一种外骨骼机械手及其使用方法.pdf

本发明涉及一种外骨骼机械手及其使用方法，包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述非拇指传递机构包括中端指节，中端指节上端铰接有远端指节，下端铰接有近端指节，中端指节的背面铰接有中端连杆，近端指节的背面铰接有近端连杆和近端弯杆，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆与上圆杆相连，近端弯杆与下圆杆相连，上圆杆和下圆杆上设有销轴，可以在弯杆导轨的滑槽中滑动，上圆杆和下圆杆外部设有锁紧机构；所述拇指传递机构包括与所述弯杆导轨相连的大拇指侧板，大拇指侧板上设有大拇指和大拇指锁紧件。本发明体积小、结构简单、造价成本低、操作性能更好。

权利要求书
1.  一种外骨骼机械手，其特征在于：它包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述的非拇指传递机构包括中端指节(1)，中端指节上端铰接有远端指节(21)，下端铰接有近端指节(2)，中端指节的背面铰接有中端连杆(3)，近端指节的背面铰接有近端连杆(4)和近端弯杆(6)，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆(5)与上圆杆(8)相连，近端弯杆与下圆杆(9)相连，上圆杆和下圆杆上设有第一销轴(22)，使得两圆杆可以在弯杆导轨(7)的滑槽(23)中滑动，上圆杆和下圆杆外部设有锁紧机构，所述的锁紧机构包括右锁紧件(10)和左锁紧件(11)，左右锁紧件之间设有弹簧(14)，锁紧件丝杠(13)将左右锁紧件锁紧，其中，右锁紧件与锁紧件丝杠配合部为螺纹配合；左锁紧件与锁紧件丝杠配合部为为间隙配合，锁紧件丝杠一端设有锁紧件把手(12)；所述拇指传递机构包括与所述弯杆导轨相连的大拇指侧板(16)，大拇指侧板上设有大拇指(17)和大拇指锁紧件(15)，所述的大拇指锁紧件为凸轮机构。

2.  一种外骨骼机械手，其特征在于：它包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述的非拇指传递机构包括中端指节(1)，中端指节上端铰接有远端指节(21)，下端铰接有近端指节(2)，中端指节的背面铰接有中端连杆(3)，近端指节的背面铰接有近端连杆(4)和近端弯杆(6)，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆(5)与上活塞杆相连，近端弯杆与下活塞杆相连，上活塞杆和下活塞杆上设有第一销轴(22)，使得两活塞杆可以在弯杆导轨(7)的滑槽(23)中滑动，上活塞杆和下活塞杆通过调节阀来控制活塞杆的运动。

3.  一种外骨骼机械手，其特征在于：它包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述的非拇指传递机构包括中端指节(1)，中端指节上端铰接有远端指节(21)，下端铰接有近端指节(2)，中端指节的背面铰接有中端连杆(3)，近端指节的背面铰接有近端连杆(4)和近端弯杆(6)，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆(5)与上传动螺杆相连，近端弯杆与下传动螺杆相连，上传动螺杆和下传动螺杆上设有第一销轴(22)，使得两螺杆可以在弯杆导轨(7)的滑槽(23)中运动，上传动螺杆和下传动螺杆通过电动机来控制传动螺杆的运动。

4.  根据权利要求1-3任一权利要求所述的外骨骼机械手，其特征在于：近端指节下端设有指掌连杆(19)，指掌连杆下端与弯杆导轨(7)铰接，上端通过第二轴销(20)与近端指节下端连接，并带动近端指节沿指掌连杆导轨(18)转动。

5.  根据权利要求1-3任一权利要求所述的外骨骼机械手，其特征在于：在指掌内侧还设置非金属材料，并粘贴一个手套。

6.  根据权利要求1所述的外骨骼机械手，其特征在于所述的弹簧为两个，沿着锁紧件丝杠的轴对称设置。

7.  根据权利要求1-3任一权利要求所述的外骨骼机械手，其特征在于：所述机械手的指掌和锁紧件的制作材料为铝，其它部件用钢。

8.  根据权利要求1-7任一权利要求所述的外骨骼机械手的使用方法，其特征在于：佩戴好外骨骼机械手；人手握住物体，人手的中端指节和人手的近端指节做屈曲运动与物体贴紧，相应的分别带动外骨骼机械手的中端指节(1)和近端指节(2)做同样角度的相对转动；中端指节(1)的屈曲带动中端连杆(3)和近端连杆(4)向手掌内侧运动，进而引起中端弯杆(5)也向手掌内侧运动，上圆杆(8)则在中端弯杆的牵引下从弯杆导轨(7)中滑出，近端指节的弯曲带动近端弯杆(6)向手掌内侧运动，并牵引下圆杆(9)从弯杆导轨(7)中滑出；各手指到达所需姿态后，拨动锁紧件把手(12)，左右锁紧块(10、11)随即压紧，产生一个较强的摩擦力，使得两圆杆不能自由活动，进入锁紧状态；任务完成后，反向拨动锁紧件把手(12)，解锁，机械外骨骼再次回到自然状态。

说明书一种外骨骼机械手及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种人体活动辅助装置，尤其涉及一种外骨骼机械手及其使用方法。
背景技术
老年人、残疾人及患有运动功能障碍的人群，其肢体不能像正常人群那样执行动作或者肢体软弱无力，无法完成其相应运动功能。针对这些问题，现有的解决方法主要有肌电假手、机械义指两种技术：肌电假手是利用人体的肌电信号进行控制的电动上肢假肢，假肢由截肢者的大脑神经支配残肢肌肉运动产生肌电信号，通过将肌电信号放大后用来控制微型电机，带动传动机构，来驱动假手按人的意志运动；机械义指没有使用任何微电脑操纵，完全使用机械原理，使用者只需要用很小的一部分残指就可以灵活的完成伸缩动作。
上述两种技术尽管都得到了不错的应用，但是也存在着相当的缺点和不足：一、两种技术的产品都是通过在失去人体自身手部结构后，由外部机电结构取代人体自身手部的功能，对于手部尚能作微小活动的残疾人，应用上述两种技术必须接受截肢的痛苦；二、上述两种技术很大程度上依赖了电子零件对人体动作的判断和反映，在可靠度上不如纯机械结构运动结构的可靠性高；三、设计和制造精度和工艺复杂，成本造价高，普通大众使用不经济。
机械外骨骼作为一种全新的技术，其是指虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的几丁质骨骼，它不仅能防止体内水分蒸发和保护内部构造，还能与内壁所附着的肌肉共同完成各种运动，跟脊椎动物体内的骨骼有相似的作用，因此被叫做外骨骼。而像节肢动物一样的外骨骼可以依附并用于辅助完成运动功能的机械，根据是否含有动力源将机械外骨骼分为两类；一类不含动力源，由使用者控制自身的动作，机械外骨骼只需要将每一个动作的姿态加以锁定以便执行运动功能，属于助动式；另一类含动力源，使用者的肢体完全受外骨骼控制，属于主动式。
外骨骼技术与现有的肌电假手、机械义指两种技术相比的最大优势在于：一、使用者不需要截肢，可以在保全人原有机体的基础上，通过外部辅助装置的帮助，完成特定的动作；二、避免截至对使用者心灵上有很大的慰藉作用；三、不仅残疾人可用，老年人等手部软弱无力的人群也可使用；四、在保留了人体自身机构的基础上，通过合理的使用康复辅具，让残疾人达到逐步恢复的目的；五、性价比较高，整个装置采用纯机械结构，没有复杂电子机构，降低了制造成本，有利大规模推广实用。但目前已经存在的外骨骼机械手结构还是较为复杂，造价成本比较高，还不能大规模的推广应用。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题而提供一种体积小、结构简单、造价成本低、操作性能更好的外骨骼机械手，同时还提供了上述外骨骼机械手的使用方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
它包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述的非拇指传递机构包括中端指节，中端指节上端铰接有远端指节，下端铰接有近端指节，中端指节的背面铰接有中端连杆，近端指节的背面铰接有近端连杆和近端弯杆，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆与上圆杆相连，近端弯杆与下圆杆相连，上圆杆和下圆杆上设有第一销轴，使得两圆杆可以在弯杆导轨的滑槽中滑动，上圆杆和下圆杆外部设有锁紧机构，所述的锁紧机构包括右锁紧件和左锁紧件，左右锁紧件之间设有弹簧，锁紧件丝杠将左右锁紧件锁紧，其中，右锁紧件与锁紧件丝杠为螺纹配合；左锁紧件与锁紧件丝杠为间隙配合，锁紧件丝杠一端设有锁紧件把手；所述拇指传递机构包括与所述弯杆导轨相连的大拇指侧板，大拇指侧板上设有大拇指和大拇指锁紧件，所述的大拇指锁紧件为凸轮机构。
它包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述的非拇指传递机构包括中端指节，中端指节上端铰接有远端指节，下端铰接有近端指节，中端指节的背面铰接有中端连杆，近端指节的背面铰接有近端连杆和近端弯杆，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆与上活塞杆相连，近端弯杆与下活塞杆相连，上活塞杆和下活塞杆上设有第一销轴，使得两活塞杆可以在弯杆导轨的滑槽中滑动，上活塞杆和下活塞杆通过调节阀来控制活塞杆的运动。
它包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述的非拇指传递机构包括中端指节，中端指节上端铰接有远端指节，下端铰接有近端指节，中端指节的背面铰接有中端连杆，近端指节的背面铰接有近端连杆和近端弯杆，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆与上传动螺杆相连，近端弯杆与下传动螺杆相连，上传动螺杆和下传动螺杆上设有第一销轴，使得两螺杆可以在弯杆导轨的滑槽中运动，上传动螺杆和下传动螺杆通过电机来控制传动螺杆的运动。
上述的技术方案中，近端指节下端还设有指掌连杆，指掌连杆下端与弯杆导轨铰接，上端通过第二轴销与近端指节下端连接，并带动近端指节沿指掌连杆导轨转动。
上述的技术方案中，在指掌的内侧还设置非金属材料，并粘贴一个手套。
上述的技术方案中，所述的弹簧为两个，沿着锁紧件丝杠的轴对称设置。
上述的技术方案中，所述机械手的指掌和锁紧件的制作材料为铝，其它部件用钢。
一种外骨骼机械手的使用方法，其不同之处在于：佩戴好外骨骼机械手；人手握住物体，人手的中端指节和人手的近端指节做屈曲运动与物体贴紧，相应的分别带动外骨骼机械手的中端指节和近端指节做同样角度的相对转动；中端指节的屈曲带动中端连杆和近端连杆向手掌内侧运动，进而引起中端弯杆也向手掌内侧运动，上圆杆则在中端弯杆的牵引下从弯杆导轨中滑出，近端指节的弯曲带动近端弯杆向手掌内侧运动，并牵引下圆杆从弯杆导轨中滑出；各手指到达所需姿态后，拨动锁紧件把手，左右锁紧块随即压紧，产生一个较强的摩擦力，使得两圆杆不能自由活动，进入锁紧状态；任务完成后，反向拨动锁紧件把手，解锁，机械外骨骼再次回到自然状态。
与现有技术相比，本发明取得了以下的技术效果：
1、上述通过弹簧、丝杆等锁紧机构来控制机械的设计，结构简单、操作方便、成本比较低；将上、下圆杆8、9改作某液压缸的活塞杆，通过调节阀来控制活塞杆的运动，以此来实现手指缓慢弯曲、伸直的动作，这可以用作手指康复的医疗辅具，防止手指肌肉萎缩；将上、下圆杆8、9改成传动螺杆，并用电动机来驱动螺母实现手指的伸缩，可以为人手提供更大的力，这可以当作一个人手强化装置，工作在条件恶劣、苛刻的环境中，帮助人发挥极限，提握需要超过人手本身力气的物体；
2、通过在指掌的内侧还安装有非金属材料，并粘贴一个手套，使机械手能够直接舒适地穿戴在手上；
3、弹簧设置为两个，且沿着锁紧件丝杠的轴对称设置，这样可以保证机械手运动的平稳性；
4、机械手的指掌和锁紧件的制作材料为铝，其它部件用钢，且所有部件均发黑处理，不但可以保证节约成本、减轻重量，而且会更经久耐用。
附图说明
图1为本发明实施例1的主视图；
图2是图1A-A向的剖视放大图，为锁紧部分结构；
图3是B-B向剖视图；
图4是图1中I处的局部放大图；
图5是图1C向的局部放大图，为指节轮廓。
其中：1-中端指节、2-近端指节、3-中端连杆、4-近端连杆、5-中端弯杆、6-近端弯杆、7-弯杆导轨、8-上圆杆、9-下圆杆、10-右锁紧件、11-左锁紧件、12-锁紧件把手、13-锁紧件丝杠、14-弹簧、15-大拇指锁紧件、16-大拇指侧板、17-大拇指、18-指掌连杆导轨、19-指掌连杆、20-第二轴销、21-远端指节、22-第一销轴、23-滑槽。
具体实施方式
工作原理
我们可以将机械手分为两类：在第一类即拇指的力传递和运动传递机构中，简单杆件将运动和力传递给凸轮机构，利用凸轮摩擦锁紧实现大拇指动作的固定。在第二类即非拇指的力传递和运动传递机构中，在手指背部合理地布设多连杆机构实现给定转动角度范围内的自由活动，将指节的屈曲运动传递到位于手掌背部上的杆件，成为直线运动，再通过控制锁紧机构来限制杆件的轴向运动，进而实现锁紧，固定整个机构乃至人手的姿态，完成动作任务。
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
实施例1
参见图1-5，一种外骨骼机械手，它包括非拇指传递机构和拇指传递机构，所述的非拇指传递机构包括中端指节1，中端指节上端铰接有远端指节21，下端铰接有近端指节2，中端指节的背面铰接有中端连杆3，近端指节的背面铰接有近端连杆4和近端弯杆6，中端连杆和近端连杆共同通过中端弯杆5与上圆杆8相连，近端弯杆与下圆杆9相连，上圆杆和下圆杆上设有第一销轴22，可以在弯杆导轨7的滑槽23中滑动，上圆杆和下圆杆外部设有锁紧机构，所述的锁紧机构包括右锁紧件10和左锁紧件11，左右锁紧件之间沿着锁紧件丝杠的轴对称设有两个弹簧14，锁紧件丝杠13将左右锁紧件锁紧，其中，右锁紧件与锁紧件丝杠配合部为螺纹孔；左锁紧件与锁紧件丝杠配合部为光孔，锁紧件丝杠一端设有锁紧件把手12；所述拇指传递机构包括与所述弯杆导轨7相连的大拇指侧板16，大拇指侧板上设有大拇指17和大拇指锁紧件15，所述的大拇指锁紧件为凸轮机构。上述技术方案中，在必要的情况下还可以在于近端指节下端设有指掌连杆19，指掌连杆下端与弯杆导轨7铰接，上端通过第二轴销20与近端指节下端连接，并带动近端指节沿指掌连杆导轨18转动，这样可以进一步提高机械手的可操作性。为了能够帮助使用者更方便和舒适的使用机械手可以在指掌的内侧还安装有橡胶材料，并粘贴一个非金属手套，这样使用者使用机械手时候直接穿戴上即可。
机械手的指掌和锁紧件的制作材料为铝，其它部件用钢，且所有部件均热处理，这样不但可以防止腐蚀，而且在保证强度的前提下有较好的观赏性，还很轻，使用起来更方便。
佩戴好外骨骼，起始时刻，人手和机械外骨骼均处于自然状态，锁紧机构处于松弛状态，整个机械外骨骼可以随人手任意运动。工作时，人手握住物体，其中端指节和近端指节做屈曲运动与物体贴紧，相应的分别带动机械外骨骼的中端指节1和近端指节2做同样角度的相对转动。此时，中端指节1的屈曲带动中端连杆3和近端连杆4向手掌内侧运动，进而引起中端弯杆5也向手掌内侧运动，上圆杆8则在中端弯杆的牵引下从弯杆导轨7中滑出，完成一个运动链的传递。同时，近端指节的弯曲带动近端弯杆6向手掌内侧运动，并牵引下圆杆9从弯杆导轨7中滑出，完成另一个运动传递链。各手指到达所需姿态后，拨动锁紧件把手12，左右锁紧块10、11随即压紧，产生一个较强的摩擦力，使得两圆杆不能自由活动，进入锁紧状态。任务完成后，反向拨动锁紧件把手12，解锁，机械外骨骼再次回到自然状态。
实施例2
本实施例和实施例1之间的区别是：将上、下圆杆8、9改作某液压缸的活塞杆，通过调节阀来控制活塞杆的运动，以此来实现手指缓慢弯曲、伸直的动作，这可以用作手指康复的医疗辅具，防止手指肌肉萎缩。
实施例3
本实施例和实施例1之间的区别是：上、下圆杆8、9改成传动螺杆，并用电动机来驱动螺母实现手指的伸缩，可以为人手提供更大的力，这可以当作一个人手强化装置，工作在条件恶劣、苛刻的环境中，帮助人发挥极限，提握需要超过人手本身力气的物体。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。