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CN112402181A - 基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼 - Google Patents

基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼 Download PDF

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Abstract

一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，包括底板，底板上连接有和手指配合的5个单指机构；每个单指机构包括定关节，定关节连接在底板上，定关节后端和直线驱动电机固定端连接，定关节前端通过滚动关节连接装置和动关节装置后端连接，定关节前端和动关节装置后端接触处形成反向滚动共轭面关节；动关节装置后端和直线驱动电机活动端连接，动关节装置前端和指端铰接头连接；反向滚动共轭面关节贴合人体运动特性、具有良好康复效果；采用直线电机驱动，简化机构，增强力传递的效率，降低系统的能耗，减轻机构的重量，增强产品的实用性。

Description

基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼
技术领域
本发明涉及康复设备技术领域，特别涉及一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼。
背景技术
随着人口老龄化的不断加剧，同时脑卒中等疾病造成了大量的手部运动障碍患者，带来了巨大的市场需求与社会需求。面向老年人、脑卒中后遗症、残疾人等手部运动障碍患者，为帮助其恢复正常的手部功能，佩戴手部康复外骨骼是进行康复理疗的可靠方式。
随着手部康复外骨骼领域的不断发展，与传统的康复治疗相比，手部康复外骨骼具有控制精准、使用灵活等特点，可以依据患者的情况进行个性化的方案设计。可穿戴式外骨骼康复机器人领域的相关研究，吸引了国内外大量的学者，现有的手部外骨骼康复设备按机构大致分为以下三类：
第一类为全柔性外骨骼，结构紧凑、质量轻、适配性高，但不能提供较大的驱动力矩，同时不具备为患者提供特定运动的矫形功能；
第二类为定轴转动关节外骨骼，结构简单，广泛应用于人体大关节的设计，但不能满足人体关节的运动复杂性，无法较好的与人体真实运动特点相适配；
第三类为连杆机构外骨骼，可以拟合人手的运动轨迹，但是连杆数量随着拟合点的增加而增加，导致具有良好拟合效果的连杆机构外骨骼体积太大，不利于患者的佩戴使用。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，具有结构简单、贴合人体运动特性、康复效果良好等特点，可以进行大范围的推广使用。
为实现上述目标，本发明采用的技术方案是：
一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，包括底板1，底板1上连接有和5个手指配合的5个单指机构；
每个单指机构包括定关节2、动关节装置3、滚动关节连接装置4、指端铰接头5和直线驱动电机6，定关节2连接在底板1上，定关节2后端和直线驱动电机6固定端连接，定关节2前端通过滚动关节连接装置4和动关节装置3后端连接，定关节2前端和动关节装置3后端接触处形成反向滚动共轭面关节；动关节装置3后端和直线驱动电机6活动端连接，动关节装置3前端和指端铰接头5连接；
所述的滚动关节连接装置4包括交叉簧片8与弹簧9，交叉簧片8、弹簧9分别固定在定关节2、动关节装置3上。
所述的定关节2为一体式结构，定关节2前端设有交叉簧片8的装配孔及装配曲面、弹簧9的连接台，定关节2后端设有电机固定端连接销10的装配孔、电机控制线11的装配孔。
所述的动关节装置3为分体式，动关节装置3包括指端零件14，指端零件14后端通过连接螺栓13和后端接头连接；后端接头设有交叉簧片8的装配曲面、弹簧9的连接台、电机活动端连接销12的装配孔；指端零件14后端设有与后端接头连接的连接螺栓13装配孔，指端零件14前设有指端铰接销15装配孔。
所述的指端零件14根据不同使用要求替换型号，从而改变机构的尺寸，满足不同患者的使用需求。
所述的定关节2与动关节装置3的反向滚动共轭面采用微元法求解得到，滚动连接采用交叉簧片8与弹簧9，交叉簧片8保证共轭面不会产生滑动，弹簧9保证共轭面始终接触。
所述的底板1上设有与定关节2连接的五个手指方向的定位孔，定位孔穿有底板固定绑带7。
所述的底板1依据患者手部的大小以及曲面特征进行个性化设计，佩戴时通过底板固定绑带7固定在露指手套上。
所述的指端铰接头5通过指端铰接销15与动关节装置3连接。
所述的直线驱动电机6固定端通过电机固定端连接销10与定关节2相连，活动端通过电机活动端连接销12与动关节装置3相连。
所述的直线驱动电机6按照人手指尖行程的大小选择行程，大拇指单指机构与小拇指单指机构选用小行程直线驱动电机6，其余三个手指单指机构的驱动选择大行程直线驱动电机6。
本发明的有益效果是：
本发明提取典型节肢动物的关节特征，首次得到一种具有一对反向滚动共轭面的关节模型，并以反向滚动共轭面关节为核心进行机构设计，得到一种结构简单、贴合人体运动特性、具有良好康复效果的手部康复外骨骼。
采用定制底板与定制指端零件，按照患者手部外形与尺寸进行个性化设计，增强产品的适配性，提高产品的康复效果。
采用直线电机驱动，简化机构，增强力传递的效率，降低系统的能耗，减轻机构的重量，增强产品的实用性。
附图说明
图1是本发明装配结构示意图。
图2是本发明单指装配结构示意图。
图3是本发明底板结构示意图。
图4是本发明底板与定关节装配示意图。
图5是本发明定关节结构示意图。
图6是本发明动关节装置结构示意图。
图7是本发明指端铰接头结构示意图。
图8是本发明直线驱动电机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参照图1-图2，一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，包括底板1，底板1上连接有和5个手指配合的5个单指机构；每个单指机构包括定关节2、动关节装置3、滚动关节连接装置4、指端铰接头5和直线驱动电机6，定关节2连接在底板1上，定关节2后端和直线驱动电机6固定端连接，定关节2前端通过滚动关节连接装置4和动关节装置3后端连接，定关节2前端和动关节装置3后端接触处形成反向滚动共轭面关节；动关节装置3后端和直线驱动电机6活动端连接，动关节装置3前端和指端铰接头5连接。
所述的指端铰接头5通过指端铰接销15与动关节装置3连接；所述的直线驱动电机6固定端通过电机固定端连接销10与定关节2相连，活动端通过电机活动端连接销12与动关节装置3相连。
参照图3，所述的底板1上设有与定关节2连接的五个手指方向的定位孔，定位孔穿有底板固定绑带7。
参照图4，为便于替换定关节2，定关节2与底板1是分体式，按照直线驱动电机6行程选择合适的定关节2进行装配。
参照图5，为增强结构的稳定性，所述的定关节2为一体式结构，采用3D打印制作而成；定关节2前端设有交叉簧片8的装配孔及装配曲面、弹簧9的连接台，定关节2后端设有电机固定端连接销10的装配孔、电机控制线11的装配孔。
所述的滚动关节连接装置4包括交叉簧片8与弹簧9，交叉簧片8、弹簧9分别固定在定关节2、动关节装置3上。
参照图6，为增强产品的实用性，所述的动关节装置3为分体式，动关节装置3包括指端零件14，指端零件14后端通过连接螺栓13和后端接头连接；后端接头设有交叉簧片8的装配曲面、弹簧9的连接台、电机活动端连接销12的装配孔；指端零件14后端设有与后端接头连接的连接螺栓13装配孔，指端零件14前设有指端铰接销15装配孔，通过替换指端零件14的尺寸可以满足不同患者的使用需求，指端零件14和后端接头采用螺栓进行连接，连接方式简单且稳固，便于替换；
为增强反向滚动共轭面的运动准确性，采用交叉簧片8与弹簧9连接的方式，交叉簧片8保证共轭面不会产生滑动，弹簧9为共轭面提供接触力。
参照图7，为贴合人手的运动特性，所述的指端铰接头5与动关节装置3采用铰接的连接方式，增加的转动自由度能保证康复运动过程中机构的灵巧性，指端铰接头5与人手之间采用魔术贴环的形式连接，在保证运动传递的准确性同时，可提高佩戴的舒适性。
参照图8，为提高运动传递的效率，采用直线驱动电机6，简化机构，减少系统的能耗，依据人手运动的实际情况选择直线驱动电机6的行程，大拇指单指机构与小拇指单指机构选用小行程直线驱动电机6，其余三个手指单指机构选用大行程直线驱动电机6，既仿生人手的运动特点，又增强机构的美观性。
所述的直线驱动电机6采用脑电信号与肌电信号混合控制的模式，在医院等固定地点使用脑电控制，增强康复训练的灵活性与趣味性，在室外等活动地点采用肌电控制，增强患者在佩戴康复设备时的运动灵活性。
本发明的工作原理为：
控制直线驱动电机6进行往复运动，直线驱动电机6活动端带着动关节装置3进行周期性运动，动关节装置3通过滚动关节连接装置4与定关节2始终沿反向滚动共轭面接触，交叉簧片8保证滚动共轭面不发生滑动，弹簧9提供两个反向共轭面的接触力，指端铰接头5与动关节装置3的指端零件14通过转动副连接，指端铰接头5将动关节装置3的运动方向与位移传递到人手指端，从而带动人手做周期性的康复运动。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，包括底板(1)，其特征在于，底板(1)上连接有和5个手指配合的5个单指机构；
每个单指机构包括定关节(2)、动关节装置(3)、滚动关节连接装置(4)、指端铰接头(5)和直线驱动电机(6)，定关节(2)连接在底板(1)上，定关节(2)后端和直线驱动电机(6)固定端连接，定关节(2)前端通过滚动关节连接装置(4)和动关节装置(3)后端连接，定关节(2)前端和动关节装置(3)后端接触处形成反向滚动共轭面关节；动关节装置(3)后端和直线驱动电机(6)活动端连接，动关节装置(3)前端和指端铰接头(5)连接；
所述的滚动关节连接装置(4)包括交叉簧片(8)与弹簧(9)，交叉簧片(8)、弹簧(9)分别固定在定关节(2)、动关节装置(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的指端铰接头(5)通过指端铰接销(15)与动关节装置(3)连接；所述的直线驱动电机(6)固定端通过电机固定端连接销(10)与定关节(2)相连，活动端通过电机活动端连接销(12)与动关节装置(3)相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的定关节(2)为一体式结构，定关节(2)前端设有交叉簧片(8)的装配孔及装配曲面、弹簧(9)的连接台，定关节(2)后端设有电机固定端连接销(10)的装配孔、电机控制线(11)的装配孔。
4.根据权利要求2所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的动关节装置(3)为分体式，动关节装置(3)包括指端零件(14)，指端零件(14)后端通过连接螺栓(13)和后端接头连接；后端接头设有交叉簧片(8)的装配曲面、弹簧(9)的连接台、电机活动端连接销(12)的装配孔；指端零件(14)后端设有与后端接头连接的连接螺栓(13)装配孔，指端零件(14)前设有指端铰接销(15)装配孔。
5.根据权利要求4所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的指端零件(14)根据不同使用要求替换型号，从而改变机构的尺寸，满足不同患者的使用需求。
6.根据权利要求1所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的定关节(2)与动关节装置(3)的反向滚动共轭面采用微元法求解得到，滚动连接采用交叉簧片(8)与弹簧(9)，交叉簧片(8)保证共轭面不会产生滑动，弹簧(9)保证共轭面始终接触。
7.根据权利要求1所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的底板(1)上设有与定关节(2)连接的五个手指方向的定位孔，定位孔穿有底板固定绑带(7)。
8.根据权利要求7所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的底板(1)依据患者手部的大小以及曲面特征进行个性化设计，佩戴时通过底板固定绑带(7)固定在露指手套上。
9.根据权利要求1所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的直线驱动电机(6)按照人手指尖行程的大小选择行程，大拇指单指机构与小拇指单指机构选用小行程的直线驱动电机(6)，其余三个手指单指机构的驱动选择大行程的直线驱动电机(6)。
10.根据权利要求1所述的一种基于反向滚动共轭面关节的手部康复外骨骼，其特征在于，所述的直线驱动电机(6)采用脑电信号与肌电信号混合控制的模式，在固定地点使用脑电控制，在活动地点采用肌电控制。
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