CN112472526B - 用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，包括手部机构、驱动机构及连接二者的连接机构；手部机构包括手掌套及设置在手掌套前部的五根柔索设置的手指，每根手指均包括指骨驱动块，其具有凸起部，凸起部上设有引导孔，钢缆穿过引导孔实现指骨驱动块的连接及驱动动作；手指绑带，固定在指骨驱动块上，用于固定人手指；钢缆，包括连接钢缆和驱动钢缆，所述连接钢缆固定连接各个指骨驱动块，形成每根手指；所述驱动钢缆连接各个指骨驱动块，并通过连接机构与驱动机构连接，在驱动机构的作用下带动各个手指运动。本发明的有益效果是柔顺好，较强的穿戴适应性，结构简单轻巧，更有利于手功能患者的康复使用。

Description

用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手
技术领域
本发明属于骨骼康复器材技术领域，尤其是涉及到一种用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手。
背景技术
近十几年来，我国脑卒中的疾病负担有爆发式增长的态势，越来越趋近于年轻化，据推测，2030年我国脑血管病事件发生率将比2010年升高约50％。其会造成不同程度的后遗症以及中枢神经的损伤，其中70％-85％的患者会伴有偏瘫。后期的康复是一个长期的过程，而传统的人工康复，效率低，成本高，且需要专业的康复人员，因此，在后期的康复生活中，借助机器人辅助进行康复训练已成为发展的必然趋势，而康复机械手的研究也变得越来越多。
目前已投入使用的康复机械手主要是气动式康复机械手，虽然柔顺性好，有较强的穿戴适应性，但其伺服控制性较差，在伸展与抓握的过程无法控制在半道，不能任意控制手的姿态，且受到温度的影响，其准确性会降低。对于已有的刚性康复机械手，虽然有较强的运动准确性，但体积较大，而且直接将电机安装康复机械手上，增大了整个康复机械手的重量，会对患者的手部产生较大的压力，无法很好地用于患者的康复。
中国专利文献中，发明名称为“自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手”、公布号为CN106943277A的文献公开了一种技术方案，包括柔性驱动推杆、五根柔性铰接手指等，直线电机推杆、鲍登线缆、柔性驱动推杆与五根柔性铰接手指连接形成手指驱动机构，通过三个直线推杆电机获得动力，分别驱动四指和大拇指。虽然该技术方案采用了柔性铰接，但是其对各个手指关节的控制不够灵活，抓握力控制难度大。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手；目的是实现机械手结构简单轻巧，穿戴适应性强，将驱动装置与手部装置分离，可带动手功能患者实现精确的抓握运动，及伸展屈曲运动，也可带动正常人实现增力运动，实现锻炼。
本发明的一种用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，包括手部机构、驱动机构及连接二者的连接机构；手部机构包括手掌套及设置在手掌套前部的五根柔索设置的手指，每根手指均包括：
指骨驱动块，其一方面用于连接手指绑带，另一方面用于与钢缆连接；其具有凸起部，凸起部上设有引导孔，钢缆穿过引导孔实现指骨驱动块的连接及驱动动作；
手指绑带，固定在指骨驱动块上，用于固定人手指；
钢缆，包括连接钢缆和驱动钢缆，所述连接钢缆固定连接各个指骨驱动块，形成每根手指；所述驱动钢缆连接各个指骨驱动块，并通过连接机构与驱动机构连接，在驱动机构的作用下带动各个手指运动。
进一步地，所述驱动机构包括五组相同的驱动单元，每个驱动单元驱动一个手指的运动；驱动单元包括驱动支撑架、设置在机架上的电机组件、与电机组件连接的橡胶电动轮、设置在橡胶电动轮上方与其配合对驱动钢缆往复运动的橡胶定向轮、用于安装橡胶定向轮的定向轮固定组件。
进一步地，所述驱动钢缆与指尖处指骨驱动块的两连接端面处设有钢缆卡扣；驱动钢缆与指根处的指骨驱动块两侧设有钢缆卡扣，且靠近指根侧的钢缆卡扣与指骨驱动块存在间隔距离；若手指只有两个指骨驱动块，则仅在指根处指骨驱动块的指根侧设置钢缆卡扣，且该钢缆卡扣与指骨驱动块之间存在间隔距离。
进一步地，所述驱动钢缆为两根，两根驱动钢缆分别通过引导孔连接指骨驱动块，且两根钢缆处于同一水平面上。
进一步地，所述驱动单元还包括定向轮压力调整件，所述定向轮压力调整件为安装在定向轮固定组件上的压紧螺钉，定向轮固定组件上设有与压紧螺钉配合的螺纹结构。
进一步地，所述定向轮固定组件包括固定橡胶定向轮的定向轮支架、通过螺栓与定向轮支架连接的定向轮固定板；所述定向轮固定板安装在驱动支撑架上；所述螺栓上设有压簧。
进一步地，所述驱动单元还包括设置在驱动钢缆末端的拉线传感器。拉线传感器用于检测驱动钢缆的长度变化，可以更精确地控制康复机械手的伸展屈曲运动。
进一步地，所述连接机构包括五组，每组连接结构均包括聚四氟乙烯管、两个快插接头及快插接头固定块，所述四氟乙烯管的两端通过快插接头和快插接头固定块固定在手掌套和驱动支撑架上。
本发明的有益效果是：采用柔索驱动，且各手指的指节骨均有驱动块，柔顺好，较强的穿戴适应性，结构简单轻巧，更有利于手功能患者的康复使用；驱动装置与手部装置分离，可带动手功能患者实现精确的抓握运动，及伸展屈曲运动，也可带动正常人实现增力运动，实现锻炼的目的；采用了伺服电机或步进电机控制，有较强的伺服控制性，可精确地带动患者做伸展运动与屈曲运动，且在生活中帮助患者抓握物体，给患者的生活带来方便，也可用于正常人的增力锻炼。
附图说明
图1是本发明的实施例的整体结构示意图；
图2是本发明的实施例中手部结构示意图；
图3是本发明的实施例中手部单指的结构示意图；
图4是本发明的实施例中指骨驱动块的结构示意图；
图5是本发明的实施例中的驱动单元的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：100、手部机构；101、手指绑带；102、指尖指骨驱动块；103、连接钢缆；104、驱动钢缆；105、指根指骨驱动块；106、手掌套；107、中节指骨驱动块；108、钢缆卡扣；1001、第一引导孔；1002、第二引导孔；1003、第三引导孔；
200、连接机构；201、快插接头固定块；202、快插接头；203、五根聚四氟乙烯管；
300、驱动单元；301、驱动支撑架；302、电机；303、减速器；304、联轴器；305、带立式座轴承；306、橡胶电动轮；307、橡胶定向轮；308、压簧；309、定向轮支架；310、定向轮固定板；311、压紧螺钉；312、间隔连接块；313、拉线传感器。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1-3所示，一种用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，包括手部机构100、驱动机构及连接二者的连接机构200。手部机构包括手掌套及设置在手掌套前部的五根柔索设置的手指，每根手指均包括指骨驱动块，其一方面用于连接手指绑带，另一方面用于与钢缆连接；其具有凸起部，凸起部上设有引导孔，钢缆穿过引导孔实现指骨驱动块的连接及驱动动作；手指绑带，固定在指骨驱动块上，用于固定人手指；钢缆，包括连接钢缆103和驱动钢缆104，所述连接钢缆固定连接各个指骨驱动块，形成每根手指；所述驱动钢缆连接各个指骨驱动块，并通过连接机构与驱动机构连接，在驱动机构的作用下带动各个手指运动。
如图4所示，指骨驱动块的引导孔均有第一引导孔1001、第二引导孔1002和第三引导孔1003；第一引导孔用于穿引连接钢缆，第二引导孔1002和第三引导孔1003的轴线位于同一平面上，用于穿引两根驱动钢缆。连接钢缆103依次穿过各个指骨驱动块的第一引导孔1001，且分别在指骨驱动块的第一引导孔1001两端端口处的连接钢缆103上设置有钢缆卡扣108，使得连接钢缆103在指骨驱动块之间的第一引导孔1001中不可移动。所述驱动钢缆104为两根，两根驱动钢缆分别通过引导孔连接指骨驱动块，且两根钢缆处于同一水平面上。所述驱动钢缆与指尖处指骨驱动块的两连接端面处设有钢缆卡扣108；驱动钢缆与指根处的指骨驱动块两侧设有钢缆卡扣，且靠近指根侧的钢缆卡扣与指骨驱动块存在间隔距离；若手指只有两个指骨驱动块，则仅在指根处指骨驱动块的指根侧设置钢缆卡扣，且该钢缆卡扣与指骨驱动块之间存在间隔距离。
如图2、3所示，以大拇指和食指为例，对驱动钢缆和连接钢缆与指骨驱动块的连接进行说明；大拇指由两块指骨驱动块构成，为指尖指骨驱动块和指根指骨驱动块，连接钢缆103依次穿过指根指骨驱动块105和指尖指骨驱动块102的第一引导孔1001，且分别在两指骨驱动块的第一引导孔1001两端端口处的连接钢缆103上设置有钢缆卡扣108，使得连接钢缆103在两驱动块的第一引导孔1001中不可移动，两根驱动钢缆104分别依次穿过指根指骨驱动块105和指尖指骨驱动块102的第二引导孔1002和第三引导孔1003，在指尖指骨驱动块102的第二引导孔1002和第三引导孔1003两端端口处的驱动钢缆104上设置有钢缆卡扣108，在指根指骨驱动块105朝向手腕一侧10mm左右处的驱动钢缆104上设置钢缆卡扣108。
而其他四指由三块指骨驱动块构成，为指尖指骨驱动块、中节指骨驱动块和指根指骨驱动块，连接钢缆103依次穿过指根指骨驱动块105、中节指骨驱动块107和指尖指骨驱动块102的第一引导孔1001，且分别在三个指骨驱动块的第一引导孔1001的两端端口处的连接钢缆103上设置钢缆卡扣108，使得连接钢缆103在三个指骨驱动块的第一引导孔1001中不可移动，两根驱动钢缆104分别依次穿过指根指骨驱动块105、中节指骨驱动块107和指尖指骨驱动块102的第二引导孔1002和第三引导孔1003，在指尖指骨驱动块102的第二引导孔1002和第三引导孔1003两端端口处的驱动钢缆104上设置钢缆卡扣108，在指根指骨驱动块105朝向指尖一侧的第二引导孔1002和第三引导孔1003的端口处的驱动钢缆104上设置钢缆卡扣108，在指根指骨驱动块105朝向手腕一侧10mm左右处的驱动钢缆104上设置钢缆卡扣108。
如图1、5所示，所述驱动机构包括五组相同的驱动单元300，每个驱动单元300驱动一个手指的运动；驱动单元包括驱动支撑架301、设置在驱动支撑架301上的电机组件、与电机组件连接的橡胶电动轮306、设置在橡胶电动轮306上方与其配合对驱动钢缆往复运动的橡胶定向轮307、用于安装橡胶定向轮的定向轮固定组件及设置在驱动钢缆末端的拉线传感器313。驱动钢缆104从手部结构100穿过聚四氟乙烯管303、穿过橡胶定向轮307与橡胶电动轮306之间，连接在拉线传感器313上；通过拉线传感器313可精确测量驱动钢缆推/拉的量程，进而可知手指的抓握状态。此外，在各手指上设置有薄膜压力传感(图中未示出)，用于检测手的抓握力度。
所述定向轮固定组件包括定向轮支架309、定向轮固定板310、间隔连接块312以及压簧等；定向轮固定板310通过间隔连接块312固定在驱动支撑架301上，通过四根螺栓将定向轮固定板310与定向轮支架309连接在一起，在四根螺栓上设有四个压簧308。所述定向轮压力调整件为安装在定向轮固定板310的压紧螺钉，定向轮固定板310上设有与压紧螺钉配合的螺纹结构；通过拧动压紧螺钉311来调节橡胶定向轮307与橡胶电动轮306的挤压力。在压紧螺钉311拧松的情况下，橡胶定向轮307在压簧308的作用下，向上移动一段距离，便于将驱动钢缆104安放在橡胶定向轮307与橡胶电动轮306之间。电机组件包括电机302，通过联轴器304与电机302连接的减速器303，与减速器303连接的轴，橡胶电动轮306通过两个带立式座轴承305及轴所支撑。电机可采用伺服电机或步进电机，有较强的伺服控制性。
所述连接机构包括五组，每组连接结构均包括聚四氟乙烯管203、两个快插接头202及快插接头固定块201，每根聚四氟乙烯管203对应两个快插接头202；聚四氟乙烯管203两端通过快插接头202和快插接头固定块201分别固定在手掌套106和驱动支撑架301上。
以大拇指的运动为实施例进行说明，当推动驱动钢缆104时，首先通过推动指尖指骨驱动块102带动大拇指弯曲，随着驱动钢缆104的移动，当指根指骨驱动块105手腕一侧的钢缆卡扣108碰到指根指骨驱动块105上时，驱动钢缆104通过推动近指根指骨驱动块105进一步带动大拇指做弯曲运动；当拉伸驱动钢缆104时，通过拉动指尖指骨驱动块102带动大拇指作伸展运动。
以食指的运动为实施例进行说明，当推动驱动钢缆104时，首先通过推动指尖指骨驱动块102带动食指作弯曲运动，在弯曲一定程度后，驱动钢缆104通过推动中节指骨驱动块107和指根指骨驱动块105带动食指作弯曲运动；当拉伸驱动钢缆104时，通过拉动远指尖指骨驱动块102带动食指作伸展运动。其他三指与食指的结构、运动方式完全一致。
本实施例提供的人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，由于手部结构100仅有驱动块、手指绑带、手掌套、驱动钢缆和连接钢缆，因此结构简单、成本较低、较强的穿戴适应性以及重量轻；该机械手不但可用于手功能患者的康复，而且也可作为一款增力装置，帮助正常人做锻炼。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的均等修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，包括手部机构(100)、驱动机构及连接二者的连接机构(200)；其特征在于：手部机构包括手掌套(106)及设置在手掌套(106)前部的五根柔索设置的手指，每根手指均包括，
指骨驱动块，其一方面用于连接手指绑带(101)，另一方面用于与钢缆连接；其具有凸起部，凸起部上设有引导孔，钢缆穿过引导孔实现指骨驱动块的连接及驱动动作；
手指绑带(101)，固定在指骨驱动块上，用于固定人手指；
钢缆，包括连接钢缆(103)和驱动钢缆(104)，所述连接钢缆固定连接各个指骨驱动块，形成每根手指；所述驱动钢缆连接各个指骨驱动块，并通过连接机构与驱动机构连接，在驱动机构的作用下带动各个手指运动；
所述驱动钢缆(104)与指尖处指骨驱动块的两连接端面处设有钢缆卡扣(108)；驱动钢缆与指根处的指骨驱动块两侧设有钢缆卡扣，且靠近指根侧的钢缆卡扣与指骨驱动块存在间隔距离；若手指只有两个指骨驱动块，则仅在指根处指骨驱动块(105)的指根侧设置钢缆卡扣，且该钢缆卡扣与指骨驱动块之间存在间隔距离。
2.根据权利要求1所述的用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，其特征在于，所述驱动机构包括五组相同的驱动单元(300)，每个驱动单元驱动一个手指的运动；驱动单元包括驱动支撑架(301)、设置在机架上的电机组件、与电机组件连接的橡胶电动轮(306)、设置在橡胶电动轮(306)上方与其配合对驱动钢缆往复运动的橡胶定向轮(307)、用于安装橡胶定向轮(307)的定向轮固定组件。
3.根据权利要求1所述的用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，其特征在于，所述驱动钢缆(104)为两根，两根驱动钢缆分别通过引导孔连接指骨驱动块，且两根钢缆处于同一水平面上。
4.根据权利要求2所述的用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，其特征在于，所述驱动单元还包括定向轮压力调整件，所述定向轮压力调整件为安装在定向轮固定组件上的压紧螺钉(311)，定向轮固定组件上设有与压紧螺钉配合的螺纹结构。
5.根据权利要求2所述的用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，其特征在于，所述定向轮固定组件包括固定橡胶定向轮的定向轮支架(309)、通过螺栓与定向轮支架连接的定向轮固定板(310)；所述定向轮固定板安装在驱动支撑架(301)上；所述螺栓上设有压簧(308)。
6.根据权利要求2所述的用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，其特征在于，所述驱动单元还包括设置在驱动钢缆末端的拉线传感器(313)。
7.根据权利要求1所述的用于人手指驱动的双层柔索外骨骼康复机械手，其特征在于，所述连接机构包括五组，每组连接结构均包括聚四氟乙烯管(203)、两个快插接头(202)及快插接头固定块(203)，所述四氟乙烯管的两端通过快插接头和快插接头固定块固定在手掌套(106)和驱动支撑架(301)上。
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