目前流行的智能控制系统相融合的复杂性，不利于康复机构的控制和大众化。

另外，手指三个关节的运动不是完全独立的，各关节的运动速度之间具有确定的比例关系，连杆机构通常不能精确的满足此设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应性强、康复效率高、使用寿命长、控制简单的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括手掌支架，所述的手掌支架上铰接固定有拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构，所述的拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构的结构相同，均分别包括齿轮连杆机构、近指组件、中指组件及远指组件，所述的齿轮连杆机构与电机相连，所述的近指组件包括铰接在手掌支架上的近指节以及设置在近指节上的齿轮传动机构、近指节指距调节机构、近指绷带组件，所述的中指组件包括与近指节铰接相连的中指节以及设置在中指节上的中指节指距调节机构、中指绷带组件，所述的远指组件包括与中指节铰接相连的远指节以及设置在远指节上的远指绷带组件，所述的齿轮连杆机构与近指组件之间设有连接两者的第一推动棒，所述的中指组件与远指组件之间设有连接两者的第二推动棒，所述的电机通过齿轮连杆机构将动力传递给齿轮传动机构及第一推动棒，齿轮传动机构将动力传递给中指节及第二推动棒，所述的第一推动棒及第二推动棒分别推动近指节及远指节运动，所述的齿轮传动机构带动中指节运动，所述的近指节指距调节机构及中指节指距调节机构分别用来调整近指节及中指节的关节长度，所述的电机包括第一电机与第二电机，所述的第一电机与拇指机构中的齿轮连杆机构相连，所述的第二电机通过手指选择机构与食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构中的齿轮连杆机构相连，所述的手指选择机构包括渐开线花键，所述的渐开线花键上设有与渐开线花键形成滑动配合的滑动齿轮，所述的滑动齿轮上连接有滑齿推动杆，所述的渐开线花键铰接固定在手掌支架上的支承板上，所述的滑齿推动杆设置在支承板上的滑槽内，沿滑槽限定的方向拨动滑齿推动杆可以带动滑动齿轮在渐开线花键上移动以形成与曲柄轮相啮合或相分离的状态，所述的滑动齿轮及滑齿推动杆各设置四组，分别与食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构相配合连接。

所述的齿轮连杆机构包括曲柄轴、曲柄轮、曲柄杆、连架杆以及从动杆，所述的曲柄轮与曲柄轴键连接，所述曲柄轴的一端固定在手掌支架上的第一支承板上且该端与电机相连，所述曲柄轴的另一端与曲柄杆的一端铰接且曲柄轴的端部设有曲柄轮端盖，曲柄杆的另一端通过第一销钉固定在曲柄轮上，所述连架杆的一端铰接在第一销钉上且连架杆位于曲柄杆的外侧，所述的连架杆与曲柄杆之间设有套设在第一销钉上的垫圈，所述连架杆的另一端与从动杆的一端通过第二销钉铰接，从动杆的另一端与齿轮传动机构中驱动齿轮的轮轴刚性相连，且从动杆与驱动齿轮之间设有第一定位套筒。

所述的第一推动棒包括第一棒体以及连接第一棒体与从动杆的第一连接杆，所述的第一棒体位于近指节上的第一滑槽内且在电机的驱动下可沿第一滑槽限定的方向滑动以推动近指节运动，所述的第二推动棒包括第二棒体及连接第二棒体与第三轨道轮轮轴的第二连接杆，所述的第二连接杆与第三轨道轮的轮轴刚性连接，所述的第二棒体位于远指节上的第二滑槽内且在电机的驱动下可沿第二滑槽限定的方向滑动以推动远指节运动。

所述的近指节包括呈竖直方向平行布置的第一立板、第二立板以及连接两者的第一底板，所述的第一立板及第二立板上分别对称设有与第一推动棒相配合的第一滑槽、用于固定齿轮传动机构的支承孔、与近指绷带组件相配合的第一绷带孔，所述的第一滑槽沿近指节的长度方向布置且处于近指节远离中指节的一端，所述的第一立板与第二立板之间还设有第三立板，所述第三立板靠近第二立板的板面上设有限制中指节转动角度的第一挡块，所述的第三立板与第一立板上分别对称设有与调距齿轮相配合的第一M型轨道，所述的第一M型轨道上设有三个与调距齿轮相配合的卡口，所述的卡口处设有限制调距齿轮径向位移的第一卡簧，所述的第一卡簧包括安装部、阻挡部及连接安装部与阻挡部的簧体，所述的第一卡簧固定在卡簧安装孔内，且第一卡簧的阻挡部位于卡口内且与卡口形成容纳调距齿轮轮轴的空间，所述的阻挡部与调距齿轮轮轴相接触的端部为子弹头状的光滑曲面，所述的第一M型轨道处于近指节靠近中指节的一端，所述的第三立板与第一立板上分别设有与近指节指距调节机构相配合的第一调距支承板，所述的第一调距支承板上设有与近指节指距调节机构相卡合的第一凹槽，所述的第一调距支承板上还设有与三个卡口位置相吻合的三个近指标记孔。

所述的齿轮传动机构包括依次布置且两两啮合的驱动齿轮、太阳轮、第一行星轮、第二行星轮、第三行星轮和第四行星轮，所述的近指节指距调节机构包括第一轨道轮、第二轨道轮、第三轨道轮、第一惰轮、第二惰轮、调距齿轮以及与调距齿轮相连的近指节调距件，所述的近指节调距件带动调距齿轮沿近指节上布置的第一M型轨道的轨迹分别移动至三个卡口的位置以形成调距齿轮与第一轨道轮或第二轨道轮或第三轨道轮的啮合，所述的第一轨道轮与第四行星轮同轴设置，所述的第一惰轮分别与第一轨道轮及第二轨道轮相啮合，所述的第二惰轮分别与第二轨道轮及第三轨道轮相啮合；

所述的近指节调距件包括方框状的第一提手，第一提手的底部设有与第一凹槽相配合的第一凸台，所述第一凸台的两侧分别设有第一连接柱，第一连接柱的底端设有第一连接套筒，第一连接套筒套设在调距齿轮的轮轴上。

所述调距齿轮的轮轴包括依次设置的第一轴段、第二轴段及第三轴段，所述第一轴段与第三轴段的直径相等且小于第二轴段的直径，所述的调距齿轮设置在第一轴段与第二轴段的连接处并通过第二定位套筒固定，所述第一轴段的端部贯穿第三立板与中指节上的第一连接孔刚连，所述第二轴段的端部与中指节上的第二连接孔刚接，所述的第一轴段及第三轴段分别与近指节调距件上的第一连接套筒配合连接，所述第三轨道轮的轮轴包括依次设置的第四轴段、第五轴段与第六轴段，所述的第四轴段与第六轴段的直径相等且小于第五轴段的直径，所述的第三轨道轮设置在第四轴段与第五轴段的连接处并通过第三定位套筒固定，所述第五轴段的端部与第二推动棒刚性连接。

所述的中指节包括呈竖直方向平行布置的第四立板、第五立板以及连接两者的第二底板，所述第四立板及第五立板靠近近指节的一端设有与调距齿轮刚性连接的第一连接孔及第二连接孔，所述的第四立板及第五立板上分别对称设有第二绷带孔及第二M型轨道，所述第四立板及第五立板的内侧板面上还分别设有用于限定远指节转动角度的第二挡块，所述第四立板及第五立板的上端面设有第二调距支承板，所述的第二调距支承板上设有第二凹槽；所述的第二调距支承板上设有中指标记孔。

所述的中指节指距调节机构包括调距心轴以及与调距心轴相连的中指节调距件，所述的中指节调距件包括方框状的第二提手，所述第二提手的底部设有与第二凹槽相配合的第二凸台，所述第二凸台的两侧分别设有第二连接柱，第二连接柱的底端设有第二连接套筒，所述的第二连接套筒套设在调距心轴上，所述的调距心轴同时与远指节上的第三连接孔及第四连接孔刚性连接。

所述的远指节包括第六立板、第七立板以及连接两者的连接板，所述的第六立板、第七立板在靠近中指节的端部设有与调距心轴刚性连接的第三连接孔及第四连接孔，所述的第六立板及第七立板上分别对称设有第二滑槽及远指绷带孔，所述的第二滑槽沿中指节的长度方向布置。

所述的支承板呈倒U型，所述的渐开线花键铰接在支承板的两块侧板上，所述的滑槽开设在支承板的顶板上，所述的滑槽为盲槽，且滑槽的底部沿渐开线花键的轴向开设有条形槽，所述的条形槽为通槽，所述的滑齿推动杆包括与滑槽相配合且在滑槽内滑动的滑块、与滑动齿轮相卡合的卡块、与条形槽相配合且在条形槽中滑动的中间滑块，所述的中间滑块用以连接滑块与卡块。

本发明的有益效果为：1)本发明通过滑动齿轮、渐开线花键以及滑齿推动杆的配合，将第二电机的动力传递给食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构，通过第一电机将动力传递给拇指机构，整个装置仅需要两个电机提供动力，极大的减轻了控制系统的复杂性，便于推广和普及；2)本发明可以任意选择所需训练的手指和所需训练的手指个数，可以给患者的训练提供更多的选择，渐开线花键具有自动定心的作用，可以保证各齿轮均匀受载，能够有效提高本发明的承载能力和使用寿命，也有助于患者的长期使用以及康复后给予其他患者二次使用；3)本发明采用行星轮系的传动方式，结构紧凑，传动平稳，相比于复杂的连杆传动更加安全；4)本发明由于使用了齿轮传动，所以可以精准控制各个关节的转动比例，方便控制，易于与目前的智能控制领域相结合，安全可靠，更加有利于患者进行各个阶段的康复训练；5)本发明采用了行星轮系的传动方式，克服了繁杂的连杆机构不能用于患者后期快速康复训练的弊端，且通过采用齿轮传动的方式，避免了连杆机构本身固有的缺陷，不会由于过多的误差累积导致训练效果降低，甚至对患者造成二次伤害；6)本发明通过近指节指距调节机构和中指节指距调节机构可以调节指节间距，结构简单，适用人群广泛，并且调节之后不会改变手指各个关节的运动状态(包括转动角度和转动速度)，有很好的适应性；7)本发明通过改变轮系的传动比即可更改手指各关节的转动角度，便于推广生产，可满足不同类型的人的需求，更有利于大众化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明单根手指机构的结构示意图；

图3是本发明手掌支架的结构示意图；

图4是本发明手掌支架与手指选择机构的结构示意图；

图5是本发明近指组件的结构示意图；

图6是本发明近指节的结构示意图；

图7是本发明中指组件的结构示意图；

图8是本发明中指节的结构示意图；

图9是本发明远指组件的结构示意图；

图10是本发明远指节的结构示意图；

图11是本发明齿轮连杆机构的结构示意图；

图12是本发明滑齿推动杆的结构示意图；

图13是本发明近指组件的俯视图；

图14是图13的B-B视图；

图15是图13的C-C视图；

图16是本发明中指组件的俯视图；

图17是本发明的传动示意图；

图18是本发明的第四行星轮与近指节指距调节机构的结构示意图；

图19是本发明第二推动棒的结构示意图；

图20是本发明近指节调距件的结构示意图；

图21是本发明中指节调距件的结构示意图；

图22是本发明调距齿轮的结构示意图；

图23是本发明第四行星轮与第一轨道轮的结构示意图；

图24是本发明第三轨道轮的结构示意图；

图25是本发明驱动齿轮的结构示意图；

图26是本发明第一卡簧的结构示意图；

图27是本发明指距未调节时的手指弯曲状态图；

图28是本发明指距调节后的手指弯曲状态图；

图29是本发明指距调节后的手指未弯曲状态图。

附图标记为：手掌支架1、第一支承板11、第二支承板12、滑槽13、条形槽14、第三支承板15、第四支承板16、拇指机构2、食指机构3、中指机构4、无名指机构5、小指机构6、第一推动棒7、第一棒体71、第一连接杆72、第二推动棒8、第二棒体81、第二连接杆82、手指选择机构9、渐开线花键91、滑动齿轮92、滑齿推动杆93、滑块931、卡块932、中间滑块933、齿轮连杆机构10、曲柄轴101、曲柄轮102、曲柄杆103、连架杆104、从动杆105、曲柄轮端盖106、第一销钉107、垫圈108、第二销钉109、第一定位套筒110、近指组件20、近指节201、齿轮传动机构202、近指节指距调节机构203、近指绷带组件204、第一立板205、第二立板206、第一底板207、第一滑槽208、第一绷带孔209、第三立板210、第一挡块211、第一M型轨道212、第一卡簧213、安装部214、阻挡部215、簧体216、卡簧安装孔217、第一调距支承板218、第一凹槽219、近指标记孔220、驱动齿轮221、太阳轮222、第一行星轮223、第二行星轮224、第三行星轮225、第四行星轮226、第一轨道轮227、第二轨道轮228、第三轨道轮229、第一惰轮230、第二惰轮231、近指节调距件232、调距齿轮233、第一提手234、第一凸台235、第一连接柱236、第一连接套筒237、第一轴段238、第二轴段239、第三轴段240、第二定位套筒241、第四轴段242、第五轴段243、第六轴段244、第三定位套筒245、第一支承孔246、第二支承孔247、第三支承孔248、第四支承孔249、第五支承孔250、第六支承孔251、第七支承孔252、第八支承孔253、第九支承孔254、中指组件30、中指节301、中指节指距调节机构302、中指绷带组件303，第四立板304、第五立板305、第二底板306、第一连接孔307、第二连接孔308、第二绷带孔309、第二M型轨道310、第二挡块311、第二调距支承板312、第二凹槽313、中指标记孔314、调距心轴315、中指节调距件316、第二提手317、第二凸台318、第二连接柱319、第二连接套筒320、第二卡簧321、远指组件40、远指节401、远指绷带组件402、第六立板403、第七立板404、连接板405、第三连接孔406、第四连接孔407、第二滑槽408、远指绷带孔409。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、图2所示的一种基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，包括手掌支架1，手掌支架1上铰接固定有拇指机构2、食指机构3、中指机构4、无名指机构5及小指机构6，拇指机构2、食指机构3、中指机构4、无名指机构5及小指机构6的结构相同，均分别包括齿轮连杆机构10、近指组件20、中指组件30及远指组件40，齿轮连杆机构10与电机相连，如图5所示，近指组件20包括铰接在手掌支架1上的近指节201以及设置在近指节201上的齿轮传动机构202、近指节指距调节机构203、近指绷带组件204，如图7所示，中指组件30包括与近指节201铰接相连的中指节301以及设置在中指节301上的中指节指距调节机构302、中指绷带组件303，如图9所示，远指组件40包括与中指节301铰接相连的远指节401以及设置在远指节401上的远指绷带组件402，齿轮连杆机构10与近指组件20之间设有连接两者的第一推动棒7，中指组件30与远指组件40之间设有连接两者的第二推动棒8，电机通过齿轮连杆机构10将动力传递给齿轮传动机构202及第一推动棒7，齿轮传动机构202将动力传递给中指节301及第二推动棒8，第一推动棒7及第二推动棒8分别推动近指节201及远指节401运动，齿轮传动机构202带动中指节301运动，近指节指距调节机构203及中指节指距调节机构302分别用来调整近指节201及中指节301的关节长度。

具体的，如图3、图4所示，手掌支架1上分别设有用于固定曲柄轮102的第一支承板11、用于固定渐开线花键91的第二支承板12、用于固定驱动齿轮221的第三支承板15、用于与各手指铰接相连的第四支承板16。其中，第一支承板11、第三支承板15及第四支承板16各设置五组，分别对应拇指机构2、食指机构3、中指机构4、无名指机构5及小指机构6。

进一步的，如图11所示，齿轮连杆机构10包括曲柄轴101、曲柄轮102、曲柄杆103、连架杆104以及从动杆105，曲柄轮102与曲柄轴101键连接，曲柄轴101的一端固定在手掌支架1上的第一支承板11上且该端与电机相连，曲柄轴101的另一端与曲柄杆103的一端铰接且曲柄轴101的端部设有曲柄轮端盖106，曲柄杆103的另一端通过第一销钉107固定在曲柄轮102上，连架杆104的一端铰接在第一销钉107上且连架杆104位于曲柄杆103的外侧，连架杆104与曲柄杆103之间设有套设在第一销钉107上的垫圈108，连架杆104的另一端与从动杆105的一端通过第二销钉109铰接，从动杆105的另一端与齿轮传动机构202中驱动齿轮的轮轴刚性相连，且从动杆105与驱动齿轮221之间设有第一定位套筒110。

进一步的，如图11所示，第一推动棒7包括第一棒体71以及连接第一棒体71与从动杆105的第一连接杆72，第一棒体71位于近指节201上的第一滑槽208内且在电机的驱动下可沿第一滑槽208限定的方向滑动以推动近指节201运动，第一连接杆72与从动杆105可以焊接固定，也可以一体成型；当曲柄轮102转动时，带动曲柄杆103转动，从而使从动杆105完成摆动，由于从动杆105与驱动齿轮221的轮轴之间为刚性连接，所以驱动齿轮221可以同角转动，使与从动杆105相连的第一推动棒7推动近指节201完成摆动，也就是齿轮连杆机构10同时为齿轮传动机构202及第一推动棒7提供动力。

进一步的，如图17、图18、图23、图25所示，齿轮传动机构202包括依次布置且两两啮合的驱动齿轮221、太阳轮222、第一行星轮223、第二行星轮224、第三行星轮225和第四行星轮226，近指节指距调节机构203包括第一轨道轮227、第二轨道轮228、第三轨道轮229、第一惰轮230、第二惰轮231、调距齿轮233以及与调距齿轮233相连的近指节调距件232，太阳轮222、第一行星轮223、第二行星轮224、第三行星轮225、第四行星轮226、第一轨道轮227、第二轨道轮228、第三轨道轮229、第一惰轮230、第二惰轮231的轮轴分别与近指节201上的第一支承孔246、第二支承孔247、第三支承孔248、第四支承孔249、第五支承孔250、第六支承孔251、第七支承孔252、第八支承孔253、第九支承孔254相固定。

如图20所示，近指节调距件232带动调距齿轮233沿近指节201上布置的第一M型轨道212的轨迹分别移动至三个卡口的位置以形成调距齿轮233与第一轨道轮227或第二轨道轮228或第三轨道轮229的啮合，第一轨道轮227与第四行星轮226同轴设置，第一惰轮230分别与第一轨道轮227及第二轨道轮228相啮合，第二惰轮231分别与第二轨道轮228及第三轨道轮229相啮合；近指节调距件232包括方框状的第一提手234，第一提手234的底部设有与第一凹槽219相配合的第一凸台235，第一凸台235的两侧分别设有第一连接柱236，第一连接柱236的底端设有第一连接套筒237，第一连接套筒237套设在调距齿轮233的轮轴上。

优选的，如图27所示，因为人手在放松状态下，在比较舒适的时候，指节间有一定的弯曲角度，所以本发明在初始状态时有三个角度位置的限制。一个是在曲柄杆103与连架杆104重合平行时，曲柄杆103的上端面与水平面的夹角为50度；另一个是第三轨道轮229轴线所处的水平面与近指节201的上端面之间的夹角为25度；最后一个是远指节401的初始位置，本实施例中，远指节401的上端面与中指节301的上端面之间的夹角为10度。这样设置会让患者在训练时更加舒适。

进一步的，如图6、图13、图14、图15所示，近指节201包括呈竖直方向平行布置的第一立板205、第二立板206以及连接两者的第一底板207，第一立板205及第二立板206上分别对称设有与第一推动棒7相配合的第一滑槽208、用于固定齿轮传动机构202的支承孔、与近指绷带组件204相配合的第一绷带孔209，第一滑槽208沿近指节201的长度方向布置且处于近指节201远离中指节301的一端，第一立板205与第二立板206之间还设有第三立板210，第三立板210靠近第二立板206的板面上设有限制中指节301转动角度的第一挡块211。

第三立板210与第一立板205上分别对称设有与调距齿轮233相配合的第一M型轨道212，第一M型轨道212上设有三个与调距齿轮233相配合的卡口，卡口处设有限制调距齿轮233径向位移的第一卡簧213，如图26所示，第一卡簧213包括安装部214、阻挡部215及连接安装部214与阻挡部215的簧体216，第一卡簧213固定在卡簧安装孔217内，且第一卡簧213的阻挡部215位于卡口内且与卡口形成容纳调距齿轮轮轴的空间，阻挡部215与调距齿轮轮轴相接触的端部为子弹头状的光滑曲面，第一M型轨道212处于近指节201靠近中指节301的一端，第三立板210与第一立板205上分别设有与近指节指距调节机构203相配合的第一调距支承板218，第一调距支承板218上设有与近指节指距调节机构203相卡合的第一凹槽219，第一调距支承板218上还设有与三个卡口位置相吻合的三个近指标记孔220，近指标记孔220为盲孔。第一轨道轮227、第二轨道轮228、第三轨道轮229与三个近指标记孔220、第一M型轨道的三个卡口、第一调距支承板218上设置的三个第一凹槽219的位置要相对应。当向上拉动第一提手234时，调距齿轮233的轮轴向上运动接触第一卡簧213的阻挡部215，阻挡部215会受到斜向上方的力，第一卡簧213内部的簧体216会压缩，调距齿轮233的轮轴可突破阻挡部215的阻力，继续向上沿第一M型轨道的轨迹移动，再向下进入另一卡口；当向下按压第一提手234时，调距齿轮233的轮轴向下运动接触第一卡簧213的阻挡部215，阻挡部215会受到斜向下方的力，第一卡簧213内部的簧体216会压缩，调距齿轮233的轮轴可突破阻挡部215的阻力，继续向下移动至另一卡口。无论调距齿轮233与哪个卡口相配合，都可以与卡口位置相吻合的某个轨道轮相啮合传递动力，由此完成近指节201指距的调节。调距齿轮233的转动为中指节301的转动提供动力，使中指节301旋转，同时位于近指节201上的第一挡块211会限制中指节301的旋转范围，防止患者在康复过程中受到二次伤害。

进一步的，如图22所示，调距齿轮233的轮轴包括依次设置的第一轴段238、第二轴段239及第三轴段240，第一轴段238与第三轴段240的直径相等且小于第二轴段239的直径，调距齿轮233设置在第一轴段238与第二轴段239的连接处并通过第二定位套筒241固定，第一轴段238的端部贯穿第三立板210与中指节301上的第一连接孔307刚连，第二轴段239的端部与中指节301上的第二连接孔308刚接，第一轴段238及第三轴段240分别与近指节调距件232上的第一连接套筒237配合连接；如图24所示，第三轨道轮229的轮轴包括依次设置的第四轴段242、第五轴段243与第六轴段244，第四轴段242与第六轴段244的直径相等且小于第五轴段243的直径，第三轨道轮229设置在第四轴段242与第五轴段243的连接处并通过第三定位套筒245固定，第五轴段243的端部与第二推动棒8刚性连接。如图19所示，第二推动棒8包括第二棒体81及连接第二棒体81与第三轨道轮轮轴的第二连接杆82，第二连接杆82与第三轨道轮的轮轴刚性连接，第二棒体81位于远指节401上的第二滑槽408内且在电机的驱动下可沿第二滑槽408限定的方向滑动以推动远指节401运动。

进一步的，如图7、图16所示，中指节301包括呈竖直方向平行布置的第四立板304、第五立板305以及连接两者的第二底板306，第四立板304及第五立板305靠近近指节201的一端设有与调距齿轮233刚性连接的第一连接孔307及第二连接孔308，第四立板304及第五立板305上分别对称设有第二绷带孔309及第二M型轨道310，第二M型轨道310的卡口处设有第二卡簧321，第二M型轨道310的结构与第一M型轨道212的结构及原理相同，第二卡簧321与第一卡簧213的结构及原理相同，在此不再赘述；第四立板304及第五立板305的内侧板面上还分别设有用于限定远指节401转动角度的第二挡块311，第四立板304及第五立板305的上端面设有第二调距支承板312，第二调距支承板312上设有第二凹槽313；第二调距支承板312上设有中指标记孔314。同理，三个中指标记孔、第二M型轨道310的三个卡口以及第二调距支承板312上的三个第二凹槽313的位置也需要相对应。

进一步的，中指节指距调节机构302包括调距心轴315以及与调距心轴315相连的中指节调距件316，如图21所示，中指节调距件316包括方框状的第二提手317，第二提手317的底部设有与第二凹槽313相配合的第二凸台318，第二凸台318的两侧分别设有第二连接柱319，第二连接柱319的底端设有第二连接套筒320，第二连接套筒320套设在调距心轴315上，调距心轴315同时与远指节401上的第三连接孔406及第四连接孔407刚性连接。由于第二连接杆82与第三轨道轮的轮轴之间为刚性连接，所以第三轨道轮229的转动，会推动第二推动棒8在调距心轴315上旋转，完成远指节401的摆动，同时位于中指节301上的第二挡块311会限制远指节401的旋转范围，防止患者在康复过程中受到二次伤害。

进一步的，如图10所示，远指节401包括第六立板403、第七立板404以及连接两者的连接板405，第六立板403、第七立板404在靠近中指节301的端部设有与调距心轴315刚性连接的第三连接孔406及第四连接孔407，第六立板403及第七立板404上分别对称设有第二滑槽408及远指绷带孔409，第二滑槽408沿中指节301的长度方向布置。

进一步的，电机包括第一电机与第二电机，第一电机与拇指机构2中的齿轮连杆机构10相连，第二电机通过手指选择机构9与食指机构3、中指机构4、无名指机构5及小指机构6中的齿轮连杆机构10相连。手指选择机构9包括渐开线花键91，渐开线花键91上设有与渐开线花键91形成滑动配合的滑动齿轮92，滑动齿轮92上连接有滑齿推动杆93，渐开线花键91铰接固定在手掌支架1上的第二支承板12上，滑齿推动杆93设置在第二支承板12上的滑槽13内，沿滑槽13限定的方向拨动滑齿推动杆93可以带动滑动齿轮92在渐开线花键91上移动以形成与曲柄轮102相啮合或相分离的状态，滑动齿轮92及滑齿推动杆93各设置四组，分别与食指机构3、中指机构4、无名指机构5及小指机构6相配合连接。

具体的，第二支承板12呈倒U型，渐开线花键91铰接在第二支承板12的两块侧板上，滑槽13开设在第二支承板12的顶板上，滑槽13为盲槽，且滑槽13的底部沿渐开线花键91的轴向开设有条形槽14，条形槽14为通槽，如图12所示，滑齿推动杆93包括与滑槽13相配合且在滑槽13内滑动的滑块931、与滑动齿轮92相卡合的卡块932、与条形槽14相配合且在条形槽14中滑动的中间滑块933，中间滑块933用以连接滑块931与卡块932。在选择具体需要康复的手指时，可拨动与所选手指相对应的滑块931，滑块931与中间滑块933分别在滑槽13和条形槽14中滑动，同时中间滑块933底部的卡块932带动滑动齿轮92在渐开线花键91上移动，直至滑动齿轮92与所选手指机构中的曲柄轮102相啮合，这时可将动力传递给所选手指机构。本实施例中，滑槽13与滑块931都设置成凹型，这样在滑块931的凹部移动到滑槽13对应的位置时，即到达滑槽13一侧的极限位置时正好滑动齿轮92与曲柄轮102完全啮合。

手指选择机构9的使用，可以使除拇指机构2以外的其他四指机构只使用一个电机，也就是整个装置只需要两个电机，极大地减轻了控制系统的复杂性和康复装置的成本，便于推广和普及。同时可以患者的具体情况，任意选择所需训练的手指，给患者的训练提供更多的选择，渐开线花键91具有自动定心的作用，可以保证各滑动齿轮92均匀受载，能有效提高本发明的承载能力和使用寿命。

本发明的工作原理及工作过程如下：

1、手指的选择：

在需要对大拇指进行康复训练时，直接启动第一电机，第一电机带动齿轮连杆机构中的曲柄轮运动，为齿轮连杆机构提供动力；

在需要对其余四指中的一根手指或多根手指进行康复训练时，可以先通过手指先择机构进行相应手指的选择，即先拨动所选手指相对应的滑齿推动杆，使滑齿推动杆沿着滑槽限定的方向移动，同时带动滑动齿轮在渐开线花键上移动，当移动到与滑槽相卡合的极限位置时，滑动齿轮与曲柄轮啮合，表示选择了该根手指进行训练；这时启动第二电机，第二电机带动渐开线花键转动，这时与所选手指相对应的滑动齿轮与该手指机构中的曲柄轮是啮合状态，所以可以传递动力进行康复训练。

2、齿轮连杆机构及齿轮传动机构的运动原理：

曲柄轮转动时，曲柄杆同步转动，带动连架杆运动，输出从动杆的摆动运动；从动杆中部的第一推动棒推动近指节摆动，同时从动杆与驱动齿轮同轴，带动驱动齿轮转动；齿轮连杆机构为轮系的运动提供两个动力，即一方面驱动齿轮与太阳轮啮合，带动太阳轮转动，另一方面从动杆上的第一推动棒推动近指节摆动。

太阳轮的转动带动第一行星轮转动，第一行星轮带动第二行星轮转动，第二行星轮带动第三行星轮转动，第三行星轮带动第四行星轮以及第四行星轮上的第一轨道轮转动，第一轨道轮同时带动调距齿轮与第一惰轮转动；其中，调距齿轮带动中指节摆动，第一惰轮带动第二轨道轮转动，第二轨道轮带动第二惰轮转动，第二惰轮带动第三轨道轮转动。第三轨道轮带动第二推动棒摆动，第二推动棒推动远指节在调距心轴上摆动。

3、近指节的调距原理：

当拉动近指调距件时，第一卡簧阻挡部的光滑斜面会受到斜向上方向的力，第一卡簧内部的簧体会压缩，调距齿轮可在第一M型轨道上移动，根据近指标记孔的位置，移动到相应的卡口，再将调距齿轮压入第一M形轨道；压入时，第一卡簧阻挡部的光滑斜面会受到斜向下方向的力，第一卡簧内部的簧体会压缩，故调距齿轮可到达第一M型轨道的底部，即卡口处，并与相应的轨道轮啮合；完成近指节关节长度的调节，如图28、图29所示。

4、中指节的调距原理：

当拉动中指节调距件时，同理，第二卡簧凸面会受到斜向上方向的力，第二卡簧内部的簧体会压缩，调距心轴可在第二M型轨道上移动，根据中指标记孔的位置，移动到相应的卡口位置，再将调距心轴压入第二M型轨道，完成中指节关节长度的调节。

本发明的有益效果为：1)本发明通过滑动齿轮、渐开线花键以及滑齿推动杆的配合，将第二电机的动力传递给食指机构、中指机构、无名指机构及小指机构，通过第一电机将动力传递给拇指机构，整个装置仅需要两个电机提供动力，极大的减轻了控制系统的复杂性，便于推广和普及；2)本发明可以任意选择所需训练的手指和所需训练的手指个数，可以给患者的训练提供更多的选择，渐开线花键具有自动定心的作用，可以保证各齿轮均匀受载，能够有效提高本发明的承载能力和使用寿命，也有助于患者的长期使用以及康复后给予其他患者二次使用；3)本发明采用行星轮系的传动方式，结构紧凑，传动平稳，相比于复杂的连杆传动更加安全；4)本发明由于使用了齿轮传动，所以可以精准控制各个关节的转动比例，方便控制，易于与目前的智能控制领域相结合，安全可靠，更加有利于患者进行各个阶段的康复训练；5)本发明采用了行星轮系的传动方式，克服了繁杂的连杆机构不能用于患者后期快速康复训练的弊端，且通过采用齿轮传动的方式，避免了连杆机构本身固有的缺陷，不会由于过多的误差累积导致训练效果降低，甚至对患者造成二次伤害；6)本发明通过近指节指距调节机构和中指节指距调节机构可以调节指节间距，结构简单，适用人群广泛，并且调节之后不会改变手指各个关节的运动状态(包括转动角度和转动速度)，有很好的适应性；7)本发明通过改变轮系的传动比即可更改手指各关节的转动角度，便于推广生产，可满足不同类型的人的需求，更有利于大众化。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：包括手掌支架（1），所述的手掌支架（1）上铰接固定有拇指机构（2）、食指机构（3）、中指机构（4）、无名指机构（5）及小指机构（6），所述的拇指机构（2）、食指机构（3）、中指机构（4）、无名指机构（5）及小指机构（6）的结构相同，均分别包括齿轮连杆机构（10）、近指组件（20）、中指组件（30）及远指组件（40），所述的齿轮连杆机构（10）与电机相连，所述的近指组件（20）包括铰接在手掌支架（1）上的近指节（201）以及设置在近指节（201）上的齿轮传动机构（202）、近指节指距调节机构（203）、近指绷带组件（204），所述的中指组件（30）包括与近指节（201）铰接相连的中指节（301）以及设置在中指节（301）上的中指节指距调节机构（302）、中指绷带组件（303），所述的远指组件（40）包括与中指节（301）铰接相连的远指节（401）以及设置在远指节（401）上的远指绷带组件（402），所述的齿轮连杆机构（10）与近指组件（20）之间设有连接两者的第一推动棒（7），所述的中指组件（30）与远指组件（40）之间设有连接两者的第二推动棒（8），所述的电机通过齿轮连杆机构（10）将动力传递给齿轮传动机构（202）及第一推动棒（7），齿轮传动机构（202）将动力传递给中指节（301）及第二推动棒（8），所述的第一推动棒（7）及第二推动棒（8）分别推动近指节（201）及远指节（401）运动，所述的齿轮传动机构（202）带动中指节（301）运动，所述的近指节指距调节机构（203）及中指节指距调节机构（302）分别用来调整近指节（201）及中指节（301）的关节长度，所述的电机包括第一电机与第二电机，所述的第一电机与拇指机构（2）中的齿轮连杆机构（10）相连，所述的第二电机通过手指选择机构（9）与食指机构（3）、中指机构（4）、无名指机构（5）及小指机构（6）中的齿轮连杆机构（10）相连，所述的手指选择机构（9）包括渐开线花键（91），所述的渐开线花键（91）上设有与渐开线花键（91）形成滑动配合的滑动齿轮（92），所述的滑动齿轮（92）上连接有滑齿推动杆（93），所述的渐开线花键（91）铰接固定在手掌支架（1）上的第二支承板（12）上，所述的滑齿推动杆（93）设置在第二支承板（12）上的滑槽（13）内，沿滑槽（13）限定的方向拨动滑齿推动杆（93）可以带动滑动齿轮（92）在渐开线花键（91）上移动以形成与曲柄轮（102）相啮合或相分离的状态，所述的滑动齿轮（92）及滑齿推动杆（93）各设置四组，分别与食指机构（3）、中指机构（4）、无名指机构（5）及小指机构（6）相配合连接。

2.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的齿轮连杆机构（10）包括曲柄轴（101）、曲柄轮（102）、曲柄杆（103）、连架杆（104）以及从动杆（105），所述的曲柄轮（102）与曲柄轴（101）键连接，所述曲柄轴（101）的一端固定在手掌支架（1）上的第一支承板（11）上且该端与电机相连，所述曲柄轴（101）的另一端与曲柄杆（103）的一端铰接且曲柄轴（101）的端部设有曲柄轮端盖（106），曲柄杆（103）的另一端通过第一销钉（107）固定在曲柄轮（102）上，所述连架杆（104）的一端铰接在第一销钉（107）上且连架杆（104）位于曲柄杆（103）的外侧，所述的连架杆（104）与曲柄杆（103）之间设有套设在第一销钉（107）上的垫圈（108），所述连架杆（104）的另一端与从动杆（105）的一端通过第二销钉（109）铰接，从动杆（105）的另一端与齿轮传动机构（202）中驱动齿轮的轮轴刚性相连，且从动杆（105）与驱动齿轮（221）之间设有第一定位套筒（110）。

3.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的第一推动棒（7）包括第一棒体（71）以及连接第一棒体（71）与从动杆（105）的第一连接杆（72），所述的第一棒体（71）位于近指节（201）上的第一滑槽（208）内且在电机的驱动下可沿第一滑槽（208）限定的方向滑动以推动近指节（201）运动，所述的第二推动棒（8）包括第二棒体（81）及连接第二棒体（81）与第三轨道轮轮轴的第二连接杆（82），所述的第二连接杆（82）与第三轨道轮的轮轴刚性连接，所述的第二棒体（81）位于远指节（401）上的第二滑槽（408）内且在电机的驱动下可沿第二滑槽（408）限定的方向滑动以推动远指节（401）运动。

4.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的近指节（201）包括呈竖直方向平行布置的第一立板（205）、第二立板（206）以及连接两者的第一底板（207），所述的第一立板（205）及第二立板（206）上分别对称设有与第一推动棒（7）相配合的第一滑槽（208）、用于固定齿轮传动机构（202）的支承孔、与近指绷带组件（204）相配合的第一绷带孔（209），所述的第一滑槽（208）沿近指节（201）的长度方向布置且处于近指节（201）远离中指节（301）的一端，所述的第一立板（205）与第二立板（206）之间还设有第三立板（210），所述第三立板（210）靠近第二立板（206）的板面上设有限制中指节（301）转动角度的第一挡块（211），所述的第三立板（210）与第一立板（205）上分别对称设有与调距齿轮（233）相配合的第一M型轨道（212），所述的第一M型轨道（212）上设有三个与调距齿轮（233）相配合的卡口，所述的卡口处设有限制调距齿轮（233）径向位移的第一卡簧（213），所述的第一卡簧（213）包括安装部（214）、阻挡部（215）及连接安装部（214）与阻挡部（215）的簧体（216），所述的第一卡簧（213）固定在卡簧安装孔（217）内，且第一卡簧（213）的阻挡部（215）位于卡口内且与卡口形成容纳调距齿轮轮轴的空间，所述的阻挡部（215）与调距齿轮轮轴相接触的端部为子弹头状的光滑曲面，所述的第一M型轨道（212）处于近指节（201）靠近中指节（301）的一端，所述的第三立板（210）与第一立板（205）上分别设有与近指节指距调节机构（203）相配合的第一调距支承板（218），所述的第一调距支承板（218）上设有与近指节指距调节机构（203）相卡合的第一凹槽（219），所述的第一调距支承板（218）上还设有与三个卡口位置相吻合的三个近指标记孔（220）。

5.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的齿轮传动机构（202）包括依次布置且两两啮合的驱动齿轮（221）、太阳轮（222）、第一行星轮（223）、第二行星轮（224）、第三行星轮（225）和第四行星轮（226），所述的近指节指距调节机构（203）包括第一轨道轮（227）、第二轨道轮（228）、第三轨道轮（229）、第一惰轮（230）、第二惰轮（231）、调距齿轮（233）以及与调距齿轮（233）相连的近指节调距件（232），所述的近指节调距件（232）带动调距齿轮（233）沿近指节（201）上布置的第一M型轨道（212）的轨迹分别移动至三个卡口的位置以形成调距齿轮（233）与第一轨道轮（227）或第二轨道轮（228）或第三轨道轮（229）的啮合，所述的第一轨道轮（227）与第四行星轮（226）同轴设置，所述的第一惰轮（230）分别与第一轨道轮（227）及第二轨道轮（228）相啮合，所述的第二惰轮（231）分别与第二轨道轮（228）及第三轨道轮（229）相啮合；

所述的近指节调距件（232）包括方框状的第一提手（234），第一提手（234）的底部设有与第一凹槽（219）相配合的第一凸台（235），所述第一凸台（235）的两侧分别设有第一连接柱（236），第一连接柱（236）的底端设有第一连接套筒（237），第一连接套筒（237）套设在调距齿轮（233）的轮轴上。

6.根据权利要求5所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述调距齿轮（233）的轮轴包括依次设置的第一轴段（238）、第二轴段（239）及第三轴段（240），所述第一轴段（238）与第三轴段（240）的直径相等且小于第二轴段（239）的直径，所述的调距齿轮（233）设置在第一轴段（238）与第二轴段（239）的连接处并通过第二定位套筒（241）固定，所述第一轴段（238）的端部贯穿第三立板（210）与中指节（301）上的第一连接孔（307）刚连，所述第二轴段（239）的端部与中指节（301）上的第二连接孔（308）刚接，所述的第一轴段（238）及第三轴段（240）分别与近指节调距件（232）上的第一连接套筒（237）配合连接，所述第三轨道轮（229）的轮轴包括依次设置的第四轴段（242）、第五轴段（243）与第六轴段（244），所述的第四轴段（242）与第六轴段（244）的直径相等且小于第五轴段（243）的直径，所述的第三轨道轮（229）设置在第四轴段（242）与第五轴段（243）的连接处并通过第三定位套筒（245）固定，所述第五轴段（243）的端部与第二推动棒（8）刚性连接。

7.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的中指节（301）包括呈竖直方向平行布置的第四立板（304）、第五立板（305）以及连接两者的第二底板（306），所述第四立板（304）及第五立板（305）靠近近指节（201）的一端设有与调距齿轮（233）刚性连接的第一连接孔（307）及第二连接孔（308），所述的第四立板（304）及第五立板（305）上分别对称设有第二绷带孔（309）及第二M型轨道（310），所述第四立板（304）及第五立板（305）的内侧板面上还分别设有用于限定远指节（401）转动角度的第二挡块（311），所述第四立板（304）及第五立板（305）的上端面设有第二调距支承板（312），所述的第二调距支承板（312）上设有第二凹槽（313）；所述的第二调距支承板（312）上设有中指标记孔（314）。

8.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的中指节指距调节机构（302）包括调距心轴（315）以及与调距心轴（315）相连的中指节调距件（316），所述的中指节调距件（316）包括方框状的第二提手（317），所述第二提手（317）的底部设有与第二凹槽（313）相配合的第二凸台（318），所述第二凸台（318）的两侧分别设有第二连接柱（319），第二连接柱（319）的底端设有第二连接套筒（320），所述的第二连接套筒（320）套设在调距心轴（315）上，所述的调距心轴（315）同时与远指节（401）上的第三连接孔（406）及第四连接孔（407）刚性连接。

9.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的远指节（401）包括第六立板（403）、第七立板（404）以及连接两者的连接板（405），所述的第六立板（403）、第七立板（404）在靠近中指节（301）的端部设有与调距心轴（315）刚性连接的第三连接孔（406）及第四连接孔（407），所述的第六立板（403）及第七立板（404）上分别对称设有第二滑槽（408）及远指绷带孔（409），所述的第二滑槽（408）沿中指节（301）的长度方向布置。

10.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的欠驱动外骨骼康复机械手，其特征在于：所述的第二支承板（12）呈倒U型，所述的渐开线花键（91）铰接在第二支承板（12）的两块侧板上，所述的滑槽（13）开设在第二支承板（12）的顶板上，所述的滑槽（13）为盲槽，且滑槽（13）的底部沿渐开线花键（91）的轴向开设有条形槽（14），所述的条形槽（14）为通槽，所述的滑齿推动杆（93）包括与滑槽（13）相配合且在滑槽（13）内滑动的滑块（931）、与滑动齿轮（92）相卡合的卡块（932）、与条形槽（14）相配合且在条形槽（14）中滑动的中间滑块（933），所述的中间滑块（933）用以连接滑块（931）与卡块（932）。

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