CN112891129A - 一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可穿戴康复训练机械手领域，尤其涉及一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，包括驱动组和执行组，所述驱动组包括：推杆电机、密封舱、活塞片和过滤阀，当所述推杆电机动作时，所述推杆电机的推杆带动活塞片在所述密封舱内运动，实现气体的抽入与排出，组成一个驱动气源。所述执行组包括：导管、弯曲气囊、指环扣和横向气囊，能通过气囊收缩实现全手指弯曲和伸展、单手指弯曲和伸展、手掌并拢、手掌张开等多种手部康复训练动作辅助。本发明采用推杆气缸驱动作为机械手驱动方式，采用气路与气囊作为柔性执行方式，集合了电机驱动的精准控制的优点与气动输出的稳定安全的优点，实现单手指精细控制，及手掌的并拢、张开等多种手部康复训练动作辅助。

Description

一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手

技术领域

本发明涉及可穿戴康复训练机械手领域，尤其涉及一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手。

背景技术

手是人体最重要的器官之一，同时也是骨骼结构最复杂的器官之一。由于手在人们的生产生活中占据极为重要的位置，会使用手去完成一些较为危险的活动，时常造成手部损伤且手部损伤后康复周期长，同时对完成精细动作的功能恢复大多不理想，严重影响了患者的生活质量。另外，脑卒中导致的手部运动功能障碍，也急需有效的手部康复训练，综上所述，如何促进受伤后或脑卒中后的手部功能恢复，显得至关重要。

连续被动活动康复疗法(Continuous Passive Motion，CPM)是通过外力带动患肢做长时间全范围的被动活动，以此阻止病患关节的僵硬，并促进患肢血液循环达到加速康复的目的。CPM疗法已被证实效果明显，但由于高强度和高重复性的特点，对理疗师的劳动强度提出了很高要求。为解决上述问题，机器人及其相关技术被应用到手部康复中，利用手部外骨骼系统代替理疗师，驱动患肢进行被动运动，促进手部功能恢复。

人体手部共有约21个自由度，骨骼结构复杂，使得可穿戴康复训练机械手的设计更加困难，一般分为以刚性连杆结构为主体的外骨骼机械手和以柔性伸缩机构为主体的柔性机械手，其中外骨骼机械手如中国专利申请号为：CN201910308393.5的发明专利公开的一种外骨骼手部康复机器人，该专利所述的手部外骨骼装置采用推杆电机驱动，四连杆机构传动，其优点为采用电机驱动，控制精度高，缺点为刚性执行结构的安全性和人机工程学效果差，穿戴不舒适且易造成二次伤害。其中柔性机械手如中国专利申请号为：CN201810449300.6的发明专利公开的一种气动关节式康复机械手，通过气源驱动，可伸缩的褶皱型气囊结构执行动作，其优点是气动机械手为柔性辅助，穿戴舒适性和安全性较高，缺点是采用气泵气源，控制精度低，无法实现精确控制与单手指控制。总结目前已有的可穿戴康复训练机械手技术，仍存在以下问题：

（1）外骨骼类刚性机械手虽然控制精度高，但结构与人手结合的部分为固定连接，穿戴舒适性和长时间使用的安全性差；

（2）气动类柔性机械手虽然穿戴舒适，安全性较高，但由于采用传统气动方式驱动，控制精度差，且无法实现单手指精细控制。

针对上述问题，设计一种能够既能具备柔性机械手的舒适穿戴和高安全性，又能具备外骨骼机械手的高控制精度和单手指精细控制的刚柔结合的可穿戴康复训练机械手变得十分必要。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，设计了一种由推杆电机配合执行气缸实现精细驱动控制、由柔性气路和气囊实现柔性穿戴辅助康复训练的推杆气缸驱动的可穿戴机械手。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，包括驱动组和执行组；

所述驱动组包括：推杆电机、密封舱、活塞片和过滤阀，所述推杆电机主体的前端与所述密封舱的前端密封固连，所述推杆电机的推杆头部与所述活塞片固连，所述活塞片置于所述密封舱内，所述密封舱的尾端进出气口与过滤阀固连，当所述推杆电机动作时，所述推杆电机的推杆带动活塞片在所述密封舱内运动，实现气体的抽入与排出；

进一步地，所述活塞片在所述密封舱内为密封配合，当所述活塞片由所述推杆电机的推杆推动时，所述活塞片在所述密封舱内保持垂直于所述密封舱舱壁前后运动，且所述活塞片的周边与所述密封舱舱壁紧密贴合实现密封不漏气；

进一步地，所述推杆电机、所述密封舱、所述活塞片和所述过滤阀之间的相互连接或者接触均为保证气密性的连接或者接触；

进一步地，所述过滤阀内部设置了多层高密度过滤网，保证通过气体中无影响整体气密结构运行的较大颗粒物；

进一步地，所述推杆电机和所述密封舱的底部一侧均固连绑带，再通过绑带与人体的手臂进行绑定；

所述执行组包括：导管、弯曲气囊、指环扣和横向气囊，所述导管偏硬质的气密性软管，作为整个气路的输气管，所述导管的一端与所述驱动组的所述过滤阀或者所述弯曲气囊气密性连接，所述导管的另一端与所述弯曲气囊气密性连接，所述弯曲气囊相互之间通过所述导管气密性连通，所述指环扣固连在所述弯曲气囊的中间部位，所述指环扣底部伸出两根绑带用于绑定使用者的手指对应关节，所述横向气囊置于使用者每两根手指的指缝根部，所述横向气囊之间也通过所述导管气密性连通；

进一步地，所述弯曲气囊为层环形褶皱软气囊，在充气时显著伸长且褶皱被扩充平展，在放气时显著缩短且褶皱加深，通过充放气可以实现所述弯曲气囊伸缩，当所述弯曲气囊通过所述导管固定在气路上、通过所述指环扣固定在使用者手指对应关节处后，通过所述弯曲气囊收缩可以实现手指对应关节的弯曲和伸展，每个手指关节放置所述弯曲气囊可以带动使用者的手指进行弯曲、伸展的康复训练；

进一步地，述横向气囊与所述弯曲气囊的材质和主要结构一致，但是所述横向气囊的中间部位没有固定所述指环扣，且所述弯曲气囊与所述导管的连接口位于气囊环面的中心位置，而所述横向气囊与与所述导管的连接口位于气囊环面的边缘位置，通过所述横向气囊收缩可以实现相邻两根手指的并拢与张开，每两个手指指缝根部放置所述横向气囊可以带动使用者的手指进行手掌并拢、张开的康复训练；

进一步地，所述驱动组向所述执行组输入或者抽出气体时，所述弯曲气囊和所述横向气囊先于所述导管发生形变，当所述弯曲气囊或所述横向气囊完全发生形变后，如果继续向所述执行组输入气体才会导致导管发生形变，但是本发明中所述密封舱的气体容积大小为刚好为所述弯曲气囊或所述横向气囊发生完全形变所需气体体积大小，所以该机构保障了不会发生所述导管发生形变的情况，进一步也作为一个行程控制保障了使用者的安全；

进一步地，所述驱动组与所述执行组一一对应，一个所述驱动组单元驱动一个所述执行组单元，一套所述驱动组和所述执行组对一个手指进行康复训练动作的辅助，每个所述驱动组和所述执行组的具体结构尺寸都根据所辅助的手指尺寸进行微调以保证适应使用者手部体征，其中辅助示指、中指、无名指、小拇指动作的所述执行组设置三个所述弯曲气囊，对应辅助示指、中指、无名指、小拇指的三个手指关节动作，其中辅助大拇指动作的所述执行组设置两个所述弯曲气囊，对应辅助大拇指的两个手指关节动作，其中辅助进行手掌并拢和张开的所述执行组设置了四个所述横向气囊，对应辅助使用者手部五根手指之间的四个指间进行并拢和张开；

本发明提供了一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，通过所述推杆电机、所述密封舱、所述活塞片和所述过滤阀组成一个驱动气源，该气源与常规气源的区别为：其控制完全取决于对所述推杆电机的控制，其输入输出的气量也由所述推杆电机精准控制，所述部件组成的所述驱动组实现了精准气动控制，且所述部件均为轻量化部件，可以由移动电源供电使用，实现了便携可穿戴；所述执行组为所述导管与所述弯曲气囊、所述横向气囊的组合，所述弯曲气囊覆盖了所有的手指弯曲关节，能够辅助手部完成握拳和伸掌的动作，由于每根手指都具有单独的所述驱动组和所述执行组，每根手指可以实现单独辅助控制，能辅助完成单手指精细动作，进一步地，所述推杆气缸驱动的可穿戴机械手还额外设置了一套所述驱动组与所述执行组，在每个指缝根部设置所述横向气囊，辅助完成手掌的并拢和张开动作。

进一步地，所述推杆气缸驱动的可穿戴机械手的所述驱动组集合了电机驱动的精准控制的优点与气动输出的稳定安全的优点，实现了电机驱动与气源驱动的优势结合；

进一步地，所述推杆气缸驱动的可穿戴机械手共有六组所述驱动组和执行组的组合，其中五组用于实现对五根手指的全关节精细动作辅助，其中一组实现对手掌的并拢和张开动作辅助，综合地，能实现全手指弯曲和伸展、单手指弯曲和伸展、手掌并拢、手掌张开等多种手部康复训练动作辅助；

进一步地，所述推杆电机采用移动电源低电压供电，使用常规锂电池供电即可正常运作，所述驱动组和所述执行组整体质量很轻，可以通过绑带使得所述驱动组与使用者手臂绑定，可以通过所述指环扣使得所述执行组与使用者手指绑定，具备所述横向气囊的所述执行组的所述导管穿插在其他所述执行组的所述导管与人体手指的空隙中，通过这种方式来固定具备所述横向气囊的所述执行组，整体上，所述推杆气缸驱动的可穿戴机械手整体可以穿戴使用，且穿戴可以任意移动，随时随地展开手部康复训练；

由于采用上述技术方案，本发明提供一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）驱动方式结合了电机驱动和气源驱动的优点，采用推杆电机驱动控制精度高，再转化为气源输出驱动平稳舒适，保障了使用者在使用过程的安全性和舒适性，避免二次伤害；

（2）执行方式采用气囊伸缩执行方式，对手部动作施加辅助方式更加平稳温和，安全性进一步提高，且能够在这样执行方式的基础上实现单手指精细控制，及手掌的并拢、张开等多种手部康复训练动作辅助，丰富了手部辅助动作，提高了康复训练的效率与全面性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的推杆气缸驱动的可穿戴机械手整体结构示意图；

图2为本发明提供的驱动组和执行组整体组合的示意图；

图3为本发明提供的驱动组和执行组整体组合具体结构示意图；

图4为本发明提供的横向气囊结构示意图；

图5为本发明提供的具有横向气囊的执行组结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，的实施例是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，具体结构如图1所示，包括驱动组1和执行组2；

具体地，下文将结合附图对推杆气缸驱动的可穿戴机械手的结构及原理进行描述：

图2和图3展示的是驱动组1和执行组2整体组合的具体结构，驱动组1包括：推杆电机11、密封舱12、活塞片13和过滤阀14，推杆电机11主体的前端与密封舱12的前端密封固连，推杆电机11的推杆头部与活塞片13固连，活塞片13置于密封舱12内，密封舱12的尾端进出气口与过滤阀14固连，当推杆电机11动作时，推杆电机11的推杆带动活塞片13在密封舱12内运动，实现气体的抽入与排出。活塞片13在密封舱12内为密封配合，当活塞片13由推杆电机11的推杆推动时，活塞片13在密封舱12内保持垂直于密封舱12舱壁前后运动，且活塞片13的周边与密封舱12舱壁紧密贴合实现密封不漏气。推杆电机11、密封舱12、活塞片13和过滤阀14之间的相互连接或者接触均为保证气密性的连接或者接触。过滤阀14内部设置了多层高密度过滤网，保证通过气体中无影响整体气密结构运行的较大颗粒物。推杆电机11和密封舱12的底部一侧均固连绑带，再通过绑带与人体的手臂进行绑定；

执行组2包括：导管21、弯曲气囊22、指环扣23和横向气囊24，导管21偏硬质的气密性软管，作为整个气路的输气管，导管21的一端与驱动组1的过滤阀14或者弯曲气囊22气密性连接，导管21的另一端与弯曲气囊22气密性连接，弯曲气囊22相互之间通过导管21气密性连通，指环扣23固连在弯曲气囊22的中间部位，指环扣23底部伸出两根绑带用于绑定使用者的手指对应关节，横向气囊24置于使用者每两根手指的指缝根部，横向气囊24之间也通过导管21气密性连通。弯曲气囊22为层环形褶皱软气囊，在充气时显著伸长且褶皱被扩充平展，在放气时显著缩短且褶皱加深，通过充放气可以实现弯曲气囊22伸缩，当弯曲气囊22通过导管21固定在气路上、通过指环扣23固定在使用者手指对应关节处后，通过弯曲气囊22收缩可以实现手指对应关节的弯曲和伸展，每个手指关节放置弯曲气囊22可以带动使用者的手指进行弯曲、伸展的康复训练。

图4和图5展示的是横向气囊24的具体结构和执行方式，横向气囊24与弯曲气囊22的材质和主要结构一致，但是横向气囊24的中间部位没有固定指环扣23，且弯曲气囊22与导管21的连接口位于气囊环面的中心位置，而横向气囊24与导管21的连接口位于气囊环面的边缘位置，通过横向气囊24收缩可以实现相邻两根手指的并拢与张开，每两个手指指缝根部放置横向气囊24可以带动使用者的手指进行手掌并拢、张开的康复训练。

驱动组1向执行组2输入或者抽出气体时，弯曲气囊22和横向气囊24先于导管21发生形变，当弯曲气囊22或横向气囊24完全发生形变后，如果继续向执行组2输入气体才会导致导管21发生形变，但是本发明中密封舱12的气体容积大小为刚好为弯曲气囊22或横向气囊24发生完全形变所需气体体积大小，所以该机构保障了不会发生导管21发生形变的情况，进一步也作为一个行程控制保障了使用者的安全。驱动组1与执行组2一一对应，一个驱动组1单元驱动一个执行组2单元，一套驱动组1和执行组2对一个手指进行康复训练动作的辅助，每个驱动组1和执行组2的具体结构尺寸都根据所辅助的手指尺寸进行微调以保证适应使用者手部体征，其中辅助示指、中指、无名指、小拇指动作的执行组2设置三个弯曲气囊22，对应辅助示指、中指、无名指、小拇指的三个手指关节动作，其中辅助大拇指动作的执行组2设置两个弯曲气囊22，对应辅助大拇指的两个手指关节动作，其中辅助进行手掌并拢和张开的执行组2设置了四个横向气囊24，对应辅助使用者手部五根手指之间的四个指间进行并拢和张开；

本发明提供了一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，通过推杆电机11、密封舱12、活塞片13和过滤阀14组成一个驱动气源，该气源与常规气源的区别为：其控制完全取决于对推杆电机11的控制，其输入输出的气量也由推杆电机11精准控制，部件组成的驱动组1实现了精准气动控制，且部件均为轻量化部件，可以由移动电源供电使用，实现了便携可穿戴；执行组2为导管21与弯曲气囊22、横向气囊24的组合，弯曲气囊22覆盖了所有的手指弯曲关节，能够辅助手部完成握拳和伸掌的动作，由于每根手指都具有单独的驱动组1和执行组2，每根手指可以实现单独辅助控制，能辅助完成单手指精细动作，进一步地，推杆气缸驱动的可穿戴机械手还额外设置了一套驱动组1与执行组2，在每个指缝根部设置横向气囊24，辅助完成手掌的并拢和张开动作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，其特征在于，包括：

驱动组(1)，驱动组(1)通过密封舱(12)和活塞片(13)组合提供气源驱动，并可以对推杆电机(11)进行精确控制；

执行组(2)，执行组(2)通过导管(21)与弯曲气囊(22)和横向气囊(24)的组合，通过指环扣(23)与人体手指进行绑定，辅助使用者进行弯曲、伸展、手掌并拢、手掌张开等动作。

2.根据权利要求1所述的一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，其特征在于，驱动组(1)包括：推杆电机(11)、密封舱(12)、活塞片(13)和过滤阀(14)，推杆电机(11)主体的前端与密封舱(12)的前端密封固连，推杆电机(11)的推杆头部与活塞片(13)固连，活塞片(13)置于密封舱(12)内，密封舱(12)的尾端进出气口与过滤阀(14)固连，当推杆电机(11)动作时，推杆电机(11)的推杆带动活塞片(13)在密封舱(12)内运动，完成气体的抽入与排出，实现对机械手执行组(2)的气源驱动效果。

3.根据权利要求1所述的一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，其特征在于，一个驱动组(1)单元驱动一个执行组(2)单元，一套驱动组(1)和执行组(2)对一个手指进行康复训练动作的辅助，每个驱动组(1)和执行组(2)的具体结构尺寸都根据所辅助的手指尺寸进行微调以保证适应使用者手部体征，整个推杆气缸驱动的可穿戴机械手共有六套驱动组(1)和执行组(2)的组合，其中有三个辅助示指、中指、无名指、小拇指动作的执行组(2)设置三个弯曲气囊(22)，对应辅助示指、中指、无名指、小拇指的三个手指关节动作，其中有一个辅助大拇指动作的执行组(2)设置两个弯曲气囊(22)，对应辅助大拇指的两个手指关节动作，其中有一个辅助进行手掌并拢和张开的执行组(2)设置了四个横向气囊(24)，对应辅助使用者手部五根手指之间的四个指间进行并拢和张开。

4.根据权利要求1所述的一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，其特征在于，驱动组(1)向执行组(2)输入或者抽出气体时，弯曲气囊(22)和横向气囊(24)先于导管(21)发生形变，当弯曲气囊(22)或横向气囊(24)完全发生形变后，如果继续向执行组(2)输入气体才会导致导管(21)发生形变，密封舱(12)的气体容积大小为不超过弯曲气囊(22)或横向气囊(24)发生完全形变所需气体体积大小，确保了导管(21)不会发生形变。

5.根据权利要求1所述的一种推杆气缸驱动的可穿戴机械手，推杆电机(1)采用移动电源的低电压供电，驱动组(1)可以通过绑带固定在人体手臂上，执行组(2)可以通过指环扣(23)或者相互之间的限位关系固定在人体的手指关节上或者指间，使用者穿戴推杆气缸驱动的可穿戴机械手进行手部康复训练时可以任意移动。

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