自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的制作方法

本发明涉及一种穿戴式柔顺外骨骼康复机械手，尤其是一种用于手部功能障碍的脑卒中患者的康复训练和日常生活辅助装置,属于康复机械手技术领域。

背景技术：

据统计，我国现有40岁以上脑卒中患者已达到1036万人，每年新发病在200万人以上。脑卒中是最常见的致残疾病之一，其中70%~85%的患者伴有偏瘫，在偏瘫患者的上肢功能康复中，又以手功能的康复最为困难。因为手部结构较为复杂，所以手功能康复存在康复周期长，任务重等问题。研究表明，患者通过外部机械辅助进行手部康复训练的康复效果比进行传统的物理治疗的效果要好。外骨骼机械手结合人的智能和机器手的机械能量，可以辅助患者进行实时、精确运动康复训练。

现存外骨骼机械手以刚性传动机构为主，虽然刚性外骨骼机械手已经实现穿戴、康复训练及生活活动辅助的需要，但其还未被应用到临床康复中。最主要的原因是刚性外骨骼机械手由于通过刚性机械传动的方式实现手指各关节的活动而存在结构复杂，体积及重量较大，且其穿戴适应性较差等缺点。

随着机器人技术和康复医学的发展，为了改善现存刚性外骨骼机械手的治疗效果，柔顺外骨骼康复机械手应运而生。它具备刚性外骨骼机械手所不具备的优势，柔顺外骨骼康复机械手具有结构简单，低成本，穿戴适应性强，人机交互安全以及便携的优点，更加适合患者进行康复训练和日常生活辅助。

技术实现要素：

本发明在分析人手生物学特性的基础上，提出了一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手装置，用于手部功能障碍的脑卒中患者的康复训练和日常生活辅助。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手，包括柔性驱动推杆、支撑板、固定架、鲍登线缆、五根柔性铰链手指，直线推杆电机组件、电机箱，所述五根柔性铰链手指安装在支撑板和固定架上，所述的直线推杆电机组件固定在电机箱中，并分别通过直线电机推杆、鲍登线缆和柔性驱动推杆与五根柔性铰链手指连接形成手指驱动机构。

所述五根柔性铰链手指为大拇指、食指，中指，无名指、小拇指，所述食指，中指，无名指和小拇指分别通过手指固定架上的限位滑槽口固定在手背支撑板上；所述大拇指通过大拇指固定架上的通孔固定在大拇指端支撑板上。

所述手指驱动机构包括大拇指驱动机构和四指驱动机构，所述的大拇指驱动机构直接通过u型夹将大拇指柔性驱动推杆和第二鲍登线缆相连，并通过第二鲍登线缆与第一直线推杆电机相连；所述的四指驱动机构具有两个耦合运动机构，分别为食指中指耦合运动机构和无名指小拇指耦合运动机构；所述食指中指耦合运动机构由食指柔性驱动推杆和中指柔性驱动推杆末端分别嵌在第二运动耦合滑块的滑槽中，第二运动耦合滑块与第三鲍登线缆末端相连，第三鲍登线缆与第二直线推杆电机相连。所述无名指小拇指耦合运动机构由无名指柔性驱动推杆和小拇指柔性驱动推杆末端分别嵌在第一运动耦合滑块的滑槽中，第一运动耦合滑块与第一鲍登线缆末端相连，第一鲍登线缆与直线推杆电机相连。

所述手指驱动机构包含柔性铰链手指、柔性驱动推杆、手指固定绑带，手指固定绑带固定在柔性铰链手指的各个手指指节上，柔性驱动推杆穿过柔性铰链手指的空心槽，柔性驱动推杆的末端与柔性铰链手指的指尖通过螺钉固定。

所述的直线推杆电机组件包括三个直线推杆电机、绳缆导块、电机固定件，所述直线推杆电机通过电机固定件固定在电机箱上，鲍登线缆末端穿过绳缆导块中孔并通过u型夹与直线推杆电机相连。

所述的柔性铰链手指采用具有柔顺性的柔性铰链作为手指的转动关节，使柔性铰链手指自适应患者各个手指的位置形态，及各种患者的佩戴需求。

与现有技术相比，本发明取得了以下的有益效果：

1.通过三个直线推杆电机获得动力，分别驱动食指中指，无名指小拇指和大拇指，极大的简化了驱动方式和所用的电机数量，结构更加简单、易于实现。

2.柔顺铰链手指部分通过采用柔顺铰链结构替代传统的刚性铰链，从而使外骨骼康复机械手结构更加简单，成本更低，穿戴适应性更强，人机交互更安全以及更加的便携，更加适合患者进行康复训练和日常生活辅助。

3.本发明采用驱动系统与柔顺外骨骼机械手执行端分离的方式，使患者手部的负担减小，更加适合患者穿戴和训练。

4.本柔顺外骨骼康复机械手具有一定的柔顺性，因此能够很好的适应患者各个手指的位置形态，起到较好的仿生效果，是患者穿戴更加舒适。

附图说明

图1是本发明的自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手装置整体结构示意图；

图2是大拇指驱动机构示意图；

图3是四指驱动机构示意图；

图4是小拇指组件示意图；

图5是直线推杆电机组件示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1至图5所示，本发明的自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手，包括大拇指1、食指2、中指3、无名指4、小拇指5、小拇指柔性驱动推杆7、大拇指柔性驱动推杆18、食指柔性驱动推杆55、中指柔性驱动推杆54、手背支撑板8、手指固定架9、第一鲍登线缆11、第二鲍登线缆22、第三鲍登线缆25、大拇指固定架12、大拇指端支撑板13、无名指柔性驱动推杆53、中指柔性驱动推杆54、食指柔性驱动推杆55、大拇指柔性驱动推杆18、电机箱16、u型夹20、第一运动耦合滑块23、第二运动耦合滑块24、第一直线推杆电机50、第二直线推杆电机51、第三直线推杆电机52等。

如图1和图4所示，直线推杆电机组件固定在电机箱16中，并通过直线电机推杆和鲍登线缆以及机械手端的柔性驱动推杆分别与五根固定在支撑板和固定架上的柔性铰链手指连接形成手指驱动机构。手指驱动机构包括大拇指驱动机构和四指驱动机构，每一个手指驱动机构都包含柔性铰链手指、小拇指柔性驱动推杆7、手指固定绑带，（各个手指情况相同，这里以小拇指为例）前、中、后手指固定绑带27、6、28固定在小拇指5的各个手指指节上，小拇指柔性驱动推杆7穿过小拇指5的空心槽，小拇指柔性驱动推杆7的末端与小拇指5的指尖通过螺钉固定。

如图2所示，大拇指驱动机构直接通过u型夹20将大拇指柔性驱动推杆18和第二鲍登线缆22相连，并通过第二鲍登线缆22与第一直线推杆电机50相连。

如图3所示，四指驱动机构分为两个耦合运动机构，分别为食指中指耦合运动机构和无名指小拇指耦合运动机构。食指中指耦合运动机构由食指柔性驱动推杆55和中指柔性驱动推杆54末端分别嵌在第二运动耦合滑块24的滑槽中，运动耦合滑块24与第三鲍登线缆25末端相连，并通过第三鲍登线缆25与第二直线推杆电机51相连。无名指小拇指耦合运动机构由无名指柔性驱动推杆53和小拇指柔性驱动推杆7末端分别嵌在第一运动耦合滑块23的滑槽中，第一运动耦合滑块23与第一鲍登线缆11末端相连，并通过第一鲍登线缆11与直线推杆电机52相连。

如图5所示，直线推杆电机组件包括电机箱16、电机箱盖15、第一直线推杆电机50、第二直线推杆电机51、第三直线推杆电机52、绳缆导块42、电机固定件49，直线推杆电机通过电机固定件49固定在电机箱16上，第一鲍登线缆11，第二鲍登线缆22，第三鲍登线缆25末端分别穿过绳缆导块42的三个中孔并通过第一u型夹46及第一螺母43、第二u型夹47及第二螺母44和第三u型夹48及第三螺母45与第一直线推杆电机50、第二直线推杆电机51和第三直线推杆电机52相连。

本发明通过使用患者的肌电信号（emg）控制柔顺外骨骼康复机械手的直线推杆电机，从而驱动大拇指和四指柔顺机械结构，带动无法运动的患肢实现抓握运动，进行康复训练和日常生活辅助，通过抓握运动的反复刺激，可以逐渐帮助脑卒中病人恢复部分或全部手运动功能，同时也能对患者的日常生活起到一定的辅助作用。

在各个手指内侧都设置了弯曲角度传感器，可以在患者进行手功能训练的过程中对各个手指的训练情况进行数据采集，便于康复医师对患者训练情况进行分析，制定更加合理的康复训练方案。

使用时，患者将患手放置在手掌支撑架8的内侧。（由于各个手指情况相同，这里以大拇指为例）通过大拇指前固定绑带17和大拇指后固定绑带19将大拇指1固定在相应的柔顺铰链的大拇指1上，使大拇指1与机构完全贴合。通过第一直线推杆电机50推动由第一u型夹46固定连接在电机推杆上的第二鲍登线缆22，第二鲍登线缆22的机械手端通过u型夹20固定连接在大拇指柔性驱动推杆18上，从而推动大拇指柔性驱动推杆18向前位移，在患者大拇指和大柔顺铰链手指的约束下，向下产生弯曲，从而带动大拇指进行屈曲和伸展运动。四指驱动机构和大拇指驱动机构的不同之处在于四指驱动机构分为两个耦合运动机构，分别为食指中指耦合运动机构和无名指小拇指耦合运动机构，其机械手端不同于大拇指驱动机构的由第一鲍登线缆22直接和大拇指柔顺驱动推杆18相连，而是分别通过第一耦合运动滑块23和第二耦合运动滑块24与柔性驱动推杆相连，从而实现一种欠驱动的驱动方式。