一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人的制作方法
【专利摘要】一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，是由驱动单元和与驱动单元相连的执行单元构成，执行单元包括：用于带动手指根部关节活动的掌指关节单元模块、用于带动手指中部关节活动的近指关节单元模块和用于带动手指端部关节活动的远指关节单元模块，驱动单元包括有3组独立工作且结构完全相同的分别对应驱动掌指关节单元模块、近指关节单元模块和远指关节单元模块的驱动模块。本发明不仅能够满足处拇指以外其他手指三个自由度和各关节的运动角度，而且引入串联弹性驱动器，从而保证了对关节力矩的精确控制；此外大部分零件由3D打印制成，在保证强度的前提下，大大降低了作用的手指的重量；而且在一定范围内适应了手指长度的个体差异。
【专利说明】
一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人
技术领域
[0001]本发明涉及一种功能康复机器人。特别是涉及一种对手指运动功能障碍患者的手指关节进行运动康复训练的基于柔索驱动手部运动功能康复机器人。
【背景技术】
[0002]人的手极易受到伤害，受伤导致的手部运动障碍已经成为当今社会的一大问题。手部运动障碍主要包括脑卒中引起上肢偏瘫、运动损伤以及意外损伤。研究表明中枢神经系统具有较高的可塑性，实验表明特定的功能训练能促进中枢神经系统的重组和代偿，恢复患者的肢体功能。因此康复治疗对恢复患者手的运动能力，生活自理能力，减轻功能上的残疾程度、增强患者的满意度，降低护理的高额费用以及节约社会资源等方面具有重要意义。然而，传统的康复方法为通过康复理疗师对患者进行一对一的康复，这种方法不仅价格昂贵而且费时费力，因此手部康复机器人应运而生。然而现有的康复设备存在以下不足:穿戴性差，作用在手部的重量太大;无法适应患者手指长度个体的个体差异;康复过程中存在作用于不利于患者康复的轴向分力;无法实现对作用于手指关节的康复力矩的精确控制。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，提供一种不仅能够满足除拇指以外其他手指三个自由度和各关节的运动角度，而且能保证了对关节力矩精确控制的基于柔索驱动手部运动功能康复机器人。
[0004]本发明所采用的技术方案是:一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，是由驱动单元和与驱动单元相连的执行单元构成，所述的执行单元包括:用于带动手指根部关节活动的掌指关节单元模块、用于带动手指中部关节活动的近指关节单元模块和用于带动手指端部关节活动的远指关节单元模块，所述的驱动单元包括有3组独立工作且结构完全相同的分别对应驱动掌指关节单元模块、近指关节单元模块和远指关节单元模块的驱动模块。
[0005]所述的驱动模块包括有:设置在电机座上的带编码器的电机，通过平键固定连接在所述带编码器的电机输出轴上的主驱动滑轮，以及第一柔索和第二柔索，所述第一柔索和第二柔索的一端分别通过固定销轴固定连接在所述主驱动滑轮的第一柔索槽内，所述第一柔索和第二柔索的另一端贯穿一端固定在柔索外套固定架上另一端固定在掌指关节单元模块或近指关节单元模块或远指关节单元模块上的柔索外套连接所驱动的掌指关节单元模块或近指关节单元模块或远指关节单元模块，所述的柔索外套固定架固定设置在所述电机座上。
[0006]本发明的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，不仅能够满足处拇指以外其他手指三个自由度和各关节的运动角度，而且引入串联弹性驱动器，从而保证了对关节力矩的精确控制;此外大部分零件由3D打印制成，在保证强度的前提下，大大降低了作用的手指的重量;而且在一定范围内适应了手指长度的个体差异。本发明具有如下特点:
[0007](I)本发明执行部分长度可调，在一定范围内适应手指长度的个体差异；
[0008](2)与现有的手部康复设备相比，可以对手指的每一个关节进行独立双向驱动；
[0009](3)与现有的手部康复设备相比，引入串联弹性驱动器，可以实现对施加在手指关节上力矩的精确控制；
[0010](4)本发明的大部分零件都采用3D打印制成，质量轻、结构紧凑，因而作用的在手指上的重量较轻。
【附图说明】
[0011]图1是本发明基于柔索驱动手部运动功能康复机器人的整体结构示意图；
[0012]图2是本发明中驱动模块的整体结构示意图；
[0013]图3是本发明中主驱动滑轮内部结构示意图；
[0014]图4是本发明中掌指关节单元模块的整体结构示意图；
[0015]图5是本发明中掌指关节单元模块的分解结构示意图；
[0016]图6是本发明中近指关节单元模块的整体结构示意图；
[0017]图7是本发明中近指关节单元模块的分解结构示意图；
[0018]图8是本发明中远指关节单元模块的整体结构示意图；
[0019]图9是本发明中远指关节单元模块的分解结构示意图；
[0020]图10是本发明中第一驱动滑轮、第二驱动滑轮和第三驱动滑轮的内部结构示意图。
[0021]图中
[0022]1:驱动模块101:电机座
[0023]102:固定销轴103:平键
[0024]104:主驱动滑轮105:带编码器的电机
[0025]106:第一柔索107:柔索外套
[0026]108:柔索外套固定架 109:第二柔索
[0027]1010:第一柔索槽1011:轴孔
[0028]1012:平键槽孔1013:销孔
[0029]1014:弹簧槽1015:弹簧
[0030]1016:弹簧压头1017:第二柔索槽
[0031]1018:尼龙扣带1019:通孔
[0032]2:掌指关节单兀1?块 201:基座
[0033]202:掌指关节底座203:第一圆弧形座套
[0034]204:第一驱动滑轮205:第一滑轮槽
[0035]206:第一中心螺纹孔 207:第一中心孔
[0036]208:第一中心轴209:第一磁环固定座
[0037]2010:第一磁环2011:第一中心轮孔
[0038]2012:第一销孔2013:第一销轴
[0039]2014:过带孔2015:第一磁阻角度传感器
[0040]2016:第一传感器槽2017:第一主动杆[0041 ]2018:第一从动杆2019:滑块
[0042]2020:微型直线轨道2021:第一 U形槽
[0043]2022:螺栓2023:第一传感器挡板
[0044]3:近指关节单兀_吴块301:后近指关节底座
[0045]302:第二圆弧形座套303:后尼龙扣带槽
[0046]304:后尼龙扣带305:第二滑轮槽
[0047]306:第二中心螺纹孔307:第二中心孔
[0048]308:第二驱动滑轮309:第二中心轮孔
[0049]3010:第二中心轴3011:第二磁环固定座
[0050]3012:第二磁环3013:第二销轴[0051 ]3014:第二传感器槽3015:第二销孔
[0052]3016:第二主动杆3017:第二从动杆
[0053]3018:前近指关节底座3019:前尼龙扣带槽
[0054]3020:前尼龙扣带3021:滑槽
[0055]3022:第二 U 形槽3023:螺栓
[0056]3024:第二磁阻角度传感器3025:第二传感器挡板
[0057]4:远指关节单兀_吴块401:后远指关节底座
[0058]402:第三圆弧形座套403:铰接块
[0059]404:后尼龙扣带槽405:后尼龙扣带
[0060]406:第三滑轮槽407:第三中心螺纹孔[0061 ]408:第三中心孔409:第三驱动滑轮
[0062]4010:第三中心轮孔4011:第三中心轴
[0063]4012:第三磁环固定座4013:第三磁环
[0064]4014:第三磁阻角度传感器4015:第三传感器槽
[0065]4016:第三销孔4017:第三销轴
[0066]4018:第三主动杆4019:第三从动杆
[0067]4020:前远指关节底座4021:前尼龙扣带槽
[0068]4022:前尼龙扣带4023:第三U形槽
[0069]4024:螺栓4025:第三传感器挡板
[0070]5:手掌
【具体实施方式】
[0071]下面结合实施例和附图对本发明的基于柔索驱动手部运动功能康复机器人做出详细说明。
[0072]如图1所示，本发明的基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，是由驱动单元和与驱动单元相连的执行单元构成，所述的执行单元包括:用于带动手指根部关节活动的掌指关节单元模块2、用于带动手指中部关节活动的近指关节单元模块3和用于带动手指端部关节活动的远指关节单元模块4，所述的驱动单元I包括有3组独立工作且结构完全相同的分别对应驱动掌指关节单元模块2、近指关节单元模块3和远指关节单元模块4的驱动模块I。
[0073]如图2、图3所示，所述的驱动模块I包括有:设置在电机座101上的带编码器的电机105，通过平键103固定连接在所述带编码器的电机105输出轴上的主驱动滑轮104，以及第一柔索106和第二柔索109，所述第一柔索106和第二柔索109的一端分别通过固定销轴102固定连接在所述主驱动滑轮104的第一柔索槽1010内，所述第一柔索106和第二柔索109的另一端贯穿一端固定在柔索外套固定架108上另一端固定在掌指关节单元模块2或近指关节单元模块3或远指关节单元模块4上的柔索外套107连接所驱动的掌指关节单元模块2或近指关节单元模块3或远指关节单元模块4，所述的柔索外套固定架108固定设置在所述电机座101上。
[0074]如图3所示，所述的主驱动滑轮104的中心开有用于插入带编码器的电机105输出轴的轴孔1011，所述轴孔1011的侧边相连通地开有用于插入平键103的平键槽孔1012，所述第一的柔索槽1010是在所述主驱动滑轮104的外周边上沿圆周方向向内凹进形成的，在所述轴孔1011和第一柔索槽1010之间开有用于插入固定销轴102固定第一柔索106和第二柔索109的销孔1013。
[0075]本发明的基于柔索驱动手部运动功能康复机器人的驱动单元通过第一柔索106和第一柔索109(共6根)分别对执行单元中的掌指关节单元模块2、近指关节单元模块3和远指关节单元模块4的独立双向驱动，实现患者手指的屈曲/伸展康复动作。为了防止执行单元与驱动单元之间的第一柔索106和第一柔索109松弛，以及避免产生不必要的耦合，两者之间通过柔索外套107(共6根)连接，第一柔索106和第一柔索109分别穿过所对应的柔索外套107实现传动。执行部分又可分为掌指关节单元模块2(1个自由度)、近指关节单元模块3(1个自由度)、远指关节单元模块4 (I个自由度)。
[0076]近指关节单元模块3中前近指关节底座3018上的滑槽3021与远指关节单元模块4的后远指关节底座401通过螺栓相连(如图1、图7、图8所示)，改变滑槽3021的固定位置即可调整近指关节单元模块3和远指关节单元模块4的距离。掌指关节单元模块2中，通过调整滑块2019与微型直线轨道2020的初始位置，可实现对掌指关节单元模块2与近指关节单元模块3的距离的调整(如图4、图5所示)。通过以上两种结构可以在一定范围内实现对手指长度个体差异的适应。
[0077]如图4、图5所示，所述的掌指关节单元模块2包括有:用于连接在手掌5的设定位置上的基座201，固定在所述基座201上的掌指关节底座202，以及一体形成在掌指关节底座202上的第一圆弧形座套203，所述基座201是通过形成在基座201上的过带孔2014和尼龙扣带1018与手掌5固定连接，所述第一圆弧形座套203在位于非圆弧面的一面上形成有向内凹进的第一滑轮槽205，所述第一圆弧形座套203上构成第一滑轮槽205的两个侧壁中的一个侧壁上在位于圆心处形成有第一中心螺纹孔206，另一个侧壁上在位于圆心处形成有与所述的第一中心螺纹孔206同轴的第一中心孔207，第一驱动滑轮204通过依次插入第一中心孔207、第一驱动滑轮204的第一中心轮孔2011和第一中心螺纹孔206的第一中心轴208能够旋转的设置在所述第一圆弧形座套203的第一滑轮槽205内，所述的第一中心轴208通过形成在前端部的外螺纹与所述的第一中心螺纹孔206螺纹连接而固定连接在所述第一圆弧形座套203上，所述第一圆弧形座套203上在位于第一滑轮槽205的外侧且与所述的第一中心孔207相邻处一体形成有与所述的第一中心孔207同轴的磁环固定座209，所述磁环固定座209内嵌入有与所述的磁环固定座209过盈配合的第一磁环2010，所述的磁环固定座209与所述的第一滑轮槽205的侧壁之间还形成有用于插入第一磁阻角度传感器2015的第一传感器槽2016，所述第一驱动滑轮204上在位于中心轮孔2011的一侧形成有相贯通的第一销孔2012，所述第一销孔2012上通过第一销轴2013固定连接从第一滑轮槽205外侧底部插入到所述第一滑轮槽205内的用于驱动第一驱动滑轮204的驱动模块I中的第一柔索106和第二柔索109，所述第一驱动滑轮204上在位于中心轮孔2011远离第一销孔2012的一侧，且位于所述第一滑轮槽205的外侧，固定连接有第一主动杆2017的一端，所述第一主动杆2017的另一端铰接有第一从动杆2018的上部，所述第一从动杆2018的底部固定连接在能够沿微型直线轨道2020移动的滑块2019上，所述的微型直线轨道2020固定连接所述近指关节单元模块3。
[0078]所述的第一主动杆2017在连接所述第一驱动滑轮204的一端的端头一体形成有第一 U形槽2021，所述的第一驱动滑轮204嵌入在所述的第一 U形槽2021内并通过贯穿形成在第一 U形槽2021槽壁上的通孔和形成在第一驱动滑轮204上的通孔的两个螺栓2022与第一主动杆2017固定连接，所述两个螺栓2022靠近螺帽侧还连接有用于固定所述第一磁阻角度传感器2015的第一传感器挡板传感器挡板2023，所述的第一磁阻角度传感器2015的前部分插入所述的第一传感器槽2016内，后部分通过卡在两个螺栓2022之间而固定在所述第一U形槽2021的槽壁外侧。
[0079]掌指关节单元模块2中，通过一端固定在过带孔2014上的尼龙扣带1018将基座201固定在手掌5的指定位置(如图1所示)；第一主动杆2017—端通过螺栓连接与第一从动杆2018形成转动副，而另一端通过两个传感器固定孔分别与第一驱动滑轮204的两个通孔通过螺栓固定一体，然后整体与通过穿过第一驱动滑轮204的中心轮孔2011的第一中心轴208形成旋转副；第一中心轴208带螺纹一端与第一中心螺纹孔206连接，第一中心轴208的另一端与第一中心孔207连接，且第一中心轴208的两个端面分别与第一驱动滑轮204的两个端面对齐;第一磁阻角度传感器2015通过第一传感器挡板2023与第一主动杆2017和第一驱动滑轮204连为一体，保证第一磁阻角度传感器2015位于第一传感器槽2016内的同时保证第一中心轴轴线在第一磁阻角度传感器2015的识别区内，且第一磁阻角度传感器2015与第一磁环2010的轴向距离在有效距离内，以实现对第一主动杆2017相对于第一中心轴208的转角的精确测量;第一磁环2010通过其外圈与第一磁环固定座209形成过盈配合，并且保证第一磁环2010、第一磁环固定座209和第一中心轴2010同轴心;通过第一销轴2013将第一柔索106和第二柔索109固定在第一驱动滑轮204的槽内；弹簧1015—端与弹簧槽1014相固定，另一端与弹簧压头1016固定，保证弹簧1015的两个端面与上述两者底部重合；第一从动杆2018通过螺栓与滑块2019连接固定；微型直线轨道2020的螺纹孔分别与后近指关节底座301上的四个滑道固定孔(图4、图5、图6、图7所示)用螺栓连接固定;柔索外套107的一端固定在弹簧压头1016上;柔索外套7内的第一柔索106和第二柔索109带动第一驱动滑轮204驱动整个模块运动的同时压缩驱动一侧的弹簧1015，并通过计算第一磁阻角度传感器2015测量的关节角度值和带编码器的电机105上的编码器所侧电机角度两者的差值，求得弹簧1015的形变量，结合已知弹簧1015的弹性系数得出作用在第一驱动滑轮204上的力矩。
[0080]如图6、图7所示，所述的近指关节单元模块3包括有:用于连接在手掌5的中节指骨上的后近指关节底座301，以及一体形成在近指关节底座301上的第二圆弧形座套302，掌指关节单元模块2中的微型直线轨道2020固定连接在所述后近指关节底座301上，所述后近指关节底座301是通过形成在近后指关节底座301上的后尼龙扣带槽303和后尼龙扣带304与手掌5的中节指骨固定连接，所述第二圆弧形座套302在位于非圆弧面的一面上形成有向内凹进的第二滑轮槽305，所述第二圆弧形座套302上构成第二滑轮槽305的两个侧壁中的一个侧壁上在位于圆心处形成有第二中心螺纹孔306，另一个侧壁上在位于圆心处形成有与所述的第二中心螺纹孔306同轴的第二中心孔307，第二驱动滑轮308通过依次插入第二中心孔307、第二驱动滑轮308的第二中心轮孔309和第二中心螺纹孔306的第二中心轴3010能够旋转的设置在所述第二圆弧形座套302的第二滑轮槽305内，所述的第二中心轴3010通过形成在前端部的外螺纹与所述的第二中心螺纹孔306螺纹连接而固定连接在所述第二圆弧形座套302上，所述第二圆弧形座套302上在位于第二滑轮槽305的外侧且与所述的第二中心孔307相邻处一体形成有与所述的第二中心孔307同轴的第二磁环固定座3011，所述第二磁环固定座3011内嵌入有与所述的第二磁环固定座3011过盈配合的第二磁环3012，所述的第二磁环固定座3011与所述的第二滑轮槽305的侧壁之间还形成有用于插入第二磁阻角度传感器3024的第二传感器槽3014，所述第二驱动滑轮308上在位于第二中心轮孔309的一侧形成有相贯通的第二销孔3015，所述第二销孔3015上通过第二销轴3013固定连接从第二滑轮槽305外侧底部插入到所述第二滑轮槽305内的用于驱动第二驱动滑轮308的驱动模块I中的第一柔索106和第二柔索109，所述第二驱动滑轮308上在位于第二中心轮孔309远离第二销孔3015的一侧，且位于所述第二滑轮槽305的外侧，固定连接有第二主动杆3016的下端，所述第二主动杆3016的上端铰接有第二从动杆3017的一端，所述第二从动杆3017的另一端在用于与手掌5的中节指骨固定连接的前近指关节底座3018上，所述前近指关节底座3018是通过形成在前近指关节底座3018上的前尼龙扣带槽3019和前尼龙扣带3020与手掌5的中节指骨固定连接，所述前近指关节底座3018上形成有用于连接远指关节单元模块4的滑槽3021。
[0081]所述的第二主动杆3016在连接所述第二驱动滑轮308的底端一体形成有第二U形槽3022，所述的第二驱动滑轮308嵌入在所述的第二 U形槽3022内并通过贯穿形成在第二 U形槽3022槽壁上的通孔和形成在第二驱动滑轮308上的通孔的两个螺栓3023与第二主动杆3016固定连接，所述两个螺栓3023靠近螺帽侧还连接有用于固定所述第二磁阻角度传感器3024的第二传感器挡板3025，所述的第二磁阻角度传感器3024的前部分插入所述的第二传感器槽3014内，后部分通过卡在两个螺栓3023之间而固定在所述第二U形槽3022的槽壁外侧。
[0082]所述的近指关节单元模块3中，前尼龙扣带3020穿过前尼龙扣带槽3019将前近指关节底座3018固定在中节指骨上;第二主动杆3016—端通过螺栓连接第二从动杆3017形成转动副，而另一端分别通过两个传感器固定孔与第二驱动滑轮308的两个通孔8通过螺栓固定为一体，然后整体与通过穿过第二驱动滑轮308的第二中心轮孔309的第二中心轴3010形成旋转副；第二中心轴3010带螺纹一端与第二中心螺纹孔306连接固定，另一端与第二中心孔307连接，且第二中心轴3010的两个端面分别于第二驱动滑轮308两端面对齐;第二磁阻角度传感器3024通过第二传感器挡板3025与第二主动杆3016和第二驱动滑轮308连为一体，保证第二磁阻角度传感器3024位于第二传感器槽3014内的同时保证第二中心轴3010轴线在第二磁阻角度传感器3024的识别区内，且第二磁阻角度传感器3024与第二磁环3012的轴向距离在有效距离内，以实现对第二主动杆3016相对于第二中心轴3010的转角的精确测量；第二磁环3012通过其外圈与第二磁环固定座3011形成过盈配合，并且保证第二磁环3012、磁环固定座30106和第二中心轴3010同轴心;通过第二销轴3013将第一柔索106和第二柔索109固定在第二驱动滑轮308的槽内；弹簧1015—端与弹簧槽1014相固定，另一端与弹簧压头1016固定，保证弹簧1015的两个端面与上述两者底部重合;后近指关节底座301前近指关节底座3018铰接连接，形成旋转连接;柔索外套107的一端固定在弹簧压头1016上；柔索外套107内的第一柔索106和第二柔索109带动第二驱动滑轮308驱动整个模块运动的同时压缩驱动一侧的弹簧1015，并通过计算第二磁阻角度传感器3024测量的关节角度值和带编码器的电机105上的编码器所侧电机角度两者的差值，求得弹簧1015的形变量，结合已知弹簧1015的弹性系数得出作用在第二驱动滑轮308上的力矩，进而可以满足被动康复，主动康复，阻抗康复三种康复模式的实现。
[0083]如图8、图9所示，所述的远指关节单元模块4包括有:用于连接在手掌5的远节指骨上的后远指关节底座401，以及一体形成在后远指关节底座401上的第三圆弧形座套402，所述后远指关节底座401通过螺栓连接近指关节单元模块3中的滑槽3021而固定连接在指关节单元模块3中的前近指关节底座3018，所述后远指关节底座401是通过形成在后远指关节底座401上的后尼龙扣带槽404和后尼龙扣带405与手掌5的远节指骨固定连接，所述第三圆弧形座套402在位于非圆弧面的一面上形成有向内凹进的第三滑轮槽406，所述第三圆弧形座套402上构成第三滑轮槽406的两个侧壁中的一个侧壁上在位于圆心处形成有第三中心螺纹孔407，另一个侧壁上在位于圆心处形成有与所述的第三中心螺纹孔407同轴的第三中心孔408，第三驱动滑轮409通过依次插入第三滑轮槽406、第三驱动滑轮409的第三中心轮孔4010和第三中心螺纹孔407的第三中心轴4011能够旋转的设置在所述第三圆弧形座套402的第三滑轮槽406内，所述的第三中心轴4011通过形成在前端部的外螺纹与所述的第三中心螺纹孔407螺纹连接而固定连接在所述第三圆弧形座套402上，所述第三圆弧形座套402上在位于第三滑轮槽406的外侧且与所述的第三中心孔408相邻处一体形成有与所述的第三中心孔408同轴的第三磁环固定座4012，所述第三磁环固定座4012内嵌入有与所述的第三磁环固定座4012过盈配合的第三磁环4013，所述的第三磁环固定座4012与所述的第三滑轮槽406的侧壁之间还形成有用于插入第三磁阻角度传感器4014的第三传感器槽4015，所述第三驱动滑轮409上在位于第三中心轮孔4010的一侧形成有相贯通的第三销孔4016，所述第三销孔4016上通过第三销轴4017固定连接从第三滑轮槽406外侧底部插入到所述第三滑轮槽406内的用于驱动第三驱动滑轮409的驱动模块I中的第一柔索106和第二柔索109，所述第三驱动滑轮409上在位于第三中心轮孔4010远离第三销孔4016的一侧，且位于所述第三滑轮槽406的外侧，固定连接有第三主动杆4018的下端，所述第三主动杆4018的上端铰接有第三从动杆4019的一端，所述第三从动杆4019的另一端铰接在用于与手掌5的远节指骨固定连接的前远指关节底座4020上，所述前远指关节底座4020是通过形成在前远指关节底座4020上的前尼龙扣带槽4021和前尼龙扣带4022与手掌5的远节指骨固定连接，所述的前远指关节底座4020与所述的后远指关节底座401通过一体形成在所述前远指关节底座4020两侧的铰接块403铰接连接。
[0084]所述的第三主动杆4018在连接所述第三驱动滑轮409的底端一体形成有第三U形槽4023，所述的第三驱动滑轮409嵌入在所述的第三U形槽4023内并通过贯穿形成在第三U形槽4023槽壁上的通孔和形成在第三驱动滑轮409上的通孔的两个螺栓4024与第三主动杆4018固定连接，所述两个螺栓4024靠近螺帽侧还连接有用于固定所述第三磁阻角度传感器4014的第三传感器挡板4025，所述的第三磁阻角度传感器4014的前部分插入所述的第三传感器槽4015内，后部分通过卡在两个螺栓4024之间而固定在所述第三U形槽4023的槽壁外侧。
[0085]所述的远指关节单元模块4中:前尼龙扣带4022穿过前尼龙扣带槽4021将前远指关节底座4020固定在远节指骨上;第三主动杆4018—端通过螺栓连接第三从动杆4019形成转动副，另一端分别通过两个传感器固定孔与第三驱动滑轮409的两个通通过螺栓固定为一体，然后整体与通过穿过第三驱动滑轮409的第三中心轮孔4010的第三中心轴4011形成旋转副；第三中心轴4011带螺纹一端与第三中心螺纹孔407连接固定，另一端与第三中心孔408连接，且中第三中心轴4011的两个端面分别与第三驱动滑轮409的两个端面对齐;第三磁阻角度传感器4014通过第三传感器挡板4025与第三主动杆4018和第三驱动滑轮409连为一体，保证第三磁阻角度传感器4014位于第三传感器槽4015内的同时保证第三中心轴4011轴线在第三磁阻角度传感器4014的识别区内，且第三磁阻角度传感器4014与第三磁环4013的轴向距离在有效距离内，以实现对第三主动杆4018相对于第三中心轴4011的转角的精确测量;第三磁环4013通过其外圈与第三磁环固定座4012形成过盈配合，并且保证第三磁环4013、第三磁环固定座4012和第三中心轴4011同轴心;通过第三销轴4017将第一柔索106和第二柔索109固定在第三驱动滑轮409槽内；弹簧1015—端与弹簧槽1014相固定，另一端与弹簧压头1016固定，保证弹簧1014的两个端面与上述两者底部重合;后远指关节底座401与前远指关节底座4020通过铰接块403铰接，形成旋转连接;柔索外套107的一端固定在弹簧压头1016上;柔索外套107内的第一柔索106和第二柔索109带动第三驱动滑轮409驱动整个模块运动的同时压缩驱动一侧的弹簧1014，并通过计算第三磁阻角度传感器4014测量的关节角度值和带编码器的电机105上的编码器所侧电机角度两者的差值，求得弹簧1015的形变量，结合已知弹簧1015的弹性系数得出作用在第三驱动滑轮409上的力矩，进而可以满足被动康复，主动康复，阻抗康复三种康复模式的实现。
[0086]如图4、图6、图8所示，本发明中构成第一滑轮槽205槽底的第一圆弧形座套203外圆弧面上，或构成第二滑轮槽305槽底的第二圆弧形座套302外圆弧面上，或构成第二滑轮槽305槽底的第二圆弧形座套302外圆弧面上一体形成有内外贯通的分别用于插入第一柔索106和第二柔索109的两个弹簧槽1014，所述两个弹簧槽1014内分别各固定连接弹簧槽1015的一端，所述弹簧1015的另一端固定连接位于弹簧槽1014外部的弹簧压头1016上，所述弹簧压头1016远离弹簧1015的一端固定连接所述柔索外套107远离柔索外套固定架108的一端，所述的第一柔索106和第二柔索109远离主驱动滑轮104的一端分别伸出所述柔索外套107贯穿所述的弹簧2026进入所述的第一滑轮槽205或第二滑轮槽305或第三滑轮槽406内通过第一销轴2013或第二销轴3013或第三销轴4017与所述的第一驱动滑轮204或第二驱动滑轮308或第三驱动滑轮409固定连接。
[0087]如图10所示，所述的第一驱动滑轮204或第二驱动滑轮308或第三驱动滑轮409在中心形成有用于插入第一第一中心轴208或第二中心轴3010或第三中心轴4011的第一中心轮孔2011或第二中心轮孔309或第三中心轮孔4010，用于插入固定第一柔索106和第二柔索109的第一销轴2013或第二销轴3013或第三销轴4017的第一销孔2012或第二销孔3015或第三销孔4016位于第一中心轮孔2011或第二中心轮孔309或第三中心轮孔4010的一侧，用于插入两个螺栓2022/3023/4024的两个通孔1019形成在第一中心轮孔2011或第二中心轮孔309或第三中心轮孔4010的另一侧，在所述第一驱动滑轮204或第二驱动滑轮308或第三驱动滑轮409的外周边上沿圆周方向向内凹进形成有一圈用于嵌入第一柔索106和第二柔索109的第二柔索槽1017。
【主权项】
1.一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，是由驱动单元和与驱动单元相连的执行单元构成，其特征在于，所述的执行单元包括:用于带动手指根部关节活动的掌指关节单元模块(2)、用于带动手指中部关节活动的近指关节单元模块(3)和用于带动手指端部关节活动的远指关节单元模块(4)，所述的驱动单元(I)包括有3组独立工作且结构完全相同的分别对应驱动掌指关节单元模块(2)、近指关节单元模块(3)和远指关节单元模块(4)的驱动模块(I)。2.根据权利要求1所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的驱动模块(I)包括有:设置在电机座(101)上的带编码器的电机(105)，通过平键(103)固定连接在所述带编码器的电机(105)输出轴上的主驱动滑轮(104)，以及第一柔索(106)和第二柔索(109)，所述第一柔索(106)和第二柔索(109)的一端分别通过固定销轴(102)固定连接在所述主驱动滑轮(104)的第一柔索槽(1010)内，所述第一柔索(106)和第二柔索(109)的另一端贯穿一端固定在柔索外套固定架(108)上另一端固定在掌指关节单元模块(2)或近指关节单元模块(3)或远指关节单元模块(4)上的柔索外套(107)连接所驱动的掌指关节单元模块(2)或近指关节单元模块(3)或远指关节单元模块(4)，所述的柔索外套固定架(108)固定设置在所述电机座(101)上。3.根据权利要求2所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的主驱动滑轮(104)的中心开有用于插入带编码器的电机(105)输出轴的轴孔(1011)，所述轴孔(1011)的侧边相连通地开有用于插入平键(103)的平键槽孔(1012)，所述的第一柔索槽(1010)是在所述主驱动滑轮(104)的外周边上沿圆周方向向内凹进形成的，在所述轴孔(1011)和第一柔索槽(1010)之间开有用于插入固定销轴(102)固定第一柔索(106)和第二柔索(109)的销孔(1013)。4.根据权利要求1所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的掌指关节单元模块(2)包括有:用于连接在手掌(5)的设定位置上的基座(201)，固定在所述基座(201)上的掌指关节底座(202)，以及一体形成在掌指关节底座(202)上的第一圆弧形座套(203)，所述基座(201)是通过形成在基座(201)上的过带孔(2014)和尼龙扣带(1018)与手掌(5)固定连接，所述第一圆弧形座套(203)在位于非圆弧面的一面上形成有向内凹进的第一滑轮槽(205)，所述第一圆弧形座套(203)上构成第一滑轮槽(205)的两个侧壁中的一个侧壁上在位于圆心处形成有第一中心螺纹孔(206)，另一个侧壁上在位于圆心处形成有与所述的第一中心螺纹孔(206)同轴的第一中心孔(207)，第一驱动滑轮(204)通过依次插入第一中心孔(207)、第一驱动滑轮(204)的第一中心轮孔(2011)和第一中心螺纹孔(206)的第一中心轴(208)能够旋转的设置在所述第一圆弧形座套(203)的第一滑轮槽(205)内，所述的第一中心轴(208)通过形成在前端部的外螺纹与所述的第一中心螺纹孔(206)螺纹连接而固定连接在所述第一圆弧形座套(203)上，所述第一圆弧形座套(203)上在位于第一滑轮槽(205)的外侧且与所述的第一中心孔(207)相邻处一体形成有与所述的第一中心孔(207)同轴的第一磁环固定座(209)，所述磁环固定座(209)内嵌入有与所述的磁环固定座(209)过盈配合的第一磁环(2010)，所述的磁环固定座(209)与所述的第一滑轮槽(205)的侧壁之间还形成有用于插入第一磁阻角度传感器(2015)的第一传感器槽(2016)，所述第一驱动滑轮(204)上在位于中心轮孔(2011)的一侧形成有相贯通的第一销孔(2012)，所述第一销孔(2012)上通过第一销轴(2013)固定连接从第一滑轮槽(205)外侧底部插入到所述第一滑轮槽(205)内的用于驱动第一驱动滑轮(204)的驱动模块(I)中的第一柔索(106)和第二柔索(109)，所述第一驱动滑轮(204)上在位于中心轮孔(2011)远离第一销孔(2012)的一侧固定连接有第一主动杆(2017)的一端，所述第一主动杆(2017)的另一端铰接有第一从动杆(2018)的上部，所述第一从动杆(2018)的底部固定连接在能够沿微型直线轨道(2020)移动的滑块(2019)上，所述的微型直线轨道(2020)固定连接所述近指关节单元模块(3)。5.根据权利要求4所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的第一主动杆(2017)在连接所述第一驱动滑轮(204)的一端的端头一体形成有第一 U形槽(2021)，所述的第一驱动滑轮(204)嵌入在所述的第一U形槽(2021)内并通过贯穿形成在第一 U形槽(2021)槽壁上的通孔和形成在第一驱动滑轮(204)上的通孔的两个螺栓(2022)与第一主动杆(2017)固定连接，所述两个螺栓(2022)靠近螺帽侧还连接有用于固定所述第一磁阻角度传感器(2015)的第一传感器挡板传感器挡板(2023)，所述的第一磁阻角度传感器(2015)的前部分插入所述的第一传感器槽(2016)内，后部分通过卡在两个螺栓(2022)之间而固定在所述第一 U形槽(2021)的槽壁外侧。6.根据权利要求1所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的近指关节单元模块(3)包括有:用于连接在手掌(5)的中节指骨上的后近指关节底座(301)，以及一体形成在近指关节底座(301)上的第二圆弧形座套(302)，掌指关节单元模块(2)中的微型直线轨道(2020)固定连接在所述后近指关节底座(301)上，所述后近指关节底座(301)是通过形成在近后指关节底座(301)上的后尼龙扣带槽(303)和后尼龙扣带(304)与手掌(5)的中节指骨固定连接，所述第二圆弧形座套(302)在位于非圆弧面的一面上形成有向内凹进的第二滑轮槽(305)，所述第二圆弧形座套(302)上构成第二滑轮槽(305)的两个侧壁中的一个侧壁上在位于圆心处形成有第二中心螺纹孔(306)，另一个侧壁上在位于圆心处形成有与所述的第二中心螺纹孔(306)同轴的第二中心孔(307)，第二驱动滑轮(308)通过依次插入第二中心孔(307)、第二驱动滑轮(308)的第二中心轮孔(309)和第二中心螺纹孔(306)的第二中心轴(3010)能够旋转的设置在所述第二圆弧形座套(302)的第二滑轮槽(305)内，所述的第二中心轴(3010)通过形成在前端部的外螺纹与所述的第二中心螺纹孔(306)螺纹连接而固定连接在所述第二圆弧形座套(302)上，所述第二圆弧形座套(302)上在位于第二滑轮槽(305)的外侧且与所述的第二中心孔(307)相邻处一体形成有与所述的第二中心孔(307)同轴的第二磁环固定座(3011)，所述第二磁环固定座(3011)内嵌入有与所述的第二磁环固定座(3011)过盈配合的第二磁环(3012)，所述的第二磁环固定座(3011)与所述的第二滑轮槽(305)的侧壁之间还形成有用于插入第二磁阻角度传感器(3024)的第二传感器槽(3014)，所述第二驱动滑轮(308)上在位于第二中心轮孔(309)的一侧形成有相贯通的第二销孔(3015)，所述第二销孔(3015)上通过第二销轴(3013)固定连接从第二滑轮槽(305)外侧底部插入到所述第二滑轮槽(305)内的用于驱动第二驱动滑轮(308)的驱动模块(I)中的第一柔索(106)和第二柔索(109)，所述第二驱动滑轮(308)上在位于第二中心轮孔(309)远离第二销孔(3015)的一侧固定连接有第二主动杆(3016)的下端，所述第二主动杆(3016)的上端铰接有第二从动杆(3017)的一端，所述第二从动杆(3017)的另一端铰接在用于与手掌(5)的中节指骨固定连接的前近指关节底座(3018)上，所述前近指关节底座(3018)是通过形成在前近指关节底座(3018)上的前尼龙扣带槽(3019)和前尼龙扣带(3020)与手掌(5)的中节指骨固定连接，所述前近指关节底座(3018)上形成有用于连接远指关节单元模块(4)的滑槽(3021)。7.根据权利要求6所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的第二主动杆(3016)在连接所述第二驱动滑轮(308)的底端一体形成有第二U形槽(3022)，所述的第二驱动滑轮(308)嵌入在所述的第二U形槽(3022)内并通过贯穿形成在第二 U形槽(3022)槽壁上的通孔和形成在第二驱动滑轮(308)上的通孔的两个螺栓(3023)与第二主动杆(3016)固定连接，所述两个螺栓(3023)靠近螺帽侧还连接有用于固定所述第二磁阻角度传感器(3024)的第二传感器挡板(3025)，所述的第二磁阻角度传感器(3024)的前部分插入所述的第二传感器槽(3014)内，后部分通过卡在两个螺栓(3023)之间而固定在所述第二 U形槽(3022)的槽壁外侧。8.根据权利要求1所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的远指关节单元模块(4)包括有:用于连接在手掌(5)的远节指骨上的后远指关节底座(401)，以及一体形成在后远指关节底座(401)上的第三圆弧形座套(402)，所述后远指关节底座(401)通过螺栓连接近指关节单元模块(3)中的滑槽(3021)而固定连接在指关节单元模块(3)中的前近指关节底座(3018)，所述后远指关节底座(401)是通过形成在后远指关节底座(401)上的后尼龙扣带槽(404)和后尼龙扣带(405)与手掌(5)的远节指骨固定连接，所述第三圆弧形座套(402)在位于非圆弧面的一面上形成有向内凹进的第三滑轮槽(406)，所述第三圆弧形座套(402)上构成第三滑轮槽(406)的两个侧壁中的一个侧壁上在位于圆心处形成有第三中心螺纹孔(407)，另一个侧壁上在位于圆心处形成有与所述的第三中心螺纹孔(407)同轴的第三中心孔(408)，第三驱动滑轮(409)通过依次插入第三滑轮槽(406)、第三驱动滑轮(409)的第三中心轮孔(4010)和第三中心螺纹孔(407)的第三中心轴(4011)能够旋转的设置在所述第三圆弧形座套(402)的第三滑轮槽(406)内，所述的第三中心轴(4011)通过形成在前端部的外螺纹与所述的第三中心螺纹孔(407)螺纹连接而固定连接在所述第三圆弧形座套(402)上，所述第三圆弧形座套(402)上在位于第三滑轮槽(406)的外侧且与所述的第三中心孔(408)相邻处一体形成有与所述的第三中心孔(408)同轴的第三磁环固定座(4012 )，所述第三磁环固定座(4012)内嵌入有与所述的第三磁环固定座(4012)过盈配合的第三磁环(4013)，所述的第三磁环固定座(4012)与所述的第三滑轮槽(406)的侧壁之间还形成有用于插入第三磁阻角度传感器(4014)的第三传感器槽(4015)，所述第三驱动滑轮(409)上在位于第三中心轮孔(4010)的一侧形成有相贯通的第三销孔(4016)，所述第三销孔(4016)上通过第三销轴(4017)固定连接从第三滑轮槽(406)外侧底部插入到所述第三滑轮槽(406)内的用于驱动第三驱动滑轮(409)的驱动模块(I)中的第一柔索(106)和第二柔索(109)，所述第三驱动滑轮(409)上在位于第三中心轮孔(4010)远离第三销孔(4016)的一侧固定连接有第三主动杆(4018)的下端，所述第三主动杆(4018)的上端铰接有第三从动杆(4019)的一端，所述第三从动杆(4019)的另一端铰接在用于与手掌(5)的远节指骨固定连接的前远指关节底座(4020)上，所述前远指关节底座(4020)是通过形成在前远指关节底座(4020)上的前尼龙扣带槽(4021)和前尼龙扣带(4022)与手掌(5)的远节指骨固定连接，所述的前远指关节底座(4020)与所述的后远指关节底座(401)通过一体形成在所述前远指关节底座(4020)两侧的铰接块(403)铰接连接。9.根据权利要求8所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，所述的第三主动杆(4018)在连接所述第三驱动滑轮(409)的底端一体形成有第三U形槽(4023)，所述的第三驱动滑轮(409)嵌入在所述的第三U形槽(4023)内并通过贯穿形成在第三U形槽(4023)槽壁上的通孔和形成在第三驱动滑轮(409)上的通孔的两个螺栓(4024)与第三主动杆(4018)固定连接，所述两个螺栓(4024)靠近螺帽侧还连接有用于固定所述第三磁阻角度传感器(4014)的第三传感器挡板(4025 )，所述的第三磁阻角度传感器(4014)的前部分插入所述的第三传感器槽(4015)内，后部分通过卡在两个螺栓(4024)之间而固定在所述第三U形槽(4023)的槽壁外侧。10.根据权利要求4或6或8所述的一种基于柔索驱动手部运动功能康复机器人，其特征在于，构成第一滑轮槽(205)槽底的第一圆弧形座套(203)外圆弧面上，或构成第二滑轮槽(305)槽底的第二圆弧形座套(302)外圆弧面上，或构成第二滑轮槽(305)槽底的第二圆弧形座套(302)外圆弧面上一体形成有内外贯通的分别用于插入第一柔索(106)和第二柔索(109)的两个弹簧槽(1014)，所述两个弹簧槽(1014)内分别各固定连接弹簧槽(1015)的一端，所述弹簧(1015)的另一端固定连接位于弹簧槽(1014)外部的弹簧压头(1016)上，所述弹簧压头(1016)远离弹簧(1015)的一端固定连接所述柔索外套(107)远离柔索外套固定架(108)的一端，所述的第一柔索(106)和第二柔索(109)远离主驱动滑轮(104)的一端分别伸出所述柔索外套(107)贯穿所述的弹簧(2026)进入所述的第一滑轮槽(205)或第二滑轮槽(305)或第三滑轮槽(406)内通过第一销轴(2013)或第二销轴(3013)或第三销轴(4017)与所述的第一驱动滑轮(204)或第二驱动滑轮(308)或第三驱动滑轮(409)固定连接。
【文档编号】B25J9/10GK105881519SQ201610454987
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】路光达, 安宁, 张爱梅, 关连成, 张涛, 李莉
【申请人】天津职业技术师范大学