CN112618261A - 一种外骨骼辅助机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼辅助机械手，其包括相互连接的背板和指件；所述背板的两侧分别设置有外弯板和拇指板，背板上设置有电机，电机的输出端通过传动带与传动轴传动连接，传动轴上设置有分别与各指件传动连接的传动轮；所述指件包括普通指件和大拇指件；所述普通指件的结构相同、方向不同且尺寸分别与四个手指对应；普通指件包括相互传动连接的固定架、近端板和远端件，远端件包括相互铰接的中间弯板和远端弯板。本发明能够解决现有技术中外骨骼康复机械手无法有效匹配手指使力过程的问题，结构简单、可靠性强、使用寿命长。

Description

一种外骨骼辅助机械手

技术领域

本发明涉及一种辅助机械结构，具体涉及一种外骨骼辅助机械手。

背景技术

近年来，脑中风患者不断增加，患者伴有不同程度的神经系统功能障碍，不能很好的控制肢体的运动，对患者生活造成了极大的不便，其中手部活动障碍是最常见的神经系统功能障碍之一。

传统的肢体活动障碍治疗方法需要专门的康复训练师进行关节活动训练和肌力训练，往往一个训练师需要对多个患者进行康复训练。在人工费越来越昂贵的今天，这种训练方式不仅耗时耗力，而且效率低下。为了提高手部康复训练的效果和效率，降低治疗费用，一种简便的外骨骼康复机械后被提出。

目前外骨骼康复机械手采用的力传递方式为连杆，绳索传递。这种传递方式存在一个问题，手指运动过程中，连杆之间的压力角不断变化，外骨骼作用在手指的力也是变化的，因此连杆和绳索的传导方向无法与手指使力方向有效匹配。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中外骨骼康复机械手无法有效匹配手指使力过程的问题的外骨骼辅助机械手。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种外骨骼辅助机械手，其包括相互连接的背板和指件；

所述背板的两侧分别设置有外弯板和拇指板，背板上设置有电机，电机的输出端通过传动带与传动轴传动连接，传动轴上设置有分别与各指件传动连接的传动轮；

所述指件包括普通指件和大拇指件；

所述普通指件的结构相同、方向不同且尺寸分别与四个手指对应；

普通指件包括相互传动连接的固定架、近端板和远端件，远端件包括相互铰接的中间弯板和远端弯板；

大拇指件包括与拇指板连接的传力件，传力件包括相互铰接同轴板和传动板，同轴板活动架设于拇指板上，传动板一端与拇指板内侧的端部槽末端铰接，另一端依次与固定架、近端板和远端弯板传动连接；

所述固定架包括固定设置有背板上的端座，端座一端与弧形杆连接，弧形杆上沿竖直方向开设有弧形槽，弧形槽内侧面上开设有内弧滑槽；所述近端板的一端为与内弧滑槽配合的半圆齿板；

所述同轴板的边缘设置有与传动轮啮合连接的内齿槽，同轴板上设置有与传动轴套接的弧形孔，同轴板偏离内齿槽的一面设置有外齿轮，外齿轮外侧固定设置有外转轮，外齿轮与传动板传动连接，外转轮通过传动绳与固定架传动连接，外齿轮与传动板传动连接；

所述传动板包括与外齿轮铰接的弧形齿条。

本发明提供的上述外骨骼辅助机械手的主要有益效果在于：

本发明通过设置整体结构相同的普通指件，使整体结构简化；通过单一电机驱动机械手工作，使机械手整体重量轻，操作方便，由此能够有效提高康复效率。

通过将不同普通指件分别与手指方向对应，并利用传动绳和齿轮结合，有效解决外骨骼在运动过程中作用在手指上的力不均衡的问题。

通过固定架与半圆齿板配合，利用瞬心投影法，实现近端指节外骨骼与手指近端指节的旋转中心重合，以模拟手指近端指节之间肌肉组织的作用过程。

通过设置同轴板，利用内齿槽与外齿轮配合，模拟大拇指转动角度与其他四指转动角度不同的效果，从而有效辅助手指的运动，保证康复效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是背板结构的结构示意图。

图3是大拇指件的结构示意图。

图4是同轴板的结构示意图。

图5是普通指件的俯视图。

图6是普通指件的侧视图。

其中，1、背板，11、外弯板，12、传动绳，13、端部槽，14、电机，15、转轮，16、背支架，17、传动轴，18、传动轮，19、背齿轮，2、指件，21、普通指件，22、大拇指件，3、固定架，31、端座，32、弧形杆，33、弧形槽，34、内弧滑槽，35、连接片，36、中间齿轮，37、同轴齿轮，38、固定轮，39、固定套，4、近端板，41、齿条，42、内齿轮，43、半圆齿板，44、转动架，45、近端轮，46、近主动轮，47、活动套，48、轴套，49、定位弧，5、远端件，51、中间弯板，52、远端弯板，53、中间支架，54、同轴轮，55、远端轮，56、末端支架，57、末端轮，6、传力件，61、同轴板，62、内齿槽，63、弧形孔，64、外齿轮，65、外转轮，66、传动板，67、弧形齿条，68、拇指板，69、联轴器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为外骨骼辅助机械手的结构示意图。

本发明的外骨骼辅助机械手包括相互连接的背板1和指件2。

具体的，如图2所示，背板1的两侧分别设置有外弯板11和拇指板68，外弯板11与手部外侧肌肉配合，拇指板68与背板1间有倾角，以适应大拇指指背与手背之间有倾角的特征，从而更好地贴合手部，方便固定。

背板1上设置有电机14，电机14位于背板1后端，电机14的输出端通过传动带与传动轴17传动连接，传动轴17上设置有分别与各指件2传动连接的传动轮18。通过电机14带动传动轴17、传动轮18转动，从而驱动各指件2的运动，实现辅助手指运动的过程。

进一步地，指件2包括普通指件21和大拇指件22。

具体的，普通指件21的结构相同、方向不同且尺寸分别与四个手指对应。由于手指自然伸长时并不是朝向同一方向的，通过将普通指件21的方向设置为与各个手指配合，能更好的适应手指的自然特征，保证康复效果。

如图5和图6所示，普通指件21包括相互传动连接的固定架3、近端板4和远端件5，远端件包括相互铰接的中间弯板51和远端弯板52。固定架3与手背和手指之间的近端关节对应，近端板4与近端指节对应，中间弯板51和远端弯板52分别与中间指节和末端指节对应。

如图3所示，大拇指件22包括与拇指板68连接的传力件6，传力件6包括相互铰接同轴板61和传动板66，同轴板61活动架设于拇指板68上，传动板66一端与拇指板68内侧的端部槽13末端铰接，另一端依次与固定架3、近端板4和远端弯板52传动连接。

通过设置端部槽13，以配合大拇指相对于手背的转动轴邻近手背的特点，通过设置传动板66和同轴板61配合，以对应大拇指根部的指节，通过近端板4对应大拇指的近端指节，远端弯板52对应大拇指的末端指节。

固定架3包括固定设置有背板1上的端座31，端座31一端与弧形杆32连接，弧形杆32上沿竖直方向开设有弧形槽33，弧形槽33内侧面上开设有内弧滑槽34；近端板4的一端为与内弧滑槽34配合的半圆齿板43；半圆齿板43的侧面上设置有与内弧滑槽34配合的定位弧49，由此，近端板4可以绕弧形杆32的圆心旋转，从而模拟手指近端指节之间肌肉组织的作用过程。

如图4所示，同轴板61的边缘设置有与传动轮18啮合连接的内齿槽62，同轴板61上设置有与传动轴17套接的弧形孔63，通过弧形孔63限制同轴板61和传动板66，同轴板61偏离内齿槽62的一面设置有外齿轮64，外齿轮64外侧固定设置有外转轮65，外齿轮64与传动板66传动连接，外转轮65通过传动绳12与固定架3传动连接。传动板66包括与外齿轮64铰接的弧形齿条67。

通过传动轮18转动，带动内齿槽62绕外齿轮64所在转轴转动，从而带动外齿轮64转动，进而带动与外齿轮64配合的弧形齿条67绕传动板66与端部槽13的铰接部转动。通过设置同轴板61，用内齿槽62与外齿轮64配合，模拟大拇指转动角度与其他四指转动角度不同的效果，从而有效辅助手指的运动，保证康复效果。

进一步地，背板1上设置有若干背支架16，传动轴17架设于背支架16上，传动轮18位于每个背支架16内并与指件2方向相配合。

优选的，每个普通指件21与两个背支架16对应，大拇指件22与一个背支架16对应。

优选的，传动轮18为斜齿轮，以满足同一传动轴17向不同的指件2方向传力的要求。

其中，背板1上设置有传动轮18配合的背齿轮19，背齿轮19架设于背支架16上，背齿轮19一侧固定连接有与传动绳12套接的转轮15。通过背齿轮19和转轮15，将传动轴17的转动转换为同一方向的传动绳12转动。

背板1和拇指板68上的传动轴17通过联轴器69相互传动连接，以适应拇指板68与背板1间的倾角。

进一步地，弧形杆32的末端外侧设置有连接片35，连接片35上安装有相互啮合连接的中间齿轮36和同轴齿轮37。同轴齿轮37为两个直径不同的齿轮的组合。

同轴齿轮37的一部分与半圆齿板43铰接，另一部分与中间齿轮36铰接，且与中间齿轮36铰接的部分直径大于与半圆齿板43铰接的部分；同轴齿轮37位于半圆齿板43一侧的位置处与固定轮38固定连接，固定轮38与转轮15通过传动绳12传动连接。特别的，位于大拇指件22上的固定轮38与外转轮65通过传动绳12传动连接。

转动15转动，通过传动绳12带动固定轮38转动，从而带动同轴齿轮37传动，进而驱动半圆齿板43沿内弧滑槽34转动，及中间齿轮36的转动。

中间齿轮36与齿条41啮合连接，中间齿轮36的转轴上套设有与齿条41啮合连接的固定套39。

进一步地，近端板4偏离半圆齿板43的一侧设置有转动架44，转动架44上架设有与齿条41传动连接的内齿轮42。由此，通过齿条41传动，使中间齿轮36带动内齿轮42转动，即通过传动轴17带动内齿轮42转动。

其中，位于普通指件21上的转动架44位于近端板4两侧的位置处分别设置有近端轮45和近主动轮46；近端轮45驱动中间弯板51转动，近主动轮46驱动远端弯板52转动。

内齿轮42两侧架设有与齿条41套接的活动套47，活动套47的下端与内齿轮42所在转轴套接，活动套47的下端两侧分别与轴套48连接；一侧的轴套48与近主动轮46抵接，另一侧的轴套48与近端轮45所在转动架44抵接。轴套48用于固定内齿轮42、近主动轮46在转轴上的相对位置。

其中，位于大拇指件22上的转动架44位于近端板4偏离背板1一侧的位置处和近端板4正上方，位于偏离背板1一侧的转动架44上架设有与近端轮45套接的转轴；近端轮45一侧与轴套抵接；转轴位于近端板4正上方位置处套设有与齿条41配合的内齿轮42。

由此，实现通过齿条41的移动，带动内齿轮42转动，进而带动近端轮45和近主动轮46的转动，从而带动远端件5绕与近端板4的连接部转动，即带动中间指节和末端指节相对于近端指节转动。

进一步地，中间弯板51邻近近端板4一端的两侧对称设置有中间支架53，中间支架53上分别设置有与近端轮45和近主动轮46通过传动绳12配合连接的远端轮55。

与近主动轮46配合的远端轮55与同轴轮54固定连接，同轴轮54与设置于远端弯板52上的末端轮57通过传动绳12相互连接。

远端弯板55邻近中间弯板51的一端两侧与中间弯板51相铰接；远端弯板一侧邻近铰接部的位置处设置有安装末端轮的末端支架。

其中，远端轮55所在转轴为中间弯板51与近端板4的铰接轴，末端轮57所在转轴为远端弯板52与中间弯板51的铰接轴。

远端轮55与中间支架53固定连接，末端轮57与末端支架56固定连接。由此，远端轮55转动时，通过中间支架53带动中间弯板51转动；末端轮57转动时，通过末端支架56带动远端弯板52转动。

下面是本发明的工作原理说明：

电机14通过传送带轮带动传动轴17转动，从而带动各传动轮18转动，并带动背齿轮19转动，在背齿轮19转轴转动作用下，带动转轮15转动，通过传动绳12将动力传至固定架3上的固定轮38。

再通过固定轮38带动同轴齿轮37转动，同轴齿轮37带动与其啮合的半圆齿板43和中间齿轮36，半圆齿板43和近端板4带动患者近端指节运动，即MCP运动。

中间齿轮36经齿条41将动力传至内齿轮42，内齿轮42带动其所在转轴转动，进而带动近端轮45和近主动轮46，近端轮45通过传动绳12带动中间弯板51转动，中间弯板51带动患者中端指节运动，即PIP运动。

近主动轮46将动力传至远端轮55，远端轮55带动同轴轮54运动，同轴轮54通过传动绳12带动末端轮57转动，进而带动远端弯板52转动，远端弯板52带动患者远端指节运动，即DIP运动。

特别的，对于大拇指：

通过联轴器69带动拇指板68对应传动轴17转动，进而带动与内齿槽62配合的传动轮18转动，从而带动同轴板61转动，并通过同轴板61降低转速后，带动传动板66转过设定的角度。

传动板66即大拇指近端指节外骨骼，带动患者大拇指根部指节运动。

与此同时通过外齿轮64带动外转轮65转动，又经传动绳12带动固定架3上的固定轮38转动，通过和前述相同的过程，实现通过近端板4带动患者大拇指近端指节运动的过程。

通过齿条41将动力传至内齿轮42，内齿轮42带动其所在转轴转动，进而带动末端轮57转动，进而带动远端弯板52转动，远端弯板52带动患者大拇指远端指节运动。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种外骨骼辅助机械手，其特征在于，包括相互连接的背板和指件；

所述背板的两侧分别设置有外弯板和拇指板，背板上设置有电机，电机的输出端通过传动带与传动轴传动连接，传动轴上设置有分别与各指件传动连接的传动轮；

所述指件包括普通指件和大拇指件；

所述普通指件的结构相同、方向不同且尺寸分别与四个手指对应；

普通指件包括相互传动连接的固定架、近端板和远端件，远端件包括相互铰接的中间弯板和远端弯板；

大拇指件包括与拇指板连接的传力件，传力件包括相互铰接同轴板和传动板，同轴板活动架设于拇指板上，传动板一端与拇指板内侧的端部槽末端铰接，另一端依次与固定架、近端板和远端弯板传动连接；

所述固定架包括固定设置有背板上的端座，端座一端与弧形杆连接，弧形杆上沿竖直方向开设有弧形槽，弧形槽内侧面上开设有内弧滑槽；所述近端板的一端为与内弧滑槽配合的半圆齿板；

所述同轴板的边缘设置有与传动轮啮合连接的内齿槽，同轴板上设置有与传动轴套接的弧形孔，同轴板偏离内齿槽的一面设置有外齿轮，外齿轮外侧固定设置有外转轮，外齿轮与传动板传动连接，外转轮通过传动绳与固定架传动连接，外齿轮与传动板传动连接；

所述传动板包括与外齿轮铰接的弧形齿条。

2.根据权利要求1所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，所述背板上设置有若干背支架，所述传动轴架设于背支架上，所述传动轮位于每个背支架内并与指件方向相配合。

3.根据权利要求2所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，所述背板上设置有传动轮配合的背齿轮，所述背齿轮架设于背支架上，背齿轮一侧固定连接有与传动绳套接的转轮。

4.根据权利要求1所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，所述背板和拇指板上的传动轴通过联轴器相互传动连接。

5.根据权利要求2所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，所述弧形杆的末端外侧设置有连接片，所述连接片上安装有相互啮合连接的中间齿轮和同轴齿轮；

所述同轴齿轮的一部分与半圆齿板铰接，另一部分与中间齿轮铰接，且与中间齿轮铰接的部分直径大于与半圆齿板铰接的部分；同轴齿轮位于半圆齿板一侧的位置处与固定轮固定连接，固定轮与转轮通过传动绳传动连接；

中间齿轮与齿条啮合连接，中间齿轮的转轴上套设有与齿条啮合连接的固定套。

6.根据权利要求1所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，所述近端板偏离半圆齿板的一侧设置有转动架，所述转动架上架设有与齿条传动连接的内齿轮。

7.根据权利要求6所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，位于普通指件上的转动架位于近端板两侧的位置处分别设置有近端轮和近主动轮；

内齿轮两侧架设有与齿条套接的活动套，活动套的下端与内齿轮所在转轴套接，活动套的下端两侧分别与轴套连接；

一侧的轴套与近主动轮抵接，另一侧的轴套与近端轮所在转动架抵接。

8.根据权利要求6所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，位于大拇指件上的转动架位于近端板偏离背板一侧的位置处和近端板正上方，转动架上架设有与近端轮套接的转轴；近端轮一侧与轴套抵接；

转轴位于近端板正上方位置处套设有与齿条配合的内齿轮。

9.根据权利要求7或8所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，所述中间弯板邻近近端板一端的两侧对称设置有中间支架，中间支架上分别设置有与近端轮和近主动轮通过传动绳配合连接的远端轮；

与近主动轮配合的远端轮与同轴轮固定连接，同轴轮与设置于远端弯板上的末端轮通过传动绳相互连接。

10.根据权利要求9所述的外骨骼辅助机械手，其特征在于，所述远端弯板邻近中间弯板的一端两侧与中间弯板相铰接；

远端弯板一侧邻近铰接部的位置处设置有安装末端轮的末端支架。

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