本发明涉及人体运动辅助器械领域，尤其涉及一种基于预弯曲弹性丝管驱动的手部外骨骼装置。
背景技术：
手是人体重要的组成器官。脑卒中和意外伤害容易导致人手感觉和运动功能缺失，严重影响人们的日常生活。高强度的持续康复训练是有效的治疗方法。传统的康复训练主要依赖于医生的经验，缺乏科学性和系统性，治疗效果存在较大局限。手部外骨骼是一种固定于人手上的机械装置。基于手部外骨骼的康复训练方法可以通过精确的力和位置控制，针对患者的个体差异，为患者提供科学的量化治疗，加速康复进程，同时降低医生工作强度。
在危险或人类活动难以到达的区域，如深海、外太空等，以及需要高精度、高度灵活性以及较大操作力的环境下，往往难以直接通过人手完成特定动作。利用智能装置代替人手可以解决上述问题。单一的智能装置由于操作环境的不确定性难以独立完成复杂任务。因此，采用遥操作的形式，将人的智能与智能装置相结合，即人作为主端，控制从端设备。手部外骨骼作为操作端的设备，能够使操作者获得更真实的操作感觉，被广泛应用于遥操作系统中。
在目前的研究中，公告号为cn102895091b、名为“穿戴式便携动力外骨骼手功能康复训练装置”的中国发明专利公开了通过直线推杆驱动手指运动；wege等在文献“developmentandcontrolofahandexoskeletonforrehabilitationofhandinjuries”中公开了通过手部肌肉控制的外骨骼，实现手部20个自由度的运动；fontana等人在文献“mechanicaldesignofanovelhandexoskeletonforaccurateforcedisplaying”公开了针对食指和拇指功能恢复的外骨骼，具有力反馈功能。
然而，目前的研究成果存在着机构复杂、不够灵活、以及缺乏柔韧性等问题，同时，由于机构的旋转中心与人手的运动中心不一致，导致使用者穿戴不够舒适，力觉和位置测量也存在着不够精确的问题。
技术实现要素：
基于此，有必要针对现有技术中存在的缺点，提供一种新型的手部外骨骼装置，该手部外骨骼装置基于预弯曲弹性丝管驱动，能够与人手指的屈伸和摆动相一致地进行旋转，且具有较强的柔韧性。
本发明的目的在于提供一种基于预弯曲弹性丝管驱动的手部外骨骼装置，包括：拇指运动组件、拇指驱动组件、四指运动组件和四指驱动组件，所述拇指驱动组件可转动地连接至所述拇指运动组件并驱动所述拇指运动组件进行弯曲、伸展和摆动，所述四指驱动组件连接至所述四指运动组件并驱动所述四指运动组件进行弯曲和伸展，所述拇指驱动组件可转动地连接至所述四指驱动组件，所述拇指运动组件和四指运动组件是基于预弯曲弹性丝管驱动的。
在其中一个实施例中，拇指运动组件包括第一关节支架，3个关节连接座，丝管连接座，连接丝管，第三关节支架，拇指关节底座连接件，丝管旋转连接件和拇指旋转连接件，其中：所述第一关节支架为u型框架结构，其可转动地连接至第三关节支架；所述第三关节支架为u型框架结构，其连接至拇指关节底座连接件；所述拇指关节底座连接件为板状结构，其可转动地连接至拇指旋转连接件，且该拇指关节底座连接件上可转动地连接有丝管旋转连接件，该丝管旋转连接件为带有3个通孔的u形结构；所述关节连接座为带有两个通孔且可使丝管从中穿过的结构，3个关节连接座分别可转动地连接至第一关节支架、第三关节支架和丝管旋转连接件，连接至所述丝管旋转连接件的所述关节连接座通过丝管连接至拇指驱动组件；所述丝管连接座为带有3个孔的柱状结构，其中两个孔分别通过两个连接丝管连接至第一关节支架和第三关节支架，另一孔通过丝管连接至拇指驱动组件；所述拇指旋转连接件为带有3个通孔的片状结构，其连接拇指运动组件和拇指驱动组件；拇指驱动组件包括第一关节丝管，第一关节套管，第一关节丝杠连接件，第三关节丝管，第三关节套管，第三关节丝杠连接件，2个丝杠、2个固定连杆、方杆、方孔齿轮、圆孔齿轮、拇指驱动支架、3个联轴器和3个电机，其中：所述第一关节丝管套设于第一关节套管的内部，并连接至第一关节丝杠连接件，该第一关节套管的端面连接至拇指驱动支架；所述第三关节丝管套设于第三关节套管的内部，并连接至第三关节丝杠连接件；所述丝杠的一端连接至拇指驱动支架的与第一关节套管的端面相连的一侧，另一端穿过第一关节丝杠连接件或第三关节丝杠连接件，经由联轴器连接至电机；所述固定连杆的两端分别连接至拇指驱动支架的两侧，用于限制所述第一丝杠连接件或第三丝杠连接件的运动；所述拇指驱动支架是一带有多个安装孔的结构件，用于固定拇指驱动组件的各部件；所述方杆的一端连接至拇指驱动支架的与第一关节套管的端面相连的一侧，另一端穿过方孔齿轮和第三关节丝杠连接件，经由联轴器与电机连接；所述方孔齿轮分别与方杆和第三关节丝杠连接件连接，并与圆孔齿轮啮合，该圆孔齿轮分别与第三关节丝管和第三关节丝杠连接件连接。
在其中一个实施例中，四指运动组件包括4个子运动组件，每个子运动组件包括第一关节支架，3个关节连接座，丝管连接座，连接丝管，第二关节支架，第三关节支架，和四指关节底座连接件，其中：所述第一关节支架可转动地连接至第二关节支架，所述第二关节支架可转动地连接至第三关节支架，所述第三关节支架可滑动地连接至板状结构的四指关节底座连接件；所述3个关节连接座分别可转动地连接至所述第一关节支架、第三关节支架和四指关节底座连接件；所述丝管连接座的两个孔分别通过两个连接丝管连接至所述第一关节支架和第三关节支架，另一孔通过丝管连接至四指驱动组件；所述四指关节底座连接件上的关节连接座通过丝管连接至四指驱动组件；四指驱动组件包括4个第一关节丝管，4个第一关节套管，8个第一关节丝杠连接件，4个第三关节丝管，4个第三关节套管，8个丝杠，8个固定连杆，四指驱动支架，8个联轴器和8个电机，其中：所述第一关节丝管套设于第一关节套管内部，并连接至第一关节丝杠连接件；所述第一关节套管的端面连接至四指驱动支架；所述第三关节丝管套设于第三关节套管内部，并连接至第一关节丝杠连接件；所述丝杠的一端连接至四指驱动支架的与第一关节套管的端面相连的一侧，另一端穿过第一关节丝杠连接件，经由联轴器连接至电机；所述固定连杆的两端分别连接至四指驱动支架的两侧；所述四指驱动支架是一带有多个安装孔的结构件，用于固定四指驱动组件的各部件。
在其中一个实施例中，所述第三关节支架为带有滑轨的u型框架结构，其可滑动地连接至拇指关节底座连接件。
上述基于预弯曲弹性丝管驱动的手部外骨骼装置，采用弹性丝管来传递驱动力，使机构具有较好的柔韧性。此外，该手部外骨骼装置的拇指和四指运动组件的第三关节支架为带有滑轨的u型框架结构，其可滑动地连接至拇指关节底座连接件，以便根据手指的长度调节运动组件的长度。通过为四指运动组件设置相对于人四指的远端指间关节和近端指间关节的旋转中心，使得该装置的关节运动中心与人手指的旋转中心一致，穿戴者的四指能够实现弯曲和伸展；通过为拇指运动组件设置拇指旋转连接件，穿戴者的拇指能够实现弯曲、伸展和摆动，获得了与人手指关节相一致的自由度，使手部运动更灵活与舒适。并且，该装置具有结构紧凑、体积小、方便操作、易于控制的优点。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的基于预弯曲弹性丝管驱动的手部外骨骼装置的整体结构示意图；
图2为图1的手部外骨骼装置的第一关节支架的结构示意图；
图3为图1的手部外骨骼装置的关节连接座的结构示意图；
图4为图1的手部外骨骼装置的丝管连接座的结构示意图；
图5为图1的手部外骨骼装置的拇指运动组件的结构示意图；
图6为图1的手部外骨骼装置的第三关节支架的结构示意图；
图7为图1的手部外骨骼装置的拇指关节底座连接件的结构示意图；
图8为图1的手部外骨骼装置的丝管旋转连接件的结构示意图；
图9为图1的手部外骨骼装置的拇指旋转连接件的结构示意图；
图10为图1的手部外骨骼装置的拇指驱动组件的结构示意图；
图11为图1的手部外骨骼装置的第一关节丝杠连接件的结构示意图；
图12为图1的手部外骨骼装置的第三关节丝杠连接件的结构示意图；
图13为图1的手部外骨骼装置的拇指驱动支架的结构示意图；
图14为图1的手部外骨骼装置的四指运动组件的结构示意图；
图15为图1的手部外骨骼装置的第二关节支架的结构示意图；
图16为图1的手部外骨骼装置的四指驱动组件的结构示意图；
图17为图1的手部外骨骼装置的四指关节底座连接件的结构示意图；
图18为图1的手部外骨骼装置的驱动支架的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
图1为根据本发明一个实施例的基于预弯曲弹性丝管驱动的手部外骨骼装置的整体结构示意图。如图1所示，该手部外骨骼装置1包括拇指运动组件10、拇指驱动组件20、四指运动组件11和四指驱动组件21。拇指运动组件10位于拇指驱动组件20的前部，并可转动地连接至拇指驱动组件20；四指运动组件11位于四指驱动组件21的前部，连接至四指驱动组件21；拇指驱动组件20可转动地连接至四指驱动组件21。
图2到图9分别为手部外骨骼装置1的拇指运动组件10的各部件结构示意图。如图1到图9所示，拇指运动组件10包括第一关节支架111，3个关节连接座112a-c，丝管连接座113，连接丝管114，第三关节支架115，拇指关节底座连接件116，丝管旋转连接件117和拇指旋转连接件118。第一关节支架111为u型框架结构，其可转动地连接至第三关节支架115。第三关节支架115为带有滑轨的u型框架结构，其可滑动地连接至拇指关节底座连接件116。拇指关节底座连接件116为板状结构，其可转动地连接至拇指旋转连接件118，且该拇指关节底座连接件116上可转动地连接有丝管旋转连接件117，该丝管旋转连接件117为带有3个通孔的u形结构。关节连接座112a-c为带有两个通孔且可使丝管从中穿过的结构，3个关节连接座112a、112b和112c分别可转动地连接至第一关节支架111、第三关节支架115和丝管旋转连接件117，其中，关节连接座112c通过丝管连接至拇指驱动组件20。丝管连接座113为带有3个孔的柱状结构，其中两个孔分别通过两个连接丝管114连接至第一关节支架111和第三关节支架115，另一孔通过丝管连接至拇指驱动组件20。拇指旋转连接件118为带有3个通孔的片状结构，用于连接拇指运动组件10和拇指驱动组件20。
图10到图13分别为手部外骨骼装置1的拇指驱动组件20的各部件结构示意图。如图10到图13所示，拇指驱动组件20包括第一关节丝管211，第一关节套管212，第一关节丝杠连接件213，第三关节丝管231、第三关节套管232，第三关节丝杠连接件233，2个丝杠241、2个固定连杆242、方杆243、方孔齿轮251、圆孔齿轮252、拇指驱动支架260、3个联轴器270和3个电机280。第一关节丝管211套设于第一关节套管212的内部，并连接至第一关节丝杠连接件213，第一关节套管212的端面连接至拇指驱动支架260。第三关节丝管231套设于第三关节套管232的内部，并连接至第三关节丝杠连接件233。第一关节丝管211和第三关节丝管231是市购的普通弹性丝管或钢管(简称丝管)，用于驱动人手关节。第一关节套管212和第三关节套管232是市购的普通管状结构，用于限制第一关节丝管211和第三关节丝管231的形位。第一关节丝杠连接件213和第三关节丝杠连接件233是带有螺纹孔和通孔的片状结构，分别用于控制第一关节丝管211和第三关节丝管231的运动。丝杠241是市购的普通丝杠，其一端连接至拇指驱动支架260的与第一关节套管212的端面相连的一侧，另一端穿过第一关节丝杠连接件213或第三关节丝杠连接件233，经由联轴器270连接至电机280，用于将电机280的动力传递给第一关节丝管211或第三关节丝管231。每一丝杠241与一个固定连杆242配合使用，该固定连杆242为市购的普通杆状结构，其两端分别连接至拇指驱动支架260的两侧，用于限制第一丝杠连接件213或第三丝杠连接件233的运动。拇指驱动支架260是一带有多个安装孔的结构件，用于固定拇指驱动组件20的各部件。方杆243是市购的普通方杆，其一端连接至拇指驱动支架260的与第一关节套管212的端面相连的一侧，另一端穿过方孔齿轮251和第三关节丝杠连接件233，经由联轴器270与电机280连接，用于驱动方孔齿轮251。方孔齿轮251分别与方杆243和第三关节丝杠连接件233连接，并与圆孔齿轮252啮合，圆孔齿轮252分别与第三关节丝管231和第三关节丝杠连接件233连接，用于传递方孔齿轮251的动力。方孔齿轮251和圆孔齿轮252均为市购的普通齿轮。联轴器270是市购的普通联轴器，用于将丝杠241或方杆243连接至电机280。电机280是市购的普通电机，用于驱动丝杠241和方杆243。
图14为手部外骨骼装置1的四指运动组件11的结构示意图。如图1所示，四指运动组件11包括4个大致相同的运动组件和共用的四指驱动组件。结合图1-图4、图6、图8、图14-图15、图17，以下以四指运动组件11中对应于食指的运动组件为例进行说明。为清楚起见，其中与拇指运动组件10中相同的部件采用相同的术语和附图标记。
该对应于食指的运动组件包括第一关节支架111，3个关节连接座112a-c，丝管连接座113，连接丝管114，第二关节支架120，第三关节支架115，和四指关节底座连接件130。第一关节支架111可转动地连接至第二关节支架120，第二关节支架120可转动地连接至第三关节支架115，第三关节支架115可滑动地连接至板状结构的四指关节底座连接件130。3个关节连接座112a、112b和112c分别可转动地连接至第一关节支架111、第三关节支架115和四指关节底座连接件130。丝管连接座113的两个孔分别通过两个连接丝管114连接至第一关节支架111和第三关节支架115，另一孔通过丝管连接至四指驱动组件21。四指关节底座连接件130上的关节连接座112c通过丝管连接至四指驱动组件21。
手部外骨骼装置1的四指驱动组件21包括4个第一关节丝管211，4个第一关节套管212，8个第一关节丝杠连接件213，4个第三关节丝管231，4个第三关节套管232，8个丝杠241，8个固定连杆242，四指驱动支架290，8个联轴器270和8个电机280。第一关节丝管211套设于第一关节套管212内部，并连接至第一关节丝杠连接件213，第一关节套管212的端面连接至四指驱动支架290。第三关节丝管231套设于第三关节套管232内部，并连接至第一关节丝杠连接件213。丝杠241的一端连接至四指驱动支架290的与第一关节套管212的端面相连的一侧，另一端穿过第一关节丝杠连接件213，经由联轴器270连接至电机280。每一丝杠241与一个固定连杆242配合使用，该固定连杆242的两端分别连接至四指驱动支架290的两侧。四指驱动支架290是一带有多个安装孔的结构件，用于固定四指驱动组件21的各部件。
以下将对本实施例的手部外骨骼装置的操作进行描述。
将拇指运动组件10的第一关节支架111和第三关节支架115分别与人的拇指背部连接，将四指运动组件11的第一关节支架111、第二关节支架120和第三关节支架115分别与人的除拇指外的四个手指的背部连接，将四指驱动支架290与人的手背连接。随后，将手指和手部外骨骼装置调整至舒适位置。
启动电机280，其驱动丝杠241旋转，带动第一关节丝杠连接件213沿丝杠241的轴向运动，从而第一关节丝管211和第三关节丝管231跟随丝杠241分别沿第一关节套管212和第三关节套管232轴向运动。
对于拇指运动组件而言，在第一关节丝管211和第三关节丝管231的轴向运动作用下，第一关节支架111被带动从而绕其与第三关节支架115旋转连接的转轴进行相对旋转运动，从而带动拇指作出弯曲和伸展动作。并且，电机280驱动方杆243进行旋转运动，动力通过圆孔齿轮252传递至第三关节丝管231，使得第三关节丝管231进行旋转运动，通过拇指旋转连接件118，带动拇指作出左右摆动动作。
对于四指运动组件而言，在第一关节丝管211和第三关节丝管231的轴向运动作用下，第一关节支架111、第二关节支架120以及第三关节支架115被带动从而绕各旋转连接的转轴进行相对旋转运动，从而带动四指作出弯曲和伸展动作。具体地，第一关节支架111与第二关节支架120之间形成对应于远端指间关节的旋转连接，第二关节支架120与第三关节支架115之间形成对应于近端指间关节的旋转连接。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。