CN110151494A - 多驱动模块化外骨骼机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及外骨骼技术领域，具体公开一种多驱动模块化外骨骼机构，包括近端弧形壳体及远端弧形壳体，近端弧形壳体滑动设有用于带动远端弧形壳体进行旋转的近端弧形齿板，近端弧形壳体的上方设有用于驱动近端弧形齿板沿近端弧形壳体内外进行滑动的近端驱动件，近端驱动件包括近端齿轮，近端齿轮与近端弧形齿板的上端面相啮合，远端弧形壳体滑动设有用于带动近掌第二节指骨沿指骨间旋转中心进行旋转的远端弧形齿板，远端弧形壳体的上方设有用于驱动远端弧形齿板沿远端弧形壳体内外进行滑动的远端驱动件，远端驱动件包括远端齿轮，远端齿轮与远端弧形齿板的上端面相啮合，结构简单，传递稳定，运动角度范围大，适用范围更广。

Description

多驱动模块化外骨骼机构
技术领域
本发明涉及外骨骼技术领域，尤其涉及一种多驱动模块化外骨骼机构。
背景技术
外骨骼机器人的在医疗康复和人机交互领域有着广泛的应用前景。其关键在于需要在有限的空间下实现骨骼机构和人体生理的适配性，即骨骼机构的运动圆心需要始终与人体关节转动中心重合(绕远心点运动)，以保证安全性。
中国实用新型专利“康复机器手”(CN201320832443.8)公开一种康复机器手，包括佩戴在患者手上的手背贴合面板，拇指驱动机构，四指驱动机构，手腕驱动机构，其特征是，所述的手背贴合面板上分别连接拇指驱动机构、四指驱动机构和手腕驱动机构，手腕驱动机构分别通过连杆组与四指驱动机构、拇指驱动机构连接，该专利采用圆弧轨道关节机构实现绕远心点运动，相邻指骨之间需要采用连杆传动，一方面，结构复杂，结构传递效率，稳定性低，且由于圆弧轨道弧形角度太大容易卡滞，受圆弧轨道的空间结构限制，外骨骼机构的运动角度范围较窄，以近节指骨为例，该康复机器手所能带动近节指骨实现的运动角度最大范围仅在40°左右，而现有的康复医疗，尤其是涉及到骨科康复训练，往往需要患者尽量进行允许范围内的关节最大的活动度训练，现有的外骨骼机器人的运动角度范围难以达到骨科康复训练的需求；另一方面，同一手指的多个关节采用一个驱动源，无法进行单个关节的康复训练，训练模式单一。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种结构简单、传递稳定、运动角度范围大的多驱动模块化外骨骼机构。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多驱动模块化外骨骼机构，包括近端弧形壳体及用于带动近掌第一节指骨沿掌指关节旋转中心进行旋转的远端弧形壳体，其特征在于，
所述的近端弧形壳体滑动设有用于带动远端弧形壳体进行旋转的近端弧形齿板，
所述的近端弧形壳体的上方设有用于驱动近端弧形齿板沿近端弧形壳体内外进行滑动的近端驱动件，近端驱动件包括近端齿轮，近端齿轮与近端弧形齿板的上端面相啮合；
所述的远端弧形壳体滑动设有用于带动近掌第二节指骨沿指骨间旋转中心进行旋转的远端弧形齿板，
所述的远端弧形壳体的上方设有用于驱动远端弧形齿板沿远端弧形壳体内外进行滑动的远端驱动件，远端驱动件包括远端齿轮，远端齿轮与远端弧形齿板的上端面相啮合。
优选地，所述的近端齿轮设于近端弧形壳体靠近远端弧形壳体的一端，远端齿轮设于远端弧形壳体远离近端弧形壳体的一端。
优选地，所述的近端弧形齿板沿其型材走向穿设有弧形轨道，近端弧形壳体靠近远端弧形壳体的一端连接有用于对近端弧形齿板的滑动进行限位导向的限位导向件，限位导向件贯穿弧形轨道。
优选地，所述的近端弧形壳体包括弧形臂，弧形臂包括设于两侧的侧壁以及设于侧壁上方的连接壁，所述的侧壁向前延伸形成安装部，安装部穿设有用于安装限位导向件的安装孔，连接壁位于安装部相应位置设有近端齿轮避让槽。
优选地，所述的限位导向件包括两端设于侧壁上的销轴，销轴的杆身贯穿弧形轨道且销轴与弧形轨道之间设有轴承。
优选地，所述的侧壁还穿设有若干减重槽，减重槽沿侧壁的径向方向均匀设置。
优选地，所述的弧形轨道包括第一弧形轨道及第二弧形轨道，第一弧形轨道及第二弧形轨道均呈弧形长条状并呈同心圆状分布。
优选地，所述的近端弧形齿板与远端弧形壳体相铰接，且远端弧形壳体靠近近端弧形齿板的一端设有用于固定近掌第一节指骨的第一指套，远端弧形齿板远离远端弧形壳体的一端设有用于固定近掌第二节指骨的第二指套。
优选地，所述的近端驱动件还包括用于驱动近端齿轮转动的近端电机以及套设于近端电机的输出轴上的驱动齿轮，驱动齿轮连接有用于带动近端齿轮转动的传动齿轮，传动齿轮与近端齿轮沿同轴设置。
本发明的有益效果在于：
1)本发明采用呈弧形结构的弧形壳体及弧形齿板，并使弧形齿板可滑动于弧形壳体的内外，结构简单，采用弧形齿板与齿轮相互啮合的传动方式，使得运动更平稳，传递效率更高，可实现手指的大幅度屈伸，运动角度范围大，适用范围更广。
2)本发明的近端弧形齿板与远端弧形齿板采用单独的驱动件分别控制，可实现近掌第一节指骨或近掌第二节指骨的单独康复训练，也可实现手指的整体屈伸康复训练，训练模式丰富，达到全方位训练，适用范围更广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
请参阅图1所示，本发明公开一种多驱动模块化外骨骼机构，包括近端弧形壳体1及用于带动近掌第一节指骨沿掌指关节旋转中心进行旋转的远端弧形壳体5，近端弧形壳体1滑动设有用于带动远端弧形壳体5沿掌指关节旋转中心进行旋转的近端弧形齿板2，近端弧形壳体1的上方设有用于驱动近端弧形齿板2沿近端弧形壳体1内外进行滑动的近端驱动件3，近端驱动件3包括近端齿轮31，近端齿轮31与近端弧形齿板2的上端面相啮合；远端弧形壳体5滑动设有用于带动近掌第二节指骨沿指骨间旋转中心进行旋转的远端弧形齿板6，远端弧形壳体5的上方设有用于驱动远端弧形齿板6沿远端弧形壳体5内外进行滑动的远端驱动件7，远端驱动件7包括远端齿轮71，远端齿轮71与远端弧形齿板6的上端面相啮合。
当本发明的外骨骼机构对应安装于食指、中指、无名指或小指上时，近掌第一节指骨为近节指骨，近掌第二节指骨为中节指骨，当本发明的外骨骼机构对应安装于拇指上时，近掌第一节指骨为近节指骨，近掌第二节指骨为远节指骨。
本发明在运作过程中，通过与近端弧形齿板2相啮合的近端齿轮31带动近端弧形齿板2滑动于近端弧形壳体1内外，联动带动远端弧形壳体5的旋转，从而带动近掌第一节指骨沿掌指关节旋转中心进行旋转，通过与远端弧形齿板6相啮合的远端齿轮71带动远端弧形齿板6滑动于远端弧形壳体5内外，联动带动远端弧形壳体5的旋转，从而带动近掌第二节指骨沿指骨间旋转中心进行旋转，结构简单，采用弧形齿板与齿轮相互啮合的传动方式，使得运动更平稳，传递效率更高。
通过采用呈弧形结构的近端弧形壳体1及近端弧形齿板2，并使近端弧形齿板2可滑动于近端弧形壳体1的内外，从而极大提高近掌第一节指骨的运动角度范围，实现近掌第一节指骨的大幅度屈伸，本发明可实现近掌第一节指骨实现70°以上运动幅度的转动，通过采用呈弧形结构的远端弧形壳体5及远端弧形齿板6，并使远端弧形齿板6可滑动于远端弧形壳体5的内外，从而极大提高近掌第二节指骨的运动角度范围，实现近掌第二节指骨的大幅度屈伸，运动角度范围大，适用范围更广。
本发明的近端弧形齿板2与远端弧形齿板6采用单独的驱动件分别控制，在本发明的一种训练方式中，可通过仅开动近端驱动件3或远端驱动件7中的任意一个，实现近掌第一节指骨或近掌第二节指骨的单独康复训练，在本发明的另一种训练方式中，可同时开动近端驱动件3及远端驱动件7，实现手指的屈伸康复训练，训练模式丰富，达到全方位训练，适用范围更广。
作为本发明的一种具体实施方式，近端齿轮31设于近端弧形壳体1靠近远端弧形壳体5的一端，远端齿轮71设于远端弧形壳体5远离近端弧形壳体1的一端。
作为本发明的一种具体实施方式，近端弧形齿板2沿其型材走向穿设有弧形轨道21，近端弧形壳体1靠近远端弧形壳体5的一端连接有用于对近端弧形齿板2的滑动进行限位导向的限位导向件4，限位导向件4贯穿弧形轨道21。
现有技术中的圆弧轨道机构关节，通常采用将弧形轨道设置于机架上，带指套的传动件在机架上滑动，本发明将弧形轨道21设置于近端弧形齿板2上，通过限位导向件4贯穿弧形轨道21，使得近端弧形齿板2不仅可以在近端弧形壳体1内部滑动，还可以滑动于近端弧形壳体1外部，极大扩大运动角度范围，且近端弧形壳体1与近端弧形齿板2的整体结合弧度相对平缓，在扩大运动角度范围的同时，可避免出现机构卡滞问题，运作流畅。
远端弧形齿板6同样设置有弧形导轨及限位件，限位件设于远端弧形壳体5远离近端弧形壳体1的一端。
作为本发明的一种具体实施方式，近端弧形壳体1包括弧形臂11，弧形臂11包括设于两侧的侧壁111以及设于侧壁111上方的连接壁112，形成开口向下的腔体，侧壁111向前延伸形成安装部113，安装部113穿设有用于安装限位导向件4的安装孔，安装孔设于侧壁111靠近远端弧形壳体5的一端，连接壁112位于安装部113相应位置设有近端齿轮避让槽115，将限位导向件4安装于侧壁111延伸出来的安装部113上，近端齿轮31设于近端齿轮避让槽115上，有效延长近端弧形齿板2的运动行程。
作为本发明的一种具体实施方式，限位导向件4包括两端设于侧壁111上的销轴，销轴的杆身贯穿弧形轨道21且销轴与弧形轨道21之间设有轴承，进一步使近端弧形齿板2的运动更顺畅。
作为本发明的一种具体实施方式，侧壁111还穿设有若干减重槽114，减重槽114沿侧壁111的径向方向均匀设置，有效减轻近端弧形壳体1的重量，使整体机构更加轻便。
作为本发明的一种具体实施方式，弧形轨道21包括第一弧形轨道211及第二弧形轨道212，第一弧形轨道211及第二弧形轨道212均呈弧形长条状并呈同心圆状分布，采用双弧形轨道21，近端弧形齿板2运动更加平稳。
作为本发明的一种具体实施方式，近端弧形齿板2与远端弧形壳体5相铰接，且远端弧形壳体5靠近近端弧形齿板2的一端设有用于固定近掌第一节指骨的第一指套8，远端弧形齿板6远离远端弧形壳体5的一端设有用于固定近掌第二节指骨的第二指套9，使用过程中，近端齿轮31转动带动近端齿板通过弧形轨道21与限位导向件4的相互配合沿近端弧形壳体1内外滑动，联动带动远端弧形壳体5上的第一指套8以掌指关节旋转中心为旋转中心做绕远心点运动，从而实现近掌第一节指骨的大幅度屈伸，远端齿轮71转动带动远端齿板沿远端弧形壳体5内外滑动，联动带动远端弧形齿板6上的第二指套9做绕远心点运动，从而实现近掌第二节指骨的大幅度屈伸，第一指套8与第二指套9的规格可根据患者手部尺寸更换，通过在第一指套8与第二指套9上设置多个均匀线性排列的调节孔，可对第一指套8与第二指套9的安装位置进行微调，第一指套8可通过销轴与远端弧形壳体5可转动连接，第二指套9可通过销轴与远端弧形齿板6可转动连接，使其可绕销轴转动，确保其与手指接触面始终保持与手指表面平行，提高人机相容性以及舒适性。
作为本发明的一种具体实施方式，近端驱动件3还包括用于驱动近端齿轮31转动的近端电机32以及套设于近端电机32的输出轴上的驱动齿轮，驱动齿轮连接有用于带动近端齿轮31转动的传动齿轮，传动齿轮与近端齿轮31沿同轴设置，运作过程中，近端电机32的输出轴驱动带动驱动齿轮转动，联动带动传动齿轮转动，从而带动与传动齿轮同轴设置的近端齿轮31的转动，进而带动与近端齿轮31啮合的近端弧形齿板2进行转动，近端电机32与近端齿轮31之间采用多个齿轮传动，省力矩，可采用小功率电机，电机更小巧，便于安装时，相邻手指之间的近端驱动件3不相干涉。
远端驱动件7可采用如上述近端驱动件3的设置，设置远端电机72、驱动齿轮以及传动齿轮。
作为本发明的一种具体实施方式，可在近端电机32和远端电机72的输出轴上安装可采集力矩和角度的传感器，实现运动的安全性控制，使得控制更方便、更安全。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多驱动模块化外骨骼机构，包括近端弧形壳体及用于带动近掌第一节指骨沿掌指关节旋转中心进行旋转的远端弧形壳体，其特征在于，
所述的近端弧形壳体滑动设有用于带动远端弧形壳体进行旋转的近端弧形齿板，
所述的近端弧形壳体的上方设有用于驱动近端弧形齿板沿近端弧形壳体内外进行滑动的近端驱动件，近端驱动件包括近端齿轮，近端齿轮与近端弧形齿板的上端面相啮合；
所述的远端弧形壳体滑动设有用于带动近掌第二节指骨沿指骨间旋转中心进行旋转的远端弧形齿板，
所述的远端弧形壳体的上方设有用于驱动远端弧形齿板沿远端弧形壳体内外进行滑动的远端驱动件，远端驱动件包括远端齿轮，远端齿轮与远端弧形齿板的上端面相啮合。
2.根据权利要求1所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的近端齿轮设于近端弧形壳体靠近远端弧形壳体的一端，远端齿轮设于远端弧形壳体远离近端弧形壳体的一端。
3.根据权利要求2所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的近端弧形齿板沿其型材走向穿设有弧形轨道，近端弧形壳体靠近远端弧形壳体的一端连接有用于对近端弧形齿板的滑动进行限位导向的限位导向件，限位导向件贯穿弧形轨道。
4.根据权利要求3所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的近端弧形壳体包括弧形臂，弧形臂包括设于两侧的侧壁以及设于侧壁上方的连接壁，所述的侧壁向前延伸形成安装部，安装部穿设有用于安装限位导向件的安装孔，连接壁位于安装部相应位置设有近端齿轮避让槽。
5.根据权利要求4所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的限位导向件包括两端设于侧壁上的销轴，销轴的杆身贯穿弧形轨道且销轴与弧形轨道之间设有轴承。
6.根据权利要求4所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的侧壁还穿设有若干减重槽，减重槽沿侧壁的径向方向均匀设置。
7.根据权利要求3所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的弧形轨道包括第一弧形轨道及第二弧形轨道，第一弧形轨道及第二弧形轨道均呈弧形长条状并呈同心圆状分布。
8.根据权利要求1所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的近端弧形齿板与远端弧形壳体相铰接，且远端弧形壳体靠近近端弧形齿板的一端设有用于固定近掌第一节指骨的第一指套，远端弧形齿板远离远端弧形壳体的一端设有用于固定近掌第二节指骨的第二指套。
9.根据权利要求1所述的多驱动模块化外骨骼机构，其特征在于，所述的近端驱动件还包括用于驱动近端齿轮转动的近端电机以及套设于近端电机的输出轴上的驱动齿轮，驱动齿轮连接有用于带动近端齿轮转动的传动齿轮，传动齿轮与近端齿轮沿同轴设置。
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