CN108785010A - 具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置 - Google Patents

具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置 Download PDF

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高泉崴
郭智杰
余宛璇
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Abstract

本发明提供了一种具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置,包括前臂平台、手掌平台和多个手指组件;多个手指组件至少包括拇指组件、食指组件及中指组件,手掌平台位于前臂平台与多个手指组件之间,用于连接拇指组件和食指组件及中指组件,并容纳用于使手指进行外展和内收的旋转驱动***,前臂平台用于连接至多个手指组件,并容纳用于使手指进行伸展和屈曲的线性驱动***;线性驱动***包括成对的拮抗线性驱动装置和线性弹性腱装置。根据本发明的手外骨骼装置具有柔顺性,获得了与人手指关节相一致的自由度,使手部运动更灵活与舒适。

Description

具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置
技术领域
本发明涉及人体运动辅助器械领域,具体涉及一种具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置。
背景技术
中风是痴呆症患者中第二大致残原因。目前旨在改善运动功能的康复训练计划包括住院康复和家庭康复。家庭康复提供了增强的健康训练效果,但比通常的医院康复更需要可靠便携且价格低廉的康复仪器。
外骨骼康复提供了解决方案,它可以比较理想地包括便携康复装置,并且在其平台内具有满足康复需求的预编程,消除了为患者准备家庭或招募服务提供者的需要。因此,外骨骼康复训练机器人在负担得起的家庭康复训练中具有较好的实用价值。
然而,当前的外骨骼装置很少提供针对手指的康复训练,因此存在着开发适于基于特定情境进行手指康复训练的外骨骼的需求。复杂的运动程序和大量的力传感器通常可以改善手外骨骼的交互性和情境意识,但这些***较为昂贵,且通常需要专业知识进行传感器的标定和参数调整。
此外,分段地令手指内收(Adduct)和外展(Abduct),以及控制每个掌指(MCP)关节、近端指间(PIP)关节和远端指间(DIP)关节的屈曲度的能力,将允许手指康复训练外骨骼相应地适应物体的形状,如果缺乏这种能力,将难以完成情境恢复训练。美国专利US9375382B2提出了期望的手指分段运动,但其没能实现手指外展和内收运动。
综上,需求一种***自带柔顺性控制和分段驱动功能的手指康复训练解决方案。
发明内容
基于此,本发明的主要目的在于提供一种具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置。
一种具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置,包括前臂平台、手掌平台和多个手指组件,其中多个手指组件至少包括拇指组件、食指组件及中指组件,手掌平台位于前臂平台与多个手指组件之间,用于连接拇指组件和食指组件及中指组件,并容纳用于使手指进行外展和内收的旋转驱动***,前臂平台用于连接至多个手指组件,并容纳用于使手指进行伸展和屈曲的线性驱动***,其中,线性驱动***包括成对的拮抗线性驱动装置和线性弹性腱装置。
在其中一个实施例中,前臂平台可以包括:弧形结构,其内表面适于与人的前臂接合;多组井状结构,位于弧形结构外侧的径向突起表面上,用于容纳线性驱动***;前臂轨道,位于相邻的径向突起表面的对侧表面上,用于容纳一滑动轴,该滑动轴通过阻尼部件连接至多个手指组件。
优选地,每组井状结构包括靠近手指一侧的第一井状结构和位于其对侧的第二井状结构,该第一井状结构用于容纳拮抗线性驱动装置的电机,第一井状结构用于容纳线性弹性腱装置的电机。
在其中一个实施例中,手掌平台可以包括:用于连接拇指组件的第一表面,和用于连接食指组件及中指组件的第二表面,该第一表面相对于第二表面以预定角度倾斜,以模仿手掌的拇指与四指之间的关系;位于第一表面上的第一井,和位于第二表面上的第二井和第三井,这些井中容纳有用于使手指进行外展和内收的旋转驱动***,适于可驱动地连接拇指组件、食指组件及中指组件,以允许这些手指组件进行旋转。
优选地,手掌平台还可包括位于两端的狭缝,用于使得绑带从中穿过,以将手掌平台固定至人的手部。
在其中一个实施例中,食指组件及中指组件各自可包括第一手指构件、第二手指构件、第三手指构件、第一垂直构件、第二垂直构件、第三垂直构件、第一至第三手指支架、带转盘的平台和带枢轴的最长轴构件;其中第一手指构件、第二手指构件和第三手指构件依次可转动地连接,第一手指构件可转动地连接至第一垂直构件,该第一垂直构件可转动地连接至第一手指支架上,第一手指构件与第二手指构件之间的连接关节可转动地连接至第二垂直构件,该第二垂直构件可转动地连接至第二手指支架,且第二手指构件与第三手指构件之间的连接关节枢转连接至第三垂直构件,该第三垂直构件可转动地连接至第三手指支架上;第三手指构件通过枢轴连接至最长轴构件,该最长轴构件具有枢轴,该枢轴用于可滑动地容纳在带转盘的平台的轨道内;转盘适于安装在手掌平台上的第二井或第三井中,并通过旋转驱动***使得手指组件进行外展和内收运动;第一手指构件包突出圆筒、孔和倾斜表面,用于使线性弹性腱穿过孔并分别锚固在突出圆筒和倾斜表面上,第二垂直构件和第三垂直构件分别具有孔,用于使得线性弹性腱穿过该孔。
在其中一个实施例中,拇指组件可包括第一手指构件、第二手指构件、第一垂直构件、第二垂直构件、第一手指支架、第二手指支架、带转盘的平台和带枢轴的最长轴构件;其中第一手指构件和第二手指构件可转动地连接,第一手指构件可转动地连接至第一垂直构件,该第一垂直构件可转动地连接至第一手指支架,且第一手指构件与第二手指构件之间的连接关节可转动地连接至第二垂直构件,该第二垂直构件可转动地连接至第二手指支架,第二手指构件通过枢轴连接至最长轴构件,该最长轴构件具有枢轴,该枢轴用于可滑动地容纳在带转盘的平台的轨道内;转盘适于安装在手掌平台上的第一井中,并通过旋转驱动***使得手指组件进行外展和内收运动;第一手指构件包突出圆筒、孔和倾斜表面,用于使线性弹性腱穿过孔并分别锚固在突出圆筒和倾斜表面上,第二垂直构件具有孔,用于使得线性弹性腱穿过该孔。
优选地,手指构件可具有限位元件,以将手指构件之间的旋转限定在预定角度范围内。
优选地,手外骨骼装置可附接至手套上操作。
上述具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置,采用柔顺设计,通过在线性驱动***中使用成对的拮抗线性驱动器和线性弹性腱这一新颖方式,将弹性阻尼部件结合到外骨骼***中的驱动***与刚性框架之间、以及框架与患者的手之间,允许在手指康复训练中外骨骼相应地适应物体的形状,极大地提高了***的柔顺性;通过设置旋转驱动***,提供了进行情境康复训练所必需的外展康复;通过分段地设置手指构件,使得拇指具有3个自由度、食指和中指具有4个自由度,获得了与人手指关节相一致的自由度,使手部运动更灵活与舒适。
附图说明
图1A为根据本发明一个实施例的手外骨骼装置的整体结构示意图;
图1B为图1a的手外骨骼装置的分解示意图;
图2为图1的手外骨骼装置的拇指组件的结构示意图;
图3为图1的手外骨骼装置的食指组件/中指组件的结构示意图;
图4为图3的手指组件的第一手指构件的结构示意图;
图5为图3的手指组件的第二手指构件的结构示意图;
图6为图3的手指组件的第三手指构件的结构示意图;
图7为图3的手指组件的第一垂直构件的结构示意图;
图8为图3的手指组件的第二垂直构件的结构示意图;
图9为图3的手指组件的第三垂直构件的结构示意图;
图10为图3的手指组件的手指支架的结构示意图;
图11为图3的手指组件的带转盘的平台的结构示意图;
图12为图3的手指组件的带枢轴的最长轴的结构示意图;
图13为图1的手外骨骼装置的前臂平台的结构示意图。
附图标记说明
10:手外骨骼装置;11:拇指组件;12:食指组件/中指组件;121:第一手指构件;1211:突出圆筒;1212:孔;1213:倾斜表面;122:第二手指构件;123:第三手指构件;124:最长轴构件;1241:枢轴;125:第一垂直构件;126:第二垂直构件;127:第三垂直构件;128:手指支架;1281:第一手指支架;1282:第二手指支架;1283:第三手指支架;129:带转盘的平台;1291:平台轨道;1292:转盘;13:手掌平台;131:第一表面;1311:第一井;132:第二表面;1321:第二井;1322:第三井;133:狭缝;14:前臂平台;140:径向突起表面;141:弧形结构;142:井状结构;1421:第一井状结构;1422:第二井状结构;143:前臂轨道
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
图1A为根据本发明一个实施例的手外骨骼装置的整体结构示意图;图1B为图1A的手外骨骼装置的分解示意图。如图1A和图1B所示,该具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置10包括前臂平台14(图1A和图1B未示出,参见图13)、手掌平台13、拇指组件11、食指组件及中指组件12。由于食指组件和中指组件的结构和功能基本相同,故在此以相同的附图标记12表示。尽管本实施例示出的手外骨骼装置10包括3个手指组件:拇指、食指和中指组件,然而,手指组件的数量并不限于此;例如,手外骨骼装置可以包括5个手指组件,每个手指组件对应于人的五指中的每一个。
图2为图1的手外骨骼装置的拇指组件的结构示意图。图3为图1的手外骨骼装置的手指组件的结构示意图。拇指组件11的结构类似于食指组件/中指组件12,不同之处在于关节的数量较后者少一个。以下将参照图3到图12描述食指组件/中指组件12的结构,稍后将在此基础上描述拇指组件11的结构。
如图所示,每个食指组件/中指组件12包括第一手指构件121、第二手指构件122、第三手指构件123、带枢轴的最长轴构件124、第一垂直构件125、第二垂直构件126、第三垂直构件127、第一至第三手指支架1281~1283、带转盘的平台129。第一手指构件121、第二手指构件122、第三手指构件123均为沿手指长度方向延伸的长形元件,其两端各具有转动连接部,三者依次首尾相连以构成手指的基本形状,第三手指构件123通过枢轴连接至最长轴构件124。第一手指构件122在其远端的转动连接部处可转动地连接至第一垂直构件125,该第一垂直构件125可转动地连接至第一手指支架1281。第一手指构件121与第二手指构件122之间的连接关节还与第二垂直构件126可转动地连接,该第二垂直构件126可转动地连接至第二手指支架1282。第二手指构件122与第三手指构件123之间的连接关节还可与第三垂直构件127可转动地连接,该第三垂直构件127可转动地连接至第三手指支架1283。第一手指构件121具有突出圆筒1211、孔1212和倾斜表面1213,线性弹性腱穿过孔1212并分别锚固在该突出圆筒1211和倾斜表面1213上。第二垂直构件126和第三垂直构件127分别具有孔,用于使得线性弹性腱穿过该孔。
拇指组件11包括第一手指构件121、第二手指构件122、第一垂直构件125、第二垂直构件126、第一手指支架1281、第二手指支架1282、带转盘的平台129和带枢轴的最长轴构件124。第一手指构件121可转动地连接至第一手指支架1281上附接的第一垂直构件125,且第一手指构件121与第二手指构件122之间的关节可转动地连接至第二手指支架1282上附接的第二垂直构件126。第二手指构件122通过枢轴连接至最长轴构件124。拇指组件的其余特征与食指组件/中指组件12类似,在此将不予赘述。
如图4到图6所示,在本实施例中,第一到第三手指构件具有限位元件,例如在长形构件上方延伸的挡板,以将手指构件之间的旋转限定在预定角度范围内。该限位元件的形式不限于本实施例及附图所示,只要能够防止手指构件之间产生超出人手指物理性质的过度旋转即可。
图11展示了根据本实施例的带转盘的平台129。该平台129的上方为U形中空结构,在对侧内壁上具有平台轨道1291,图12所示的带枢轴的最长轴124的枢轴1241可滑动地接合在该平台轨道中。在本实施例中枢轴为形成在最长轴构件124的两侧的突起部,其形状和尺寸适于在平台轨道1291内滑动。平台129还包括位于下方的转盘1292,其适于连接至手掌平台13。
手掌平台13位于前臂平台14与多个手指组件之间,用于连接拇指组件11和食指组件及中指组件12,并容纳用于使手指进行外展和内收的旋转驱动***。本实施例中的手掌平台13包括第一表面131,用于连接拇指组件11,和第二表面132,用于连接食指组件及中指组件12。第一表面131相对于第二表面132以一定的角度倾斜,以模仿手掌的拇指与四指之间的位置关系。旋转驱动***例如可以被容纳在第一表面131和第二表面132的下方。手掌平台13还包括位于第一表面131上的第一井1311,和位于第二表面132上的第二井1321和第三井1322。这些井可以采取在第一表面和第二表面上的圆形凹部的形式,第一井1311中安装有拇指组件11上的平台129的转盘1292,第一表面131下方的旋转驱动***通过该转盘1292带动拇指组件11旋转,实现外展和内收。类似地,通过第二井1321和第三井1322及相应的转盘1292和旋转驱动***,食指组件和中指组件12也可以进行外展和内收。
在进一步的实施例中,手掌平台13还可包括位于第一表面131和第二表面132的相对端部的狭缝133,用于使得绑带从该狭缝133中穿过,以将手掌平台13固定至人的手部。当然,也可以不采取狭缝的形式,而是在手掌平台13设置其他形式的固定元件,例如夹式、卡扣式等,只要能将手掌平台固定至人的手部即可。
如图13所示,前臂平台14包括弧形结构141,其内表面适于与人的前臂接合,以及3组井状结构142,每组井状结构包括成对的第一井状结构1421和第二井状结构1422,位于弧形结构141外侧的径向突起表面140上。相邻的径向突起表面140的对侧表面上形成有前臂轨道143,用于容纳滑动轴,该滑动轴通过阻尼部件(本实施例中为弹簧)连接至多个手指组件。井状结构142中容纳有线性驱动***。在本实施例中,第一井状结构1421中容纳有拮抗线性驱动装置的电机,第二井状结构1422中容纳有线性弹性腱装置的电机。应当理解,井状结构的数量根据实际连接的手指组件可以不同。
本实施例的手外骨骼装置10以如下方式操作:前臂平台14安装在人的前臂上,手掌平台13放置成覆盖于手背上。第一手指支架1281定位在第一最远侧指尖部段处,第二手指支架1282定位在其近侧邻近的手指段处,并且除了拇指之外,第三手指支架1283定位在其近侧相邻的近端手指段处。在初始位置时刻,前臂平台14中的滑动轴完全嵌入前臂轨道143中,手指组件完全伸出,弹簧具有其初始长度。滑动轴,该滑动轴通过阻尼部件(本实施例中为弹簧)连接至多个手指组件。井状结构142中容纳有线性驱动***。在本实施例中,第一井状结构1421中的电机的旋转导致滑动轴向前移动,因此使用枢轴1241延伸最长轴构件并弯曲第一手指构件121、第二手指构件122和第三手指构件123,导致关于掌指关节(MCP)的手指屈曲,随后第二井状结构1422中的电机的旋转导致线性弹性腱将第一手指构件121朝向前臂拉动,导致关于近端指间(PIP)关节的手指屈曲。然后,第一井状结构1421中的电机的旋转使得滑动轴向后移动,并且第二井状结构1422中的电机的旋转使得线性弹性腱将第一手指构件121同时朝向前臂拉动,从而有助于手指伸展。在继续进行随后的屈曲伸展运动训练之前,其相应的电机旋转以释放线性弹性肌腱。于是,实现了手指的分段驱动。容纳在手掌平台13上的电机运转并实现手指的外展和内收。
在进一步的实施例中,手外骨骼装置10整体可以附接到手套上操作,以确保安全性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种具有柔顺性和分段驱动功能的手外骨骼装置,包括前臂平台、手掌平台和多个手指组件,其中所述多个手指组件至少包括拇指组件、食指组件及中指组件,所述手掌平台位于前臂平台与多个手指组件之间,用于连接所述拇指组件和食指组件及中指组件,并容纳用于使手指进行外展和内收的旋转驱动***,所述前臂平台用于连接至多个手指组件,并容纳用于使手指进行伸展和屈曲的线性驱动***,其中,线性驱动***包括成对的拮抗线性驱动装置和线性弹性腱装置。
2.根据权利要求1所述的手外骨骼装置,其特征在于,所述前臂平台包括:弧形结构,其内表面适于与人的前臂接合;多组井状结构,位于弧形结构外侧的径向突起表面上,用于容纳所述线性驱动***;前臂轨道,位于相邻的径向突起表面的对侧表面上,用于容纳一滑动轴,该滑动轴通过阻尼部件连接至多个手指组件。
3.根据权利要求2所述的手外骨骼装置,其特征在于,每组井状结构包括靠近手指一侧的第一井状结构和位于其对侧的第二井状结构,所述第一井状结构用于容纳拮抗线性驱动装置的电机,所述第一井状结构用于容纳线性弹性腱装置的电机。
4.根据权利要求1所述的手外骨骼装置,其特征在于,所述手掌平台包括:用于连接拇指组件的第一表面,和用于连接食指组件及中指组件的第二表面,该第一表面相对于第二表面以预定角度倾斜;位于所述第一表面上的第一井,和位于所述第二表面上的第二井和第三井,这些井中容纳有用于使手指进行外展和内收的旋转驱动***,适于可驱动地连接拇指组件、食指组件及中指组件,以允许这些手指组件进行旋转。
5.根据权利要求4所述的手外骨骼装置,其特征在于,所述手掌平台包括位于两端的固定元件,用于将所述手掌平台固定至人的手部。
6.根据权利要求1所述的手外骨骼装置,其特征在于,所述食指组件及中指组件各自可包括第一手指构件、第二手指构件、第三手指构件、第一垂直构件、第二垂直构件、第三垂直构件、第一至第三手指支架、带转盘的平台和带枢轴的最长轴构件;其中第一手指构件、第二手指构件和第三手指构件依次可转动地连接,第一手指构件可转动地连接至第一垂直构件,该第一垂直构件可转动地连接至第一手指支架上,第一手指构件与第二手指构件之间的连接关节可转动地连接至第二垂直构件,该第二垂直构件可转动地连接至第二手指支架,且第二手指构件与第三手指构件之间的连接关节枢转连接至第三垂直构件,该第三垂直构件可转动地连接至第三手指支架上;第三手指构件通过枢轴连接至最长轴构件,该最长轴构件具有枢轴,该枢轴用于可滑动地容纳在带转盘的平台的轨道内;所述转盘适于安装在手掌平台上的第二井或第三井中,并通过旋转驱动***使得手指组件进行外展和内收运动;所述第一手指构件包突出圆筒、孔和倾斜表面,用于使线性弹性腱穿过孔并分别锚固在突出圆筒和倾斜表面上,第二垂直构件和第三垂直构件分别具有孔,用于使得线性弹性腱穿过该孔。
7.根据权利要求1所述的手外骨骼装置,其特征在于,所述拇指组件可包括第一手指构件、第二手指构件、第一垂直构件、第二垂直构件、第一手指支架、第二手指支架、带转盘的平台和带枢轴的最长轴构件;其中第一手指构件和第二手指构件可转动地连接,第一手指构件可转动地连接至第一垂直构件,该第一垂直构件可转动地连接至第一手指支架,且第一手指构件与第二手指构件之间的连接关节可转动地连接至第二垂直构件,该第二垂直构件可转动地连接至第二手指支架,第二手指构件通过枢轴连接至最长轴构件,该最长轴构件具有枢轴,该枢轴用于可滑动地容纳在带转盘的平台的轨道内;所述转盘适于安装在手掌平台上的第一井中,并通过旋转驱动***使得手指组件进行外展和内收运动;所述第一手指构件包突出圆筒、孔和倾斜表面,用于使线性弹性腱穿过孔并分别锚固在突出圆筒和倾斜表面上,第二垂直构件具有孔,用于使得线性弹性腱穿过该孔。
8.根据权利要求6或7所述的手外骨骼装置,其特征在于,所述手指构件具有限位元件,以将手指构件之间的旋转限定在预定角度范围内。
9.根据权利要求1所述的手外骨骼装置,其特征在于,所述手外骨骼装置附接至手套上操作。
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