CN114603589B - 一种用于康复治疗的仿生机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于康复治疗的仿生机械手，涉及康复医疗器械领域，包括拉线、关节铰链、指骨、手掌、手肘固定板、分线器、电机固定座与电机，其中，多个指骨通过关节铰链连接为手指，该手指通过铰接方式安装在手掌上，手肘固定板的一端与手腕固定连接，该手肘固定板的另一端设置电机固定座，电机固定在电机固定座上，分线器固定在手肘固定板上，拉线的一端安装在仿生机械手上，该拉线的另一端从手肘固定板上的分线器穿出，在拉线的拉力作用下带动仿生机械手实现手指的弯曲动作。本发明通过以类似人体肌腱的线拉方式进行手指屈伸，自由度多，灵活性好，符合人手正常状态下的松弛刚度，实用性强，具备广阔的应用前景及重要研究价值。

Description

一种用于康复治疗的仿生机械手

技术领域

本发明涉及康复医疗器械领域，尤其涉及一种用于康复治疗的仿生机械手。

背景技术

康复治疗是恢复受损的肢体机能的重要医学手段。康复是通过“非药物、非手术”的生物物理方法作用于患者身体，能够解决疼痛、运动受限、肢体机能后遗症等问题。康复涉及的疾病种类较广，包括骨关节疾病、脑神经损伤、脊髓脊柱疾病、老年疾病等。当前临床上最常用的康复手段之一就是手法治疗，即康复治疗师使用自己的双手，在患者身上完成按压、提捏、保护、引导等操作。手法治疗的局限性在于大量依赖人力，因此国内外提出了采用器械来承担一部分的康复治疗，即器械化康复。手法治疗如需器械化，首先就必须具备一支与人手类似的机械手。本发明涉及的就是康复治疗中使用的、接触患者身体的机械手。

现有技术在仿生和类人机械手上已经有了大量的案例。从传动方式上机械手大致可以分为齿轮连杆传动式和线拉式两种，前者是采用齿轮、连杆、铰链等刚性部件连接机械手各个部件，包括手掌、指骨等，这种连接较为牢固但在松弛状态下不具备柔顺性，也就是位置一旦固定就不能反推。因此，齿轮连杆传动的机械手在康复中使用时，其患者体验和康复效果都有明显局限。第二种线拉式方法，采用尼龙线、钢丝绳等软性元件来连接机械手的各个部件，松弛状态下机械手各关节都不会锁死，仅在拉线绷紧的时候才有手上的力量。这种线拉式机械手的主要问题是无法采用以类似人体肌腱的线拉方式进行手指屈伸，呈现出类似人手的柔软状态。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于康复治疗的仿生机械手。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发出一种结构简单，采用以类似人体肌腱的线拉方式进行手指屈伸，呈现出类似人手的柔软状态的机械手。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于康复治疗的仿生机械手，其特征在于，包括拉线、关节铰链、指骨、手掌、手肘固定板、分线器、电机固定座与电机，其中，所述多个指骨通过所述关节铰链连接为手指，所述手指通过铰接方式安装在所述手掌上，所述手肘固定板的一端与手腕固定连接，所述手肘固定板的另一端设置所述电机固定座，所述电机固定在所述电机固定座上，所述分线器固定在所述手肘固定板上，所述拉线的一端安装在所述仿生机械手上，所述拉线的另一端从所述手肘固定板上的分线器穿出，在所述拉线的拉力作用下带动所述仿生机械手实现所述手指的弯曲动作。

进一步地，所述拉线的一端穿过所述指骨和所述手掌两端设置的过线孔后固定在所述手指的上端，所述拉线的另一端从所述分线器的孔中穿出后，由所述电机控制所述拉线长度的伸长或缩短。

进一步地，所述拉线的拉线方案至少包括单拉方案、对拉方案、混合方案中的一种方案，其中：

所述单拉方案，在每根所述手指掌侧面设置第一拉线，所述第一拉线设置为模拟弯曲所述手指的屈肌腱，所述第一拉线控制所述手指的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动，所述5根第一拉线从所述分线器穿出后组合成第一线束，所述第一线束由第一电机控制，实现所述仿生机械手的整体弯曲闭合；

所述对拉方案，在所述单拉方案的基础上，还包括在所述手指背侧面设置第二拉线，所述第二拉线设置为模拟伸直所述手指的伸肌腱，所述第二拉线控制所述手指的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动，所述5根第二拉线从所述分线器穿出后组合成第二线束，所述第二线束由第二电机控制，实现所述仿生机械手的整体伸直展开；

所述混合方案，在每根所述手指掌侧面设置第三拉线，所述第三拉线设置为模拟弯曲所述手指的屈肌腱，在所述手指背侧面设置第四拉线，所述第四拉线设置为模拟伸直所述手指的伸肌腱，所述第三拉线和所述第四拉线控制所述手指的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动；

所述5根第三拉线从所述分线器穿出后，拇指、食指和中指上的所述第三拉线各单独采用1个所述电机分别控制，实现所述拇指、所述食指和所述中指的弯曲闭合，无名指和小指上的所述第三拉线组成第三线束，所述第三线束由第三电机控制，实现所述无名指和所述小指的整体弯曲闭合；所述5根第四拉线从所述分线器穿出后组合成第四线束，所述第四线束由第四电机控制，实现所述仿生机械手的整体伸直展开。

进一步地，所述指骨和所述手掌部位采用刚性材料。

进一步地，所述刚性材料为树脂、钛合金和复合材料中任意一种材料。

进一步地，所述关节铰链采用柔性材料。

进一步地，所述柔性材料为橡胶或者硅胶。

进一步地，所述指骨两端设计有凹槽，所述手掌靠近所述每根手指端也设计有凹槽，所述关节铰链的两端设计有凸节，所述关节铰链的凸节嵌入式内置于所述凹槽中。

进一步地，所述关节铰链的截面为三角形、四边形、五边形、六边形、椭圆形和圆形中任意一种。

进一步地，所述机械手具有固定拇指和活动拇指两种状态，其中，在所述固定拇指状态下，所述拇指固定于功能位；在所述活动拇指状态，在所述手掌侧面开槽，所述拇指与所述手掌的连接处安装弹簧和铰链，实现所述拇指的外展和内收动作。

在本发明的较佳实施方式中，与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、通过以类似人体肌腱的线拉方式进行手指屈伸，自由度多，灵活性好，经济轻便；

2、通过在刚性结构的指骨之间，以及指骨和掌骨之间加入柔性关节，符合人手正常状态下的松弛刚度，接触柔顺。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的主体示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的手指弯曲示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的固定拇指姿势下的手掌示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的固定拇指姿势下的侧视示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的固定拇指姿势下的俯视示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的活动拇指姿势示意图

图7是本发明的一个较佳实施例的活动拇指姿势示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的活动拇指连接部示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例的手掌和手指连接部示意图；

图10是本发明的一个较佳实施例的关节铰链与手指关节嵌入式连接示意图。

其中：1-分线器、2-手掌、3-手指、4-手掌过线孔、5-关节铰链、6-指骨、7-指骨过线孔、8-手肘固定板、9-拉线、10-电机固定座。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1和图9所示，本发明实施例提供的一种用于康复治疗的仿生机械手，包括拉线9、关节铰链5、指骨6、手掌2、手肘固定板8、分线器1、电机固定座10与电机(图中未示出)，多个指骨6通过关节铰链5组装为手指3，该手指3包括拇指、食指、中指、无名指和小指，对应关节铰链5形成有掌指关节、近端指尖关节和远端指间关节等多个关节，手指3通过铰接方式安装在手掌2上，手肘固定板8的一端与手腕固定连接，手肘固定板8的另一端设置电机固定座10，电机固定在电机固定座10上，分线器1固定在手肘固定板8上，拉线9的一端安装在仿生机械手的各个手指3上，拉线9的另一端从手肘固定板8上的分线器1的通孔中穿出，在拉线9的拉力作用下带动仿生机械手实现相关手指3的弯曲动作。本发明实施例通过采用线拉式结构，仿生人体肌腱分布结构控制每根手指的屈曲和伸展，简化了机械结构，提供了一种结构简单，重量轻，手指刚度适应性广，与人手接触时可被反推的用于康复治疗的仿生机械手。本发明实施例中的传动方式采用线拉式结构，通过线驱动，和人体肌腱的传动原理一致，具备较好的弹性，与人手接触时可被反推，适应柔顺运动；线驱动排布灵活，几何空间占用少，重量轻，自由度多，结构紧凑。仿生机械手的自由度多，灵活性好，制作所需要的材料单一、制作过程简单，经济轻便。

如图2所示，本发明实施例采用的线拉式结构中，在手掌2的两端均设置有手掌过线孔4、在指骨6的两端均设置有指骨过线孔7，拉线9的一端穿过手掌过线孔4后，再穿过多节指骨6两端设置的指骨过线孔7，拉线9该端固定在该手指3的上端，拉线9的另一端从固定在手肘固定板8上的分线器1上的孔穿出，该拉线9的伸长和缩短，可通过电机来控制，具体的控制方式，和拉线方案有关。在每根手指3均设置有多根拉线9，拉线9的数量和连接方式，由拉线方案具体确定。通过仿生机械手的外部驱动装置，使嵌入在仿生机械手内的拉线9的拉力实现力的远距离传输，并在外部力量控制下，拉线长度随之伸长或缩短，拉线被收得越紧，夹角越小，从而使机械手运动到期望的位置和姿态。

为了更好地控制拉线9的伸长和收缩，进而更好地控制仿生机械手的动作，本发明实施例中提供了多种拉线方案，各个拉线方案在下述的实施例中进行说明。

实施例1：单拉方案

在单拉方案中，在每根手指3的掌侧面设置第一拉线，该第一拉线设置为模拟弯曲手指3的屈肌腱，每根手指3上的第一拉线控制该手指3的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动，所有手指3上的5根第一拉线从分线器1穿出后组合成第一线束，该第一线束由单独的一个电机即第一电机控制，从而实现仿生机械手的整体弯曲闭合。

实施例2：对拉方案

在对拉方案中，在单拉方案的基础上，还包括在手指3的背侧面设置第二拉线，该第二拉线设置为模拟伸直手指3的伸肌腱，每根手指3上的第二拉线控制该手指3的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动，所有手指3上的5根第二拉线从分线器1穿出后组合成第二线束，该第二线束由单独的一个电机即第二电机控制，实现仿生机械手的整体伸直展开。

实施例3：混合方案

在混合方案中，在每根手指3的掌侧面设置第三拉线，该第三拉线设置为模拟弯曲手指3的屈肌腱，在手指3的背侧面设置第四拉线，该第四拉线设置为模拟伸直手指3的伸肌腱，第三拉线和第四拉线控制手指3的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动。上述5根手指3上设置的第三拉线从分线器1穿出后，拇指、食指和中指上的第三拉线各单独采用1个电机来分别控制，实现拇指、食指和中指的弯曲闭合，而无名指和小指上的第三拉线组成第三线束，该第三线束由单独的一个电机即第三电机控制，实现无名指和小指的整体弯曲闭合；上述5根手指3上设置的第四拉线从分线器1穿出后组合成第四线束，该第四线束由第四电机控制，实现仿生机械手的整体伸直展开。

通过本发明提供的多种拉线方案，为不同的场景提供了不同的方案选择，当需要仿生机械手作为一个整体握持物品时，可以采用单拉方案，此时仅需要一个电机就可以实现控制，整个仿生机械手的结构非常简单；当需要拇指、食指和中指实现各自独立动作时，可以采用混合方案，此时可以更精确地摆出各个手指屈曲角度不相关联时的动作，使机械手运动到期望的位置和姿态，实现机械手更加复杂的动作。

如图3、图4和图5所示，本发明实施例提供的一种固定拇指姿势，该姿势下拇指位置固定，定位于“功能位”，即拇指充分外展，拇指不可以进行掌指关节的侧摆运动，掌指及指间关节微屈。拇指只有指间关节一个自由度，而食指、中指、无名指、小指，每个手指都拥有4个自由度，有掌指关节、近端指尖关节和远端指间关节三个关节。“功能位”是指能使肢体发挥最大功能的位置，它是依据该部位功能的需要而综合考虑得出的一种位置。手功能位即手根据不同需要，能够很快地产生不同的动作，如张手、握拳或捏物等，以便发挥其功能。手功能位表现为拇指处于对掌位，其掌指关节和指间关节微屈曲，其他手指略微分开，犹如手中握球姿势，掌指关节及近侧指间关节半屈位，远侧指间关节轻微屈曲。整个手可以摆出人手常见的“功能位”，与拇指对掌实现捏物动作，也可以适应多种抓取操作，包括拾取小物体的精细抓取，握住小物体的侧向捏取以及可抓取和移动重物的强力抓取，整体抓取有效且稳健。当前，许多仿生机械手或假肢手的手指数量和分布区别于正常的人手，或拇指无法处于对掌位，无法做到全手的功能位，即无法根据不同需要能很快产生握拳，捏物、张开等不同动作，抓取粗细不一的物体，以便发挥其功能。通过本发明实施例提供的固定拇指姿势，能够实现更多的功能，实用性强，具备广阔的应用前景及重要研究价值。

如图6、图7和图8所示，本发明实施例提供的一种旋转拇指姿势，在旋转拇指的方案中，在手掌2侧面开槽，拇指与手掌2的连接处安装弹簧和铰链，使拇指增加一个侧摆关节，模拟人手的腕掌关节，从而可以实现灵活的拇指外展和内收动作，其运动范围可达0-120°，增强其抓握范围。

如图9和图10所示，本发明实施例提供的手掌2和手指3连接部示意图，该仿生机械手是刚柔材料的结合体，根据部件刚柔的性质，将零件分为刚性部件和柔性部件，其中，指骨6和手掌2为刚性部件，采用刚性材料；而关节铰链5为柔性部件，采用柔顺材料。刚性部件选用树脂、钛合金或者复合材料中任意一种材料，可通过3D打印获得；柔性部件选用橡胶或者硅胶等材料。指骨6与关节铰链5的连接采用嵌入连接，关节铰链5的两端设计有凸节，而刚性指骨6的两端设计有凹槽，手掌2靠近手指3侧也设计有凹槽。由于橡胶具有较好的弹性，可以将关节铰链5的凸节塞入指骨6的凹槽内进行嵌入连接，如图10所示。而手指3的近端指骨6与手掌2连接处采用铰接结构，也可以将关节铰链5的凸节塞入指骨6和手掌2的凹槽内进行嵌入连接，如图9所示。另外，为了保证手指3安装的稳定性，关节铰链5设置为不同形状的截面，如三角形、四边形、五边形、六边形、椭圆形或者圆形，使指骨6和手掌2的凹槽和柔顺关节铰链5两端的凸节嵌入连接得更加紧密，防止脱出。通过这种刚柔材料结合体的设计和嵌入式的安装方式，在刚性结构的指骨6之间，以及指骨6和手掌2之间加入柔性关节，使得该仿生机械手在接触患者时，机械手可以在控制范围内灵活调整其运动时的刚度，发生形变；松弛状态下，手指向内侧弯曲，呈现出类似人手的柔软状态。本发明实施例中的刚性结构中加入柔性关节，符合人手正常状态下的松弛刚度，接触柔顺。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于康复治疗的仿生机械手，其特征在于，包括拉线、关节铰链、指骨、手掌、手肘固定板、分线器、电机固定座与电机，其中，所述多个指骨通过所述关节铰链连接为手指，所述手指通过铰接方式安装在所述手掌上，所述手肘固定板的一端与手腕固定连接，所述手肘固定板的另一端设置所述电机固定座，所述电机固定在所述电机固定座上，所述分线器固定在所述手肘固定板上，所述拉线的一端安装在所述仿生机械手上，所述拉线的另一端从所述手肘固定板上的分线器穿出，在所述拉线的拉力作用下带动所述仿生机械手实现所述手指的弯曲动作；

所述仿生机械手是刚柔材料的结合体，根据部件刚柔的性质，将零件分为刚性部件和柔性部件，其中，所述指骨和所述手掌部位为所述刚性部件，采用刚性材料；所述关节铰链为所述柔性部件，采用柔性材料；

所述指骨与所述关节铰链的连接采用嵌入连接，所述指骨两端设计有凹槽，所述手掌靠近每根所述手指端也设计有凹槽，所述关节铰链的两端设计有凸节，所述关节铰链的凸节嵌入式内置于所述凹槽中；而所述手指的近端指骨与所述手掌连接处采用铰接结构，也可以将所述关节铰链的凸节塞入所述指骨和所述手掌的凹槽内进行嵌入连接；

所述拉线的拉线方案包括混合方案，在每根所述手指掌侧面设置第三拉线，所述第三拉线设置为模拟弯曲所述手指的屈肌腱，在所述手指背侧面设置第四拉线，所述第四拉线设置为模拟伸直所述手指的伸肌腱，所述第三拉线和所述第四拉线控制所述手指的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动；所述5根第三拉线从所述分线器穿出后，拇指、食指和中指上的所述第三拉线各单独采用1个所述电机分别控制，实现所述拇指、所述食指和所述中指的弯曲闭合，无名指和小指上的所述第三拉线组成第三线束，所述第三线束由第三电机控制，实现所述无名指和所述小指的整体弯曲闭合；所述5根第四拉线从所述分线器穿出后组合成第四线束，所述第四线束由第四电机控制，实现所述仿生机械手的整体伸直展开。

2.如权利要求1所述的仿生机械手，其特征在于，所述拉线的一端穿过所述指骨和所述手掌两端设置的过线孔后固定在所述手指的上端，所述拉线的另一端从所述分线器的孔中穿出后，由所述电机控制所述拉线长度的伸长或缩短。

3.如权利要求2所述的仿生机械手，其特征在于，所述拉线的拉线方案至少还包括单拉方案和对拉方案中的一种方案，其中：

所述单拉方案，在每根所述手指掌侧面设置第一拉线，所述第一拉线设置为模拟弯曲所述手指的屈肌腱，所述第一拉线控制所述手指的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动，所述5根第一拉线从所述分线器穿出后组合成第一线束，所述第一线束由第一电机控制，实现所述仿生机械手的整体弯曲闭合；

所述对拉方案，在所述单拉方案的基础上，还包括在所述手指背侧面设置第二拉线，所述第二拉线设置为模拟伸直所述手指的伸肌腱，所述第二拉线控制所述手指的掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的运动，所述5根第二拉线从所述分线器穿出后组合成第二线束，所述第二线束由第二电机控制，实现所述仿生机械手的整体伸直展开。

4.如权利要求1所述的仿生机械手，其特征在于，所述刚性材料为树脂、钛合金和复合材料中任意一种材料。

5.如权利要求1所述的仿生机械手，其特征在于，所述柔性材料为橡胶或者硅胶。

6.如权利要求1所述的仿生机械手，其特征在于，所述关节铰链的截面为三角形、四边形、五边形、六边形、椭圆形和圆形中任意一种。

7.如权利要求1所述的仿生机械手，其特征在于，所述机械手具有固定拇指和活动拇指两种状态，其中，在所述固定拇指状态下，所述拇指固定于功能位；在所述活动拇指状态，在所述手掌侧面开槽，所述拇指与所述手掌的连接处安装弹簧和铰链，实现所述拇指的外展和内收动作。