手部减压机械外骨骼装置的四指外骨骼弯曲活动驱动系统的制作方法

本实用新型涉及一种用于搬运重物的减压装置，尤其涉及一种手部减压机械外骨骼装置的四指外骨骼弯曲活动驱动系统。

背景技术：

对于经常搬运货物的搬运工比如（搬家工人、建筑工人）来讲，经常要用手部抓握货物，除了大拇指之外的四个手指受力特别大，长时间的搬运作业，会导致手指骨骼、腕关节的损伤，等到年龄大了之后手部就基本残疾了。目前市场上尚未有专门适用于搬运工佩戴的用于减轻手部压力的装置。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、可靠性强、减压效果好、承重大的手部减压机械外骨骼装置的四指外骨骼弯曲活动驱动系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：手部减压机械外骨骼装置的四指外骨骼弯曲活动驱动系统，包括前臂旋转筒，前臂旋转筒前端通过手腕万向节连接有手掌安放筒，手掌安放筒底部左侧或右侧开设有大拇指伸出口，手掌安放筒顶部分别通过一套单驱动多杆机构并排传动连接有位于手掌安放筒前侧的小指外骨骼组件、无名指外骨骼组件、中指外骨骼组件和食指外骨骼组件；

小指外骨骼组件、无名指外骨骼组件、中指外骨骼组件和食指外骨骼组件的构造相同；食指外骨骼组件包括由前到后依次设置的第一指关节外套、第二指关节外套和第三指关节外套，单驱动多杆机构的动力输出端与第一指关节外套顶部连接，第二指关节外套后端伸入到第一指关节外套内，第二指关节外套左右两侧通过第一铆接轴与第一指关节外套上下转动连接，第三指关节外套后端伸入到第二指关节外套内，第三指关节外套左右两侧通过第二铆接轴与第二指关节外套上下转动连接，第三指关节外套前端封堵，第三指关节外套外部套设有防滑套，防滑套外表面均匀设有防滑凸起。

所述单驱动多杆机构包括虚拟轴驱动器安装座、旋转轴驱动器安装座、连接板、球窝支座、虚拟轴驱动气缸、旋转轴驱动气缸、L型驱动臂、后支撑臂、前支撑臂、第一驱动杆、第二驱动杆和连杆；

虚拟轴驱动器安装座底部固定设在手掌安放筒顶部后侧，旋转轴驱动器安装座设在虚拟轴驱动器安装座左侧下部，球窝支座固定设在手掌安放筒顶部前侧，虚拟轴驱动气缸和旋转轴驱动气缸均沿前后方向设置，虚拟轴驱动器安装座内转动连接有沿垂直方向设置的第一球头杆，第一球头杆上端与虚拟轴驱动气缸底部固定连接，旋转轴驱动器安装座内转动连接有水平设置第二球头杆，第二球头杆的左端与旋转轴驱动气缸右侧固定连接，虚拟轴驱动气缸的活塞杆前端通过第一球铰链与L型驱动臂上端铰接，前支撑臂下端底部设有球头座，球头座转动连接在球窝支座内，球头座左侧固定设有摇杆，旋转轴驱动气缸的活塞杆前端通过第二球铰链与摇杆左端铰接，前支撑臂下端与后支撑臂前端铰接，前支撑臂上端与L型驱动臂的中部顶角处铰接；

连接板下端固定设在第一指关节外套顶部，第一驱动杆下端与连接板的下部铰接，第二驱动杆下端与连接板的上部铰接，第一驱动杆的长度大于第二驱动杆的长度，第一驱动杆的上端高于第二驱动杆的上端，连杆两端分别与第二驱动杆上端与第一驱动杆上部铰接，连杆、第一驱动杆、第二驱动杆和连接板之间构成平行四边形结构，L型驱动臂前端与第一驱动杆上端铰接，后支撑臂前端与连杆下部后侧固定连接。

手掌安放筒顶部设有将四个单驱动多杆机构罩住的罩壳。

手腕万向节包括连接筒、左连接耳、右连接耳、上连接耳和下连接耳，左连接耳和右连接耳的后侧分别固定连接在前臂旋转筒前端的左侧和右侧外表面上，连接筒的左侧和右侧分别与左连接耳和右连接耳的前侧通过第一销轴转动连接，上连接耳和下连接耳的前侧分别固定连接在手掌安放筒后部的上侧和下侧外表面上，连接筒的上侧和下侧分别与上连接耳和下连接耳的后侧通过第二销轴转动连接。

防滑套左侧和右侧分别设有一个矩形卡孔，第三指关节外套外壁的左侧和右侧分别设有一个卡块，卡块的厚度由前向后逐渐增大，防滑套套设在第三指关节外套上且同侧的卡块与矩形卡孔卡接配合；第三指关节外套内壁的上部和下部分别设有一个压力传感器。

采用上述技术方案，手部减压机械外骨骼装置还包括以下技术特征：包括前臂固定筒，前臂固定筒前侧内壁设有两道圆环槽，前臂旋转筒后部插设在前臂固定筒内，前臂旋转筒外壁上设有转动限位在圆环槽内两道圆环凸棱， 前臂旋转筒底部设有安装架，安装架下表面设有微型气动肌腱，小指外骨骼组件、无名指外骨骼组件、中指外骨骼组件和食指外骨骼组件的第三指关节外套分别与微型气动肌腱之间设有一个指节弯曲拉动扣紧机构。

与食指外骨骼组件连接的指节弯曲拉动扣紧机构包括拉线固定杆、搭线横杆和拉线，拉线固定杆水平设在第三指关节外套内上部后侧，第三指关节外套顶部后侧沿前后方向设有长孔，第三指关节外套的顶部、前部和底部的外表面设有与长孔前端贯通的导向槽，搭线横杆水平设在第二指关节外套内的下部，搭线横杆上设有导槽，第一指关节外套内底部设有一个前过线管，手掌安放筒内底部沿左右方向均匀布置有四个后过线管，前臂旋转筒底部设有位于微型气动肌腱前侧的过线孔，拉线的前端固定连接在拉线固定杆上，拉线由前到后依次经过长孔、导向槽、搭线横杆上的导槽、后过线管、其中一个前过线管和过线孔，拉线的后端固定连接在微型气动肌腱的动力输出端上。连接筒底部设有手腕支撑座，手腕支撑座上设有前后通透的四个导线孔，四个导线孔沿左右方向并排设置，拉线穿设在导线孔内。

前臂固定筒包括上半圆筒和下半圆筒，上半圆筒和下半圆筒的两侧对应设有连接块，上半圆筒上的连接块和下半圆筒上的连接块之间通过内六方螺栓紧固连接。

手部减压机械外骨骼装置专门用于搬运工人使用，搬运工人随身携带电源、控制器和气泵，电源用于向控制器、气泵和微型气动肌腱供电，气泵向虚拟轴驱动气缸和旋转轴驱动气缸提供动力。

手部减压机械外骨骼装置在使用时，手由前臂固定筒后端依次穿过前臂固定筒、前臂旋转筒、手腕万向节、手掌安放筒后，大拇指穿过手掌安放筒上的大拇指伸出口，食指、中指、无名指和小指分别对应伸入到食指外骨骼组件、中指外骨骼组件、无名指外骨骼组件和小指外骨骼组件内，使用绷带将前臂固定筒固定在前臂上，由于前臂旋转筒后部插设在前臂固定筒内，前臂旋转筒外壁上设有转动限位在圆环槽内两道圆环凸棱，当手部需要旋转时，可带动前臂旋转筒以及手腕万向节、手掌安放筒共同转动。

小指外骨骼组件、无名指外骨骼组件、中指外骨骼组件和食指外骨骼组件的构造相同，仅仅是长短不同，以适应人们的四个手指。小指外骨骼组件、无名指外骨骼组件、中指外骨骼组件和食指外骨骼组件上均连接有一个结构相同的单驱动多杆机构。搬运重物时，同时启动四个虚拟轴驱动气缸，虚拟轴驱动气缸的活塞杆伸长，向前推动L型驱动臂，L型驱动臂的中部顶角处以前支撑臂上端为支点向前转动，L型驱动臂前端驱动第一驱动杆，第一驱动杆在后支撑臂的约束下，第一驱动杆前端只能向下转动，连杆、第一驱动杆、第二驱动杆和连接板之间构成平行四边形结构展开，第一驱动杆和第二驱动杆前端的连接板也向下转动，即第一指关节外套向下转动。与此同时，微型气动肌腱也启动，向后拉动拉线，拉线前端拉动拉线固定杆，这样就可将第三指关节外套向下弯曲，第三指关节外套就带动第二指关节外套也向下弯曲，当然，随着第一指关节外套、第二指关节外套和第三指关节外套的向下弯曲，四个手指也随着弯曲。第三指关节外套外部套设的防滑套与重物接触，防滑套外表面均匀设置的防滑凸起避免滑脱，确保搬运的安全性，第三指关节外套内设置的压力传感器检测到压力最大值后，将信号传输给控制器，控制器命令虚拟轴驱动气缸和微型气动肌腱停止。若需要左右移动小指外骨骼组件、无名指外骨骼组件、中指外骨骼组件和食指外骨骼组件时，以转动食指外骨骼组件为例，启动旋转轴驱动气缸，旋转轴驱动气缸的活塞杆伸缩，通过摇杆驱动球头座和后支撑臂在球窝支座内水平转动，后支撑臂带动第一连杆和第二连杆转动，最终带动食指外骨骼组件左右转动。这样就可使第三指关节外套紧扣住重物的合适位置。紧扣重物后，四个手指也适当用力，提高搬运重物的稳妥可靠性。

手腕万向节起到顺应前臂上下左右微调的作用，手腕万向节采用连接筒、左连接耳、右连接耳、上连接耳和下连接耳的连接结构，结构简单且便于制造安装。前臂固定筒包括上半圆筒和下半圆筒，这样便于在前臂固定筒内拆装前臂旋转筒。当弯曲后的小指外骨骼组件、无名指外骨骼组件、中指外骨骼组件和食指外骨骼组件需要展开时，可通过四个手指的伸展来驱动展开，同时拉线、虚拟轴驱动气缸也复位。指节弯曲拉动扣紧机构采用的拉线动力来自于微型气动肌腱，第三指关节外套外部套设的防滑套还具有保护不磨损绕在导向槽内的拉线的作用，另外，长孔、导向槽、搭线横杆上的导槽、后过线管、前过线管、手腕支撑座上上设置的导线孔和过线孔，均起到导向拉线的作用。其中连接筒底部设有手腕支撑座，使手腕有所支撑，有助于使手腕舒适并保护手腕的作用。

单驱动多杆机构采用以气缸为动力以及球铰链加上多杆机构的方式，实现了手指在三维空间的活动。采用多杆机构，结构更加紧凑简单，活动范围有限，没有干扰和波动。

卡块的厚度由前向后逐渐增大，即卡块的外侧面形成楔形面，这样便于防滑套套在第三指关节外套上，并起到良好限位作用，以防止防滑套脱落。

综上所述，手部减压机械外骨骼装置设计新颖、结构简单、安全可靠，易于制造，专门为搬运工人设计，有助于保护手臂及手部安全，充分减轻了搬运工手部的用力，并大大提高了搬运重物的重量，也提高了搬运货物的效率。另外本实用新型还可用于医疗器械，有助于部患者手部和腕部更好更全面地康复治疗。

附图说明

图1是手部减压机械外骨骼装置中食指外骨骼组件在伸展状态下的立体结构示意图；

图2是手部减压机械外骨骼装置中食指外骨骼组件在弯曲状态下的立体结构示意图；

图3是图2状态下的平面结构示意图；

图4是手部减压机械外骨骼装置中手腕万向节的结构示意图；

图5是手部减压机械外骨骼装置中食指外骨骼组件的平面剖视结构示意图；

图6是食指外骨骼组件的爆炸图。

具体实施方式

如图1-图6所示，手部减压机械外骨骼装置，包括前臂固定筒和前臂旋转筒2，前臂固定筒前侧内壁设有两道圆环槽3，前臂旋转筒2后部插设在前臂固定筒内，前臂旋转筒2外壁上设有转动限位在圆环槽3内两道圆环凸棱4，前臂旋转筒2前端通过手腕万向节5连接有手掌安放筒6，手掌安放筒6底部左侧或右侧开设有大拇指伸出口7，手掌安放筒6顶部分别通过一套单驱动多杆机构并排传动连接有位于手掌安放筒6前侧的小指外骨骼组件8、无名指外骨骼组件9、中指外骨骼组件10和食指外骨骼组件11。

小指外骨骼组件8、无名指外骨骼组件9、中指外骨骼组件10和食指外骨骼组件11的构造相同；食指外骨骼组件11包括由前到后依次设置的第一指关节外套12、第二指关节外套13和第三指关节外套14，单驱动多杆机构的动力输出端与第一指关节外套12顶部连接，第二指关节外套13后端伸入到第一指关节外套12内，第二指关节外套13左右两侧通过第一铆接轴15与第一指关节外套12上下转动连接，第三指关节外套14后端伸入到第二指关节外套13内，第三指关节外套14左右两侧通过第二铆接轴16与第二指关节外套13上下转动连接，第三指关节外套14前端封堵，第三指关节外套14外部套设有防滑套17，防滑套17外表面均匀设有防滑凸起18。

前臂旋转筒2底部设有安装架19，安装架19下表面设有微型气动肌腱20，小指外骨骼组件8、无名指外骨骼组件9、中指外骨骼组件10和食指外骨骼组件11的第三指关节外套14分别与微型气动肌腱20之间设有一个指节弯曲拉动扣紧机构。

单驱动多杆机构包括虚拟轴驱动器安装座21、旋转轴驱动器安装座22、连接板23、球窝支座24、虚拟轴驱动气缸25、旋转轴驱动气缸26、L型驱动臂27、后支撑臂28、前支撑臂29、第一驱动杆30、第二驱动杆31和连杆32。

虚拟轴驱动器安装座21底部固定设在手掌安放筒6顶部后侧，旋转轴驱动器安装座22设在虚拟轴驱动器安装座21左侧下部，球窝支座24固定设在手掌安放筒6顶部前侧，虚拟轴驱动气缸25和旋转轴驱动气缸26均沿前后方向设置，虚拟轴驱动器安装座21内转动连接有沿垂直方向设置的第一球头杆33，第一球头杆33上端与虚拟轴驱动气缸25底部固定连接，旋转轴驱动器安装座22内转动连接有水平设置第二球头杆34，第二球头杆34的左端与旋转轴驱动气缸26右侧固定连接，虚拟轴驱动气缸25的活塞杆前端通过第一球铰链35与L型驱动臂27上端铰接，前支撑臂29下端底部设有球头座36，球头座36转动连接在球窝支座24内，球头座36左侧固定设有摇杆（图中未示意出来），旋转轴驱动气缸26的活塞杆前端通过第二球铰链38与摇杆左端铰接，前支撑臂29下端与后支撑臂28前端铰接，前支撑臂29上端与L型驱动臂27的中部顶角处铰接。

连接板23下端固定设在第一指关节外套12顶部，第一驱动杆30下端与连接板23的下部铰接，第二驱动杆31下端与连接板23的上部铰接，第一驱动杆30的长度大于第二驱动杆31的长度，第一驱动杆30的上端高于第二驱动杆31的上端，连杆32两端分别与第二驱动杆31上端与第一驱动杆30上部铰接，连杆32、第一驱动杆30、第二驱动杆31和连接板23之间构成平行四边形结构，L型驱动臂27前端与第一驱动杆30上端铰接，后支撑臂28前端与连杆32下部后侧固定连接。

与食指外骨骼组件11连接的指节弯曲拉动扣紧机构包括拉线固定杆39、搭线横杆40和拉线41，拉线固定杆39水平设在第三指关节外套14内上部后侧，第三指关节外套14顶部后侧沿前后方向设有长孔42，第三指关节外套14的顶部、前部和底部的外表面设有与长孔42前端贯通的导向槽43，搭线横杆40水平设在第二指关节外套13内的下部，搭线横杆40上设有导槽43，第一指关节外套12内底部设有一个前过线管44，手掌安放筒6内底部沿左右方向均匀布置有四个后过线管45，前臂旋转筒2底部设有位于微型气动肌腱20前侧的过线孔46，拉线41的前端固定连接在拉线固定杆39上，拉线41由前到后依次经过长孔42、导向槽43、搭线横杆40上的导槽43、后过线管45、其中一个前过线管44和过线孔46，拉线41的后端固定连接在微型气动肌腱20的动力输出端上；第三指关节外套14内壁的上部和下部分别设有一个压力传感器47。

前臂固定筒包括上半圆筒1和下半圆筒48，上半圆筒1和下半圆筒48的两侧对应设有连接块49，上半圆筒1上的连接块49和下半圆筒48上的连接块49之间通过内六方螺栓紧固连接。

手掌安放筒6顶部设有将四个单驱动多杆机构罩住的罩壳50。

手腕万向节5包括连接筒51、左连接耳52、右连接耳53、上连接耳54和下连接耳55，左连接耳52和右连接耳53的后侧分别固定连接在前臂旋转筒2前端的左侧和右侧外表面上，连接筒51的左侧和右侧分别与左连接耳52和右连接耳53的前侧通过第一销轴56转动连接，上连接耳54和下连接耳55的前侧分别固定连接在手掌安放筒6后部的上侧和下侧外表面上，连接筒51的上侧和下侧分别与上连接耳54和下连接耳55的后侧通过第二销轴57转动连接；

连接筒51底部设有手腕支撑座58，手腕支撑座58上设有前后通透的四个导线孔59，四个导线孔59沿左右方向并排设置，拉线41穿设在导线孔59内。

防滑套17左侧和右侧分别设有一个矩形卡孔60，第三指关节外套14外壁的左侧和右侧分别设有一个卡块61，卡块61的厚度由前向后逐渐增大，防滑套17套设在第三指关节外套14上且同侧的卡块61与矩形卡孔60卡接配合。

手部减压机械外骨骼装置专门用于搬运工人使用，搬运工人随身携带电源、控制器和气泵（图中未示意出来），电源用于向控制器、气泵和微型气动肌腱20供电，气泵向虚拟轴驱动气缸25和旋转轴驱动气缸26提供动力。

手部减压机械外骨骼装置在使用时，手由前臂固定筒后端依次穿过前臂固定筒、前臂旋转筒2、手腕万向节5、手掌安放筒6后，大拇指穿过手掌安放筒6上的大拇指伸出口7，食指、中指、无名指和小指分别对应伸入到食指外骨骼组件11、中指外骨骼组件10、无名指外骨骼组件9和小指外骨骼组件8内，使用绷带将前臂固定筒固定在前臂上，由于前臂旋转筒2后部插设在前臂固定筒内，前臂旋转筒2外壁上设有转动限位在圆环槽3内两道圆环凸棱4，当手部需要旋转时，可带动前臂旋转筒2以及手腕万向节5、手掌安放筒6共同转动。

小指外骨骼组件8、无名指外骨骼组件9、中指外骨骼组件10和食指外骨骼组件11的构造相同，仅仅是长短不同，以适应人们的四个手指。小指外骨骼组件8、无名指外骨骼组件9、中指外骨骼组件10和食指外骨骼组件11上均连接有一个结构相同的单驱动多杆机构。搬运重物时，同时启动四个虚拟轴驱动气缸25，虚拟轴驱动气缸25的活塞杆伸长，向前推动L型驱动臂27，L型驱动臂27的中部顶角处以前支撑臂29上端为支点向前转动，L型驱动臂27前端驱动第一驱动杆30，第一驱动杆30在后支撑臂28的约束下，第一驱动杆30前端只能向下转动，连杆32、第一驱动杆30、第二驱动杆31和连接板23之间构成平行四边形结构展开，第一驱动杆30和第二驱动杆31前端的连接板23也向下转动，即第一指关节外套12向下转动。与此同时，微型气动肌腱20也启动，向后拉动拉线41，拉线41前端拉动拉线固定杆39，这样就可将第三指关节外套14向下弯曲，第三指关节外套14就带动第二指关节外套13也向下弯曲，当然，随着第一指关节外套12、第二指关节外套13和第三指关节外套14的向下弯曲，四个手指也随着弯曲。第三指关节外套14外部套设的防滑套17与重物接触，防滑套17外表面均匀设置的防滑凸起18避免滑脱，确保搬运的安全性，第三指关节外套14内设置的压力传感器47检测到压力最大值后，将信号传输给控制器，控制器命令虚拟轴驱动气缸25和微型气动肌腱20停止。若需要左右移动小指外骨骼组件8、无名指外骨骼组件9、中指外骨骼组件10和食指外骨骼组件11时，以转动食指外骨骼组件11为例，启动旋转轴驱动气缸26，旋转轴驱动气缸26的活塞杆伸缩，通过摇杆驱动球头座36和后支撑臂28在球窝支座24内水平转动，后支撑臂28带动第一连杆32和第二连杆32转动，最终带动食指外骨骼组件11左右转动。这样就可使第三指关节外套14紧扣住重物的合适位置。紧扣重物后，四个手指也适当用力，提高搬运重物的稳妥可靠性。

手腕万向节5起到顺应前臂上下左右微调的作用，手腕万向节5采用连接筒51、左连接耳52、右连接耳53、上连接耳54和下连接耳55的连接结构，结构简单且便于制造安装。前臂固定筒包括上半圆筒1和下半圆筒48，这样便于在前臂固定筒内拆装前臂旋转筒2。当弯曲后的小指外骨骼组件8、无名指外骨骼组件9、中指外骨骼组件10和食指外骨骼组件11需要展开时，可通过四个手指的伸展来驱动展开，同时拉线41、虚拟轴驱动气缸25也复位。指节弯曲拉动扣紧机构采用的拉线41动力来自于微型气动肌腱20，第三指关节外套14外部套设的防滑套17还具有保护不磨损绕在导向槽43内的拉线41的作用，另外，长孔42、导向槽43、搭线横杆40上的导槽43、后过线管45、前过线管44、手腕支撑座58上上设置的导线孔59和过线孔46，均起到导向拉线41的作用。其中连接筒51底部设有手腕支撑座58，使手腕有所支撑，有助于使手腕舒适并保护手腕的作用。

单驱动多杆机构采用以气缸为动力以及球铰链加上多杆机构的方式，实现了手指在三维空间的活动。采用多杆机构，结构更加紧凑简单，活动范围有限，没有干扰和波动。

卡块61的厚度由前向后逐渐增大，即卡块61的外侧面形成楔形面，这样便于防滑套17套在第三指关节外套14上，并起到良好限位作用，以防止防滑套17脱落。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。