CN114432091A - 一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗康复机器领域，具体涉及一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，包括掌部安装总成、拇指总成、四个手指总成以及四指联动传动总成，所述拇指总成包括拇指支链和拇指驱动组件，所述拇指驱动组件用以驱动拇指支链实现弯曲和伸展动作，所述手指总成包括手指支链和手指驱动组件，所述手指驱动组件用以驱动手指支链实现弯曲和伸展动作，所述四指联动传动总成用以同步驱动四根手指支链实现外展和内收动作。本发明具有结构新颖、原动机数量少、重量轻、尺寸小、运动灵活等特点。

Description

一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套

技术领域

本发明属于医疗康复机器领域，更具体的说，尤其涉及一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套。

背景技术

手指运动功能障碍主要是由于各类事故、脑损伤、小儿麻痹等多种原因引起的。在手指康复训练中，按照训练阶段的先后，训练模式可以分为被动训练和主动训练。被动训练是指在训练初期，依靠外界对手指、主要是对手指关节的大量重复性的弯曲运动刺激受损的神经，加强手指肌肉的力量和关节灵活度。这一过程需要专业理疗师和医师的指导及陪护，耗时耗力。经过这一阶段后患者手指具有一定程度上的自我活动能力，在主动训练阶段依靠患者自觉地手指的运动即可进行康复训练。

针对被动训练中患者所需的大量重复的手指弯曲活动的特点，大量以机械式的手指康复训练机代替理疗师重复劳动的方案应运而生。目前市面上的手指康复训练机根据机械结构的设计大致可以分为以下几种：

1.柔性钢缆驱动的链式多关节机械手：

该种方案驱动的手指为欠驱动，一般以一台电机操纵一根手指的弯曲运动，由于是柔性的钢缆，在控制手指弯曲的过程中，穿戴者的手指具体关节不需要沿着特定的轨迹，可在机构允许的范围内自我调整手指3个关节的运动顺序和角度来达到机构运动位置的终点，在运动过程可以避免刚性冲击带来的损伤。该方案的缺点，其一是在该设计中，无法实现四指的近节指骨之间的外展与内收，只能实现单个手指近节指骨与中节指骨、中节指骨与远节指骨之间的弯曲与伸展；其二该方案所驱动的柔性钢缆,需要特殊的伺服电机和钢缆推挤装置来实现钢缆在链式手指的通道中的移动和力的传递，体积较大；同时每一根手指都需要一台同样的上述机构组合，使得体积更为庞大。因此该装置适用于在固定场合的固定位置使用，缺乏随身便携性。

2.气动肌肉多关节机械手：

该种方案通常包含可伸缩的褶皱型气囊结构。通气后，指节之间通过气动关节的伸缩来带动指节部转动模拟手指的弯曲与伸展。由于气体具有可压缩性，该种装置的优点是在突然运动和突然停止时产生的冲击载荷较小，穿着较为舒适。但是由于气动肌肉体积的限制，难以安装在四近节指骨之间，故该方案难以完成四指之间的外展与内收；其次，气动肌肉较为昂贵，且使用气源装置会增加噪声污染

3.关节电机式完全自由度机械手：

根据人的单个手掌具有21个自由度，该方案即是在每个关节由一个单独电机驱动，优点是每一根手指的每一处自由度可以单独控制，可根据不同手指的不同关节的受伤情况，定制不同关节的运动角度，进行精细化的康复治疗。缺点电机数量十分巨大，大大增加机构的复杂度，同时也增加控制系统的复杂性，使得康复机器手较为昂贵，同时大量的电机不可避免的增加了设备的重量，也不利于穿着时的便携运动。

4.连杆式外骨骼机械手：

该方案由于使用了连杆，相比关节电机式机械手可以将各电机集中布置，便于将机械手做到随身便携化，同时由于减小了在机械手关节处的重量，使得关节在转动时具有更小的转动惯量，运动时平稳性得到提高。且由于连杆的体积较小，可以在手掌中加入使四指相对手掌外展与内收的自由度。但与之对应的，连杆式外骨骼机械手由同一个舵机或者是电机通过多连杆控制单个手指的弯曲与伸展，由于连杆的长度固定，所以手指的运动轨迹、弯曲的角度相对时间的曲线固定。在突然启动和停止时会对手产生较大的冲击载荷。

综上，本发明设计了一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，该装置拥有掌部安装总成、连杆支链、手指支链、拇指支链、四指联动传动总成五大部分组成。其目的是使康复机械手能在原动机数量较少、布置更紧凑且离手指部分距离较远的情况下，完成四指的近节指骨之间的外展与内收运动。同时还能克服连杆式外骨骼机械手启停时冲击较大的缺点，在手指弯曲与伸展的过程中具有一定的可供手指调整弯曲角度和运动轨迹的舒适余度。除此以外，本发明由于使用了较少的原动机，使得重量更轻，更适合随行穿戴。

发明内容

本发明旨在于解决当前市场中手指关节康复机结构庞大、重量较重、不易随身穿戴，四指之间的外展与内收运动与单指的弯曲与伸展运动无法兼顾，电机启停或者运动时存在刚性冲击等问题，因此提出了一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，能够实现四指之间的外展与内收运动与单指的弯曲与伸展运动，减少电机启停和运动时的外界冲击，原动机数量少、重量轻、尺寸小、运动灵活等优点。

一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，包括掌部安装总成、拇指总成、四个手指总成以及四指联动传动总成；

所述拇指总成包括拇指支链和拇指驱动组件，所述拇指支链的末端与掌部安装总成转动连接，所述拇指驱动组件用以驱动拇指支链实现弯曲和伸展动作；

所述手指总成包括手指支链和手指驱动组件，所述手指支链的末端与掌部安装总成转动连接，所述手指驱动组件用以驱动手指支链实现弯曲和伸展动作；

所述四指联动传动总成用以同步驱动四根手指支链实现外展和内收动作。

进一步地，所述拇指支链包括依次转动连接的第一拇指指节、第二拇指指节和第三拇指指节，第一拇指指节与掌部安装总成转动连接；所述拇指驱动组件包括拇指举升舵机、拇指舵机、第一拇指连杆支链和第二拇指连杆支链，所述拇指举升舵机设置于掌部安装总成，其通过第一拇指连杆支链与第一拇指指节传动连接，所述拇指舵机设置于第一拇指指节上，其通过第二拇指连杆支链与第三拇指指节传动连接。

进一步地，所述第一拇指连杆支链包括拇指舵机臂和拇指连杆，所述拇指舵机臂一端与拇指举升舵机的输出端传动连接，另一端与拇指连杆的一端转动连接，拇指连杆的另一端与第一拇指指节转动连接；所述第二拇指连杆支链包括“U”形舵机臂和拇指弧形连杆，所述“U”形舵机臂一端与拇指舵机的输出端传动连接，另一端与拇指弧形连杆的一端转动连接，拇指弧形连杆另一端与第三拇指指节转动连接。

进一步地，所述第一拇指指节相对掌部安装总成的可转动角度限定在0-90°，第二拇指指节相对第一拇指指节的可转动角度限定在0-120°，第三拇指指节相对第二拇指指节的可转动角度限定在0-120°；所述第二拇指指节与第三拇指指节之间设置扭簧。

进一步地，所述手指支链包括依次转动连接的第一手指指节、第二手指指节和第三手指指节，所述手指驱动组件包括手指舵机和手指连杆支链，所述手指舵机设置于掌部安装总成上，其通过手指连杆支链与第三手指指节传动连接。

进一步地，所述手指连杆支链包括手指舵机臂、手指连杆、弧形长连杆和弧形短拉杆，所述手指舵机臂一端与手指舵机输出端传动连接，另一端与手指连杆的一端转动连接，所述手指连杆的另一端与弧形长连杆转动连接，所述弧形长连杆一端与掌部安装总成转动连接，另一端与弧形短拉杆的一端转动连接，所述弧形短拉杆的另一端与第三手指指节转动连接。

进一步地，所述第一手指指节相对掌部安装总成的可转动角度限定在0-120°，第二手指指节相对第一手指指节的可转动角度限定在0-120°，第三手指指节相对第二手指指节的可转动角度限定在0-120°，所述第一手指指节与第二手指指节之间设置扭簧，所述第二手指指节与第三手指指节之间设置扭簧。

进一步地，所述四指联动传动总成包括传动舵机、传动组件和四根十字轴，四根手指支链的末端分别通过十字轴与掌部安装总成转动连接，所述传动舵机通过传动组件与四根十字轴传动连接。

进一步地，所述传动组件包括惰轮、两个小齿轮、两个大齿轮和齿轮-同步轮机构，所述两个小齿轮分别设置于两侧的手指支链的十字轴上，两个大齿轮分别设置于中间的两个手指支链的十字轴上，两个大齿轮啮合，其中一对相邻的大齿轮和小齿轮分别与齿轮-同步轮机构上的齿轮啮合，齿轮-同步轮机构与传动舵机的输出端传动连接。

进一步地，所述掌部安装总成、拇指支链和手指支链的底部均设置供人穿戴的套状结构。

本发明的有益效果在于：具有结构新颖、原动机数量少、重量轻、尺寸小、运动灵活等特点。掌部安装总成将驱动手指所需要的原动机集中在一起紧凑布置，远离手指，运动时转动惯量更小使得运动更加灵活，拇指驱动组件和手指驱动组件传递驱动拇指和手指弯曲与伸展运动的动力，手指支链、拇指支链模仿人的四指和大拇指设计，其上安装的扭簧不仅使得手指康复机能在欠自由度的情况下有固定的运动轨迹，还能缓冲冲击，保护使用者的手指，四指联动传动总成实现四指之间外展与内收运动同时也不会影响单指的弯曲与伸展运动。因此本发明结构设计合理，能够实现多种康复治疗动作，体积小巧，安全性高。

附图说明

图1是本发明的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套结构示意图；

图2是本发明中安装基板结构示意图；

图3是本发明中掌部安装总成和手指总成结构示意图；

图4是本发明中手指支链结构示意图；

图5是本发明中拇指总成结构示意图；

图6是本发明中底板和四指联动传动总成结构示意图；

图7是本发明中第一手指指节的结构示意图；

图8是本发明第二手指指节的结构示意图；

图9是本发明第三手指指节的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1-9，一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，包括掌部安装总成1、拇指总成、四个手指总成以及四指联动传动总成5；所述拇指总成包括拇指支链4和拇指驱动组件，所述拇指支链4的末端与掌部安装总成1转动连接，所述拇指驱动组件用以驱动拇指支链4实现弯曲和伸展动作；所述手指总成包括手指支链3和手指驱动组件，所述手指支链3的末端与掌部安装总成1转动连接，所述手指驱动组件用以驱动手指支链3实现弯曲和伸展动作；所述四指联动传动总成5用以同步驱动四根手指支链3实现外展和内收动作。

继续参阅图5，所述拇指支链4包括依次转动连接的第一拇指指节401、第二拇指指节405和第三拇指指节406，第一拇指指节401与掌部安装总成1转动连接；所述拇指驱动组件包括拇指举升舵机104、拇指舵机402、第一拇指连杆支链和第二拇指连杆支链，所述拇指举升舵机104设置于掌部安装总成1，其通过第一拇指连杆支链与第一拇指指节401传动连接，所述拇指舵机402设置于第一拇指指节401上，其通过第二拇指连杆支链与第三拇指指节406传动连接，所述第一拇指连杆支链包括拇指舵机臂201和拇指连杆202，所述拇指舵机臂201一端与拇指举升舵机104的输出端传动连接，另一端与拇指连杆202的一端转动连接，拇指连杆202的另一端与第一拇指指节401转动连接；所述第二拇指连杆支链包括“U”形舵机臂403和拇指弧形连杆404，所述“U”形舵机臂403一端与拇指舵机402的输出端传动连接，另一端与拇指弧形连杆404的一端转动连接，拇指弧形连杆404另一端与第三拇指指节406转动连接。

其中，第一拇指连杆支链还包括一个球头节203，拇指舵机臂201为一两端大中间小的葫芦形杆类零件，其一端设计有圆形通孔可与拇指举升舵机104的输出轴形成固定连接，另一端设计有螺纹孔可与球头节203上的螺纹形成紧固连接，拇指连杆202为塑料制细长杆状零件，其两端设计有完全一样的球面窝，因塑料具有弹性可将球头节203嵌入其中预制形成球面副，其一端与拇指舵机臂201上的球头节203形成球面副，另一端与第一拇指指节401形成球面副。

其中，拇指支链4包括还包括扭簧304、第二手指指节套3062、第三手指指节套3063。第一拇指指节401为近似直角梯形的板状金属零件，其直角边上设计有第二铰链套4011，可通过轴销与四指联动传动总成5之间形成转动副连接。尾端设计有一带螺纹孔的立方凸起4012，可与球头节203的螺纹端之间形成螺纹紧固连接，球头节203的球面端又可与拇指拉杆202的球面窝相嵌套形成球面副连接。第一拇指指节401的上表面设计有带舵机安装孔的立方凸起4013用于固定拇指舵机402。拇指舵机402底面紧贴与第一拇指指节401的上表面固定安装在带舵机安装孔的立方凸起4013上，舵机的输出轴的轴心与第一拇指指节401平行，输出轴与“U”形舵机臂403紧固连接；“U”形舵机臂403在两末端设计有通孔可与拇指舵机402的输出轴之间过盈紧固连接，底端设计有带通孔的外凸耳4031，可与拇指弧形连杆之间形成转动副连接。拇指弧形连杆404为塑料制弧形细长杆类零件，其两端均设计有通孔，弧度较小的一端的通孔与带通孔的外凸耳4031之间形成转动副连接，弧度较大的一端的通孔与第三手指指节303上的带螺纹孔的凸耳3034之间形成转动副连接。在“U”形舵机臂403驱动拇指弧形连杆404运动时，第一拇指指节401与第二手指指节302之间、第二手指指节302与第三手指指节303之间的转动角度限制在0°至45°之间。

继续参阅图3和图4，所述手指支链3包括依次转动连接的第一手指指节301、第二手指指节302和第三手指指节303，所述手指驱动组件包括手指舵机102和手指连杆支链，所述手指舵机102设置于掌部安装总成1上，其通过手指连杆支链与第三手指指节303传动连接。所述手指连杆支链包括手指舵机臂204、手指连杆205、弧形长连杆206和弧形短拉杆208，所述手指舵机臂204一端与手指舵机102输出端传动连接，另一端与手指连杆205的一端转动连接，所述手指连杆205的另一端与弧形长连杆206转动连接，所述弧形长连杆206一端与掌部安装总成1转动连接，另一端与弧形短拉杆208的一端转动连接，所述弧形短拉杆208的另一端与第三手指指节303转动连接。

其中，手指连杆支链还包括球头节203和铰链轴207，球头节203在一条手指连杆支链上有完全相同的3个，其一端为连接螺纹以和其他零件形成固定连接，一端为光滑的球面以和其他零件之间形成球面副；所述的手指舵机臂204为一两端大中间小的葫芦形杆类零件，其长度较拇指舵机臂201稍长，一端设计有圆形通孔可与手指舵机102的输出轴形成固定连接，另一端设计的螺纹孔可与球头节203上的螺纹形成紧固连接，球头节203上的球面嵌套手指连杆205的球面窝中，二者形成球面副；手指连杆205为塑料制细长杆状零件，一端设计为球面窝，可将球头节203嵌入其中预制形成球面副，一端为通孔，可插入铰链轴207与弧形长连杆206相连形成转动副；弧形长连杆206为塑料制弧形细长杆类零件，一端设计为球面窝，可将球头节203嵌入其中形成球面副，靠近中间位置设计有通孔，可插入铰链轴207与手指连杆205相连形成转动副，另一端也设计有通孔，可插入铰链轴207与弧形短连杆208相连形成转动副；弧形短连杆208为塑料制弧形杆类零件，其一端设计有通孔，可插入铰链轴207与弧形长连杆206的一端相连形成转动副，另一端设计为球面窝，可将球头节203的球面端嵌入其中，同时将球头节203的另一螺纹端紧固于手指支链3的第三手指指节上，使得连杆支链2于手指支链3之间形成球面副。

其中，手指支链3还包括2个完全相同的扭簧304、连接轴305以及指节套306；第一手指指节301主体为扁平四棱柱形状，其一端对称设计有2个带通孔的圆柱外凸3011用于与十字轴506的长轴形成轴线为水平方向的转动副，且能与掌部安装总成1中的滚动轴承106连接形成轴线为竖直方向的转动副，底部设计有弧形豁口3012，其目的在于沿十字轴506水平方向轴线旋转时不会与四指联动传动总成5之间发生干涉，另一端对称设计有2个带通孔的外侧凸耳3015，可通过连接轴305与第二手指指节302之间形成转动副连接，零件上表面设计有矩形凹槽3013用于与扭簧304的端部压紧接触，使得扭簧304的扭力可以传递到零件上，矩形凹槽3013上方两侧对称设计有2个矩形外凸起3014，其与第二手指指节302的一端的表面形状相配合可以使第一手指指节301与第二手指指节302之间的转动角度限制在0°至45°之间。第二手指指节302主体为扁平四棱柱形状，其一端对称设计有2个带通孔的内侧凸耳3021，可通过连接轴305与第一手指指节301之间形成转动副连接，在转动过程中其侧表面会与矩形外凸起3014的侧表面相接触，使得第一手指指节301与第二手指指节302之间的最小极限角度为0°，三角形凸起3022设计在带通孔的内侧凸耳3021的一个角上，在转动过程中其侧表面会与矩形外凸起3014的底表面相接触使得第一手指指节301与第二手指指节302之间的最大极限角度为45°，另一端对称设计有2个带通孔的外侧凸耳3025，可通过连接轴305与第三手指指节303之间形成转动副连接；零件上表面设计有2个矩形凹槽3023用于与扭簧304的端部压紧接触，使得扭簧的扭力可以传递到零件上，矩形凹槽3023上方两侧对称设计有2个矩形外凸起3024，其与第三手指指节303的一端的表面形状相配合可以使第二手指指节302与第三手指指节303之间的转动角度限制在0°至45°之间。第三手指指节303主体为扁平四棱柱形状，其一端对称设计有2个带通孔的内侧凸耳3031，可通过连接轴305与第二手指指节302之间形成转动副连接，在转动过程中其侧表面会与矩形外凸起3024的侧表面相接触，使得第二手指指节302与第三手指指节303之间的最小极限角度为0°，三角形凸起3032设计在带通孔的内侧凸耳3031的一个角上，在转动过程中其侧表面会与矩形外凸起3024的底表面相接触使得第二手指指节302与第三手指指节303之间的最大极限角度为45°，零件上表面设计有带螺纹的凸耳3033，可旋入球头节203的螺纹与球头节紧固连接，同时，整体即可与连杆支链2之间形成球面副连接，连接轴305中间穿过扭簧304的内径所形成的圆形通孔，外端穿过第一手指指节301上的对称布置的带通孔的外侧凸耳3015上的通孔并与其过盈连接。同时，穿过第二手指指节302上的对称布置的带通孔的内侧凸耳3021上的通孔并与其间隙连接，故第一手指指节301与第二手指指节302之间可以形成转动副，第二手指指节302与第三手指指节303之间形成转动副的方式与此相同。扭簧304在一根手指支链3中有型号、布置方式完全相同的2个，以其在第一手指指节301与第二手指指节302之间的布置方式为例说明，其螺旋线套在连接轴305上，其一边端部紧压在第一手指指节的矩形凹槽3013上，其另一边端部紧压在第二手指指节的矩形凹槽上3023上，由于扭簧304的扭力的作用，第一手指指节301与第二手指指节302在不受其他外力作用时会稳定处于最大极限角度45°位置。指节套306由柔软的弹性布料制成，按照不同指节的大小分为第一手指指节套3061、第二手指指节套3062、第三手指指节套3063，使用者可将手指套入其中。

继续参阅图6，所述四指联动传动总成5包括传动舵机105、传动组件和四根十字轴406，四根手指支链3的末端分别通过十字轴406与掌部安装总成1转动连接，所述传动舵机105通过传动组件与四根十字轴传动连接。所述传动组件包括惰轮503、两个小齿轮504、两个大齿轮505和齿轮-同步轮机构507，所述两个小齿轮504分别设置于两侧的手指支链3的十字轴506上，两个大齿轮505分别设置于中间的两个手指支链3的十字轴506上，两个大齿轮505啮合，其中一对相邻的大齿轮505和小齿轮504分别与齿轮-同步轮机构507上的齿轮啮合，齿轮-同步轮机构507与传动舵机105的输出端上的同步带轮509通过同步带508传动连接。

其中，所述掌部安装总成1包括底板501、铰链座502、安装基板101、顶层板103、手掌套510、手腕套511以及六个完全相同的滚动轴承106。所述安装基板101为手掌形状的金属制板状零件，其最前端加工有六个尺寸完全相同的通孔，使得滚动轴承106的外圈可以在孔内过盈配合；靠前端设计有带螺纹孔的凸耳1011，螺纹孔可以与球头座上的螺纹形成螺纹连接；靠中部有成一排的四个相同尺寸的固定安装通孔1012可与四指联动传动总成5固定连接；靠近尾部设计有带舵机安装孔的C形座1013可以固定安装舵机并使其处于竖直姿态；最末端设计有四个基板尾部安装孔1014，用以与四指联动传动总成5固定连接，中部有四个完全相同的带肋板和舵机安装孔的立方形凸起1015用于固定安装两台舵机并可通过其垂直方向上设计的螺纹孔与顶层板103进行固定连接；所述顶层板103为矩形的金属板状零件，在其四个顶点设计有四个完全相同的圆形通孔，可通过螺钉将其与带肋板和舵机安装孔的立方形凸起1015螺纹紧固连接；其上设计有4个完全相同的带安装孔的凸耳1031，可与手指舵机102固定连接。手指舵机102有完全相同的4个；其中2个依靠螺钉安装于带肋板和舵机安装孔的立方形凸起1015上，输出轴方向为相向；其余2个依靠螺钉安装于带安装孔的凸耳1031上，输出轴方向为相背；拇指举升舵机104以竖直姿态通过螺钉安装于带舵机安装孔的C形座1013上；其输出轴穿过带舵机安装孔的C形座1013上的水滴形通孔；传动舵机105的输出轴垂直穿过安装基板101并紧固安装在安装基板101表面设计的通孔上，其输出轴可与同步带轮509过盈连接并传递动力、扭矩和角度；滚动轴承106有完全相同的6个；外圈过盈配合于安装基板最前端的6个通孔内，内圈与轴端过盈配合从而形成转动副。

进一步地，底板501在尾部对称设计有带安装孔的尾部凸起5011，可通过螺钉与安装基板101紧固连接；中间靠前部设计有带安装孔的长方体5012，其上表面有4个间距相等的螺纹孔，通过螺钉与安装基板101紧固连接；前端设计有有6个尺寸完全相同的通孔，使得滚动轴承106的外圈可以在孔内过盈配合，底板501与安装基板101紧固连接后，该6个通孔的轴线与轮廓与安装基板101前部的6通孔完全重合；其侧面设计有两个通孔用于与铰链座502之间形成固定连接；铰链座502为金属制长方形板状零件，其中心对称设计有两个通孔用以和底板501侧面设计的两个通孔之间形成固定连接；其一侧面对称设计有圆筒形的第一铰链套5022，可与拇指支链4中的第一拇指指节401上的第二铰链套4011之间形成转动副连接，从而实现拇指支链4相对于四指联动传动总成5之间的相对转动；其侧面中间设计有扁平状的限位凸起，其下表面可与第一拇指指节401的上表面接触，使得拇指支链4与四指联动传动总成5相对转动时最小转动角度不小于0°；惰轮503是齿数确定的标准齿轮，其同时与小齿轮504和大齿轮505啮合，其分度圆圆心设计有通孔，可与轴过盈配合安装，安装后超出齿轮上下表面的轴端可与底板501和安装基板101上的滚动轴承106的内圈过盈配合连接，使得其可以绕自身轴线相对底板501转动；小齿轮504是齿数确定的标准齿轮，其与惰轮503相啮合，其分度圆圆心设计有通孔可与十字轴506的一端过盈配合安装，安装后超出齿轮上表面的轴端可与安装基板101上的滚动轴承106的内圈过盈配合连接，使得其可以绕自身轴线相对底板501转动；大齿轮505齿数确定且稍大于小齿轮504的标准齿轮，其与惰轮503和另一个大齿轮505相啮合，其分度圆圆心设计有通孔可与十字轴506的一端过盈配合安装，安装后超出齿轮上表面的轴端可与安装基板101上的滚动轴承106的内圈过盈配合连接，使得其可以绕自身轴线相对底板501转动；十字轴506是形似“十”字的叉架类零件，4个轴端均为圆柱形，较长的两个轴端等长且轴线相对底板501水平，其能与第一手指指节301上的带通孔的圆柱外凸3011上的通孔间隙配合形成转动副。轴线相对底板501竖直的轴端，其一端穿过小齿轮504或大齿轮505并在末端与安装基板101上的滚动轴承106的内圈过盈配合连接，其另一端的末端与底板501上的滚动轴承106的内圈过盈配合连接。齿轮-同步轮机构507为一体制成的，上端为齿轮、下端为同步带轮的零件，上端的齿轮的设计尺寸、安装尺寸与惰轮503相同，该部分可与小齿轮504和大齿轮505啮合；下端的同步带轮可与同步带508缠绕啮合传递动力输入，同时由上端齿轮传递动力输出，带动其相邻的大齿轮505和小齿轮504转动，相邻的大齿轮505又带动远侧的相啮合的大齿轮505转动，进而又带动相互啮合的远侧的惰轮503和小齿轮504转动；此外，齿轮-同步轮机构507的圆心设计有通孔，可与轴过盈配合安装，安装后超出零件上下表面的轴端可与底板501和安装基板101上的滚动轴承106的内圈过盈配合连接，使得其可以绕自身轴线相对底板501转动；同步带508为橡胶制柔性传动带，其一端与齿轮-同步轮机构507缠绕啮合，另一端与同步带轮509缠绕啮合，其用途为在二者之间传递动力的同时又能传递较为精确的角度和扭矩；同步带轮509，其圆心设计有通孔，可与传动舵机105的输出轴过盈安装并可随舵机输出轴旋转，其将舵机的动力，转矩和角度传递给与之缠绕啮合同步带508。借由此运动的传递，可以实现具有相互啮合关系的齿轮-同步轮机构507、大齿轮505、惰轮503、小齿轮504之间实现相对转动，进而实现与之固定连接的4个十字轴506之间的相对转动，进而实现四指的外展与内收运动。手掌套510、手腕套511为由柔软的弹性布料制成，使用者在穿戴时先将整个手穿过手腕套511后将手掌套510穿戴在手掌虎口位置，调整到舒适姿势，最后将手指按照顺序套入第一手指指节套3061、第二手指指节套3062、第三手指指节套3063，5个手指全部套入后，穿戴完毕。

本发明具体工作流程如下：

穿戴前：4个手指舵机103的输出轴通电旋转，使得4条手指舵机臂204向后摆动，进而带动4根手指连杆205向后拉动4根弧形长连杆206，进而带动四根弧形短连杆208向后运动。在手指支链3中，由于第一手指指节301和第二手指指节302之间、第二手指指节302与第三手指指节303之间存在扭簧304，而第一手指指节301与四指联动传动总成5之间只有依靠十字轴506形成转动副连接，因此克服第一手指指节301绕十字轴506所需的能量较少，第一手指指节301与第二手指指节302之间、第二手指指节302与第三手指指节303之间克服扭簧304扭力相对旋转的能量较大，所以第一手指指节301会首先绕十字轴506旋转直至其上表面与小齿轮504或是大齿轮505的下表面接触而停止运动。但由于此时手指舵机103仍然带着手指连杆支链在运动，故此时第一手指指节301与第二手指指节302之间、第二手指指节302与第三手指指节303之间可以克服扭簧扭力而做相对旋转。且由于第一手指指节301上设计的矩形外凸起3014，第二手指指节302上设计的带通孔的内侧凸耳3021、矩形外凸起3024，第三手指指节303上设计的带通孔的内侧凸耳3031，两两指节之间的相对旋转的极限角度为0°到45°。

与4个手指舵机103同时工作的是拇指举升舵机104，其输出轴通电旋转，使拇指舵机臂201向上摆动，进而带动第一拇指指节401向上摆动直至其上表面与铰链座502上设计的限位凸起5021的下表面相接触而停止运动。同时拇指支链4上的拇指舵机402通电旋转，带动“U”形舵机臂403向后摆动，进而带动拇指弧形连杆404向后拉动。与手指支链3相同原理的第二拇指指节405会首先到达及最小极限位置即与第一拇指指节401齐平，随后第三拇指指节406才能相对第二拇指指节405转动，同时克服扭簧304做工。

穿戴：所有手指支链3和拇指支链4均相对四指联动传动总成5齐平，使用者将手先后穿过手腕套512、手掌套511、第一手指指节套3061、第二手指指节套3062、第三手指指节套3063。其中手掌套511应套在虎口位置。

四指相对手掌的外展与内收运动：传动舵机105带动与之固定连接的同步带轮510顺、逆时针小角度旋转，进而通过与之缠绕连接的同步带509将动力传递个另一端与同步带509缠绕连接的齿轮-同步带总成508，进而带动所有的有啮合关系的小齿轮504、惰轮503、大齿轮506顺、逆时针小角度旋转。两个大齿轮506之间直接啮合，小齿轮504和大齿轮506非直接啮合而是通过惰轮504啮合，因此位于同侧的小齿轮504和大齿轮506旋转方向相同。同时由于小齿轮504相比大齿轮506齿数较小，故小齿轮504的旋转角度较大齿轮506更大，这就意味着使用者的小指和食指外展与内收的幅度较中指和无名指大，符合人体手指结构。

大拇指的弯曲与伸展运动：首先，传动舵机105控制使四指外展到中点位置并停止转动。大拇指弯曲运动时，拇指举升舵机104的输出轴通电反向旋转，使拇指舵机臂201向下摆动，进而带动第一拇指指节401向下摆动。同时拇指支链4上的拇指舵机402通电反向旋转，带动“U”形舵机臂403向前摆动，进而带动拇指弧形连杆404向前推动。由于第二拇指指节405和第三拇指指节406存在扭簧304的扭力，故该两指节之间更易弯曲。当该两指节之间的弯曲角度达到最大极限角度时，拇指舵机402仍然处于旋转运动中，此时带动第二拇指指节405相对第一拇指指节401相对转动，直至极限位置。大拇指伸展运动时，拇指举升舵机104的输出轴通电真相旋转，使拇指舵机臂201向上摆动，进而带动第一拇指指节401向上摆动。同时拇指支链4上的拇指舵机402通电正向旋转，带动“U”形舵机臂403向后摆动，进而带动拇指弧形连杆404向后拉动。由于第三拇指指节406与第二拇指指节405之间需要克服扭簧304的扭力做功，故该两指节之间更难伸展，所以第二拇指指节405相对第一拇指指节401相对转动到最小极限角度后，继续旋转的拇指舵机402才能带动第三拇指指节406与第二拇指指节405相对转动直到达到最小极限角度。

四指的弯曲与伸展运动：四指弯曲运动时，4个手指舵机103的输出轴通电反向旋转，使的4条手指舵机臂204向前摆动，进而带动4根手指连杆205向前推动4根弧形长连杆206，进而带动四根弧形短连杆208向前运动。在手指支链3中，第一手指指节301和第二手指指节302之间、第二手指指节302与第三手指指节303之间存在扭簧304，使得这两个关节更易弯曲。当该关节弯曲角度达到最大极限角度时，四指拇指舵机102仍然处于旋转运动中，此时带动第一手指指节301相对四指联动传动总成5相对转动，直至极限位置。四指伸展运动时：4个手指舵机103的输出轴通电正向旋转，使的4条手指舵机臂204向后摆动，进而带动4根手指连杆205向后拉动4根弧形长连杆206，进而带动四根弧形短连杆208向后运动。第一手指指节301和第二手指指节302之间、第二手指指节302与第三手指指节303之间需要克服扭簧304的扭力做功，故指节之间更难伸展。所以第一手指指节301相对四指联动传动总成5转动到最小极限角度后，继续旋转的手指舵机102才能带动第三手指指节303与第二手指指节302之间、第一手指指节301和第二手指指节302之间相对转动直到达到最小极限角度。

需要注意的是，由于拇指支链4、手指支链3中自由度大于原动机的数量，故该两支链属于欠驱动机构，机构有确定的极限位置，且依靠扭簧的扭力使机构在空负载时也具有确定的运动，但在使用者佩戴并进行弯曲和伸展运动，及存在负载时，若有冲击产生，无论是舵机启动与停止的冲击，还是外界的对机构的冲击，瞬时的冲击可转化为克服扭簧做功，因此在佩戴使用做手指弯曲与伸展运动时，手指可以在一定程度上具有自由活动的空间，基于此，该发明在使用时更加舒适，也能对手指进行一定程度的保护。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，包括掌部安装总成(1)、拇指总成、四个手指总成以及四指联动传动总成(5)；

所述拇指总成包括拇指支链(4)和拇指驱动组件，所述拇指支链(4)的末端与掌部安装总成(1)转动连接，所述拇指驱动组件用以驱动拇指支链(4)实现弯曲和伸展动作；

所述手指总成包括手指支链(3)和手指驱动组件，所述手指支链(3)的末端与掌部安装总成(1)转动连接，所述手指驱动组件用以驱动手指支链(3)实现弯曲和伸展动作；

所述四指联动传动总成(5)用以同步驱动四根手指支链(3)实现外展和内收动作。

2.根据权利要求1所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述拇指支链(4)包括依次转动连接的第一拇指指节(401)、第二拇指指节(405)和第三拇指指节(406)，第一拇指指节(401)与掌部安装总成(1)转动连接；所述拇指驱动组件包括拇指举升舵机(104)、拇指舵机(402)、第一拇指连杆支链和第二拇指连杆支链，所述拇指举升舵机(104)设置于掌部安装总成(1)，其通过第一拇指连杆支链与第一拇指指节(401)传动连接，所述拇指舵机(402)设置于第一拇指指节(401)上，其通过第二拇指连杆支链与第三拇指指节(406)传动连接。

3.根据权利要求2所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述第一拇指连杆支链包括拇指舵机臂(201)和拇指连杆(202)，所述拇指舵机臂(201)一端与拇指举升舵机(104)的输出端传动连接，另一端与拇指连杆(202)的一端转动连接，拇指连杆(202)的另一端与第一拇指指节(401)转动连接；所述第二拇指连杆支链包括“U”形舵机臂(403)和拇指弧形连杆(404)，所述“U”形舵机臂(403)一端与拇指舵机(402)的输出端传动连接，另一端与拇指弧形连杆(404)的一端转动连接，拇指弧形连杆(404)另一端与第三拇指指节(406)转动连接。

4.根据权利要求2所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述第一拇指指节(401)相对掌部安装总成(1)的可转动角度限定在0-90°，第二拇指指节(405)相对第一拇指指节(401)的可转动角度限定在0-120°，第三拇指指节(406)相对第二拇指指节(405)的可转动角度限定在0-120°；所述第二拇指指节(405)与第三拇指指节(406)之间设置扭簧(304)。

5.根据权利要求1-4中任一所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述手指支链(3)包括依次转动连接的第一手指指节(301)、第二手指指节(302)和第三手指指节(303)，所述手指驱动组件包括手指舵机(102)和手指连杆支链，所述手指舵机(102)设置于掌部安装总成(1)上，其通过手指连杆支链与第三手指指节(303)传动连接。

6.根据权利要求5所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述手指连杆支链包括手指舵机臂(204)、手指连杆(205)、弧形长连杆(206)和弧形短拉杆(208)，所述手指舵机臂(204)一端与手指舵机(102)输出端传动连接，另一端与手指连杆(205)的一端转动连接，所述手指连杆(205)的另一端与弧形长连杆(206)转动连接，所述弧形长连杆(206)一端与掌部安装总成(1)转动连接，另一端与弧形短拉杆(208)的一端转动连接，所述弧形短拉杆(208)的另一端与第三手指指节(303)转动连接。

7.根据权利要求5所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述第一手指指节(301)相对掌部安装总成(1)的可转动角度限定在0-120°，第二手指指节(302)相对第一手指指节(301)的可转动角度限定在0-120°，第三手指指节(303)相对第二手指指节(302)的可转动角度限定在0-120°；所述第一手指指节(301)与第二手指指节(302)之间设置扭簧(304)，所述第二手指指节(302)与第三手指指节(303)之间设置扭簧(304)。

8.根据权利要求1-4中任一所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述四指联动传动总成(5)包括传动舵机(105)、传动组件和四根十字轴(406)，四根手指支链(3)的末端分别通过十字轴(406)与掌部安装总成(1)转动连接，所述传动舵机(105)通过传动组件与四根十字轴传动连接。

9.根据权利要求8所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述传动组件包括惰轮(503)、两个小齿轮(504)、两个大齿轮(505)和齿轮-同步轮机构(507)，所述两个小齿轮(504)分别设置于两侧的手指支链(3)的十字轴(506)上，两个大齿轮(505)分别设置于中间的两个手指支链(3)的十字轴(506)上，两个大齿轮(505)啮合，其中一对相邻的大齿轮(505)和小齿轮(504)分别与齿轮-同步轮机构(507)上的齿轮啮合，齿轮-同步轮机构(507)与传动舵机(105)的输出端传动连接。

10.根据权利要求1-4中任一所述的一种七自由度联动多关节可穿戴式康复机械手套，其特征在于，所述掌部安装总成(1)、拇指支链(4)和手指支链(3)的底部均设置供人穿戴的套状结构。

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