CN106943279A - 手外骨骼双手随动康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种手外骨骼双手随动康复装置。该装置包括手外骨骼患手康复装置、手外骨骼健康手主导康复装置，手外骨骼健康手主导康复装置安放到健康手上，手外骨骼健康手主导康复装置通过数据信号线连接控制器，控制器通过控制信号线连接手外骨骼患手康复装置，手外骨骼患手康复装置包括手指部、手背部、手套和控制器，手指部包括四个手指机构和一个拇指机构，四个手指机构分别为食指机构、中指机构、无名指机构和小指机构，四个手指机构的机构组成相同，每个手指机构的第一角度传感器和第一动力源以及所述手背部均与所述控制器连接。整个装置可更好的实现自主的针对性的康复训练，提高康复训练的效果。

Description

手外骨骼双手随动康复装置

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种手部及腕部的手外骨骼双手随动康复装置。

背景技术

手是人体最重要的部分之一，手不仅能够完成许多粗重工作，而且还能从事与日常生活密切联系的各种精细活动，手的正常运动能力对于人们非常重要。手部运动障碍会极大的影响人们的日常生活。不幸的是，每年都会有相当一部分人因为疾病或者是意外导致手的关节、骨骼、神经受到损伤，而一般的受损治疗都需要对手指进行长时间的制动，但是长时间的制动会由于关节肌腱淤血形成纤维变性，造成手指关节及肌腱的粘连和肌肉的萎缩。另外，关节疾病，中风等心血管疾病造成的偏瘫也会导致手指关节肌腱纤维化和肌肉、韧带的痉挛萎缩，从而造成手部运动功能障碍。

临床研究和实践表明，被动康复训练有助于恢复肢体运动功能障碍患者患肢的运动功能，而在持续高强度的重复训练后，患者手部肌肉的力量得到一定的提高，有助于手部功能的恢复。而自20世纪80年代出现的针对偏瘫中风患者的强制性运动疗法、运动想象疗法、任务导向性训练等这些较传统的康复治疗方法虽然有着一定的优越性,但是与之俱来的高人工消耗以及操作的复杂性依然难以规避。此外，患者在长期康复过程中会习惯依靠健康单手生活，在日常生活中会避免使用患手，更不利于患手的机能恢复.因而，研究开发一种既能按照针对性程序对患手实施康复训练，又可以辅助患手完成日常基本功能的可穿戴式机械装置，成为许多学者关注的焦点。

人手是一个解剖结构极为精细的器官，且手指的自由度多，所以对外骨骼的设计提出了很高的要求。经过对现有技术的文献检索发现，国内对手部外骨骼的研究还处于起步阶段，在此领域展开研究的主要有清华大学、上海交通大学、复旦大学、哈尔滨工业大学，浙江大学等。其中不乏一些优秀的研究作品，但是总体上还是面临这一些这样的问题：

(1)手外骨骼康复装置不够轻巧，缺乏便携性，不能辅助患手进行各种场合的日常性的生活动作。

(2)对拇指很少有相应的行之有效的康复机构，但是拇指对于很多手部日常性动作如抓握的进行是不可或缺的。

(3)患者难以进行自主的有针对性的康复训练。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的手外骨骼康复装置面临的上述问题，提出了一种手外骨骼双手随动康复装置，包括手外骨骼双手随动康复手外骨骼双手随动康复装置。其中，手外骨骼双手随动康复装置包括手外骨骼患手康复装置、正常手外骨骼主导康复装置。

本发明的技术方案是：

一种手外骨骼双手随动康复装置，包括手外骨骼患手康复装置、手外骨骼健康手主导康复装置，手外骨骼健康手主导康复装置安放到健康手上，手外骨骼健康手主导康复装置通过数据信号线连接控制器，控制器通过控制信号线连接手外骨骼患手康复装置；

其中，手外骨骼患手康复装置包括手指部、手背部和控制器；所述手指部包括四个手指机构和一个拇指机构，四个手指机构分别为食指机构、中指机构、无名指机构和小指机构，四个手指机构的机构组成相同，每个手指机构均包括三个指套、第一线缆、第二线缆、第一动力源、第一角度传感器和第一齿轮，每个指套的底部均安装有一个指节连接件；

三个指套分别为第一指套、第二指套和第三指套，第一指套与第二指套转动连接，第二指套与第三指套转动连接，第三指套与手背部转动连接，第一指套上设有第一线轮，第一线轮位于第一指套与第二指套的连接处，第三指套上设有第二线轮，第二线轮位于第三指套与第二指套的连接处，第一线缆的一端固定在第一线轮上，另一端固定在第二线轮上，第二线缆的一端固定在第一线轮上，另一端固定在第二线轮上，第一线缆与第二线缆交叉，第一动力源安装在第三指套上，第一动力源的输出轴依次穿过第一角度传感器和第一齿轮，第二指套的侧面设有配合齿轮，配合齿轮与第一齿轮啮合，每个手指机构的第一角度传感器和第一动力源以及所述手背部均与所述控制器连接。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，手背部包括固定板，固定板上并排安装有三个指套控制机构加上一个拇指指套控制机构，其中三个指套控制机构分别为第一指套控制机构、第二指套控制机构和第三指套控制机构，第一指套控制机构与所述食指机构连接，第二指套控制机构与所述中指机构连接，第三指套控制机构分别与所述无名指机构和所述小指机构连接，拇指指套控制机构与所述拇指机构相连接；

第一指套控制机构、第二指套控制机构和第三指套控制机构均包括滑轨支座、电机支座、小型齿条、第二动力源、第二角度传感器和第二齿轮，其中滑轨支座安装在固定板上，滑轨支座上设有微型导轨，电机支座安装在微型导轨上且能在微型导轨上滑动，第二动力源安装在电机支座上，第二动力源的输出轴依次穿过第二角度传感器和第二齿轮，小型齿条安装在滑轨支座上，第二齿轮与所述小型齿条啮合；

第一指套控制机构和第二指套控制机构还各包括一个连杆，第一指套控制机构的连杆的一端安装在第一电机支座上，另一端与食指机构的第三指套连接，第二指套控制机构的连杆的一端安装在第二电机支座上，另一端与中指机构的第三指套连接；

第三指套控制机构还包括两个连杆，第三指套控制机构的两根连杆的一端安装在第三电机支座，另一端依次与无名指机构和小指机构的第三指套相连接。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，手外骨骼患手康复装置的拇指机构包括拇指第一指套、拇指第二指套、拇指第三指套机构、拇指第一线缆、拇指第二线缆、拇指第一角度传感器、拇指第一齿轮、拇指第一动力源，拇指第三指套机构包括第三指节佩戴环和第三指节齿轮；

其中，拇指第一指套与拇指第二指套转动连接，拇指第二指套与拇指第三指套中的第三指节齿轮转动连接，第三指节齿轮和第三指节佩戴环固连，第三指节佩戴环与手背部中的拇指指套控制机构的小连杆转动连接；拇指第一指套上设有拇指第一线轮，拇指第一线轮位于拇指第一指套与拇指第二指套的连接处，拇指第三指套上设有拇指第二线轮，拇指第二线轮位于拇指第三指套与拇指第二指套的连接处，与第三指节齿轮同轴固连，视为一个零件；拇指第一线缆的一端固定在拇指第一线轮上，另一端固定在拇指第二线轮上，拇指第二线缆的一端固定在拇指第一线轮上，另一端固定在拇指第二线轮上，拇指第一线缆与拇指第二线缆交叉，拇指第一动力源安装在拇指第二指套上，拇指第一动力源的输出轴依次穿过拇指第一角度传感器和拇指第一齿轮，第三指节齿轮与拇指第一齿轮啮合，拇指第一角度传感器和拇指第一动力源以及所述手背部均与所述控制器连接。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，手背部的拇指指套控制机构包括一个内齿轮弯曲连架杆、一个小连杆、拇指电机支座、拇指第二动力源、拇指第二齿轮、拇指第二角度传感器；其中，拇指电机支座和手背板固定连接，拇指第二动力源安装在拇指电机支座上，拇指第二动力源的输出轴依次穿过拇指第二角度传感器和拇指第二齿轮，拇指第二齿轮和内齿轮弯曲连架杆啮合，小连杆和内齿轮弯曲连架杆转动连接。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，在滑轨支座上设置齿条安装槽，通过粘结的方式将小型齿条粘结在滑轨支座的齿条安装槽内。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，手外骨骼患手康复装置包括手指部、手背部，所述手外骨骼健康手主导康复装置的手指部包括四个手指机构，分别是拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构；其中食指机构、中指机构、无名指机构均包括第二指节指套机构、第三指节指套机构、MCP关节连杆机构；第二指节指套机构包括有设有配合齿轮的第二指节指套，和连接在指套下方的指套连接件；第三指节指套机构包括第三指节指套、小齿轮轴、第三指节角度传感器、指套连接件，小齿轮轴安装在第三指节指套的上方，与第二指节指套一侧的配合齿轮啮合，第三指节角度传感器安装在齿轮轴上，指套连接件连接在第三指节指套的下方；MCP关节连杆机构包括MCP连杆、连架杆和MCP角度传感器，MCP角度传感器安装在MCP连杆和连架杆的转动连接处。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，手外骨骼健康手主导康复装置的拇指机构包括第三指节佩戴环、第三指节齿轮片、拇指第二指节指套、主导小连杆、弯曲连架杆、拇指主导角度传感器、拇指主导第二角度传感器，拇指主导第二角度传感器安装在弯曲连架杆与手部背板的转动连接处；拇指主导角度传感器安装在拇指第二指节指套和第三指节佩戴环的转动副处，第三指节齿轮片在第三指节佩戴环与拇指前两个关节转动中心相垂直的一侧平面固连，其第三指节齿轮片的中心与拇指PIP关节回转中心重合，并与小齿轮轴进行啮合，第二角度传感器测出齿轮轴的旋转角度。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，在手外骨骼健康手主导康复装置的食指机构、中指机构、无名指机构中，第二指节指套机构与第三指节指套机构转动连接；在第三指节指套机构中，齿轮轴在第三指节指套上方与指套转动连接，第三指节指套机构和MCP关节连杆机构转动连接；其中MCP关节连杆机构中的MCP连杆和连架杆形成转动连接；MCP关节连杆机构的连架杆与手背部转动连接；在拇指机构中，拇指第二指节指套和第三指节佩戴环转动连接，第三指节佩戴环与主导小连杆转动连接，主导小连杆和弯曲连架杆转动连接，弯曲连架杆与手背部转动连接。

所述的手外骨骼双手随动康复装置，手外骨骼健康手主导康复装置中的手背部包括手部背板和手掌连接件，手掌连接件的两端连接在手部背板上。

本发明的优点及有益效果是：

1、发明人于之前所申请的发明专利申请(申请号：201710060563.3)中所提出的针对手外骨骼康复装置的线耦合与曲柄滑块混合驱动方案具有良好的便携性和可靠性，为了辅助患手进行不同场合的日常性生活动作提供了可能。基于此混合驱动方案的基础上，本发明提出的完整的外骨骼康复***针对拇指的康复与辅助新增了拇指驱动机构的设计，使得康复装置可实现手指运动的自由度数目进一步提高，可更全面的帮助患手进行康复训练以及日常动作辅助(并对之前专利号为201710060563.3中的康复装置中的四指机构做了布局优化设计)。与其同时，本发明将针对不同指节的康复机构高度整合在手背机构上，同时将其控制***可搭载在人的小臂上，使整个***易穿戴且便携程度高。最后，整个装置在实现了可对患者进行被动康复训练以及日常手部运动辅助之后，加入了一种外骨骼双手随动康复方法，以及除上所述患手康复外骨骼装置之外的正常手外骨骼主导装置，可更好的实现自主的的针对性的康复训练，提高康复训练的效果。

2、本发明中的手外骨骼双手随动康复装置，通过同时控制第一动力源和第二动力源，并且在第一线轮和第二线轮的线耦合运动的配合下，使患者的手部能够实现多自由度的运动，使其得到有效的锻炼。装置在无名指和小指第三指节的驱动上进行了适当的耦合，使用一个动力源对其自由度驱动，满足实用的前提下，进一步简化了装置的结构、保持了装置的便携性；本发明中的装置可以根据康复训练的实际需要来合理的设置第一线轮和第二线轮的半径，当所述第一线轮和所述第二线轮的形状均为圆形时，所述第一线轮的半径与所述第二线轮的半径之比可选在为1～2.2(优选值为1.83)，使该装置达到不同的锻炼效果；本发明中的装置的大部分零部件可以通过3D打印技术加工而成，使其与患者的匹配性更好，以达到最佳的康复效果。

附图说明

图1是本发明手外骨骼患手康复装置的结构示意图；

图2是本发明手外骨骼健康手主导康复装置的结构示意图。

图3-图4是本发明拇指机构的结构示意图。其中，图3为主视图；图4为立体图。

图5-图7是本发明第一指套、第二指套和第三指套的结构示意图。其中，图5是主视图；图6是立体分解图；图7是俯视分解图。

图8是本发明提供的食指机构与第一指套控制机构的连接结构示意图。

图9是本发明提供的拇指机构整体装配示意图。

图10是本发明大拇指DIP关节、MCP关节和CMC关节的示意图。

图11是本发明提供的第一指套和第二指套的弯曲过程示意图。

图12是本发明提供的单指机构(如：食指机构或中指机构)为弯曲状态时的结构示意图。

其中：1食指机构；2中指机构；3无名指机构；4小指机构；5第一指套；6第二指套；7第三指套；8第一线缆；9第二线缆；10第一动力源；11第一角度传感器；12第一齿轮；14第一线轮；15第二线轮；16配合齿轮；17固定板；18第一指套控制机构；19第二指套控制机构；20第三指套控制机构；21滑轨支座；22电机支座；23小型齿条；24第二动力源；25第二角度传感器；26第二齿轮；27连杆；28微型导轨；40拇指指套控制机构；41内齿轮弯曲连架杆；42小连杆；43拇指电机支座；44拇指第二动力源；45拇指第二齿轮；46拇指第二角度传感器；47拇指机构；48拇指第一指套；49拇指第二指套；50拇指第三指套机构；51第三指节佩戴环；52第三指节齿轮；53拇指第一线缆；54拇指第二线缆；55拇指第一角度传感器；56拇指第一齿轮；57拇指第一动力源；58拇指第一线轮；59拇指第二线轮；60拇指机构；61食指机构；62中指机构；63无名指机构；64第二指节指套机构；65第三指节指套机构；66、MCP关节连杆机构；67配合齿轮；68第二指节指套；70第三指节指套；71小齿轮轴；72第三指节角度传感器；74、MCP连杆；75连架杆；76、MCP角度传感器；77第三指节佩戴环；78拇指第二指节指套；79主导小连杆；80弯曲连架杆；81拇指主导角度传感器；82拇指主导第二角度传感器；83手部背板；第三指节齿轮片84。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明提供了一种手部外骨骼双手随动康复方法，包括：

(1)通过位移传感装置将健康手(不限左右手)在进行各种日常性动作(例如：抓握)各个指关节实时测量出来。

(2)将测量得到的健康手运动时的各个指节的角度位移数据，传输到要对患手进行康复训练或者是辅助患手的手部外骨骼装置。

(3)得到健康手指节的角度位移数据的外骨骼装置，以该角度位移为目标位置去驱动患手，让患手做出和健康手相同的动作。

其中，在通过位移传感装置将健康手(不限左右手)在进行各种日常性动作(例如：抓握)各个指关节实时的角度位移测量出来时，包括：

Ⅰ：将测量角度数据的装置(即所述的手外骨骼健康手主导康复装置)穿戴在健康手上，并使外骨骼的各个转动副关节转动轴心线与相对应的手指关节的转动副关节转动轴心线重合。

Ⅱ：在对进行MCP转动关节角度位移的测量时可将MCP关节视为一个连接到固定机架的转动副，利用手外骨骼健康手主导康复装置的四杆机构原理，用角度传感器测得除MCP关节转动副外其他转动副的角位移，通过计算从而间接得出MCP关节的角位移数据。

Ⅲ：在对PIP关节进行角度位移的测量时，也可采用上述在MCP关节角度位移的测量中所使用的四杆机构原理的方法来进行测量，但是之前在专利申请(申请号：201710060563.3)中驱动第二指节的是电机通过齿轮直接传动，所以在测量PIP关节角位移数据是将角度传感器安置在齿轮传动轴，通过计算得出PIP转动副的角度位移。

Ⅳ：在对DIP关节进行角度位移的测量时，可以采用上述的两种方法。因为DIP关节周围空间足够，也可以直接将角度传感器直接安装在DIP关节侧面，使其回转中心通过DIP关节的回转中心，直接对DIP的角度位移进行测量。但是在本发明中，因为人手自然运动时DIP和PIP关节之间的耦合关系较为强烈，而且在手外骨骼患手康复装置的DIP关节驱动部分采用了欠驱动的线耦合方案，可直接通过PIP关节的角位移通过计算耦合关系直接得出DIP关节的角位移数据。本发明中，采用通过计算PIP关节DIP关节的运动耦合关系，用PIP角位移数据来得出DIP关节的角位移数据，参见之前的专利申请(申请号：201710060563.3)。

Ⅴ：角度位移数据的记录与传输可通过单片机来实现。

在具体实施过程中，为了解决现有技术存在的手外骨骼康复装置存在的体积大、重量大、便携性较差以及整个装置的机械连杆的数量较多，结构复杂的问题，本发明还提供了一种手外骨骼双手随动康复装置，包括手外骨骼患手康复装置、手外骨骼健康手主导康复装置，手外骨骼健康手主导康复装置安放到健康手上，手外骨骼健康手主导康复装置通过数据信号线连接控制器，控制器通过控制信号线连接手外骨骼患手康复装置，整个手外骨骼双手随动康复装置可佩戴。

如图1、图3-图9、图12所示，本发明手外骨骼患手康复装置设置手指部、手背部、手套和控制器，其结构主要包括：食指机构1、中指机构2、无名指机构3、小指机构4、第一指套5、第二指套6、第三指套7、第一线缆8、第二线缆9、第一动力源10、第一角度传感器11、第一齿轮12、第一线轮14、第二线轮15、配合齿轮16、固定板17、第一指套控制机构18、第二指套控制机构19、第三指套控制机构20、滑轨支座21、电机支座22、小型齿条23、第二动力源24、第二角度传感器25、第二齿轮26、连杆27、微型导轨28、拇指指套控制机构40、内齿轮弯曲连架杆41、小连杆42、拇指电机支座43、拇指第二动力源44、拇指第二齿轮45、拇指第二角度传感器46、拇指机构47、拇指第一指套48、拇指第二指套49、拇指第三指套机构50(拇指第三指套机构50包括第三指节佩戴环51和第三指节齿轮52)、拇指第一线缆53、拇指第二线缆54、拇指第一角度传感器55、拇指第一齿轮56、拇指第一动力源57、拇指第一线轮58、拇指第二线轮59等，具体结构如下：

所述手外骨骼患手康复装置的手指部包括四个手指机构(包括食指机构1、中指机构2、无名指机构3、小指机构4等)和一个拇指机构47(包括拇指指套控制机构40等)，此手指机构和上面所述的手外骨骼健康手主导康复装置的手指机构不同。四个手指机构分别是食指机构1、中指机构2、无名指机构3、小指机构4，其中食指机构1、中指机构2、无名指机构3的组成部分是相同的，而小指机构4的组成部分虽与食指机构1、中指机构2、无名指机构3相同，但是为了空间布置方便，将其变为镜像放置。每个手指机构均包括三个指套、第一线缆8、第二线缆9(线耦合用)、第一动力源10、第一角度传感器11和第一齿轮12，每个指套的底部均安装有一个指节连接件。

如图3-图7所示，三个指套分别为第一指套5、第二指套6和第三指套7，第一指套5与第二指套6转动连接，第二指套6与第三指套7转动连接，第三指套7与手背部转动连接，第一指套5上设有第一线轮14，第一线轮位于第一指套5与第二指套6的连接处，第三指套7上设有第二线轮15，第二线轮15位于第三指套7与第二指套6的连接处，第一线缆8的一端固定在第一线轮14上，另一端固定在第二线轮15上，第二线缆9的一端固定在第一线轮14上，另一端固定在第二线轮15上，第一线缆8与第二线缆9交叉，第一动力源10安装在第三指套7上，第一动力源10的输出轴依次穿过第一角度传感器11和第一齿轮12，第二指套6的一侧面设有配合齿轮16，配合齿轮16与第一齿轮12啮合，每个手指机构的第一角度传感器11和第一动力源10以及所述手背部均与所述控制器连接。另外，第二指套6的另一侧面设有双边连接件6-1，第三指套7的侧面设置单边连接件7-1。

所述手外骨骼患手康复装置的手背部包括固定板17，固定板17上并排安装有三个指套控制机构加上一个拇指指套控制机构，其中三个指套控制机构分别为第一指套控制机构18、第二指套控制机构19和第三指套控制机构20，第一指套控制机构18与所述食指机构1连接，第二指套控制机构19与所述中指机构2连接，第三指套控制机构20分别与所述无名指机构3和所述小指机构4连接，拇指指套控制机构与所述拇指机构相连接。

如图1、图8、图12所示，第一指套控制机构18、第二指套控制机构19和第三指套控制机构20均包括滑轨支座21、电机支座22(其中第一指套控制机构对应的是第一电机支座、第二指套控制机构对应的是第二电机支座、第三指套控制机构对应的是第三电机支座，每个电机支座的外形略有差异)、小型齿条23、第二动力源24、第二角度传感器25和第二齿轮26。其中滑轨支座21安装在固定板17上，滑轨支座21上设有微型导轨28，电机支座22安装在微型导轨28上且能在微型导轨28上滑动，第二动力源24安装在电机支座22上，第二动力源24的输出轴依次穿过第二角度传感器25和第二齿轮26，小型齿条23安装在滑轨支座21上，第二齿轮26与所述小型齿条23啮合。具体地，可以在滑轨支座21上设置齿条安装槽，通过粘结的方式将小型齿条23粘结在滑轨支座21的齿条安装槽内。

第一指套控制机构18和第二指套控制机构19还各包括一个连杆27，第一指套控制机构18的连杆27的一端安装在第一电机支座22上，另一端与食指机构1的第三指套7连接，第二指套控制机构19的连杆27的一端安装在第二电机支座22上，另一端与中指机构2的第三指套7连接。

第三指套控制机构20还包括两个连杆27，第三指套控制机构20的两根连杆27的一端安装在第三电机支座22上，另一端依次与无名指机构3和小指机构4的第三指套7相连接。

手背部的拇指指套控制机构40包括一个内齿轮弯曲连架杆41、一个小连杆42、拇指电机支座43、拇指第二动力源44、拇指第二齿轮45、拇指第二角度传感器46。其中，拇指电机支座43和手背板17固定连接，拇指第二动力源44安装在拇指电机支座43上，拇指第二动力源44的输出轴依次穿过拇指第二角度传感器46和拇指第二齿轮45，拇指第二齿轮45和内齿轮弯曲连架杆41啮合，小连杆42和内齿轮弯曲连架杆41转动连接。

手外骨骼患手康复装置的拇指机构47包括拇指第一指套48、拇指第二指套49、拇指第三指套机构50(拇指第三指套机构50包括第三指节佩戴环51和第三指节齿轮52)、拇指第一线缆53、拇指第二线缆54、拇指第一角度传感器55、拇指第一齿轮56、拇指第一动力源57。

其中，拇指第一指套48与拇指第二指套49转动连接，拇指第二指套49与拇指第三指套中的第三指节齿轮52转动连接，第三指节齿轮52和第三指节佩戴环51固连，第三指节佩戴环51与手背部中的拇指指套控制机构40的小连杆42转动连接。拇指第一指套48上设有拇指第一线轮58(见图3-图4、图9)，拇指第一线轮位于拇指第一指套48与拇指第二指套49的连接处，拇指第三指套50上设有拇指第二线轮59，拇指第二线轮59位于拇指第三指套50与拇指第二指套49的连接处，拇指第一线缆53的一端固定在拇指第一线轮58上，另一端固定在拇指第二线轮59上，拇指第二线缆54的一端固定在拇指第一线轮58上，另一端固定在拇指第二线轮59上，拇指第一线缆53与拇指第二线缆54交叉，拇指第一动力源57安装在拇指第二指套49上，拇指第一动力源57的输出轴依次穿过拇指第一角度传感器55和拇指第一齿轮56，第三指节齿轮52与拇指第一齿轮56啮合，拇指第一角度传感器55和拇指第一动力源57以及所述手背部均与所述控制器连接。

如图2所示，手外骨骼健康手主导康复装置放到健康手上用于位移数据采集，将健康手的位移数据传递到控制器，通过控制器发出指令驱动手外骨骼患手康复装置。该手外骨骼健康手主导康复装置设置手指部、手背部，其结构包括：拇指机构60、食指机构61、中指机构62、无名指机构63(针对手指部的)、第二指节指套机构64、第三指节指套机构65、MCP关节连杆机构66、配合齿轮67、第二指节指套68、指套连接件、第三指节指套70、小齿轮轴71、第三指节角度传感器72、MCP连杆74、连架杆75、MCP角度传感器76、(拇指部分)第三指节佩戴环77、拇指第二指节指套78、主导小连杆79、弯曲连架杆80、拇指主导角度传感器81、拇指主导第二角度传感器82、手部背板83等，具体结构如下：

所述手外骨骼健康手主导康复装置的手指部包括四个手指机构，分别是拇指机构60、食指机构61、中指机构62、无名指机构63。其中食指机构61、中指机构62、无名指机构63的组成部分是相同的(仅有长度、宽度、高度方面的尺寸差异，运动原理都相同)，均包括第二指节指套机构64、第三指节指套机构65、MCP关节连杆机构66。第二指节指套机构64包括有设有配合齿轮67的第二指节指套68，和连接在指套下方的指套连接件。第三指节指套机构65包括第三指节指套70、小齿轮轴71、第三指节角度传感器72、指套连接件。小齿轮轴71安装在第三指节指套70的上方，与第二指节指套68一侧的配合齿轮67啮合，第三指节角度传感器72安装在齿轮轴71上，指套连接件连接在第三指节指套70的下方。MCP关节连杆机构66包括MCP连杆74、连架杆75和MCP角度传感器76，MCP角度传感器76安装在MCP连杆74和连架杆75的转动连接处。

手外骨骼健康手主导康复装置的拇指机构包括第三指节佩戴环77、第三指节齿轮片84、拇指第二指节指套78、主导小连杆79、弯曲连架杆80、拇指主导角度传感器81、拇指主导第二角度传感器82，拇指主导第二角度传感器82安装在弯曲连架杆80与手部背板83的转动连接处。拇指主导角度传感器81安装在拇指第二指节指套68和第三指节佩戴环77的转动副处，第三指节齿轮片84在第三指节佩戴环77与拇指前两个关节转动中心相垂直的一侧平面固连，其第三指节齿轮片84的中心与拇指PIP关节回转中心重合，并与小齿轮轴71进行啮合，第二角度传感器82可测出齿轮轴71的旋转角度。

在手外骨骼健康手主导康复装置的食指机构61、中指机构62、无名指机构63中，第二指节指套机构64与第三指节指套机构65转动连接；在第三指节指套机构65中，齿轮轴71在第三指节指套70上方与指套转动连接，第三指节指套机构65和MCP关节连杆机构76转动连接；其中MCP关节连杆机构76中的MCP连杆74和连架杆75形成转动连接；MCP关节连杆机构的连架杆75与手部背板83转动连接。在拇指机构中，拇指第二指节指套78和第三指节佩戴环77转动连接，第三指节佩戴环77与主导小连杆79转动连接，主导小连杆79和弯曲连架杆80转动连接，弯曲连架杆80与手部背板83转动连接。

手外骨骼健康手主导康复装置中的手背部包括手部背板83和手掌连接件，手掌连接件的两端连接在手部背板83上。

值得一提的是，本发明完整版的手外骨骼患手康复装置较之前(专利申请号：201710060563.3)在三个指套的设计方面均做了改进(见图5-图7)：

1：将原本附加在第二指套的齿轮改为贴片式，同时对第二指套的线轮一侧进行减厚，将贴片齿轮通过螺钉或者是其他固定的方式贴在线轮一侧；

2：优化了第一指套的外观设计；

3：优化了第三指套的外观设计。

对这些地方进行优化的直接好处使装置的结构更加紧凑，使四指机构在进行各自的独立运动时不会产生互相干涉，同时也因为装置在各个指间的占用的空间减小，进一步增加了患者佩戴的舒适性。

4：在指套控制机构方面，在无名指和小指的控制方面也做了改进，将连接无名指小指第三指节的指套的连杆都连接在了一个电机支座上，因为在实际日常生活运动中无名指小指的运动耦合关系较为强烈，所以共用一个控制器联合驱动这种方式在满足实用的前提下反而会使装置更加小巧紧凑，增加便携性，见图1。

本发明中，拇指结构和其他四指机构在设计上的区别：

(1)设计的拇指第一指节仅通过一侧的转动关节和第二指节指套相连接；

(2)拇指第二指节指套的设计和拇指第二指节动力源的放置和其他四指机构有所区别，区别在于驱动拇指第二指节的动力源放置在了拇指第二指节指套上，与之相对应的是拇指第二指节指套上的电机槽。而其他四指机构驱动第二指节的动力源放置在了第三指节指套上，与之对应的是第三指节指套的电机槽。同时，为了配合拇指第二指节动力源驱动第二指节指套，在第三指节佩戴环上固连了第三指节齿轮。然而在其他四指机构中配合第二指节动力源驱动第二指节指套的齿轮贴片是与第二指节指套相连的。

(3)拇指的第三指节机构有两个零件：第三指节佩戴环和第三指节齿轮52。而在四指机构中的第三指节只有一个零件。

手外骨骼患手康复装置的手背部分由一块手背板，而电机支座可以与手背板通过多种方式固连在一起，也可以3D打印一体成型，本发明采用的时一体成型的方式。

本发明手部及腕部的手外骨骼双手随动康复装置的使用过程和原理如下：

一：与手指的佩戴方式：可以将手背部的固定板17通过指节连接件(可以为尼龙搭扣)，并且在每个指套的两个侧面均设置固定槽，可以将尼龙搭扣穿过指套上的固定槽并且通过缝合的方式与指套连接在一起，当需要使用本发明中的装置进行康复训练时，可以将手套带上，此时该装置的手背部位于患者的手背之上，并将尼龙搭扣的尼龙钩带和尼龙绒带撕开，将该装置的第一指套5卡在人手的远端指节上，第二指套6卡在人手的中端指节上，第三指套7卡在人手的近端指节上，并将每个指套底部的尼龙搭扣的尼龙钩带和尼龙绒带重新粘结在一起，如此便可以将本发明中的手外骨骼双手随动康复装置与人手固定在一起，对于手外骨骼健康手主导康复装置的佩戴也是如此。

二：拇指机构的设计原理

拇指的运动对于绝大多数执行日常生活动作(比如抓握)来说是不可或缺的，甚至起到一定的决定作用。因为，为了整个机构的完整性与实用性，设计了拇指康复机构。

如图10所示，在分析拇指运动时，发现了拇指的运动学关系不同于其他手指：

Ⅰ：拇指的根部关节即CMC关节能够执行3D范围的运动，相当于球副。

Ⅱ：拇指在绕CMC关节执行回转动作的时候，会围绕一根穿过CMC关节中心并且平行于中指的轴运动。尤其是当拇指伸展时，拇指的第三指节会沿一个圆锥面(这种拇指的运动学描述关系又叫做“surgeons method”)运动，虽然实际上拇指在执行各种各样的动作时运动轨迹会变得更加复杂，但是这种描述大多数时候拇指的运动的方法对于实现拇指主要功能方面来说已经够用。

Ⅲ：拇指前端的DIP关节和MCP关节只能实现单自由度的回转运动。

针对拇指的运动学情况，决定采用以下的外骨骼解决方案：

Ⅰ：用一套四杆机构来驱动大拇指的第三指节。

Ⅱ：用线耦合方案来驱动大拇指的前两个关节(DIP,MCP关节)。

进行拇指初步的运动学实验后，发现该套装置能够满足基本拇指运动需求，能够完成比如对掌、伸展等动作。

拇指四杆机构测角度原理：平行四边形原理；

在本发明中，线耦合的原理参见中国专利申请(申请号201710060563.3)，当患者穿戴好本发明的手外骨骼双手随动康复装置后，第一线轮14的轴心与人手的DIP关节(Distal Interphalangeal Point，远侧指间关节)的旋转轴心重合，第二线轮15的轴心与人手的PIP关节(Proximal Interphalangeal Point，近侧指间关节)的旋转轴心重合。如图1、图8、图12，每个手指机构的第一指套5和第二指套6旋转弯曲的原理相同，在此以食指机构1为例进行说明，可参照图8、图11、图12，第二指套6围绕第三指套7旋转以及第一指套5围绕第二指套6旋转的原理如下：

第一动力源10的输出轴带动第一齿轮12进行旋转，由于第一齿轮12与第二指套6上的配合齿轮16啮合，因此通过齿轮传动，会带动配合齿轮16进行旋转，参见图8，若图8中的第一齿轮12顺时针旋转，则会使配合齿轮16按照图8中实线箭头的方向旋转，由于配合齿轮16与第二指套6为一体的结构，因此会使第二指套6和第一指套5相对于第三指套7均旋转一定的角度。如图11所示，此时第一指套5和第二指套6从伸直状态转变为弯曲状态，即图11中的M状态转换成N状态，此时可以使患者的中端指节和远端指节弯曲一定的角度；当第一指套5相对于第三指套7进行旋转时，由于第一线轮14、第二线轮15、第一线缆8和第二线缆9的线耦合运动，会使第一指套5相对于第二指套6旋转一定的角度。参见图11，①和②为第二线轮15上的两个固定点，③和④为第一线轮14上的两个固定点，第一线缆8和第二线缆9可以为钢丝软绳，第一线缆8的两端分别固定在固定点②和固定点③上，第二线缆9的两端分别固定在固定点①和固定点④上，第一线缆8和第二线缆9交叉，当第一指套5相对于第三指套7进行旋转时，第一线轮14围绕第二线轮15进行旋转。如图11所示，但由于第一线缆8和第二线缆9的两端均固定，因此，第一线缆8在第一线轮14上进行缠绕，同时第二线缆9在第二线轮15上进行缠绕，因此可以使第一指套5相对第二指套6旋转一定的角度，即可以使患者的远端指节围绕DIP关节进行旋转，第一动力源10继续驱动第一齿轮12旋转，第一指套5和第二指套6从N状态转换为L状态，因此在本发明中，仅通过一个第一动力源10进行驱动，再通过线耦合运动的方式可即可以使第二指套6围绕第三指套7旋转一定的角度以及使第一指套5围绕第二指套6旋转一定的角度，无需在每个手指关节处均设置机械连杆，省去了大量的机械连杆的数量，大大简化的装置的结构以及减轻了重量。

在本发明中，第一线轮14和第二线轮15的形状可以为圆形，第一线轮14的半径可以和第二线轮15的半径可以相同，即图1和图11中所示的结构。此时，第一指套5围绕第二指套6旋转的角速度与第二指套6围绕第三指套7旋转的角速度相同，即线耦合的传动比为1；当第一线轮14的半径和第二线轮15的半径不同时，第一指套5围绕第二指套6旋转的角速度与第二指套6围绕第三指套7旋转的角速度不同，若第一线轮14的半径为第二线轮15的半径的两倍。此时，第一指套5围绕第二指套6旋转的角速度是第二指套6围绕第三指套7旋转的角速度的1/2，即线耦合的传动比为2；当第一线轮14和第二线轮15的形状均为圆形时，线耦合的传动比为定传动比。在本发明中，线耦合的传动比也可以为变传动比，即将第一线轮14和第二线轮15设计为渐变半径线轮，线轮的半径不是定值。当第一线轮14和第二线轮15为渐变半径时，第一指套5围绕第二指套6旋转的角速度相对第二指套6围绕第三指套7旋转的角速度是持续变化的。然而人手在一个自然伸展或弯曲的运动序列中，DIP关节对PIP关节的相对角速度也是持续改变。所以用渐变半径线轮更加能够让人手指达到一个自然的运动序列，更有利与康复效果。不过也可根据患者的实际情况或实际制造时的考虑，合理的设计第一线轮14和第二线轮15的形状。

在本发明中，第一指套控制机构18控制食指机构1的第三指套7围绕手背部进行旋转的原理与第二指套控制机构19控制中指机构2的第三指套7围绕手背部进行旋转的原理相同，以第一指套控制机构18为例进行说明，参见图8、图12和图1，第二动力源24的输出轴带动第二齿轮26进行旋转，第二齿轮26在小型齿条23上进行水平运动，使得电机支座22在微型导轨28上滑动，患者的食指的近端指节和食指机构1的第三指套7通过指节连接件固定，可视为一个整体连杆，该整体连杆与第一指套控制机构18构成一个曲柄滑块机构，当电机支座22在微型导轨28上滑动时，且第三指套7与患者的近端指节固定在一起，因此会使第三指套7围绕手背部进行旋转，即第三指套7带动患者的近端指节围绕MCP关节(Metacarpophalangeal Point，掌指关节)进行弯曲。

三：在本发明中，控制器为可以为PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)、单片机或者arduino微控制器和电机驱动模块组成，控制器未在图中示出；第一动力源和第二动力源可以为微型电机，微型电机可以是型号为GA12YN20-380的减速电机，减速比为1:380，减速电机的转速为34r/min，第一角度传感器和第二角度传感器可以是型号为SV01A103AEA01R00的旋转角度传感器，也可以根据实际情况选择其他型号的电机和角度传感器。在控制程序方面，程序主要包括数据采集滤波、PID控制等部分。

在滤波方面，反馈传感器采用村田SV01A103AEA01R00旋转角度传感器，转动时电阻从零逐渐增大，当转过一整周之后，电阻归零，在此处传感器会有明显的波动和噪声。为此，通过增加中间参量、使用限幅滤波等方法，对输入信号进行处理，使得到平稳连续的波形，使控制稳定、可靠。

在PID控制方面，在样机上进行了长时间的调试，通过对抖动波形的分析，选定了一组较为合适的参数。样机上的9个减速电机，大约每10ms可分别接收一次PID控制信号，可以实现较为精确的控制。

另外，本发明中的装置的零部件的材质可以根据实际情况选择塑料或者轻质金属。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，包括手外骨骼患手康复装置、手外骨骼健康手主导康复装置，手外骨骼健康手主导康复装置安放到健康手上，手外骨骼健康手主导康复装置通过数据信号线连接控制器，控制器通过控制信号线连接手外骨骼患手康复装置；

其中，手外骨骼患手康复装置包括手指部、手背部和控制器；所述手指部包括四个手指机构和一个拇指机构，四个手指机构分别为食指机构、中指机构、无名指机构和小指机构，四个手指机构的机构组成相同，每个手指机构均包括三个指套、第一线缆、第二线缆、第一动力源、第一角度传感器和第一齿轮，每个指套的底部均安装有一个指节连接件；

三个指套分别为第一指套、第二指套和第三指套，第一指套与第二指套转动连接，第二指套与第三指套转动连接，第三指套与手背部转动连接，第一指套上设有第一线轮，第一线轮位于第一指套与第二指套的连接处，第三指套上设有第二线轮，第二线轮位于第三指套与第二指套的连接处，第一线缆的一端固定在第一线轮上，另一端固定在第二线轮上，第二线缆的一端固定在第一线轮上，另一端固定在第二线轮上，第一线缆与第二线缆交叉，第一动力源安装在第三指套上，第一动力源的输出轴依次穿过第一角度传感器和第一齿轮，第二指套的侧面设有配合齿轮，配合齿轮与第一齿轮啮合，每个手指机构的第一角度传感器和第一动力源以及所述手背部均与所述控制器连接。

2.根据权利要求1所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，所述手背部包括固定板，固定板上并排安装有三个指套控制机构加上一个拇指指套控制机构，其中三个指套控制机构分别为第一指套控制机构、第二指套控制机构和第三指套控制机构，第一指套控制机构与所述食指机构连接，第二指套控制机构与所述中指机构连接，第三指套控制机构分别与所述无名指机构和所述小指机构连接，拇指指套控制机构与所述拇指机构相连接；

第一指套控制机构、第二指套控制机构和第三指套控制机构均包括滑轨支座、电机支座、小型齿条、第二动力源、第二角度传感器和第二齿轮，其中滑轨支座安装在固定板上，滑轨支座上设有微型导轨，电机支座安装在微型导轨上且能在微型导轨上滑动，第二动力源安装在电机支座上，第二动力源的输出轴依次穿过第二角度传感器和第二齿轮，小型齿条安装在滑轨支座上，第二齿轮与所述小型齿条啮合；

第一指套控制机构和第二指套控制机构还各包括一个连杆，第一指套控制机构的连杆的一端安装在第一电机支座上，另一端与食指机构的第三指套连接，第二指套控制机构的连杆的一端安装在第二电机支座上，另一端与中指机构的第三指套连接；

第三指套控制机构还包括两个连杆，第三指套控制机构的两根连杆的一端安装在第三电机支座，另一端依次与无名指机构和小指机构的第三指套相连接。

3.根据权利要求1或2所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，手外骨骼患手康复装置的拇指机构包括拇指第一指套、拇指第二指套、拇指第三指套机构、拇指第一线缆、拇指第二线缆、拇指第一角度传感器、拇指第一齿轮、拇指第一动力源，拇指第三指套机构包括第三指节佩戴环和第三指节齿轮；

其中，拇指第一指套与拇指第二指套转动连接，拇指第二指套与拇指第三指套中的第三指节齿轮转动连接，第三指节齿轮和第三指节佩戴环固连，第三指节佩戴环与手背部中的拇指指套控制机构的小连杆转动连接；拇指第一指套上设有拇指第一线轮，拇指第一线轮位于拇指第一指套与拇指第二指套的连接处，拇指第三指套上设有拇指第二线轮，拇指第二线轮位于拇指第三指套与拇指第二指套的连接处，与第三指节齿轮同轴固连，视为一个零件；拇指第一线缆的一端固定在拇指第一线轮上，另一端固定在拇指第二线轮上，拇指第二线缆的一端固定在拇指第一线轮上，另一端固定在拇指第二线轮上，拇指第一线缆与拇指第二线缆交叉，拇指第一动力源安装在拇指第二指套上，拇指第一动力源的输出轴依次穿过拇指第一角度传感器和拇指第一齿轮，第三指节齿轮与拇指第一齿轮啮合，拇指第一角度传感器和拇指第一动力源以及所述手背部均与所述控制器连接。

4.根据权利要求2所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，手背部的拇指指套控制机构包括一个内齿轮弯曲连架杆、一个小连杆、拇指电机支座、拇指第二动力源、拇指第二齿轮、拇指第二角度传感器；其中，拇指电机支座和手背板固定连接，拇指第二动力源安装在拇指电机支座上，拇指第二动力源的输出轴依次穿过拇指第二角度传感器和拇指第二齿轮，拇指第二齿轮和内齿轮弯曲连架杆啮合，小连杆和内齿轮弯曲连架杆转动连接。

5.根据权利要求2所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，在滑轨支座上设置齿条安装槽，通过粘结的方式将小型齿条粘结在滑轨支座的齿条安装槽内。

6.根据权利要求1所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，手外骨骼患手康复装置包括手指部、手背部，所述手外骨骼健康手主导康复装置的手指部包括四个手指机构，分别是拇指机构、食指机构、中指机构、无名指机构；其中食指机构、中指机构、无名指机构均包括第二指节指套机构、第三指节指套机构、MCP关节连杆机构；第二指节指套机构包括有设有配合齿轮的第二指节指套，和连接在指套下方的指套连接件；第三指节指套机构包括第三指节指套、小齿轮轴、第三指节角度传感器、指套连接件，小齿轮轴安装在第三指节指套的上方，与第二指节指套一侧的配合齿轮啮合，第三指节角度传感器安装在齿轮轴上，指套连接件连接在第三指节指套的下方；MCP关节连杆机构包括MCP连杆、连架杆和MCP角度传感器，MCP角度传感器安装在MCP连杆和连架杆的转动连接处。

7.根据权利要求6所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，手外骨骼健康手主导康复装置的拇指机构包括第三指节佩戴环、第三指节齿轮片、拇指第二指节指套、主导小连杆、弯曲连架杆、拇指主导角度传感器、拇指主导第二角度传感器，拇指主导第二角度传感器安装在弯曲连架杆与手部背板的转动连接处；拇指主导角度传感器安装在拇指第二指节指套和第三指节佩戴环的转动副处，第三指节齿轮片在第三指节佩戴环与拇指前两个关节转动中心相垂直的一侧平面固连，其第三指节齿轮片的中心与拇指PIP关节回转中心重合，并与小齿轮轴进行啮合，第二角度传感器测出齿轮轴的旋转角度。

8.根据权利要求6所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，在手外骨骼健康手主导康复装置的食指机构、中指机构、无名指机构中，第二指节指套机构与第三指节指套机构转动连接；在第三指节指套机构中，齿轮轴在第三指节指套上方与指套转动连接，第三指节指套机构和MCP关节连杆机构转动连接；其中MCP关节连杆机构中的MCP连杆和连架杆形成转动连接；MCP关节连杆机构的连架杆与手背部转动连接；在拇指机构中，拇指第二指节指套和第三指节佩戴环转动连接，第三指节佩戴环与主导小连杆转动连接，主导小连杆和弯曲连架杆转动连接，弯曲连架杆与手背部转动连接。

9.根据权利要求6所述的手外骨骼双手随动康复装置，其特征在于，手外骨骼健康手主导康复装置中的手背部包括手部背板和手掌连接件，手掌连接件的两端连接在手部背板上。