CN114404215A - 一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，涉及可穿戴康复器械领域，包括四指传动机构、拇指传动机构、电机驱动结构和手背板，所述四指传动机构和所述拇指传动机构均包括：托板组、弧形板组、支架组、连接杆组、凸轮组、挂钩弹簧和绑带，所述电机驱动机构包括：传动带、电机、电机支撑，所述手背板包括：传动机构铰接孔、绑带孔、电机驱动机构固定孔和控制箱，所述机构由多电机驱动，由凸轮、弧形杆和传动带组成的传动机构传动。本发明通过设计和更换凸轮和挂钩弹簧以使机械手达到不同屈伸幅度，适应不同程度手部康复训练的患者，可控制手指单关节运动，机构设计简单，重量轻，噪音小，方便康复过程中使用。

Description

一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手

技术领域

本发明涉及可穿戴康复器械领域，尤其是一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手。

背景技术

外骨骼原指一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型、建筑和保护的坚硬外部结构。外骨骼机器人是一种由刚性的框架构成并且可以穿戴的机器装置，可以提供额外能量来供应或者辅助相应的肢体运动，实践证明外骨骼机器人能够在人们的生产生活中进行正常肢体的运动力量增强或者患侧肢体的运动功能改善。

人体手部共有约21个自由度，骨骼结构复杂，使得手部外骨骼机器人的设计更加困难。经过文献检索发现，国内在手部外骨骼机器人的研究仍处于初期阶段。中国专利申请号为：202011496958.6的发明专利公开了一种外骨骼辅助机械手，该专利所述的手部外骨骼装置采用单电机驱动，齿轮机构传动，可靠性强、使用寿命长。但仍存在以下问题：

（1）机构不可进行运动幅度调节，无法满足不同关节活动度的患者康复需求，容易造成二次伤害；

（2）机构使用过程中，只能同时控制整体手指，无法单独控制手指单关节；

（3）机构设计复杂，部件多，噪声大，不够轻便。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，适应不同程度手部康复训练的患者，可控制手指单关节运动，机构设计简单，重量轻，噪音小，方便康复过程中使用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，包括手背板，与手背板相连接的四指传动机构和拇指传动机构、驱动四指传动机构和拇指传动机构的电机驱动机构；

所述四指传动机构包括与手背板表面固定连接的相互平行设置的长度相同的第一支架和第二支架、固定连接在第一支架和第二支架末端的第一连接杆、中心被第一连接杆穿透的第一凸轮、一端铰接在手背板上的横截面是圆弧形的上表面与第一凸轮相接触的第一弧形板、设置在第一凸轮一侧的一端固定连接在第一弧形板侧表面上的另一端固定连接在第一支架末端的挂钩弹簧、设置在第一凸轮另一侧的一端固定连接在第一弧形板侧表面上的另一端固定连接在第二支架末端的挂钩弹簧、固定连接在第一弧形板末端的与手指的中间部分相对应的第一托板、与手指的中间部分相对应的第二托板、分别对称固定连接在第一弧形板两侧表面上的相互平行设置的长度相同的第三支架和第四支架、固定连接在第三支架和第四支架末端的第二连接杆、中心被第二连接杆穿透的第二凸轮、一端铰接在第二托板上的上的横截面是圆弧形的上表面与第二凸轮相接触的第二弧形板、设置在第二凸轮一侧的一端固定连接在第二凸轮侧表面上的另一端固定连接在第三支架末端的挂钩弹簧、设置在第二凸轮另一侧的一端固定连接在第二弧形板侧表面上的另一端固定连接在第四支架末端的挂钩弹簧、固定连接在第二弧形板末端的与手指的中间部分相对应的第三托板；

所述拇指传动机构包括与手背板表面固定连接的相互平行设置的长度相同的拇指第一支架和拇指第二支架、固定连接在拇指第一支架和拇指第二支架末端的拇指连接杆、中心被拇指连接杆穿透的拇指凸轮、一端铰接在手背板上的横截面是圆弧形的上表面与拇指凸轮相接触的拇指弧形板、设置在拇指凸轮一侧的一端固定连接在拇指弧形板侧表面上的另一端固定连接在拇指第一支架末端的挂钩弹簧、设置在拇指凸轮另一侧的一端固定连接在拇指弧形板侧表面上的另一端固定连接在拇指第二支架末端的挂钩弹簧、固定连接在拇指弧形板末端的与手指的中间部分相对应的拇指托板，所述四指传动机构1共设置有四个；

所述电机驱动机构包括与手背板固定连接的电机支撑、与电机支撑固定连接的电机、将电机动力传递给与第一凸轮、第二凸轮、拇指凸轮的传动带。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一凸轮、第二凸轮以及拇指凸轮都设置有三个凸缘。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第三支架、第四支架与第一支架、第二支架平行设置。

本发明技术方案的进一步改进在于：还包括与手背板相连接的绑带。

本发明技术方案的进一步改进在于：还包括与手背板固定连接的控制箱，所述控制箱包括STM32单片机、移动电源模块、蓝牙模块、稳压模块以及电机驱动模块。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一弧形板、第二弧形板以及拇指弧形板的侧壁面上固定连接有挂钩，所述第一支架、第二支架、第三支架、第四支架、拇指第一支架、拇指第二支架的外侧壁面的末端固定连接有挂钩，所述挂钩弹簧一端与固定连接在对应的弧形板侧壁面上的挂钩连接，另一端与固定连接在对应支架上的挂钩连接。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

设计了一种可进行不同运动幅度调节，适应不同程度手部康复训练的患者、可单独控制手指单关节、结构简单，重量轻和噪声小的外骨骼机械手。

可穿戴外骨骼机械手的传动结构中凸轮所在的连接杆与支架可采用螺纹连接，连接杆可拆卸，且采用了挂钩弹簧，可通过更换合适基圆半径的凸轮和合适弹力系数的挂钩弹簧来改变使用过程中机构的屈伸程度，可适应不同程度手部康复训练的患者；

可穿戴外骨骼机械手在除拇指外的其他四指，每个手指都有两个凸轮和两个电机一一对应，两个凸轮可分别控制两个关节，可通过蓝牙输入指令，单独控制某一个电机完成某个手指单关节的运动，也可控制全部电机完成整个手掌的运动；

可穿戴外骨骼机械手结构设计简单，重量轻便，方便康复过程中使用。

使用者在穿戴所述驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，可通过更换合适基圆半径的凸轮和合适弹力系数的挂钩弹簧来改变使用过程中机构的屈伸程度，可适应不同程度手部康复训练的患者。

使用者在穿戴所述驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，可以通过调节所述托板组位置和所述绑带来适应手部的体征，从而使得穿戴舒适。而且四指传动机构和拇指传动机构采用了可拆卸的挂钩弹簧，可通过设计和更换合适基圆半径的凸轮组和合适弹力系数的挂钩弹簧以使机械手可以达到不同屈伸幅度，适应不同程度手部康复训练的患者。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的四指传动机构示意图；

图3为本发明的拇指传动机构示意图；

图4为本发明四指传动机构的电机驱动机构示意图；

图5为本发明另一种形式的四指传动机构的电机驱动机构示意图；

图6为本发明的拇指传动机构的电机驱动机构示意图；

图7为本发明的手背板结构示意图；

其中，1、四指传动机构，111、第一托板，112、第二托板，113、第三托板，121、第一弧形板，122、第二弧形板，131、第一支架，132、第二支架，133、第三支架，134、第四支架，141、第一连接杆，142、第二连接杆，151、第一凸轮，152、第二凸轮，16、挂钩弹簧，2、拇指传动机构，21、拇指托板，22、拇指弧形板，231、拇指第一支架，232、拇指第二支架，24、拇指连接杆，25、拇指凸轮，3、电机驱动机构，31、传动带，32、电机，33、电机支撑，4、手背板，41、控制箱。

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，所述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。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1至图7所示，一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，包括四指传动机构1，拇指传动机构2，电机驱动机构3，手背板4。

四指传动机构1采用凸轮组、弧形杆组和传动带31传动结构，通过绑带与人体除拇指外的四指束绑连接，受到驱动后，可带动人体手部除拇指外的其他四指各个关节进行弯曲和伸展动作。

拇指传动机构2，拇指传动机构2采用拇指凸轮25、拇指弧形杆22和传动带31传动结构，通过绑带与人体拇指束绑连接，受到驱动后，可带动人体手部拇指关节进行弯曲和伸展动作。

电机驱动结构3，电机驱动结构3采用电机输出端驱动传动带，传动带传动凸轮运动。

图2展示的是四指传动机构1的结构示意图，四指传动机构1包括：托板组、弧形板组、支架组、连接杆组、凸轮组、挂钩弹簧16和绑带，所述四指传动机构1包括了食指、中指、环指无名指和小指的运动辅助机构，根据人体手部食指、中指、环指和小指的长度比例，所述四指传动机构中各个手指运动辅助机构的各零部件长度也呈对应比例，但四指的运动辅助机构具有完全相同的结构；手指的近指端是指靠近手掌或是靠近手背板4的一端，远指端是指远离近手掌或是远离手背板4的一端；托板组包括：第一托板111、第二托板112和第三托板113，其中，在穿戴时所述第一托板111对应放置在手指的近指端，所述第二托板112对应放置在手指的中间处，所述第三托板113对应放置在手指的远指端；弧形板组包括：第一弧形板121、第二弧形板122，所述第一弧形板121近指端与所述手背板4铰接，远指端与所述第一托板111固定连接，所述第二弧形板122近指端与所述第二托板112铰接，远指端与所述第三托板113固定连接；支架组包括：第一支架131、第二支架132、第三支架133、第四支架134，所述第一支架131、第二支架132与所述手背板4固定连接，所述第三支架133、第四支架134与第一弧形板121固定连接；连接杆组包括：第一连接杆141、第二连接杆142，所述第一连接杆141与所述第一支架131、第二支架132通过螺纹连接、所述第二连接杆142分别与所述第三支架133、第四支架134通过螺纹连接；凸轮组包括：第一凸轮151、第二凸轮152，第一凸轮151、第二凸轮152分别被第一连接杆141、第二连接杆142穿过；每个四指传动机构1上的挂钩弹簧16有四个，分别一端与对应所述弧形板通过挂钩连接，另一端与对应所述支架通过挂钩连接，四个挂钩弹簧两两对称；所述绑带与所述托板组相连接，并绑系在手指对应的近指端、中间处和远指端。

图3展示的是拇指传动机构2的结构示意图，拇指传动机构2包括：拇指托板21、拇指弧形板22、拇指支架组、拇指连接杆24、拇指凸轮25、挂钩弹簧16和绑带；所述拇指托板21穿戴时对应放置在拇指的近指端；所述拇指弧形板22远指端与所述拇指托板21固定，近指端与所述手背板4铰接；所述拇指支架组包括：拇指第一支架231、拇指第二支架232，所述拇指第一支架231、拇指第二支架232与所述手背板4固定连接；所述拇指连接杆24与所述拇指第一支架231、拇指第二支架232通过螺纹连接；所述拇指凸轮25中心穿过所述拇指连接杆24；所述挂钩弹簧16有两个，一端与对应所述弧形板通过挂钩连接，另一端与对应所述支架通过挂钩连接，两个挂钩弹簧互相对称；所述绑带与所述拇指托板21固定连接，并绑系在手指对应的近指端。

图4-图6展示的是电机驱动机构3示意图，电机驱动机构包括：传动带31、电机32、电机支撑33，每个所述四指传动机构1有两组所述电机驱动机构3，所述拇指传动机构2有一组所述电机驱动机构3；所述传动带31一端与所述电机32输出端传动连接，另一端与所述第一凸轮151、第二凸轮152或所述拇指凸轮25传动连接；所述电机32与电机支撑33固定连接；所述电机支撑33固定连接在所述手背板4的槽中。

图7展示的是手背板4结构示意图，手背板4包括：传动机构铰接孔、绑带孔、电机支撑固定孔、支架固定孔和控制箱41，所述传动机构铰接孔按人体手指的位置在所述手背板4上分布五列，每列共有两个共线排列的所述传动机构铰接孔，靠近手腕一侧的所述传动机构铰接孔与所述拇指弧形板22铰接，靠近手指一侧的所述传动机构铰接孔与所述四指传动机构1的第一弧形板121铰接，所述电机支撑连接孔用于与所述电机支撑32固定。所述控制箱包括STM32单片机、移动电源模块、蓝牙模块、稳压模块、电机驱动模块，控制箱可通过蓝牙输入，单独控制某一个电机完成单关节的运动，也可控制全部电机完成整个手掌的运动。

所述四指传动机构1中的所述第二弧形板122的远指端与所述第三托板113固定连接，与所述第二托板112铰接，与所述第三支架133、第四支架134通过挂钩弹簧16连接，所述第二连接杆142穿过所述第二凸轮152，与所述第三支架133、第四支架134通过螺纹连接，所述第三支架133、第四支架134与所述第一弧形板121固定连接，所述第一弧形板121的远指端与所述第一托板111固定连接，其近指端与所述手背板4铰接，所述第一弧形板121与所述第一支架131、第二支架132通过挂钩弹簧16连接，所述第一连接杆141穿过所述第一凸轮151，与所述第一支架131、第二支架132通过螺纹连接，所述第一支架131、第二支架132固定在所述手背板4上，所述拇指传动机构2中的所述拇指弧形板22的远指端和所述拇指托板21固定连接，其近指端与所述手背板4铰接，所述拇指弧形板22与所述拇指第一支架231、拇指第二支架232通过挂钩弹簧16连接，所述拇指连接杆24穿过所述拇指凸轮25，与所述拇指第一支架231、拇指第二支架232螺纹连接，所述拇指第一支架231、拇指第二支架232固定在所述手背板4上，所述电机驱动机构3中传动带一端与所述凸轮传动连接，另一端和所述电机输出端传动连接，所述电机32与对应所述电机支撑33固定连接，所述四指传动机构1和所述拇指传动机构2分别与所述手背板4铰接，所述手背板4与所述电机支撑33、所述支架和所述控制箱41固定连接，从而形成一个可穿戴外骨骼机器手整体，使用所述绑带与使用者手指固定，所述控制箱41控制所述电机工作时，驱动传动带，传动所述四指传动机构1和所述拇指传动机构2，经过传动后，通过所述拇指托板21推动人体拇指的近指端和远指端，完成拇指指掌关节的活动，通过所述托板组推动人体其他四指的近指端、和远指端，完成其他四指指掌关节、和远指关节的活动，也可通过蓝牙输入，单独控制某一个电机完成某个手指单关节的运动，也可控制全部电机32完成整个手掌的运动，综上，所述驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手可以辅助穿戴者进行手指各个关节的活动，完成对应的手部康复训练或者手部日常活动。

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 (6)

1.一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，其特征在于：包括手背板（4），与手背板（4）相连接的四指传动机构（1）和拇指传动机构（2）、驱动四指传动机构（1）和拇指传动机构（2）的电机驱动机构（3）；

所述四指传动机构（1）包括与手背板（4）表面固定连接的相互平行设置的长度相同的第一支架（131）和第二支架（132）、固定连接在第一支架（131）和第二支架（132）末端的第一连接杆（141）、中心被第一连接杆（141）穿透的第一凸轮（151）、一端铰接在手背板（4）上的横截面是圆弧形的上表面与第一凸轮（151）相接触的第一弧形板（121）、设置在第一凸轮（151）一侧的一端固定连接在第一弧形板（121）侧表面上的另一端固定连接在第一支架（131）末端的挂钩弹簧（16）、设置在第一凸轮（151）另一侧的一端固定连接在第一弧形板（121）侧表面上的另一端固定连接在第二支架（132）末端的挂钩弹簧（16）、固定连接在第一弧形板（121）末端的与手指的中间部分相对应的第一托板（111）、与手指的中间部分相对应的第二托板（112）、分别对称固定连接在第一弧形板（121）两侧表面上的相互平行设置的长度相同的第三支架（133）和第四支架（134）、固定连接在第三支架（133）和第四支架（134）末端的第二连接杆（142）、中心被第二连接杆（142）穿透的第二凸轮（152）、一端铰接在第二托板（112）上的上的横截面是圆弧形的上表面与第二凸轮（152）相接触的第二弧形板（122）、设置在第二凸轮（152）一侧的一端固定连接在第二凸轮（152）侧表面上的另一端固定连接在第三支架（133）末端的挂钩弹簧（16）、设置在第二凸轮（152）另一侧的一端固定连接在第二弧形板（122）侧表面上的另一端固定连接在第四支架（134）末端的挂钩弹簧（16）、固定连接在第二弧形板（122）末端的与手指的中间部分相对应的第三托板（113）；

所述拇指传动机构（2）包括与手背板（4）表面固定连接的相互平行设置的长度相同的拇指第一支架（231）和拇指第二支架（232）、固定连接在拇指第一支架（231）和拇指第二支架（232）末端的拇指连接杆（24）、中心被拇指连接杆（24）穿透的拇指凸轮（25）、一端铰接在手背板（4）上的横截面是圆弧形的上表面与拇指凸轮（25）相接触的拇指弧形板（22）、设置在拇指凸轮（25）一侧的一端固定连接在拇指弧形板（22）侧表面上的另一端固定连接在拇指第一支架（231）末端的挂钩弹簧（16）、设置在拇指凸轮（25）另一侧的一端固定连接在拇指弧形板（22）侧表面上的另一端固定连接在拇指第二支架（232）末端的挂钩弹簧（16）、固定连接在拇指弧形板（22）末端的与手指的中间部分相对应的拇指托板（21），所述四指传动机构1共设置有四个；

所述电机驱动机构（3）包括与手背板（4）固定连接的电机支撑（33）、与电机支撑（33）固定连接的电机（32）、将电机（32）动力传递给与第一凸轮（151）、第二凸轮（152）、拇指凸轮（25）的传动带（31）。

2.根据权利要求1所述的一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，其特征在于：所述第一凸轮（151）、第二凸轮（152）以及拇指凸轮（25）都设置有三个凸缘。

3.根据权利要求1所述的一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，其特征在于：所述第三支架（133）、第四支架（134）与第一支架（131）、第二支架（132）平行设置。

4.根据权利要求1所述的一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，其特征在于：还包括与手背板（4）相连接的绑带。

5.根据权利要求1所述的一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，其特征在于：还包括与手背板（4）固定连接的控制箱（41），所述控制箱（41）包括STM32单片机、移动电源模块、蓝牙模块、稳压模块以及电机驱动模块。

6.根据权利要求1所述的一种驱动凸轮的可穿戴外骨骼机械手，其特征在于：所述第一弧形板（121）、第二弧形板（122）以及拇指弧形板（22）的侧壁面上固定连接有挂钩，所述第一支架（131）、第二支架（132）、第三支架（133）、第四支架（134）、拇指第一支架（231）、拇指第二支架（232）的外侧壁面的末端固定连接有挂钩，所述挂钩弹簧（16）一端与固定连接在对应的弧形板侧壁面上的挂钩连接，另一端与固定连接在对应支架上的挂钩连接。

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