CN114734427B - 一种便携式手指外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗康复技术领域，具体涉及一种便携式手指外骨骼机器人。本发明包括小臂支架、手掌组件、手指组件以及手指驱动机构；手指驱动机构包括驱动电机、第一光轴、第二光轴、扭簧以及收放组件；驱动绳的一端固定缠绕在收放组件上，另一端固定连接至手指组件的末端；驱动电机的转轴上安装有第二编码器，第二光轴的末端安装有第一编码器。本发明通过患者在抓取物品时手指的弯曲动作带动驱动绳拉动第二光轴转动，通过第一编码器和第二编码器检测出了扭簧的转动角度，并结合扭簧的刚度和扭簧变化量，用胡克定律计算出抓取物品所需要的转矩，最后驱动电机转动输出扭矩，使患者能够轻而易举地抓取物品。

Description

一种便携式手指外骨骼机器人

技术领域

本发明属于医疗康复技术领域，具体涉及一种便携式手指外骨骼机器人。

背景技术

例如偏瘫等病症普遍存在手部僵硬的症状，典型的特征就是呈现手指弯曲、蜷缩状态，长此以往，势必引起手部肌肉痉挛、萎缩，严重影响患者的日常生活，另外一些手部的外伤也会引起周围神经组织损伤，导致手部肌肉出现肌无力、痉挛萎缩等现象，若不进行有效的康复训练活动，会导致病情进一步恶化。康复医学是一门研究残疾人及患者康复的医学应用学科，其目的在于通过物理疗法，运动疗法，生活训练，技能训练，言语训练和心理咨询等多种手段使病伤残者尽快的得到最大限度的恢复，使身体残留部分的功能得到最充分的发挥，实现最大可能的生活自理，最大可能的恢复劳动和工作能力，为病伤残者重返社会打下基础。

现有的外骨骼机器人大都采用传统的刚性传动方法，价格昂贵，存在安全隐患，无法得到大面积推广，且目前针对手部的康复训练主要采用人工一对一的按摩活动训练，不但康复训练的强度和效率不能得到好的保障，也加重了医务工作者的负担，而且患者需要往返于家庭和医院之间，这就相应增加了患者治疗的时间和金钱成本。因此亟待开发一种成本低廉、针对性强、安全性好、穿戴舒适以及适合广大患者在家中完成日常康复训练的便携式手指外骨骼机器人。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的大多采用刚性传动、有安全隐患、成本昂贵以及不适合在家中完成日程康复训练的缺陷，提供一种采用驱动绳驱动、安全性好以及能够在家中完成日常康复训练的便携式手指外骨骼机器人，可以根据需要对受损的某个手指进行康复训练。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：包括小臂支架、与所述小臂支架连接的手掌组件、与所述手掌组件柔性连接的手指组件以及安装在所述小臂支架上的手指驱动机构；所述手指驱动机构包括安装在所述小臂支架上的驱动电机、与所述驱动电机输出轴同轴连接的第一光轴、套设在所述第一光轴末端的第二光轴、两端分别固定在所述第一光轴和第二光轴上的扭簧以及固定连接在第二光轴上的收放组件；驱动绳的一端固定缠绕在所述收放组件上，另一端固定连接至所述手指组件的末端；所述驱动电机的转轴上安装有第二编码器，所述第二光轴的末端安装有第一编码器。

进一步地，所述第一光轴的端部具有第一限位挡板，所述第二光轴的末端具有第二限位挡板，所述扭簧设置在所述第一限位挡板和第二限位挡板之间。

进一步地，小臂支架上还转动安装有第一导向轮和第三导向轮，所述第一导向轮靠近所述收放组件的一侧，所述第三导向轮位于所述小臂支架靠近手掌组件的一端，所述第一导向轮和第三导向轮之间具有有两并列设置的第二导向轮；所述收放组件的转轴为X向，所述第一导向轮和第三导向轮的转轴为Z向，所述第二导向轮的转轴为Y向，其中X向、Y向和Z向三者相互垂直。

进一步地，所述小臂支架和所述手掌组件之间通过小臂线束管连接。

进一步地，所述手掌组件包括手掌安装板、安装在所述手掌安装板正面的导向轮和安装在所述手掌安装板背面的手掌绑带。

进一步地，所述手指组件包括：指根、固定在所述指根上的U形支架、与所述U形支架的开口端转动连接的第一丝杆、螺纹连接在所述第一丝杆上的抬背连杆、与所述抬背连杆的末端转动连接的第一指背、与所述第一指背末端转动连接的第二指背以及与所述第二指背的末端转动连接的指尖。

进一步地，所述第一指背和所述第二指背的外侧分别固定安装有收放组件，所述收放组件包括：两相对设置的支撑架，两所述支撑架之间的中心位置转动连接有传动轮，所述传动轮外周设置多个压绳轮，所述压绳轮通过轴承转动安装在两支撑架上，其中两个相邻压绳轮之间还固定连接有绕线轮，驱动绳从一个绕线轮绕入，然后依次绕过传动轮，最后驱动绳的端部固定在另一个绕线轮上，所述压绳轮保证驱动绳不从传动轮上脱出。

进一步地，所述手掌安装板与所述指根之间通过柔性线束管连接。

进一步地，所述第二导向轮转动安装在U形底座上，U形底座固定在所述小臂支架上。

更进一步地，所述驱动电机外固定有起保护作用的外壳。

本发明的一种便携式手指外骨骼机器人的有益效果是：

1、本发明的驱动绳由于扭簧的作用始终处于张紧的状态，通过患者在抓取物品时手指的弯曲动作带动驱动绳拉动第二光轴转动，通过第二编码器能够测量齿轮轴的转动角度，第二光轴的转动进而使扭簧扭转角度，第二编码器也即检测出了扭簧的转动角度，并结合扭簧的刚度和扭簧变化量，用胡克定律计算出抓取物品所需要的转矩，最后驱动电机转动输出扭矩，使患者能够轻而易举地抓取物品。释放物品时，各机构状态和抓取时相同，整个抓取或释放过程非常迅速，延时低。

2、本发明的手指驱动机构区别于传动的刚性驱动，采用驱动绳使外骨骼机器人轻巧便携，并且操作简单，成本低，运行平稳安全，既可为患者提供简单有效的康复训练，又可降低临床医生的工作量和成本。

3、本发明的手指驱动机构中的第一导向轮、第二导向轮和第三导向轮巧妙布置，对手指驱动机构中放出的驱动绳，进行换向并导向，使驱动绳精准地送到小臂线束管中，通过在手掌安装板上设置一个大的掌背导向轮对驱动绳进行导向，并在患者手指同一侧安装两个收放组件对驱动绳进行收/放，从而更好地控制力的输出,使患者能够精准的抓握/释放物品，安全性高。

4、本发明可针对患者情况相应地进行增加手指组件的数量或者更换手指组件的位置，可以更好地适用于有需求的患者。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的整体结构图；

图2是本发明实施例的手指驱动机构部分剖视图；

图3是图2中A部放大图；

图4是本发明实施例小臂支架上零部件结构图；

图5是本发明实施例的手掌组件结构图；

图6是本发明实施例的手指组件结构图；

图7是本发明实施例的收放组件结构图。

图中:1、小臂支架，2、手指驱动机构，20、驱动电机，21、第一光轴，211、第一限位挡板，22、第二光轴，221、第二限位挡板，24、第一编码器，25、扭簧，27、第一导向轮，28、第二导向轮，29、第三导向轮，3、小臂线束管，4、手掌组件，41、手掌安装板，42、导向轮支架，43、掌背导向轮，5、柔性线束管，6、手指组件，60、指根，61、U形支架，62、第一丝杆，63、抬背连杆，65、第一指背，66、第二指背，67、手指绑带，68、指尖、7、收放组件，70、支撑架，71、绕线轮，72、传动轮，74、压绳轮，8、U形底座，10、第二编码器，11、手掌绑带，12、外壳，13、小臂绑带。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图7所示的本发明的一种便携式手指外骨骼机器人的具体实施例，包括小臂支架1、与小臂支架1连接的手掌组件4、与手掌组件4柔性连接的手指组件6以及安装在小臂支架1上的手指驱动机构2；手指驱动机构2包括安装在小臂支架1上的驱动电机20、与驱动电机20输出轴同轴连接的第一光轴21、套设在第一光轴21末端的第二光轴22、两端分别固定在第一光轴21和第二光轴22上的扭簧25以及固定连接在第二光轴22上的收放组件7；驱动绳的一端固定缠绕在收放组件7上，另一端固定连接至手指组件的末端；驱动电机20的转轴上安装有第二编码器10，第二光轴22的末端安装有第一编码器24。

参见图2，第一光轴21的端部具有第一限位挡板211，第二光轴22的末端具有第二限位挡板221，扭簧25设置在第一限位挡板211和第二限位挡板221之间。

参见图4，小臂支架1上还转动安装有第一导向轮27和第三导向轮29，第一导向轮27靠近收放组件7的一侧，第三导向轮29位于小臂支架1靠近手掌组件4的一端，第一导向轮27和第三导向轮29之间具有有两并列设置的第二导向轮28；收放组件7的转轴为X向，第一导向轮27和第三导向轮29的转轴为Z向，第二导向轮28的转轴为Y向，其中X向、Y向和Z向三者相互垂直。第一导向轮27和第三导向轮29结构相同，但直径不同，第三导向轮29的直径远大于第一导向轮27的直径。

参见图1，小臂支架1和手掌组件4之间通过小臂线束管3连接。

参见图5，手掌组件4包括手掌安装板41、安装在手掌安装板41正面的掌背导向轮43和安装在手掌安装板41背面的手掌绑带11，手掌安装板41的正面安装有导向轮支架42，掌背导向轮43安装在导向轮支架42上。第二导向轮28转动安装在U形底座8上，U形底座8固定在小臂支架1上。

参见图6，手指组件6包括：指根60、固定在指根60上的U形支架61、与U形支架61的开口端转动连接的第一丝杆62、螺纹连接在第一丝杆62上的抬背连杆63、与抬背连杆63的末端转动连接的第一指背65、与第一指背65末端转动连接的第二指背66以及与第二指背66的末端转动连接的指尖68。第一指背65和第二指背66的外侧分别固定安装有收放组件7。通过旋转抬背连杆63可调节其在第一丝杆62上的位置。

参见图7，收放组件7包括：两相对设置的支撑架70，两支撑架70之间的中心位置转动连接有传动轮72，传动轮72外周设置多个压绳轮74，压绳轮74通过轴承转动安装在两支撑架上，其中两个相邻压绳轮72之间还固定连接有绕线轮71，驱动绳从一个绕线轮71绕入，然后依次绕过传动轮72，最后驱动绳的端部固定在另一个绕线轮71上，压绳轮74保证驱动绳不从传动轮72上脱出。手掌安装板41与指根60之间通过柔性线束管5连接。

在患者进行康复训练时，患者的小臂通过小臂绑带13固定在小臂支架1上，手掌通过手掌绑带11固定在手掌安装板上，手指通过手指绑带固定在手指组件的对应位置。

本发明可针对患者情况相应地进行增加手指组件6的数量或者更换手指组件6的位置，可以更好地适用于有需求的患者。

手指驱动机构2可以固定在患者的手臂或者桌子上，手指驱动机构2中的第一导向轮27、第二导向轮组件28以及第三导向轮29巧妙布置，对收放组件7中放出的驱动绳，进行换向并导向，将驱动绳精准地送到小臂线束管3中。

本发明实施例中的驱动绳可以为普通的尼龙绳，同时也可以为柔性的金属丝。

驱动绳的一端固定缠绕在手指驱动机构2上的收放组件7的传动轮72上，然后依次绕过第一导向轮27、两个第二导向轮28和第三导向轮29后从小臂线束管穿过后绕到掌背导向轮43上，驱动绳绕过掌背导向轮43后穿过柔性线束管5后依次绕过手指组件6上的两个收放组件7，驱动绳的末端缠绕固定在末端收放组件7的传动轮72上。

驱动绳从收放组件7的一个绕线轮71上穿入后绕到传动轮72上，然后再从另一个绕线轮72上穿出。

当进行收/放驱动绳时，传动轮72和周围的压绳轮74以及绕线轮71相互夹持驱动绳，使驱动绳从专门设置的出线口导出，从而控制收放驱动绳精度。

手掌组件4通过在手掌安装板41上设置一个大的掌背导向轮43对线束进行导向，并在手指同一侧安装两个收放组件对驱动绳进行收放，从而更好地控制力的输出。

驱动电机20外固定有起保护作用的外壳12，能够使手指驱动机构2看起来更加美观，而且也能起到密封、防尘的作用。

工作时，驱动电机20通过减速器输出扭矩，并通过扭簧25作用到执行元件上。当患者想要弯曲手指时，驱动绳长度发生变化，手指组件6中的收放组件70有使驱动绳放出的意图，使扭簧25受到外力的作用实现一定的扭转，并通过第一编码器24和第二编码器10测出扭簧25的转动角度，驱动电机20通过结合扭簧25刚度以及扭簧25变化量，用胡克定律即可计算出外骨骼的输出力矩，以此作为力控的依据，能够有效提高安全性，手指组件6通过驱动绳传动带动患者手指外骨骼运动。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：包括小臂支架（1）、与所述小臂支架（1）连接的手掌组件（4）、与所述手掌组件（4）柔性连接的手指组件（6）以及安装在所述小臂支架（1）上的手指驱动机构（2）；所述手指驱动机构（2）包括安装在所述小臂支架（1）上的驱动电机（20）、与所述驱动电机（20）输出轴同轴连接的第一光轴（21）、套设在所述第一光轴（21）末端的第二光轴（22）、两端分别固定在所述第一光轴（21）和第二光轴（22）上的扭簧（25）以及固定连接在第二光轴（22）上的收放组件（7）；驱动绳的一端固定缠绕在所述收放组件（7）上，另一端固定连接至所述手指组件的末端；所述驱动电机（20）的转轴上安装有第二编码器（10），所述第二光轴（22）的末端安装有第一编码器（24）；所述手掌组件（4）包括手掌安装板（41）、安装在所述手掌安装板（41）正面的导向轮（43）和安装在所述手掌安装板（41）背面的手掌绑带（11）；所述手指组件（6）包括：指根（60）、固定在所述指根（60）上的U形支架（61）、与所述U形支架（61）的开口端转动连接的第一丝杆（62）、螺纹连接在所述第一丝杆（62）上的抬背连杆（63）、与所述抬背连杆（63）的末端转动连接的第一指背（65）、与所述第一指背（65）末端转动连接的第二指背（66）以及与所述第二指背（66）的末端转动连接的指尖（68）。

2.根据权利要求1所述的便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：所述第一光轴（21）的端部具有第一限位挡板（211），所述第二光轴（22）的末端具有第二限位挡板（221），所述扭簧（25）设置在所述第一限位挡板（211）和第二限位挡板（221）之间。

3.根据权利要求1所述的便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：小臂支架（1）上还转动安装有第一导向轮（27）和第三导向轮（29），所述第一导向轮（27）靠近所述收放组件（7）的一侧，所述第三导向轮（29）位于所述小臂支架（1）靠近手掌组件（4）的一端，所述第一导向轮（27）和第三导向轮（29）之间具有两并列设置的第二导向轮（28）；所述收放组件（7）的转轴为X向，所述第一导向轮（27）和第三导向轮（29）的转轴为Z向，所述第二导向轮（28）的转轴为Y向，其中X向、Y向和Z向三者相互垂直。

4.根据权利要求1所述的便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：所述小臂支架（1）和所述手掌组件（4）之间通过小臂线束管（3）连接。

5.根据权利要求4所述的便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：所述第一指背（65）和所述第二指背（66）的外侧分别固定安装有收放组件（7），所述收放组件（7）包括：两相对设置的支撑架（70），两所述支撑架（70）之间的中心位置转动连接有传动轮（72），所述传动轮（72）外周设置多个压绳轮（74），所述压绳轮（74）通过轴承转动安装在两支撑架上，其中两个相邻压绳轮（72）之间还固定连接有绕线轮（71），驱动绳从一个绕线轮（71）绕入，然后依次绕过传动轮（72），最后驱动绳的端部固定在另一个绕线轮（71）上，所述压绳轮（74）保证驱动绳不从传动轮（72）上脱出。

6.根据权利要求1所述的便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：手掌安装板（41）与所述指根（60）之间通过柔性线束管（5）连接。

7.根据权利要求2所述的便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：所述第二导向轮（28）转动安装在U形底座（8）上，所述U形底座（8）固定在所述小臂支架（1）上。

8.根据权利要求1所述的一种便携式手指外骨骼机器人，其特征在于：所述驱动电机（20）外固定有起保护作用的外壳（12）。