CN112773661A - 一种外骨骼食指功能康复机器人 - Google Patents

一种外骨骼食指功能康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种外骨骼食指功能康复机器人。本发明包括远端驱动组件、通过鲍登线与远端驱动组件连接的掌指关节执行组件、与掌指关节执行组件连接的近侧指节驱动组件以及与近侧指节驱动组件转动连接的近侧指节执行组件。本发明采用鲍登线实现传动机构的传动，其结构简单，体积小，穿戴方便，且本发明采用远端驱动组件，不需要设置在患者的手部，有利于患者康复训练的恢复效果和康复速度。本发明的掌指关节执行组件采用了2UPS+U的并联结构设计，可以实现掌指关节的屈曲/伸展、内收/外展以及组合运动，能够辅助患者的食指进行全方位的康复训练。

Description

一种外骨骼食指功能康复机器人
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种外骨骼食指功能康复机器人。
背景技术
随着近年来交通事故、工程伤残事故以及脑卒中等引起的肢体运动功能丧失的人群呈现逐年上升的趋势，其中手部功能的丧失严重影响了人们的正常生活，由于手指作为人体上灵巧的器官，手部的功能有着举足轻重的作用，其食指运动功能的退化与丧失，将大大降低运动功能障碍患者的生活能力，食指康复机器人的研究得到人们越来越多的重视。
目前市场上出现的食指康复机器人虽然各具特色，但是存在一定的不足。大多数食指康复机器人的驱动组件与可穿戴部件放在一起，体积大，重量大，不利于患者的康复训练；现有手指康复机器人大多只能实现食指掌指关节的单一模式的训练，即屈曲/伸展训练，对于掌指关节难以做到全方位的康复训练；此外，现有康复训练装置不同关节多采取相同或相似的驱动组件，结构复杂，难以适应不同手指关节驱动的要求和特点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的食指功能康复机器人的重量大、训练模式单一的缺陷，提供了一种体积小、重量轻可远程驱动且能够对患者手部进行多自由度训练的外骨骼食指功能康复机器人。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种外骨骼食指功能康复机器人，包括远端驱动组件、通过鲍登线与所述远端驱动组件连接的掌指关节执行组件、与所述掌指关节执行组件连接的近侧指节驱动组件以及与所述近侧指节驱动组件转动连接的近侧指节执行组件；
所述掌指关节执行组件包括设置在掌背上的安装板、对称安装在所述安装板上的线头安装座组件、通过轴承转动安装在所述安装板上的动平台组件以及固定安装在所述动平台组件上的掌指关节连杆；所述线头安装座组件与所述动平台组件之间安装有鲍登线传动机构；两所述鲍登线传动机构平行设置且其延伸方向与食指自然延伸的方向一致；
所述近侧指节驱动组件包括设置在患者食指近侧指骨上的近侧指骨指套、安装在所述近侧指骨指套上的驱动支架、安装在所述驱动支架上的近侧电机、设置在所述近侧电机的输出端的鲍登线传动机构；所述近侧指骨指套上固定安装有滑杆，所述第一连杆通过滑块与所述滑杆滑动连接；
所述近侧指节执行组件包括与所述鲍登线传动机构的输出轴同轴设置的第一连杆、与所述第一连杆转动连接的第二连杆以及与所述第二连杆转动连接的近侧指节指套；所述近侧指节指套套设在患者食指的中间指骨上。
进一步地，所述鲍登线传动机构包括安装在所述线头安装座组件上的支撑管和鲍登线管、套设在所述鲍登线管内的球窝加工件、设置在所述支撑管与所述球窝加工件之间的弹簧以及与所述球窝加工件配合连接的球头加工件；所述鲍登线依次从所述鲍登线管、弹簧以及球窝加工件的管状部内穿出；所述球窝加工件靠近圆球部的一端设置有用于固定所述鲍登线头的凹槽；所述球头加工件通过螺纹与所述动平台组件固定连接。
进一步地，所述第一传动机构包括与所述近侧电机的输出轴同轴设置的驱动齿轮和与所述驱动齿轮外啮合的冠状齿轮；所述第一连杆通过与所述冠状齿轮同轴设置的轴。
进一步地，所述远端驱动组件包括驱动安装架、对称安装在所述驱动安装架上的电动推杆、与所述电动推杆的伸缩方向平行且固定安装在所述驱动安装架上的滑动轴承以及与所述滑动轴承滑动连接的鲍登线套；所述鲍登线套的一端通过传动连接板与所述电动推杆的伸缩端固定连接，其另一端套设在所述支撑管内部。
进一步地，所述线头安装座组件包括通过轴承竖轴转动连接在所述安装板上的线头T形轴、通过轴承与所述线头T形轴的横轴转动连接的线头安装座以及与所述线头安装座配合连接的两线头端盖。
进一步地，所述动平台组件包括通过轴承竖轴转动安装在所述安装板上的动平台T形轴、通过轴承与所述动平台T形轴的横轴转动连接的动平台安装座以及与所述动平台安装座配合连接的两动平台端盖
进一步地，所述近侧指骨指套通过绑带或者魔术贴固定在患者食指的近侧指骨上；所述近侧指节指套通过绑带或魔术贴固定在人体食指的中间指骨上。
更进一步地，所述远端驱动组件可以置于桌面或利用绑带绑在人体手臂上以减轻手部的承受重量。
本发明的一种外骨骼食指功能康复机器人的有益效果是：
1、本发明采用鲍登线实现传动机构的传动，其结构简单，体积小，穿戴方便。且本发明采用远端驱动组件，不需要设置在患者的手部，实现食指康复机器人的远端驱动，减轻了康复机器人的重量，有利于患者康复训练的恢复效果和康复速度。
2、本发明的掌指关节执行组件采用了2UPS+U的并联结构设计，可以实现掌指关节的屈曲/伸展、内收/外展以及组合运动，能够辅助患者的食指进行全方位的康复训练。
3、本发明的近侧指节的驱动组件采用冠状齿轮与四杆机构组合传动形式，这种结构设计体积小、结构紧凑，适合近侧指骨处安装空间小的特点，在康复过程中，不影响患者其他手指的正常运动。
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是本发明实施例应用到手模上的整体结构图；
图2是本发明实施例的掌指关节执行组件结构示意图；
图3是本发明实施例的掌指关节执行组件与近侧指骨指套连接示意图；
图4是本发明实施例的鲍登线传动机构的剖面结构示意图；
图5是本发明实施例的近侧指节驱动组件；
图6是本发明实施例的第一传动机构的俯视图；
图7是本发明实施例的线头安装座组件的爆炸结构示意图；
图8是本发明实施例的动平台组件的爆炸结构示意图；
图9是本发明实施例的远端驱动组件总体结构示意图。
图中:1、远端驱动组件，11、驱动安装架，12、电动推杆，13、滑动轴承，14、鲍登线套，15、传动连接板，16、压紧扣半块，2、掌指关节执行组件，21、安装板，22、线头安装座组件，221、线头T形轴，222、线头安装座，223、线头端盖，23、动平台组件，231、动平台T形轴，232、动平台安装座，233、动平台端盖，24、掌指关节连杆，25、鲍登线传动机构，251、支撑管，252、鲍登线管，253、球窝加工件，254、凹槽，255、球头加工件，256、弹簧，3、近侧指节驱动组件，31、近侧指骨指套，32、驱动支架，33、近侧电机，34、第一传动机构，341、驱动齿轮，342、冠状齿轮，35、滑杆，36、滑块，4、近侧指节执行组件，41、第一连杆，42、第二连杆，43、近侧指节指套，5、鲍登线，6、手模型。
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。
在本发明实施例的描述中，需要声明的是：当手指康复机器人穿戴于人手上时，手指指向的方向为前，手掌部所在的方向为后，小指所在侧为左，拇指所在侧为右，掌背侧为上，掌心侧为下，本发明实施例的图1-图9中采用手模型6代替患者手部。
如图1-图9所示的本发明的一种外骨骼食指功能康复机器人的具体实施例，包括远端驱动组件1、通过鲍登线5与远端驱动组件1连接的掌指关节执行组件2、与掌指关节执行组件2滑动连接的近侧指节驱动组件3以及与近侧指节驱动组件3转动连接的近侧指节执行组件4。
如图2和图3所示，掌指关节执行组件2包括设置在掌背上的安装板21、对称安装在安装板21上的线头安装座组件22、通过轴承转动安装在安装板21上的动平台组件23以及固定安装在动平台组件23上的掌指关节连杆24；线头安装座组件22与动平台组件23之间安装有鲍登线传动机构25；两鲍登线传动机构25平行设置且其延伸方向与食指自然延伸的方向一致。
参照图3近侧指节驱动组件3包括设置在患者食指近侧指骨上的近侧指骨指套31、安装在近侧指骨指套31上的驱动支架32、安装在驱动支架32上的近侧电机33、设置在近侧电机33的输出端的鲍登线传动机构25；近侧指骨指套31上固定安装有滑杆35，第一连杆41通过滑块36与滑杆35滑动连接。
如图5所示，近侧指节执行组件4包括与鲍登线传动机构25的输出轴同轴设置的第一连杆41、与第一连杆41转动连接的第二连杆42以及与第二连杆42转动连接的近侧指节指套43；近侧指节指套43套设在患者食指的中间指骨上。
本发明的掌指关节执行组件2采用了2UPS+U的并联结构设计，可以实现掌指关节的屈曲/伸展、内收/外展以及组合运动，能够辅助患者的食指进行全方位的康复训练。掌指关节执行组件2是一个并联结构组件，包含两个结构完全对称的线头安装座组件22，构成了并联结构中的两个相同的U副，两个鲍登线传动机构25也完全对称，构成了并联结构中的两个P、S副，动平台组件23用于直接带动近侧指骨指套31的运动，构成了并联结构中的第三个U副。
本发明采用鲍登线5实现传动机构的传动，其结构简单，体积小，穿戴方便。且本发明采用远端驱动组件1，不需要设置在患者的手部，实现食指康复机器人的远端驱动，减轻了康复机器人的重量，有利于患者康复训练的恢复效果和康复速度。参照图4所示，鲍登线传动机构25包括安装在线头安装座组件22上的支撑管251和鲍登线管252、套设在鲍登线管252内的球窝加工件253、设置在支撑管251与球窝加工件253之间的弹簧256以及与球窝加工件253配合连接的球头加工件255；鲍登线5依次从鲍登线管252、弹簧256以及球窝加工件253的管状部内穿出；球窝加工件253靠近圆球部的一端设置有用于固定鲍登线5头的凹槽254；球头加工件255通过螺纹与动平台组件23固定连接。
鲍登线5是一根柔性的线，端部与鲍登线5头相连接；鲍登线套14包裹在鲍登线5外部，辅助实现鲍登线5推力和拉力的传递；支撑管251安装固定在线头安装座222的内孔一端，用以支撑鲍登线套14，并利用紧定螺钉固定；鲍登线管252安装固定在线头安装座222的内孔的另一端，用以安装弹簧256、球窝加工件253，并利用紧定螺钉固定；弹簧256安装在鲍登线管252内部，初始状态下，弹簧256处于压缩状态，一端与支撑架接触，另一端与球窝加工件253接触；球窝加工件253一端为圆柱管状，在圆柱管状表面加工有平面，与鲍登线管252的内表面相配合，与鲍登线管252形成P副连接；另一侧加工有球窝，与球头加工件255圆球部相配合，形成S副连接；球窝加工件253靠近圆球部的一端设置有用于固定鲍登线5头的凹槽254，鲍登线5头置于该凹槽254内，鲍登线5依次穿过鲍登线套14、弹簧256、球窝加工件253的圆柱管，与鲍登线5头相连接；球头加工件255加工有螺纹结构，与动平台组件23相连接。
如图7和图8所示线头安装座组件22包括通过轴承竖轴转动连接在安装板21上的线头T形轴221、通过轴承与线头T形轴221的横轴转动连接的线头安装座222以及与线头安装座222配合连接的两线头端盖223。动平台组件23包括通过轴承竖轴转动安装在安装板21上的动平台T形轴231、通过轴承与动平台T形轴231的横轴转动连接的动平台安装座232以及与动平台安装座232配合连接的两动平台端盖233。
其中一个鲍登线传动机构25的一端连接靠近大拇指的线头安装座组件22上，其另一端安装在靠近大拇指位置的动平台组件23上，另一个鲍登线传动机构25的一端连接在靠近小指的线头安装座组件22，其另一端安装在靠近小指位置的动平台组件23上；利用并联结构的运动特性，掌指关节执行组件2可以实现动平台组件23的前后俯仰及左右摆动运动，带动近侧指骨指套31组件运动，进而实现食指的屈曲/伸展和内收/外展运动。
本发明实施例中的第一传动机构34包括与近侧电机33的输出轴同轴设置的驱动齿轮341和与驱动齿轮341外啮合的冠状齿轮342。参照图6，近侧指节执行组件4包括与冠状齿轮342同轴设置的第一连杆41、与第一连杆41转动连接的第二连杆42以及与第二连杆42转动连接的近侧指节指套43。本发明的近侧指节的驱动组件采用冠状齿轮342与四杆机构组合传动形式，这种结构设计体积小、结构紧凑，适合近侧指骨处安装空间小的特点，在康复过程中，不影响患者其他手指的正常运动。
本发明实施例中近侧指骨指套31通过绑带或者魔术贴固定在人体食指的近侧指骨上；近侧指节指套43通过绑带或魔术贴固定在人体食指的远侧指骨上。近侧指骨指套31与第一连杆41连接通过第一指套轴转动连接，在第一指套轴的两端均安装有E形弹性挡圈。第一连杆41通过第一指套轴、两个E形弹性挡圈与滑块36形成旋转副，滑块36套装在安装在近侧指骨指套31上的滑杆35上，保证滑块36能在掌指关节连杆24的推动下，在滑杆35118上滑动。
第一连杆41为Y形结构，在Y形结构上有对称开孔，对称开孔中安装有转轴，转轴的两端分别安装有E形弹性挡圈。第二连杆42与近侧指节指套43通过转轴转动连接，上述转轴的两端开有适合E形弹性挡圈安装的沟槽，E形弹性挡圈安装在转轴相应的沟槽中。
如图9所示的远端驱动组件1包括驱动安装架11、对称安装在驱动安装架11上的电动推杆12、与电动推杆12的伸缩方向平行且固定安装在驱动安装架11上的滑动轴承13以及与滑动轴承13滑动连接的鲍登线套14；鲍登线套14的一端通过传动连接板15与电动推杆12的伸缩端固定连接，其另一端套设在支撑管251内部；鲍登线5的一端通过压紧扣半块16与鲍登线套14固定连接，其另一端设置有鲍登线5头。远端驱动组件1可以置于桌面或利用绑带绑在人体手臂上，以减轻患者手部的承受力。
康复机器人的远端驱动组件1包括结构完全相同两个驱动组件，分别驱动掌指关节执行组件2并联结构中第一运动支链和第二运动支链，电动推杆12通过电机安装架固定在驱动安装架11上，滑动轴承13固定在驱动安装架11上；电动推杆12的连接头与推杆套筒形成P副，可在电动推杆12的驱动下，相对于推杆套筒进行滑动运动；电动推杆12的连接头与传动连接板15固连，传动连接板15通过带孔内六角螺钉与电动推杆12连接件固连，电动推杆12连接件与滑动轴承13形成P副；鲍登线5一端穿过带孔内六角螺钉中间通孔，通过压紧扣半块16与带孔内六角螺钉连接；另一端穿过滑动轴承13，外面包裹有鲍登线套14，与掌指关节执行组件2相连接。
食指屈曲动作过程：远端驱动组件1中的一个电动推杆12启动，驱动对应的电动推杆12连接头伸长，通过传动连接板15带动电动推杆12连接件同向运动，拉动鲍登线5在鲍登线套14中作收回运动，鲍登线5通过在鲍登线套14中的相对运动将拉力传递到鲍登线5头处，此时，弹簧256被进一步的压缩，具有更大的弹簧力，鲍登线5头带动球窝加工件253向远离手指的方向运动，通过球头加工件255带动动平台安装座232运动；另一个电动推杆12启动，驱动相对应的电动推杆12连接头以相同速度伸长，两组鲍登线传动机构25同时驱动动平台组件23绕动平台T形轴231的横轴旋转，理论模型为2UPS+U并联机构中的两个P副同时缩短，引起第三个U副的运动，掌指关节实现屈曲动作，进而带动食指实现屈曲康复动作。
食指伸展动作过程：远端驱动组件1中的一个电动推杆12启动，驱动对应的电动推杆12连接头缩回，通过传动连接板15带动电动推杆12连接件同向运动，在弹簧256的推力和鲍登线5推力的合力作用下，鲍登线5在鲍登线套14中作伸长运动，运动过程中，弹簧256的压缩量逐渐减小，鲍登线5通过在鲍登线套14中的相对运动将推力传递到鲍登线5头处，鲍登线5头带动球窝加工件253向靠近手指的方向运动，通过球头加工件255带动动平台安装座232运动；另一个驱动机构的电动推杆12启动，驱动相对应的电动推杆12连接头以相同速度缩回，两组鲍登线传动机构25同时驱动动平台组件23绕动平台T形轴231的横轴旋转，理论模型为并联机构中的两个P副同时伸长，引起第三个U副的运动，掌指关节实现伸展动作，进而带动食指实现伸展康复动作。
食指内收动作过程：远端驱动组件1中的一个驱动机构的电动推杆12启动，驱动对应的电动推杆12连接头缩回，通过传动连接板15带动电动推杆12连接件同向运动，进而推动鲍登线5在鲍登线套14中作伸长运动，鲍登线5通过在鲍登线套14中的相对运动将推力传递到鲍登线5头处，在弹簧256的作用下，鲍登线5头带动球窝加工件253向靠近手指的方向运动，通过球头加工件255带动动平台安装座232运动；另一个电动推杆12启动，驱动相对应的电动推杆12的连接头以相同速度伸长，两组鲍登线传动机构25同时驱动动平台组件23绕动平台T形轴231的竖轴旋转，理论模型为2UPS+U并联机构中的两个P副一个伸长、另一个缩短，引起第三个U副的运动，掌指关节实现内收动作，进而带动食指实现内收康复动作。
食指外展动作过程：远端驱动组件1中的一个电动推杆12启动，驱动对应的电动推杆12连接头伸长，通过传动连接板15带动电动推杆12的连接件同向运动，拉动鲍登线5在鲍登线套14中作收回运动，鲍登线5通过在鲍登线套14中的相对运动将拉力传递到鲍登线5头处，鲍登线5头带动球窝加工件253向后运动，通过球头加工件255带动动平台安装座232向远离手指的方向运动；另一个电动推杆12启动，驱动相对应的电动推杆12的连接头以相同速度缩回，两组鲍登线传动机构25同时驱动动平台组件23绕动平台T形轴231的竖轴旋转，理论模型为并联机构中的两个P副一个伸长、另一个缩短，引起第三个U副的运动，掌指关节实现外展动作，进而带动食指实现外展康复动作。
食指复合运动过程：当两个电动推杆12分别以不同速度运动时，依据人机几何对应关系，掌指关节可以同时实现屈曲/伸展和内收/外展动作，进而带动食指实现圆弧曲线、S曲线等空间曲线运动，达到食指复合运动的目的。
近侧指节的屈曲/伸展运动过程：近侧电机33带动驱动齿轮341旋转，通过与驱动齿轮341外啮合的冠状齿轮342轮将旋转运动传递到第一连杆41、第二连杆42以及近侧指节指套43上，从而带动中间指骨绕近侧指节旋转运动，实现近侧指节的屈曲/伸展动作。
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 (8)

1.一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：包括远端驱动组件(1)、通过鲍登线(5)与所述远端驱动组件(1)连接的掌指关节执行组件(2)、与所述掌指关节执行组件(2)滑动连接的近侧指节驱动组件(3)以及与所述近侧指节驱动组件(3)转动连接的近侧指节执行组件(4)；
所述掌指关节执行组件(2)包括设置在掌背上的安装板(21)、对称安装在所述安装板(21)上的线头安装座组件(22)、通过轴承转动安装在所述安装板(21)上的动平台组件(23)以及固定安装在所述动平台组件(23)上的掌指关节连杆(24)；所述线头安装座组件(22)与所述动平台组件(23)之间安装有鲍登线传动机构(25)；两所述鲍登线传动机构(25)平行设置且其延伸方向与食指自然延伸的方向一致；
所述近侧指节驱动组件(3)包括设置在患者食指近侧指骨上的近侧指骨指套(31)、安装在所述近侧指骨指套(31)上的驱动支架(32)、安装在所述驱动支架(32)上的近侧电机(33)、设置在所述近侧电机(33)的输出端的鲍登线传动机构(25)；所述近侧指骨指套(31)上固定安装有滑杆(35)，所述第一连杆(41)通过滑块(36)与所述滑杆(35)滑动连接；
所述近侧指节执行组件(4)包括与所述鲍登线传动机构(25)的输出轴同轴设置的第一连杆(41)、与所述第一连杆(41)转动连接的第二连杆(42)以及与所述第二连杆(42)转动连接的近侧指节指套(43)；所述近侧指节指套(43)套设在患者食指的中间指骨上。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：所述鲍登线传动机构(25)包括安装在所述线头安装座组件(22)上的支撑管(251)和鲍登线管(252)、套设在所述鲍登线管(252)内的球窝加工件(253)、设置在所述支撑管(251)与所述球窝加工件(253)之间的弹簧(256)以及与所述球窝加工件(253)配合连接的球头加工件(255)；所述鲍登线(5)依次从所述鲍登线管(252)、弹簧(256)以及球窝加工件(253)的管状部内穿出；所述球窝加工件(253)靠近圆球部的一端设置有用于固定鲍登线(5)头的凹槽(254)；所述球头加工件(255)通过螺纹与所述动平台组件(23)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：所述第一传动机构(34)包括与所述近侧电机(33)的输出轴同轴设置的驱动齿轮(341)和与所述驱动齿轮(341)外啮合的冠状齿轮(342)；所述第一连杆(41)通过与所述冠状齿轮(342)同轴设置的轴。
4.根据权利要求1所述的一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：所述远端驱动组件(1)包括驱动安装架(11)、对称安装在所述驱动安装架(11)上的电动推杆(12)、与所述电动推杆(12)的伸缩方向平行且固定安装在所述驱动安装架(11)上的滑动轴承(13)以及与所述滑动轴承(13)滑动连接的鲍登线套(14)；所述鲍登线套(14)的一端通过传动连接板(15)与所述电动推杆(12)的伸缩端固定连接，其另一端套设在所述支撑管(251)内部；所述鲍登线(5)的一端通过压紧扣半块(16)与所述鲍登线套(14)固定连接，其另一端设置有鲍登线(5)头。
5.根据权利要求1所述的一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：所述线头安装座组件(22)包括通过轴承竖轴转动连接在所述安装板(21)上的线头T形轴(221)、通过轴承与所述线头T形轴(221)的横轴转动连接的线头安装座(222)以及与所述线头安装座(222)配合连接的两线头端盖(223)。
6.根据权利要求1所述的一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：所述动平台组件(23)包括通过轴承竖轴转动安装在所述安装板(21)上的动平台T形轴(231)、通过轴承与所述动平台T形轴(231)的横轴转动连接的动平台安装座(232)以及与所述动平台安装座(232)配合连接的两动平台端盖(233)。
7.根据权利要求1所述的一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：所述近侧指骨指套(31)通过绑带或者魔术贴固定在患者食指的近侧指骨上；所述近侧指节指套(43)通过绑带或魔术贴固定在人体食指的中间指骨上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种外骨骼食指功能康复机器人，其特征在于：所述远端驱动组件(1)可以置于桌面或利用绑带绑在人体手臂上以减轻手部的承受重量。
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