基于电磁驱动的手部外骨骼系统的制作方法

本发明涉及一种手部外骨骼系统，特别是涉及一种基于电磁驱动的手部外骨骼系统。

背景技术：

手是人类日常生活中最常用到的人体器官之一，它是人体运动灵巧性的最高体现。人手由二十七块骨骼组成，可以实现二十个自由度的活动。对物体的操纵和触觉感知是人手的两大重要功能。手对物体的操纵功能主要是指手在骨骼、肌肉和神经系统的共同作用下完成对物体抓握、捏取、以及对精细动作控制的能力。外力、疾病以及烧伤等多种原因导致的手部功能损伤严重影响了人们的日常生活。

手部外骨骼这一概念源于柔性外骨骼技术，实质上是一种可穿戴在手部的机器人技术，结合了外骨骼仿生技术和信息控制技术，涉及生物运动学、机器人学、信息科学、人工智能等跨学科知识。手部外骨骼系统主要应用于机械手遥操作及手指姿态测量，及手部功能康复训练。

德国柏林工业大学的andreaswege等学者对手部外骨骼进行了系统的研究，在2005年研制了一种每个手指的两自由度的外骨骼，通过电机－滑轮－绳传动，针对非线性时变特点，采用滑模控制器，并通过积分消除高频碰撞的震颤问题。日本岐阜大学的haruhisakawasaki等学者，于2006年研制的22自由度手部外骨骼康复装置，尝试通过镜像控制，即患者的健侧控制患侧，达到自主康复训练的目的。

鉴于人手部结构复杂、关节自由度多，手部外骨骼的设计存在很大的困难。目前国内对于手部外骨骼的研究设计尚有很大的进步空间。经过对现有技术的文献检索发现相关专利文献，其中国申请专利号为：cn201610447505.1，专利名称为：一种穿戴式手部外骨骼装置，申请日为：2016年6月21日。该发明专利公开了一种基于平面五杆机构和空间六杆机构的手部外骨骼。该装置可穿戴，且具有与人手关节自由度数相匹配的自由度，然而其仍然存在一定的问题：(1)该装置手指关节间由连杆机构连接，导致整个装置体积过大、较为笨重，一定程度上会影响患者康复训练的效果；(2)该手部外骨骼无任何驱动装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电磁驱动的手部外骨骼系统，其能够解决现有技术中存在的不足，有效减小了手部外骨骼的质量、体积，装置结构简单、易于操作。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于电磁驱动的手部外骨骼系统，其特征在于，所述基于电磁驱动的手部外骨骼系统包括手部外骨骼部分、导线、继电器、电源，手部外骨骼部分与所述电源均通过导线与所述继电器部分连接。

优选地，所述所述手部外骨骼部分包括手掌部分及手指部分；所述手指部分包括拇指部、食指部、中指部、无名指部以及小指部；

手掌部分包括掌板、第一电磁铁、第一防滑垫；所述四个电磁铁分别镶嵌在掌板上部的四个卡槽中；所述第一防滑垫固定在掌板下部；食指部、中指部、无名指部以及小指部均包括防滑垫、近节、中节、第一远节、第一永磁铁、第二电磁铁，其中，所述近节在末端通过一个销轴与掌板铰接；所述中节与近节铰接；所述第一远节与中节铰接；所述多个防滑垫分别固定在近节、中节、第一远节下半部；第二电磁铁固定在中节的上半部，第一永磁铁固定在第一近节和第一远节的上半部；

拇指部包括第二永磁铁、第三电磁铁、第二远节、第二近节、第三防滑垫以及连接器，其中，所述第二远节与第二近节铰接；所述第二近节与连接器铰接；所述两个第三防滑垫分别固定在第二远节以及第二近节下部；连接器在末端与掌板形成过盈配合，第三电磁铁固定在第二近节的上半部，第二永磁铁固定在第二远节的上半部以及连接器上的一个圆孔中。

优选地，所述继电器在特定电流信号指令下切换接头位置。

优选地，所述第一电磁铁、第二电磁铁和第三电磁铁的形状都为圆柱体。

优选地，所述继电器的形状为长方体。

优选地，所述继电器是双刀双掷继电器。

优选地，所述电源对手部外骨骼部分、导线、继电器进行供电。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够解决现有技术中存在的不足，提供了一种基于电磁驱动的手部外骨骼装置，有效减小了手部外骨骼的质量、体积，装置结构简单、易于操作。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明手掌部分手背面等轴侧图。

图3为本发明手掌部分手心面等轴侧图。

图4为本发明食指部、中指部、无名指部或小指部等轴侧图。

图5为本发明拇指部等轴侧图。

图6为本发明双刀双掷继电器等轴侧图。

图7为本发明电源等轴侧图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图7所示，本发明基于电磁驱动的手部外骨骼系统包括手部外骨骼部分1、导线2、继电器3、电源4，手部外骨骼部分1与所述电源4均通过导线2与所述继电器3部分连接。

所述手部外骨骼部分包括手掌部分及手指部分；所述手指部分包括拇指部、食指部、中指部、无名指部以及小指部；

手掌部分包括掌板5、第一电磁铁6、第一防滑垫7；所述四个电磁铁6分别镶嵌在掌板5上部的四个卡槽中；所述第一防滑垫7固定在掌板5下部；食指部、中指部、无名指部以及小指部均包括防滑垫8、近节9、中节10、第一远节11、第一永磁铁12、第二电磁铁13，其中，所述近节9在末端通过一个销轴与掌板5铰接；所述中节10与近节9铰接；所述第一远节11与中节10铰接；所述多个防滑垫8分别固定在近节9、中节10、第一远节11下半部；第二电磁铁13固定在中节10的上半部，第一永磁铁12固定在第一近节9和第一远节11的上半部；

拇指部包括第二永磁铁19、第三电磁铁18、第二远节14、第二近节16、第三防滑垫15以及连接器17，其中，所述第二远节14与第二近节16铰接；所述第二近节16与连接器17铰接；所述两个第三防滑垫15分别固定在第二远节14以及第二近节16下部；连接器17在末端与掌板5形成过盈配合，第三电磁铁18固定在第二近节16的上半部，第二永磁铁19固定在第二远节14的上半部以及连接器17上的一个圆孔中。

通过改变所述第一电磁铁6、第二电磁铁13、第三电磁铁18的极性，使得电磁铁与第一永磁铁12、第二永磁铁19极性相斥或相吸，从而对手指部分屈伸的动作形成控制。

所述继电器3在特定电流信号指令下切换接头位置，这样从而改变了电流方向并改变了电磁铁极性。继电器可以是双刀双掷继电器，这样使用方便。

所述第一电磁铁6、第二电磁铁13和第三电磁铁18的形状都为圆柱体，从而具有较高的灵活性。

所述继电器的形状为长方体，这样价格低廉、方便易用、安全有效。

两永磁铁安装极性一致。通电时，电流通过电磁铁使之产生极性，若两电磁铁极性与两永磁铁极性一致，则磁极之间相互吸引，从而使手指完成伸直动作；若两电磁铁极性与永磁铁相反，则磁极之间相互排斥，从而使手指完成弯曲动作。电源对整个装置(手部外骨骼部分、导线、继电器)进行供电。节是指靠近手掌处指节；远节是指远离手掌处指节；中节是指在近节与远节之间的指节。第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁在线圈通电时会产生磁性，且磁场方向随电流方向变化而变化。基于电磁铁的这种特性，同时已知到磁铁同极相斥、易极相吸的原理，考虑到通过磁场间的作用力控制手指外骨骼的运动：通过永磁铁与电磁铁之间的斥力，使指间关节弯曲；通过继电器改变电流方向，使得永磁铁与电磁铁间产生吸力，从而使指尖关节伸直，从而实现手指外骨骼的屈伸。本发明由电流方向控制磁场方向的电磁铁与永磁铁配合为该手部外骨骼提供动力，可通过采集人体皮肤表面微弱的肌电信号，分析肌肉的运动意图，从而传递给该装置，作为其控制信号。本发明使五个手指可独立运动，具有较高的灵活性、整套系统结构简单轻便、易于制造安装，具有价格低廉、方便易用、安全有效，且可控性较高的优点。

综上所述，本发明能够解决现有技术中存在的不足，提供了一种基于电磁驱动的手部外骨骼装置，有效减小了手部外骨骼的质量、体积，装置结构简单、易于操作。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。