CN111643315B - 一种基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置，包括：四指外骨骼机构、拇指外骨骼机构和软胶手套。食指外骨骼机构包括食指远指节套环、食指中指节套环、食指近指节套环，每个套环均由铰链结构连接在一起。拇指外骨骼机构包括拇指近指节套环、拇指远指节套环，由铰链机构连接在一起。绳索通过铝套固定在手部功能康复装置上，确保手心侧和手背侧的绳索在拉动手指屈曲/伸展，外展/内收时，绳索不会滑落。本发明克服了传统刚性外骨骼的尺寸问题，使用者佩戴更紧凑，舒适性更强，更容易适应于使用者的手部；在康复装置上设有绳索通道，使得驱动器驱动绳索运动时，驱动患者手部在最大功能性区间内活动。
Description
技术领域
本发明涉及手指康复领域，设计一种柔性的手部功能康复装置，尤其设计一种基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置。
背景技术
近年来，手功能受限的患者不断增多。脊髓损伤和中风时手部瘫痪的主要原因。由于患者的手不能自主操作，患者需要护理人员帮助进行日常生活活动，因此，手部功能的损失大大降低了患者的生活质量。且传统的人工治疗已经远远不能满足患者的康复需求，一对一的医师治疗耗时耗力。因而设计合适的手部运动功能康复机器人事非常迫切和必要的。
国内外研究人员研制了很多手部运动功能康复机器人，康复机器人将外力传递到手上，辅助瘫痪的手进行适当的运动。而其中将近70%的康复机器人只支持四指的康复训练，支持拇指康复的机器人很少。拇指是人手实现抓握运动功能的关键，如果失去了拇指，就失去了手功能的40%。
传统的手部康复机器人常由金属机构和大减速比电机组成，驱动器放置于人手之上，降低了患者手部康复训练的舒适度，增加了制造成本。
为解决这个问题，并基于手部的生物学特性，本发明将绳索驱动的理念和柔性结构的理念结合起来，以绳索代替连杆作为驱动元件，允许将驱动器放置于固定的基座上，而不是人手上，并利用柔性结构进一步提高佩戴的紧凑性，提高患者康复过程的舒适性。
发明内容
本发明的目的提供了一种基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置，在利用绳索实现手指关节屈曲/伸展、外展/内收的基础上，利用柔性外骨骼结构进一步提高了佩戴的紧凑型和舒适性。
为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置，所述康复装置包括：四指外骨骼机构、拇指外骨骼机构和软胶手套；所述四指外骨骼机构包括食指外骨骼机构、中指外骨骼机构、无名指外骨骼机构以及小拇指外骨骼机构。本发明在传统的刚性外骨骼机构上做调整优化，保留手指部分为刚性外骨骼结构的同时，将手掌、手心处设计为柔性外骨骼结构，在保证力的传递和控制效率的同时，克服了传统刚性外骨骼的尺寸问题，使用者佩戴更紧凑，舒适性更强，更容易适应于使用者的手部；在分析了人体手部解剖结构和人体指尖运动的轨迹后，在康复装置上设有绳索通道，使得驱动器驱动绳索运动时，驱动患者手部在最大功能性区间内活动。
作为本发明的一种改进，软胶手套通过表扣和表带的方式紧凑地佩戴于使用者手部；四指外骨骼机构和拇指外骨骼机构通过魔术贴固定于使用者的手指上，并可以调整大小。
作为本发明的一种改进，所述软胶手套包括表带环扣，表带，鲍登线插入口，滑轮改向机构，铝扣，食指伸展软胶通道，拇指内收软胶通道，拇指伸展软胶通道，拇指外展软胶通道，拇指屈曲软胶通道，食指屈曲软胶通道以及表扣安装口，整个软胶手套均由30°软胶制作而成，柔性高，可以紧凑的佩戴于使用者人手上；利用顶针将表扣安装于表带安装槽内，表带上有多个通孔，佩戴软胶手套时将表带穿过表扣，表扣的扣耳穿过表带的通孔，起到固定作用，多余的表带插入表带环扣内，所述鲍登线插入口，绳索穿入鲍登线与驱动器相连，软胶手套的表面设置有食指伸展软胶通道，拇指内收软胶通道，拇指伸展软胶通道，拇指外展软胶通道，拇指屈曲软胶通道，食指屈曲软胶通道。表带和表扣的设计模式可以轻松地调节软胶手套的松紧度；在对人手部的解剖结构和指尖运动轨迹进行研究后，设计出针对牵引拇指和食指运动的绳索轨迹，由于软胶制作工艺上无法做复杂结构，并方便医师、患者观察到绳索在软胶手套中的运动情况，本发明采用分段式理念，在软胶手套上设计了食指伸展软胶通道，拇指内收软胶通道，拇指伸展软胶通道，拇指外展软胶通道，拇指屈曲软胶通道，食指屈曲软胶通道；为方便后期绳索与驱动器相连，软胶手套上包含了鲍登线插入口，绳索穿入鲍登线与驱动器相连，避免绳索与人肢体发生直接接触，导致可能发生的二次伤害，并且鲍登线可以有效地改变驱动力的方向，实现驱动器位置的任意放置。
作为本发明的一种改进，所述食指外骨骼机构包括食指近指节套环、食指中指节套环以及食指远指节套环，每个套环均由铰链结构连接在一起，套环内还贴有魔术贴，可以根据手指的粗细改变套环的大小。食指远指节套环上还包含了传感器平台，方便发明后期应用时放置位姿传感器。三个套环上的顶端中心处设有食指伸展通道，对应人手部食指中心线，绳索穿过软胶手套的食指伸展软胶通道后再穿过食指伸展通道，最后经由铝扣固定在食指远指节套环上的铝扣凹槽中；三个套环的底端两侧设有食指屈曲通道，通道的中心对应人手部食指中心线，一根绳索穿过软胶手套的食指屈曲软胶通道后，由铝扣转接成两根绳索，再分别穿过两侧的食指屈曲通道，最后经由铝扣固定在食指远指节套环上的铝扣凹槽中；食指近指节套环右侧设有拇指内收通道，绳索穿过软胶手套的拇指内收软胶通道后再穿过拇指内收通道，最后固定于拇指外骨骼机构中拇指远指节套环上的铝扣凹槽中；每个套环内都粘有魔术贴，可以根据手指的粗细改变套环的大小；食指远指节套环上还包含了传感器平台，方便发明后期应用时放置位姿传感器。
作为本发明的一种改进，所述拇指外骨骼机构包括拇指近指节套环和拇指远指节套环，通过铰链机构连接在一起，通过魔术贴调整套环的大小，所述拇指近指节套环上设置有传感器平台。两个套环的顶端中心处设有拇指伸展通道，对应人手部拇指中心线，绳索穿过软胶手套的拇指伸展软胶通道后再穿过拇指伸展通道，最后经由铝扣固定在拇指远指节套环上的铝扣凹槽中；两个套环的底端两侧设有拇指屈曲通道，通道的中心对应人手部拇指中心线，一根绳索穿过软胶手套的拇指屈曲软胶通道后，由铝扣转接成两根绳索，再分别穿过两侧的拇指屈曲通道，最后经由铝扣固定在拇指远指节套环上的铝扣凹槽中；拇指近指节套环右侧设有滑轮改向机构，绳索穿过软胶手套的拇指外展软胶通道后，经过滑轮改向机构，最后固定在拇指近指节套环上的铝扣凹槽中，实现绳索以垂直于手指的方向对手指施加力，便于力的传递和控制；拇指近指节套环上还包含了传感器平台，方便发明后期应用时放置位姿传感器。
作为本发明的一种改进，四指远指节套环末端和拇指远指节套环末端设置有绳索铝套凹槽，使绳索末端固定，不会晃动，提高后期绳索控制精度。
作为本发明的一种改进，每个套环的顶端中间设有一个通孔，绳索穿过通孔固定于末端，绳索拉动时驱动使用者手指伸展，每个指套的底端两侧设有两个通孔，两根套环分别穿过通孔固定于末端，绳索拉动时驱动使用者手指屈曲。
作为本发明的一种改进，食指近指节套环右侧设有一个转向通孔，绳索穿过通孔并固定于拇指远指节套环上，绳索拉动时驱动使用者拇指内收。
作为本发明的一种改进，拇指近指节右侧装有滑轮改向机构，改变绳索张力的方向，使其垂直于手指的方向对手指施加力，驱动使用者拇指外展，提高了张力的效率，减小了寄生力。
作为本发明的一种改进，所述中指外骨骼机构、无名指外骨骼机构以及小拇指外骨骼机构与食指外骨骼机构类似，软胶手套是由软胶制作而成的柔性外骨骼，两个外骨骼机构使用时与人体手指中心对齐，并裸露人体手指关节，由于材料的柔软性和柔顺性，软胶手套佩戴变得紧凑，很容易适合使用者的手部。绳索通过铝套固定在手部功能康复装置上，确保手心侧和手背侧的绳索在拉动手指屈曲/伸展，外展/内收时，绳索不会滑落。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：1）本发明设计的基于绳索驱动的手部功能康复装置，手掌和手心部分采用柔软的软胶制作成柔性的外骨骼结构，克服了刚性外骨骼的尺寸问题，佩戴部分变得更加紧凑，适应各种使用者的手部，提高了使用者康复训练过程的舒适性；2）本发明设计的基于绳索驱动的手部功能康复装置，手指节部分选择质量轻巧的树脂为材料采用3D打印技术制作而成，采用铰链的结构相互连接，将指尖关节设计成侧面式，并将使用者的手指关节裸露，实现外骨骼关节和指间关节中心重合，在保证使用者舒适性、安全性的同时，给装置整体增加一定的刚度，提高后期绳索控制精度；3）本发明设计的基于绳索驱动的手部功能康复装置，在分析了人体手部解剖结构和人体指尖运动的轨迹后，在软胶手套上设有分段式绳索通道，使得驱动器驱动绳索运动时，驱动患者手部在最大功能性区间内活动；4)本发明利用末端牵引方式，可以忽略手指各关节的耦合关系，直接驱动复合运动，可实现多种训练，包括拇指、四指的屈曲/伸展，拇指的外展/内收，拇指的对掌运动；5)本发明利用滑轮机构和弯曲通道，将绳索的张力垂直作用于手指，减少寄生力的影响，便于控制力和传递力，提高张力效率。
附图说明
图1为本发明提供的基于绳索驱动的手部功能康复装置整体结构示意图。
图2为本发明具体实现图。
图3为软胶手套展开图。
图4为食指外骨骼机构整体结构图。
图5为拇指外骨骼机构整体结构图。
附图标记说明：
1-食指外骨骼机构，2-拇指外骨骼机构，3-软胶手套，4-绳索，5-铝扣凹槽，6-魔术贴，7-表扣，8-表带环扣，9-表带，10-鲍登线插入口，11-滑轮改向机构，12-铝扣，13-食指伸展软胶通道，14-拇指内收软胶通道，15-拇指伸展软胶通道，16-拇指外展软胶通道，17-拇指屈曲软胶通道，18-食指屈曲软胶通道，19-表扣安装槽，20-食指伸展通道，21-拇指内收通道，22-食指屈曲通道，23-传感器平台，24-拇指伸展通道，25-拇指屈曲通道，26-食指近指节套环，27-食指中指节套环，28-食指远指节套环，29-拇指近指节套环，30-拇指远指节套环。
具体实施方式
以下讲结合具体实施对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用与限制本发明的范围。
本发明提供的基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置，如图1所示，主要包括软胶手套3、四指外骨骼机构以及拇指外骨骼机构2，所述四指外骨骼机构包括食指外骨骼机构、中指外骨骼机构、无名指外骨骼机构以及小拇指外骨骼机构，四指外骨骼机构的结构类似，以食指外骨骼机构1为例对四指外骨骼机构进行阐述，其他三指外骨骼机构与之类似，如图2所示。其中，软胶手套3由软胶制作而成，通过表扣和表带的方式紧凑地佩戴于使用者手部；食指外骨骼机构1和拇指外骨骼机构2由尼龙材料3D打印而成，通过魔术贴6固定于使用者的手指上，并可以调整大小。
具体地说，如图2所示，软胶手套3包括表带环扣8，表带9，鲍登线插入口10，滑轮改向机构11，铝扣12，食指伸展软胶通道13，拇指内收软胶通道14，拇指伸展软胶通道15，拇指外展软胶通道16，拇指屈曲软胶通道17，食指屈曲软胶通道18，表扣安装口19。整个软胶手套3均由30°软胶制作而成，柔性高，可以紧凑的佩戴于使用者人手上；利用顶针将表扣7安装于表带安装槽19内，表带9上有多个通孔，佩戴软胶手套3时将表带9穿过表扣7，表扣7的扣耳穿过表带9的通孔，起到固定作用，多余的表带9插入表带环扣8内，表带+表扣的设计模式可以轻松地调节软胶手套3的松紧度；在对人手部的解剖结构和指尖运动轨迹进行研究后，设计出针对牵引拇指和食指运动的绳索轨迹，由于软胶制作工艺上无法做复杂结构，并方便医师、患者观察到绳索在软胶手套3中的运动情况，本发明采用分段式理念，在软胶手套3上设计了食指伸展软胶通道13，拇指内收软胶通道14，拇指伸展软胶通道15，拇指外展软胶通道16，拇指屈曲软胶通道17，食指屈曲软胶通道18；为方便后期绳索与驱动器相连，软胶手套3上包含了鲍登线插入口10，绳索穿入鲍登线与驱动器相连，避免绳索与人肢体发生直接接触，导致可能发生的二次伤害，并且鲍登线可以有效地改变驱动力的方向，实现驱动器位置的任意放置。
图3是食指外骨骼机构整体结构图，以其为例对四指外骨骼机构进行阐述，其他三指外骨骼结构与之类似。其中包括食指近指节套环26、食指中指节套环27、食指远指节套环28。三个套环上的顶端中心处设有食指伸展通道20，对应人手部食指中心线，绳索穿过软胶手套3的食指伸展软胶通道13后再穿过食指伸展通道20，最后经由铝扣固定在食指远指节套环28上的铝扣凹槽5中；三个套环的底端两侧设有食指屈曲通道22，通道的中心对应人手部食指中心线，一根绳索穿过软胶手套3的食指屈曲软胶通道18后，由铝扣转接成两根绳索，再分别穿过两侧的食指屈曲通道22，最后经由铝扣固定在食指远指节套环28上的铝扣凹槽5中；食指近指节套环26右侧设有拇指内收通道21，绳索穿过软胶手套3的拇指内收软胶通道14后再穿过拇指内收通道21，最后固定于拇指外骨骼机构2中拇指远指节套环30上的铝扣凹槽5中；每个套环内都粘有魔术贴6，可以根据手指的粗细改变套环的大小；食指远指节套环28上还包含了传感器平台23，方便发明后期应用时放置IMU位姿传感器。
图4是拇指外骨骼机构整体结构图，其中包括拇指近指节套环29、拇指远指节套环30。两个套环的顶端中心处设有拇指伸展通道24，对应人手部拇指中心线，绳索穿过软胶手套3的拇指伸展软胶通道16后再穿过拇指伸展通道24，最后经由铝扣固定在拇指远指节套环30上的铝扣凹槽5中；两个套环的底端两侧设有拇指屈曲通道25，通道的中心对应人手部拇指中心线，一根绳索穿过软胶手套3的拇指屈曲软胶通道17后，由铝扣转接成两根绳索，再分别穿过两侧的拇指屈曲通道25，最后经由铝扣固定在拇指远指节套环30上的铝扣凹槽5中；拇指近指节套环29右侧设有滑轮改向机构11，绳索穿过软胶手套3的拇指外展软胶通道16后，经过滑轮改向机构11，最后固定在拇指近指节套环29上的铝扣凹槽5中，实现绳索以垂直于手指的方向对手指施加力，便于力的传递和控制；拇指近指节套环29上还包含了传感器平台23，方便发明后期应用时放置位姿传感器。
本发明结构简单，易于操作，与传统的刚性外骨骼手部康复设备相比，克服了刚性外骨骼的尺寸过大问题；手掌、手心部分由软胶制作而成，由于软胶的柔软性和柔顺性，佩戴部位变得紧凑，很容易适应使用者的手部；手指部分采用质量轻巧的树脂为材料采用3D打印技术制作而成，给装置整体增加了一定的刚度，提高后期绳索控制的精度，由于人手指关节清晰可见，指间关节设计为侧面式，采用铰链的结构相互连接，并考虑到手指对中问题，将人体关节部分裸露，提高康复训练过程的舒适性与安全性。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置，其特征在于，所述康复装置包括：四指外骨骼机构、拇指外骨骼机构和软胶手套；所述四指外骨骼机构包括食指外骨骼机构、中指外骨骼机构、无名指外骨骼机构以及小拇指外骨骼机构；软胶手套由软胶制作而成，通过表扣和表带的方式紧凑地佩戴于使用者手部；四指外骨骼机构和拇指外骨骼机构由尼龙材料3D打印而成，通过魔术贴固定于使用者的手指上，并可以调整大小，所述软胶手套包括表带环扣，表带，鲍登线插入口，铝扣，食指伸展软胶通道，拇指内收软胶通道，拇指伸展软胶通道，拇指外展软胶通道，拇指屈曲软胶通道，食指屈曲软胶通道以及表扣安装口，利用顶针将表扣安装于表带安装槽内，表带上有多个通孔，佩戴软胶手套时将表带穿过表扣，表扣的扣耳穿过表带的通孔，起到固定作用，多余的表带插入表带环扣内，鲍登线插入口，绳索穿入鲍登线与驱动器相连，有效改变驱动力方向，实现电机的任意放置；软胶手套的表面设置有食指伸展软胶通道，拇指内收软胶通道，拇指伸展软胶通道，拇指外展软胶通道，拇指屈曲软胶通道，食指屈曲软胶通道,所述食指外骨骼机构包括食指近指节套环、食指中指节套环以及食指远指节套环，指间关节设计为侧面式，由铰链结构连接在一起，实现外骨骼关节和指间关节中心重合,套环内还贴有魔术贴，食指远指节套环上还包含了传感器平台，放置IMU位姿传感器；所述拇指外骨骼机构包括拇指近指节套环和拇指远指节套环，指间关节设计为侧面式，通过铰链机构连接在一起，实现外骨骼关节和指间关节中心重合,通过魔术贴调整套环的大小，所述拇指近指节套环上设置有传感器平台，放置IMU位姿传感器，四指远指节套环末端和拇指远指节套环末端设置有绳索铝套凹槽，使绳索末端固定,每个套环的顶端中间设有一个通孔，绳索穿过通孔固定于末端，绳索拉动时驱动使用者手指伸展，每个指套的底端两侧设有两个通孔，两根绳索分别穿过通孔固定于末端，绳索拉动时驱动使用者手指屈曲，食指近指节套环右侧设有一个转向通孔，绳索穿过通孔并固定于拇指远指节套环上，绳索拉动时，力作用于手指垂直方向，驱动使用者拇指内收，便于传递力和控制力。
2.根据权利要求1所述的基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置，其特征在于：拇指近指节右侧装有滑轮改向机构，改变绳索张力的方向，使力垂直作用于手指，提高张力效率。
3.根据权利要求2所述的基于绳索驱动的柔性手部功能康复装置，其特征在于，所述中指外骨骼机构、无名指外骨骼机构以及小拇指外骨骼机构与食指外骨骼机构类似，软胶手套是由软胶制作而成的柔性外骨骼，两个外骨骼机构使用时与人体手指中心对齐，并裸露人体手指关节。
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