CN114191253B - 智能手指外骨骼机构及智能手指康复外骨骼机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能手指外骨骼机构，包括依次向远端连接的MCP关节座、MCP弧形臂、PIP关节座和PIP弧形臂，MCP弧形臂的近端滑动设在MCP关节座的第一弧形滑槽内，MCP弧形臂的远端与PIP关节座固接，PIP弧形臂的近端滑动设在PIP关节座的第二弧形滑槽内，PIP弧形臂的远端设有连接座，连接座和PIP关节座上均设有手指连接件；连接座、PIP关节座均与手指连接件间设有压力传感组件，压力传感组件包括框架，连接座的底端固接有中层板，框架的上下两端分别固设有上板和下板，连接座、上板、中层板和下板从上至下依次设置，框架与连接座上下活接，上板和中层板间设有上压力传感器，下板和中层板间设有下压力传感器。

Description

智能手指外骨骼机构及智能手指康复外骨骼机器人
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种智能手指外骨骼机构及智能手指康复外骨骼机器人。
背景技术
康复机器人目标是实现替代或辅助康复治疗师，简化传统"一对一"的繁重治疗过程。随着技术的不断升级，近年来穿戴式康复机器人即外骨骼机器人异军崛起。外骨骼机器人是根据人体工学的特点进行设计，相当于患者的外置骨骼，患者可以将其穿戴在肢体上辅助康复训练，提高患者的康复效果。但现有手部康复外骨骼机器人存在以下缺陷：1、结构复杂，零件复杂，加工制造难度大；2、设备重量大，佩带后给患者带来额外负担；3、只能进行被动康复训练，且缺少关节角度和关节力反馈，训练模式单一，适应范围窄，康复训练效果有限；4、不能用于辅助帮助患者完成一些基本的生活动作，局限性大。
发明内容
为解决现有技术存在的手部康复外骨骼机器人结构复杂、佩戴不便和缺少训练反馈的问题，本发明提供一种智能手指外骨骼机构及智能手指康复外骨骼机器人。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下，一种智能手指外骨骼机构，包括依次向远端连接的MCP关节座、MCP弧形臂、PIP关节座和PIP弧形臂，所述MCP关节座上开设有第一弧形滑槽，所述MCP弧形臂的近端滑动设置在第一弧形滑槽内，且所述MCP弧形臂由第一驱动件驱动滑动，所述MCP弧形臂的远端与PIP关节座固定连接，所述PIP关节座上开设有第二弧形滑槽，所述PIP弧形臂的近端滑动设置在第二弧形滑槽内，且所述PIP弧形臂由第二驱动件驱动滑动，所述PIP弧形臂的远端设置有连接座，所述连接座和PIP关节座上均设置有手指连接件；
所述连接座与手指连接件之间，以及PIP关节座与手指连接件之间均设置有压力传感组件，所述压力传感组件包括框架和中层板，所述框架的上下两端分别固定设置有上板和下板，所述连接座、上板、中层板和下板从上至下依次设置，所述中层板与连接座的底端固定连接，所述框架与连接座上下活动连接，所述上板和中层板之间设置有上压力传感器，所述下板和中层板之间设置有下压力传感器。
作为优选，所述MCP弧形臂与MCP关节座之间，以及PIP弧形臂与PIP关节座之间均设置有角度传感组件，所述角度传感组件包括电阻片和电刷片，两个所述电阻片分别固定设置在第一弧形滑槽和第二弧形滑槽上，两个所述电刷片分别固定设置在MCP弧形臂的近端和PIP弧形臂的近端，所述电刷片和电阻片弹性接触。压力传感组件能够准确获取该智能手指外骨骼机构运行过程中与手指的接触力，结合角度传感组件能够准确获取该智能手指外骨骼机构运行过程中手指关节活动的角度，使得被动康复运动能够更柔顺和更精准，使得主动康复监测和评价更加精准，能够更好的进行主动、抗阻训练，极大的提升患者手部康复的效率。
作为优选，所述第一驱动件和第二驱动件的结构相同，均包括电机和锥齿轮，所述锥齿轮与电机的输出端传动连接，所述第一驱动件的电机设置在MCP关节座上，所述第二驱动件的电机设置在PIP关节座上，所述MCP弧形臂和PIP弧形臂的侧壁上均设置有与锥齿轮啮合的齿条。锥齿轮和齿条配合的传动结构简单可靠，传动平稳，齿条设置在MCP弧形臂和PIP弧形臂的侧壁上，承载力更强。
进一步地，所述手指连接件包括具有开口的指套，所述指套的开口一端设置有子扣，所述框架上设置有U型母扣，所述子扣与U型母扣卡接，所述指套的开口另一端与框架转动连接，其转动轴线与手指方向一致。先将指套套在对应手指上，再转动指套将子扣卡入U型母扣内，便于该智能手指外骨骼机构的穿戴在对应的手指上。
进一步地，所述上压力传感器和下压力传感器均为薄膜压力传感器，所述上压力传感器与上板之间，以及下压力传感器与下板之间均设置有硅胶垫。压力传感组件的结构简单可靠，设计巧妙，成本较低，薄膜压力传感器使得压力传感组件更加轻薄，测量手指与薄膜压力传感器的接触力大小和方向更加敏感精确，硅胶垫有效保护薄膜压力传感器。
进一步地，所述MCP关节座、MCP弧形臂、PIP关节座、PIP弧形臂和连接座的材料均为轻质高强度材料。使智能手指外骨骼机构非常轻巧，便于患者穿戴，并便于随时进行被动康复训练或辅助患者进行主动康复训练。
进一步地，所述轻质高强度材料为尼龙或ABS。尼龙或ABS等工程塑料的选择，材质轻巧又具有一定强度，使该智能手指外骨骼机构穿戴更加可靠和舒适。
一种智能手指康复外骨骼机器人，包括掌套和若干任一种所述的智能手指外骨骼机构，所述掌套与手背贴合，所述智能手指外骨骼机构的MCP关节座固定设置在掌套上；所述智能手指外骨骼机构的数量为1～5个，若干所述智能手指外骨骼机构分别与对应的手指匹配设置，且每个所述智能手指外骨骼机构的手指连接件套设在对应的单根手指上。
作为优选，所述掌套通过绑带与手掌固定连接，所述掌套的两侧均开设有供绑带穿过的绑带孔。便于掌套的穿戴，又保证舒适度和安全性。
进一步地，所述智能手指外骨骼机构的数量为5个，5个所述智能手指外骨骼机构分别与5根手指相匹配，位于大拇指的所述智能手指外骨骼机构去掉所述的PIP关节座和PIP弧形臂，并将连接座与MCP弧形臂的远端连接。除大拇指外其余手指均具有3节指骨，因此大拇指处的智能手指外骨骼机构去掉PIP关节座和PIP弧形臂，并将连接座与MCP弧形臂的远端连接，能更好的与大拇指匹配。
有益效果：
1、本发明的智能手指康复外骨骼机器人，在掌指关节和指间关节活动的过程中，框架随手指的伸张或弯曲而上压或下压，当框架上压时，下板对下压力传感器施压，实时检测出手指伸张的力，当架下压时，上板对上压力传感器施压，实时检测出手指弯曲的力，即压力传感组件实时检测手指活动的力度和方向；同时对应的电刷片和电阻片配合以实时检测掌指关节和指间关节的活动角度；根据实时检测的手指活动的力度和方向，以及掌指关节和指间关节的活动角度，使得被动康复运动控制能够更柔顺和更精准，使得主动康复监测和评价更加精准，能够更好的进行主动、抗阻训练，极大的提升患者手部康复的效率；
2、本发明的智能手指康复外骨骼机器人，若干智能手指外骨骼机构分别与对应的手指匹配设置，且每个所述智能手指外骨骼机构的手指连接件套设在对应的单根手指上，各手指的康复活动互不干扰，可以实现单根手指的单独康复活动；
3、本发明的智能手指康复外骨骼机器人，针对控制能力弱的患者，还可以帮助完成一些基本的手部动作，如抓握、拿捏、伸指等，以辅具的形式帮助患者提高生活自理能力。
4、本发明的智能手指康复外骨骼机器人，结构简单可靠，设计巧妙，整体轻巧，便于穿戴，控制难度低，制造成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明智能手指外骨骼机构的立体结构示意图；
图2是图1中隐藏MCP关节座的立体结构示意图；
图3是本发明智能手指外骨骼机构的另一角度立体结构示意图；
图4是本发明智能手指外骨骼机构的压力传感组件的立体结构示意图；
图5是图4的***示意图；
图6是本发明智能手指康复外骨骼机器人的立体结构示意图；
图7是本发明智能手指康复外骨骼机器人的俯视示意图；
图8是本发明智能手指康复外骨骼机器人的使用状态示意图；
图中：1、智能手指外骨骼机构，1-1、MCP关节座，1-1-1、第一弧形滑槽，1-2、MCP弧形臂，1-3、PIP关节座，1-3-1、第二弧形滑槽，1-4、PIP弧形臂，1-5、第一驱动件，1-5-1、电机，1-5-2、锥齿轮，1-5-3、齿条，1-6、第二驱动件，1-7、连接座，1-8、手指连接件，1-8-1、指套，1-8-2、子扣，1-8-3、U型母扣，1-9、压力传感组件，1-9-1、框架，1-9-11、上板，1-9-12、下板，1-9-2、中层板，1-9-3、上压力传感器，1-9-4、下压力传感器，1-9-5、硅胶垫，1-10、角度传感组件，1-10-1、电阻片，1-10-2、电刷片；2、掌套，21、绑带孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1～5所示，一种智能手指外骨骼机构1，在本实施例中为了便于描述，记从手臂到手指指向远端，手背朝上，手心朝下；该智能手指外骨骼机构1包括依次向远端连接的MCP关节座1-1、MCP弧形臂1-2、PIP关节座1-3和PIP弧形臂1-4，如图1～3所示，所述MCP关节座1-1上开设有第一弧形滑槽1-1-1，所述MCP弧形臂1-2的近端滑动设置在第一弧形滑槽1-1-1内，且所述MCP弧形臂1-2由第一驱动件1-5驱动滑动，所述MCP弧形臂1-2的远端与PIP关节座1-3固定连接，所述PIP关节座1-3上开设有第二弧形滑槽1-3-1，所述PIP弧形臂1-4的近端滑动设置在第二弧形滑槽1-3-1内，且所述PIP弧形臂1-4由第二驱动件1-6驱动滑动，所述PIP弧形臂1-4的远端设置有连接座1-7，所述连接座1-7和PIP关节座1-3上均设置有手指连接件1-8；所述连接座1-7与手指连接件1-8之间，以及PIP关节座1-3与手指连接件1-8之间均设置有压力传感组件1-9，如图4～5所示，所述压力传感组件1-9包括框架1-9-1和中层板1-9-2，所述框架1-9-1的上下两端分别固定设置有上板1-9-11和下板1-9-12，所述连接座1-7、上板1-9-11、中层板1-9-2和下板1-9-12从上至下依次设置，所述中层板1-9-2与连接座1-7的底端固定连接，所述框架1-9-1与连接座1-7上下活动连接，所述上板1-9-11和中层板1-9-2之间设置有上压力传感器1-9-3，所述下板1-9-12和中层板1-9-2之间设置有下压力传感器1-9-4。
为了获取更准确的手指活动状态，在本实施例中，如图1～3所示，所述MCP弧形臂1-2与MCP关节座1-1之间，以及PIP弧形臂1-4与PIP关节座1-3之间均设置有角度传感组件1-10，所述角度传感组件1-10包括电阻片1-10-1和电刷片1-10-2，两个所述电阻片1-10-1分别固定设置在第一弧形滑槽1-1-1和第二弧形滑槽1-3-1上，两个所述电刷片1-10-2分别固定设置在MCP弧形臂1-2的近端和PIP弧形臂1-4的近端，所述电刷片1-10-2和电阻片1-10-1弹性接触。
为了保证该智能手指外骨骼机构1的可靠运行，在本实施例中，如图1～3所示，所述第一驱动件1-5和第二驱动件1-6的结构相同，均包括电机1-5-1和锥齿轮1-5-2，所述锥齿轮1-5-2与电机1-5-1的输出端传动连接，所述第一驱动件1-5的电机1-5-1通过安装腔体设置在MCP关节座1-1上，所述第二驱动件1-6的电机1-5-1设置在PIP关节座1-3上，所述MCP弧形臂1-2和PIP弧形臂1-4的侧壁上均设置有与锥齿轮1-5-2啮合的齿条1-5-3。
为了便于该智能手指外骨骼机构1的穿戴，在本实施例中，如图4～5所示，所述手指连接件1-8包括具有开口的指套1-8-1，所述指套1-8-1的开口一端设置有子扣1-8-2，所述框架1-9-1上设置有U型母扣1-8-3，所述子扣1-8-2与U型母扣1-8-3卡接，所述指套1-8-1的开口另一端与框架1-9-1转动连接，其转动轴线与手指方向一致。
为了进一步提高该智能手指外骨骼机构1的灵敏度，以及更加轻便，所述上压力传感器1-9-3和下压力传感器1-9-4均为薄膜压力传感器，如图4～5所示，所述上压力传感器1-9-3与上板1-9-11之间，以及下压力传感器1-9-4与下板1-9-12之间均设置有硅胶垫1-9-5；所述MCP关节座1-1、MCP弧形臂1-2、PIP关节座1-3、PIP弧形臂1-4和连接座1-7的材料均为轻质高强度材料；所述轻质高强度材料为尼龙或ABS等工程塑料，材质轻巧又具有一定强度，使该智能手指外骨骼机构1穿戴更加可靠和舒适。
如图6～8所示，一种智能手指康复外骨骼机器人，包括掌套2和上述的智能手指外骨骼机构1，所述掌套2与手背贴合，所述智能手指外骨骼机构1的MCP关节座1-1固定设置在掌套2上；所述智能手指外骨骼机构1的数量为1～5个，若干所述智能手指外骨骼机构1分别与对应的手指匹配设置，且每个所述智能手指外骨骼机构1的手指连接件1-8套设在对应的单根手指上，各手指的康复活动互不干扰，可以实现单根手指的单独康复活动。
具体地，在本实施例中，所述掌套2通过绑带与手掌固定连接，所述掌套2的两侧均开设有供绑带穿过的绑带孔21；本实施例的所述智能手指外骨骼机构1的数量为5个，5个所述智能手指外骨骼机构1分别与5根手指相匹配，位于大拇指的所述智能手指外骨骼机构1去掉所述的PIP关节座1-3和PIP弧形臂1-4，并将连接座1-7与MCP弧形臂1-2的远端连接，因除大拇指外其余手指均具有3节指骨，因此大拇指处的智能手指外骨骼机构1去掉PIP关节座1-3和PIP弧形臂1-4，并将连接座1-7与MCP弧形臂1-2的远端连接，能更好的与大拇指匹配。
工作原理如下：
首先将各指套1-8-1套在对应的手指上，再转动各指套1-8-1将子扣1-8-2卡入U型母扣1-8-3内，直至五个手指外骨骼机构同时穿戴在对应的手指上，再用绑带将掌套2捆绑固定在手掌上，此时掌套2与手背贴合，完成该智能手指康复外骨骼机器人的穿戴，如图8所示；
被动康复训练时，电机1-5-1驱动锥齿轮1-5-2旋转，第一驱动件1-5的锥齿轮1-5-2再驱动齿条1-5-3带动MCP弧形臂1-2沿第一弧形滑槽1-1-1滑动，MCP弧形臂1-2再带动PIP关节座1-3运动，PIP关节座1-3通过对应的手指连接件1-8带动掌指关节(MCP)活动；同时第二驱动件1-6的锥齿轮1-5-2驱动齿条1-5-3带动PIP弧形臂1-4沿第二弧形滑槽1-3-1滑动，PIP弧形臂1-4再带动连接座1-7运动，连接座1-7通过对应的手指连接件1-8带动指间关节(PIP)活动；
在上述掌指关节和指间关节活动的过程中，框架1-9-1随手指的伸张或弯曲而上压或下压，当框架1-9-1上压时，下板1-9-12对下压力传感器1-9-4施压，实时检测出手指伸张的力，当架下压时，上板1-9-11对上压力传感器1-9-3施压，实时检测出手指弯曲的力，即压力传感组件1-9实时检测手指活动的力度和方向；同时对应的电刷片1-10-2和电阻片1-10-1配合以实时检测掌指关节和指间关节的活动角度；根据实时检测的手指活动的力度和方向，以及掌指关节和指间关节的活动角度，使得被动康复运动控制能够更柔顺和更精准，极大的提升患者手部康复的效率；
主动康复训练时，随着患者主动活动掌指关节和指间关节，压力传感组件1-9和角度传感组件1-10实时检测手指活动的力度和方向，以及掌指关节和指间关节的活动角度，检测过程同上述动作，使得主动康复监测和评价更加精准，能够更好的进行主动、抗阻训练，极大的提升患者手部康复的效率。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能手指外骨骼机构，其特征在于：包括依次向远端连接的MCP关节座（1-1）、MCP弧形臂（1-2）、PIP关节座（1-3）和PIP弧形臂（1-4），所述MCP关节座（1-1）上开设有第一弧形滑槽（1-1-1），所述MCP弧形臂（1-2）的近端滑动设置在第一弧形滑槽（1-1-1）内，且所述MCP弧形臂（1-2）由第一驱动件（1-5）驱动滑动，所述MCP弧形臂（1-2）的远端与PIP关节座（1-3）固定连接，所述PIP关节座（1-3）上开设有第二弧形滑槽（1-3-1），所述PIP弧形臂（1-4）的近端滑动设置在第二弧形滑槽（1-3-1）内，且所述PIP弧形臂（1-4）由第二驱动件（1-6）驱动滑动，所述PIP弧形臂（1-4）的远端设置有连接座（1-7），所述连接座（1-7）和PIP关节座（1-3）上均设置有手指连接件（1-8）；
所述连接座（1-7）与手指连接件（1-8）之间，以及PIP关节座（1-3）与手指连接件（1-8）之间均设置有压力传感组件（1-9），所述压力传感组件（1-9）包括框架（1-9-1）和中层板（1-9-2），所述框架（1-9-1）的上下两端分别固定设置有上板（1-9-11）和下板（1-9-12），所述连接座（1-7）、上板（1-9-11）、中层板（1-9-2）和下板（1-9-12）从上至下依次设置，所述中层板（1-9-2）与连接座（1-7）的底端固定连接，所述框架（1-9-1）与连接座（1-7）上下活动连接，所述上板（1-9-11）和中层板（1-9-2）之间设置有上压力传感器（1-9-3），所述下板（1-9-12）和中层板（1-9-2）之间设置有下压力传感器（1-9-4）；
所述手指连接件（1-8）包括具有开口的指套（1-8-1），所述指套（1-8-1）的开口一端设置有子扣（1-8-2），所述框架（1-9-1）上设置有U型母扣（1-8-3），所述子扣（1-8-2）与U型母扣（1-8-3）卡接，所述指套（1-8-1）的开口另一端与框架（1-9-1）转动连接，其转动轴线与手指方向一致。
2.根据权利要求1所述的智能手指外骨骼机构，其特征在于：所述MCP弧形臂（1-2）与MCP关节座（1-1）之间，以及PIP弧形臂（1-4）与PIP关节座（1-3）之间均设置有角度传感组件（1-10），所述角度传感组件（1-10）包括电阻片（1-10-1）和电刷片（1-10-2），两个所述电阻片（1-10-1）分别固定设置在第一弧形滑槽（1-1-1）和第二弧形滑槽（1-3-1）上，两个所述电刷片（1-10-2）分别固定设置在MCP弧形臂（1-2）的近端和PIP弧形臂（1-4）的近端，所述电刷片（1-10-2）和电阻片（1-10-1）弹性接触。
3.根据权利要求1所述的智能手指外骨骼机构，其特征在于：所述第一驱动件（1-5）和第二驱动件（1-6）的结构相同，均包括电机（1-5-1）和锥齿轮（1-5-2），所述锥齿轮（1-5-2）与电机（1-5-1）的输出端传动连接，所述第一驱动件（1-5）的电机（1-5-1）设置在MCP关节座（1-1）上，所述第二驱动件（1-6）的电机（1-5-1）设置在PIP关节座（1-3）上，所述MCP弧形臂（1-2）和PIP弧形臂（1-4）的侧壁上均设置有与锥齿轮（1-5-2）啮合的齿条（1-5-3）。
4.根据权利要求1、2或3所述的智能手指外骨骼机构，其特征在于：所述上压力传感器（1-9-3）和下压力传感器（1-9-4）均为薄膜压力传感器，所述上压力传感器（1-9-3）与上板（1-9-11）之间，以及下压力传感器（1-9-4）与下板（1-9-12）之间均设置有硅胶垫（1-9-5）。
5.根据权利要求1、2或3所述的智能手指外骨骼机构，其特征在于：所述MCP关节座（1-1）、MCP弧形臂（1-2）、PIP关节座（1-3）、PIP弧形臂（1-4）和连接座（1-7）的材料均为轻质高强度材料。
6.根据权利要求5所述的智能手指外骨骼机构，其特征在于：所述轻质高强度材料为尼龙或ABS。
7.一种智能手指康复外骨骼机器人，其特征在于：包括掌套（2）和若干权利要求1~6任一项所述的智能手指外骨骼机构（1），所述掌套（2）与手背贴合，所述智能手指外骨骼机构（1）的MCP关节座（1-1）固定设置在掌套（2）上；所述智能手指外骨骼机构（1）的数量为1~5个，若干所述智能手指外骨骼机构（1）分别与对应的手指匹配设置，且每个所述智能手指外骨骼机构（1）的手指连接件（1-8）套设在对应的单根手指上。
8.根据权利要求7所述的智能手指康复外骨骼机器人，其特征在于：所述掌套（2）通过绑带与手掌固定连接，所述掌套（2）的两侧均开设有供绑带穿过的绑带孔（21）。
9.根据权利要求7或8所述的智能手指康复外骨骼机器人，其特征在于：所述智能手指外骨骼机构（1）的数量为5个，5个所述智能手指外骨骼机构（1）分别与5根手指相匹配，位于大拇指的所述智能手指外骨骼机构（1）去掉所述的PIP关节座（1-3）和PIP弧形臂（1-4），并将连接座（1-7）与MCP弧形臂（1-2）的远端连接。
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