欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人。

背景技术

近年来，由于车祸、工伤等事故和脑卒中、脊髓损伤等神经系统功能障碍引起手部运动功能障碍的患者数量在不断增加，以及康复治疗成本的增长和康复医师的不足，康复需求问题日益突出，同时大部分患者在康复后存在手部肌力不足，难以完成日常对生活所需物品的操作。近年来，诸多临床试验表明，手部外骨骼机器人能在一定程度上可以帮助手部运动功能障碍患者恢复其肢体主动控制能力，同时能够协助肌力不足患者进行日常操作，受到了社会各界的广泛关注。现有手部外骨骼机器人设计主要关注点在于帮助手部运动障碍患者进行康复训练，鲜有考虑在患者康复之后协助患者进行日常生活操作（即助力）这个过程。因此，需要一款考虑康复到助力全过程的手部外骨骼机器人，以解决或至少减轻上述问题的发生。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中现有技术手部外骨骼机器人无法即帮助患者进行康复训练又协助患者进行日常生活操作（即助力）的问题，本申请提供一种欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人，包括依次铰接的掌指单元、近节单元、中节单元和远节单元以及联动机构，所述联动机构包括依次铰接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆。

所述第一连杆背离所述第二连杆的一端装设于所述掌指单元，所述第二连杆与所述第三连杆的铰接端通过第一支撑座装设于所述近节单元，所述第四连杆与所述第五连杆的铰接端通过第二支撑座装设于所述中节单元，所述第六连杆背离所述第五连杆的一端装设于所述远节单元。

所述第二连杆与所述第三连杆在靠近彼此的端部分别设置有齿轮，所述第二连杆的齿轮与所述第三连杆的齿轮啮合，所述第四连杆与所述第五连杆在靠近彼此的端部分别设置有齿轮，所述第四连杆的齿轮与所述第五连杆的齿轮啮合。

所述第一支撑座可转动地装设于所述近节单元，所述第二支撑座可转动地装设于所述中节单元，所述第一支撑座的转动方向、所述第二支撑座的转动方向与手指的弯曲方向一致。

所述第一连杆背离所述第二连杆的一端与动力装置的输出轴连接，所述动力装置通过驱动所述第一连杆逆时针转动或顺时针转动以驱动所述机器人做屈曲运动或伸展运动。

在一些优选技术方案中，通过调整所述第二连杆的齿轮与所述第三连杆的齿轮齿数比能够调节近端指间关节的转动角度。

在一些优选技术方案中，通过调整所述第四连杆的齿轮与所述第五连杆的齿轮齿数比能够调节远端指间关节的转动角度。

在一些优选技术方案中，所述第一支撑座和所述第二支撑座结构相同，所述第一支撑座包括第一固定部和第二固定部，所述第一固定部和所述第二固定部分别用于固定两个相互啮合的齿轮，以使两个相互啮合的齿轮能够分别绕自身轴线旋转。

在一些优选技术方案中，所述动力装置固定于所述掌指单元，所述动力装置的输出轴沿手指的屈曲方向设置，所述动力装置的输出轴通过锥齿轮组件与所述第一连杆连接。

在一些优选技术方案中，所述第一连杆背离所述动力装置的一端设置有球座轴承，所述第二连杆背离所述第三连杆的一端为U型端，所述第二连杆U型端的两个固定部分别与所述球座轴承的两个侧面铰接。

在一些优选技术方案中，所述第二连杆的齿轮与所述第三连杆的齿轮齿数比为1:1。

在一些优选技术方案中，所述第四连杆的齿轮与所述第五连杆的齿轮齿数比为0.7:1。

在一些优选技术方案中，所述第一支撑座、所述第二支撑座分别通过扭弹性连接件可转动地装设于所述近节单元、所述中节单元。

在一些优选技术方案中，所述扭弹性连接件为双扭簧或燕尾夹。

本发明的有益效果。

本发明能够通过更换第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆长度，实现对手指各关节活动角度的调节。具体使用时，还可通过调节掌指单元，近节单元，中节单元在手部的绑缚位置，远节单元在手部的绑缚位置，实现对患者手指活动角度的调节。

本发明通过欠驱动方式实现单个电机驱动手指掌指关节、近指间关节、远指间关节运动；同时本发明的联动机构能够更好实现日常生活操作中力量抓握和精细抓握，在手指未接触物体之前，掌指关节、近指间关节、远指间关节耦合运动，在手指任意指节接触物体后，手指在电机驱动下能自适应抓握物体形状。

本发明欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人的体积小，质量轻，运动范围可调，制造简单、成本低，易于实现批量化生产。

本发明欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人用于帮助存在手部运动障碍的患者活动手指，协助治疗师做康复训练，同时该手部外骨骼机器人可以帮助肌肉无力的使用者进行日常行为操作，给予助力。本申请手部外骨骼机器人灵活轻巧，可以广泛用于多个领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明一种实施例的欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人驱动手指伸展状态下的示意图。

图2是本发明一种实施例的欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人驱动手指弯曲状态下的示意图。

图3是本发明一种实施例中欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人的分解示意图。

附图标记列表。

1-掌指单元；2-近节单元；3-中节单元；4-远节单元；5-掌指底座；6-电机；7-锥齿轮；8-第一连杆；9-球座轴承；10-第二连杆；11-第一支撑座；12-第一双扭簧；13-近节底座；14-第三连杆；15-第四连杆；16-第二支撑座；17-第二双扭簧；18-中节底座；19-第五连杆；20-第六连杆；21-远节底座。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的一种欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人，包括依次铰接的掌指单元1、近节单元2、中节单元3和远节单元4、联动机构和动力装置。

其中，联动机构包括依次铰接的第一连杆8、第二连杆10、第三连杆14、第四连杆15、第五连杆19、第六连杆20。

进一步地，动力装置固定于掌指单元1，动力装置的输出轴沿手指的屈曲方向设置，动力装置的输出轴通过锥齿轮组件与第一连杆连接。在本申请的实施例中，动力装置包括电机6和锥齿轮组件，具体地，锥齿轮组件包括装设于电机输出轴的锥齿轮和与第一连杆8连接的锥齿轮7，两个锥齿轮啮合，用于改变电机输出轴的方向，使其驱动第一连杆进行转动。

第一连杆8背离第二连杆10的一端装设于掌指单元1，第二连杆10与第三连杆14的铰接端通过第一支撑座11装设于近节单元2，第四连杆15与第五连杆19的铰接端通过第二支撑座16装设于中节单元3，第六连杆20背离第五连杆19的一端装设于远节单元4。

第二连杆10与第三连杆14在靠近彼此的端部分别设置有齿轮，第二连杆10的齿轮与第三连杆14的齿轮啮合，第四连杆15与第五连杆19在靠近彼此的端部分别设置有齿轮，第四连杆15的齿轮与第五连杆19的齿轮啮合。

第一支撑座11可转动地装设于近节单元2，第二支撑座16可转动地装设于中节单元3，第一支撑座11的转动方向、第二支撑座16的转动方向与手指的弯曲方向一致。

第一连杆8背离第二连杆10的一端与动力装置的输出轴连接，即第一连杆8背离第二连杆10的一端与电机6的输出轴连接，具体地，动力装置通过驱动第一连杆逆时针或顺时针转动以驱动机器人做屈曲运动或伸展运动。

为了更清晰地对本发明欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。

作为本发明的一个优选实施例，本发明的欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人如图1所示，图1示意了本申请欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人在伸展运动状态下的示意图，即掌指单元1、近节单元2、中节单元3和远节单元4处于同一水平面，图2示意了本申请欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人在屈曲运动状态下的示意图，即掌指单元1、近节单元2、中节单元3和远节单元4彼此呈一定角度。可以理解的是，掌指单元1包括具有手指固定部的掌指底座5，掌指底座5的固定部能够固定于手指或手掌的设定位置，优选地，掌指单元绑缚于手背上，即实际中对应穿戴者手部的手掌。同时本申请掌指底座5用于定电机6和第一连杆8，第一连杆8与掌指底座5的固定端通过锥齿轮组件与电机6的输出轴连接，锥齿轮组件包括两个相互啮合的锥齿轮，其中一个装设于电机6的输出轴，另一个与第一连杆8底端圆孔通过转动轴承连接，即图3示意的锥齿轮7。通过该设置能够将电机输出的扭矩换向，以驱动第一连杆8绕其与掌指底座5的铰接处顺时针转动或逆时针转动。第一连杆8背离电机6的一端设置有球座轴承9，第二连杆10背离第三连杆14的一端为U型端，第二连杆U型端的两个固定部分别与球座轴承9的两个侧面铰接。球座轴承9可以实现一个被动左右自由度，方便手指左右运动。

进一步地，近节单元2包括近节底座13，近节单元2能够通过近节底座13固定于手指的设定位置，优选地，近节单元绑缚于手指第三指节指背处，即实际对应穿戴者手部的近节指节。同时近节底座13用于固定第一支撑座11，第一支撑座11包括第一固定部和第二固定部，其中，第一固定部和第二固定部分别用于固定两个相互啮合的齿轮，以使两个相互啮合的齿轮能够分别绕自身轴线旋转。具体而言，第二连杆10一端为U型状，与掌指单元1上的球座轴承9连接，另一端为齿轮状，通过转动轴承与第一支撑座11的固定部连接；第三连杆一端为U型状，与中节单元3上第四连杆15通过转动轴承连接，另一端为齿轮状，通过轴承与第一支撑座11连接，第二连杆10一端齿轮和第三连杆14一端齿轮互相啮合，在本发明的优选实施例中，第二连杆10与第三连杆14的齿数比为1:1。可以理解的是，本领域技术人员能够通过调整第二连杆10的齿轮与第三连杆14的齿轮齿数比能够调节近端指间关节的转动角度。

同理，中节单元3包括中节底座18，中节单元3能够通过中节底座18固定于手指的设定位置，优选地，中节单元绑缚于手指第二指节指背处，即实际对应穿戴者手部的中节指节。同时中节底座18用于固定第二支撑座16，第二支撑座16与第一支撑座11结构相同，第二支撑座16的两个固定部分别用于固定第三连杆和第四连杆的齿轮端。具体地，第四连杆15一端为半圆状，与近节单元2第三连杆14通过转动轴承连接，另一端为齿轮状，通过转动轴承与第二支撑座16连接；第五连杆19一端为半圆状，与远节单元4上第六连杆20通过转动轴承连接，另一端为齿轮状，通过转动轴承与第二支撑座16连接；第四连杆15一端齿轮和第五连杆19一端齿轮互相啮合，在本发明的优选实施例中，第四连杆15与第五连杆19的齿数比为0.7:1。可以理解的是，本领域技术人员能够通过调整第四连杆15的齿轮与第五连杆19的齿轮齿数比调节近端指间关节的转动角度。

参阅图3，远节单元4包括远节底座21，远节单元4能够通过远节底座21固定于手指的设定位置，优选地，远节单元绑缚于手指第一指节指背处，即实际对应穿戴者手部的远节指节。第六连杆20一端为U型状，与中节单元第五连杆19通过转动轴承连接，另一端与远节底座21通过转动轴承连接。

在本发明的优选实施例中，第一支撑座11通过扭弹性连接件可转动地装设于近节单元2，第二支撑座16通过扭弹性连接件可转动地装设于中节单元3。其中，扭弹性连接件为双扭簧或燕尾夹。参阅附图，本申请优选扭弹性连接件为双扭簧，双扭簧的两个弹簧体分别设置于支撑座的两侧，双扭簧的U形连接部与支撑座背离动力装置的一侧抵触。

具体而言，第一支撑座11与近节底座12通过转动轴承连接，轴承连接处嵌套第一双扭簧12，双扭簧初始状态处于压缩预紧，阻碍第一支撑座11与近节底座12之间的相对转动，同样地，第二支撑座16通过转动轴承与中节底座18连接，转动轴承处嵌套双扭簧17，双扭簧17初始状态处于压缩预紧，阻碍第二支撑座16与中节底座18之间的相对转动。上述的掌指底座5、近节底座13、中节底座18、远节底座21、锥齿轮7、球座轴承9、第一连杆8、第二连杆10、第三连杆14、第四连杆15、第五连杆19、第六连杆20、第一双扭簧12、第二双扭簧17的材质可为光固化树脂，尼龙，塑料，金属。

可以理解的是，虽然图中并未示出，但是本发明的欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人除了图中所示的结构之外还包括控制电路。由于是本领域技术人员所熟知的结构、装置，所以此处不再做过多说明。

下面结合图1-3详细说明本发明的工作原理。

本申请手部外骨骼机器人工作分为两个阶段，即耦合阶段，自适应阶段。当手部外骨骼机器人没有和物体接触时，此时为耦合阶段；当手部外骨骼机器人和物体接触时，此时为自适应阶段。

在耦合阶段，本申请手部外骨骼机器人没有和物体接触。此时，当电机正向按照一定角速度转动一定角位移时，此时通过锥齿轮将驱动第一连杆向前转动，第一连杆将会带动第二连杆转动，第二连杆所在的第一支撑座由于第一双弹簧的预紧力存在，第一支撑座和近节底座之间不会发生相对转动，此时穿戴者掌指关节会在外骨骼的带动下发生转动，向下弯曲，即弯曲运动。当第二连杆齿轮状一端发生转动时，由于第二连杆和第三连杆之间通过齿轮耦合在一起，此时第三连杆也将会向前转动，进而带动第四连杆进行转动，第四连杆所在的第二支撑座由于第二双弹簧的预紧力存在，第二支撑座和中节底座之间不会发生相对转动，此时穿戴者近指间关节会在外骨骼的带动下发生转动，向下弯曲，即弯曲运动。当第四连杆齿轮状一端发生转动时，由于第四连杆和第五连杆之间通过齿轮耦合在一起，此时第五连杆也将会向前转动，进而驱动第六连杆进行转动，此时穿戴者远指间关节会在外骨骼的带动下发生转动，向下弯曲，即弯曲运动。同理，当电机反向按照一定角速度转动一定角位移时，此时外骨骼将带动手指掌指关节，近指间关节，远指间关节向上伸展，即伸展运动。在耦合阶段，手指的掌指关节，近指间关节，远指间关节同时运动，且之间运动的角度成固定比例1:1:1（通过更改齿数比，此比例可调）。

在自适应阶段，外骨骼和物体接触（以手指第三指节，第二指节，第一指节依次与物体接触为例）。当手指第三指节先和物体接触即穿戴者掌指关节不会再发生转动，电机正向按照一定角速度转动一定角位移，通过锥齿轮将驱动第一连杆向前转动，第一连杆将会带动第二连杆转动，此时，由于手指与物体接触不再转动，则第二连杆对第一支撑座施加的力将克服第一双弹簧的预紧力，第一支撑座和近节底座之间发生相对转动，第一支撑座将会向前转动，带动第三连杆发生转动，进而会带动第四连杆转动。同时，由于第二连杆和第三连杆之间通过齿轮耦合在一起，当第二连杆齿轮状一端发生转动时，此时第三连杆也将会向前转动，也会带动第四连杆进行转动，第四连杆所在的第二支撑座开始由于双弹簧的预紧力存在，第二支撑座和中节底座之间不会发生相对转动，此时穿戴者近指间关节会在外骨骼的带动下发生转动，向下弯曲，即弯曲运动，直到第二指节和物体接触。当第二指节接触时，此时穿戴者近指关节不会在发生转动。由于第三连杆的继续转动，第四连杆对第二支撑座施加的力将会克服第二双弹簧的预紧力，第二支撑座和中节底座之间发生相对转动，第二支撑座将会向前转动，带动第五连杆发生转动。同时，当第四连杆齿轮状一端发生转动时，由于第四连杆和第五连杆之间通过齿轮耦合在一起，此时第五连杆也将会向前转动，进而驱动第六连杆进行转动，此时穿戴者远指间关节会在外骨骼的带动下发生转动，向下弯曲，即弯曲运动，直到第一指节和物体发生接触。整个过程为完成一次包络抓握，抓握过程可自适应物体形状。同理，当电机反向按照一定角速度转动一定角位移时，此时外骨骼将带动手指掌指关节，近指间关节，远指间关节向上伸展，即伸展运动，此时第一指节，第二指节，第三指节将与物体脱离接触，即释放抓握到的物体。

上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：。

本发明能够通过更换第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆长度，实现对手指各关节活动角度的调节。具体使用时，还可通过调节掌指单元，近节单元，中节单元在手部的绑缚位置，远节单元在手部的绑缚位置，实现对患者手指活动角度的调节。

本发明通过欠驱动方式实现单个电机驱动手指掌指关节、近指间关节、远指间关节运动；同时本发明的联动机构能够更好实现日常生活操作中力量抓握和精细抓握，在手指未接触物体之前，掌指关节、近指间关节、远指间关节耦合运动，在手指任意指节接触物体后，手指在电机驱动下能自适应抓握物体形状。

本发明欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人的体积小，质量轻，运动范围可调，制造简单、成本低，易于实现批量化生产，本申请面向患者设计，意在帮助患者进行康复辅助，帮助手功运动障碍患者进行康复训练或者助力操作，本申请所设计的欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人在设计时从人机运动链相融合的角度考虑外骨骼设计问题，将人手关节运动考虑到机构的闭环链中，并通过构造人机恰约束运动链实现人机手指之间的运动相容性。本申请的手部外骨骼机器人离开穿戴者人手后将不能独立运动，只能在人手穿戴上该外骨骼构成人机融合，才能运动。

本发明欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人相比于工业机器人的设计理念不同，所要解决的技术问题和实际的技术方案不同，本申请所设计的外骨骼需要穿戴在患者手上，和患者手指构成一个人机融合体，此时需要考虑人机运动相容性问题，即机器人关节运动需要和人手关节运动轴线自适应对齐，否则会对人手指造成损害。

本发明欠驱动耦合自适应手部外骨骼机器人用于帮助存在手部运动障碍的患者活动手指，协助治疗师做康复训练，同时该手部外骨骼机器人可以帮助肌肉无力的使用者进行日常行为操作，给予助力，在实现人机运动相容的同时，可以实现帮助穿戴者进行力量抓握（包络抓握）和精细抓握（捏取抓握）。本申请手部外骨骼机器人灵活轻巧，可以广泛用于多个领域。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。