本發(fā)明涉及康復機器人技術領域，尤其涉及一種手部及腕部的手外骨骼雙手隨動康復裝置。

背景技術：

手是人體最重要的部分之一，手不僅能夠完成許多粗重工作，而且還能從事與日常生活密切聯(lián)系的各種精細活動，手的正常運動能力對于人們非常重要。手部運動障礙會極大的影響人們的日常生活。不幸的是，每年都會有相當一部分人因為疾病或者是意外導致手的關節(jié)、骨骼、神經(jīng)受到損傷，而一般的受損治療都需要對手指進行長時間的制動，但是長時間的制動會由于關節(jié)肌腱淤血形成纖維變性，造成手指關節(jié)及肌腱的粘連和肌肉的萎縮。另外，關節(jié)疾病，中風等心血管疾病造成的偏癱也會導致手指關節(jié)肌腱纖維化和肌肉、韌帶的痙攣萎縮，從而造成手部運動功能障礙。

臨床研究和實踐表明，被動康復訓練有助于恢復肢體運動功能障礙患者患肢的運動功能，而在持續(xù)高強度的重復訓練后，患者手部肌肉的力量得到一定的提高，有助于手部功能的恢復。而自20世紀80年代出現(xiàn)的針對偏癱中風患者的強制性運動療法、運動想象療法、任務導向性訓練等這些較傳統(tǒng)的康復治療方法雖然有著一定的優(yōu)越性,但是與之俱來的高人工消耗以及操作的復雜性依然難以規(guī)避。此外，患者在長期康復過程中會習慣依靠健康單手生活，在日常生活中會避免使用患手，更不利于患手的機能恢復.因而，研究開發(fā)一種既能按照針對性程序?qū)际謱嵤┛祻陀柧?，又可以輔助患手完成日?；竟δ艿目纱┐魇綑C械裝置，成為許多學者關注的焦點。

人手是一個解剖結構極為精細的器官，且手指的自由度多，所以對外骨骼的設計提出了很高的要求。經(jīng)過對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對手部外骨骼的研究還處于起步階段，在此領域展開研究的主要有清華大學、上海交通大學、復旦大學、哈爾濱工業(yè)大學，浙江大學等。其中不乏一些優(yōu)秀的研究作品，但是總體上還是面臨這一些這樣的問題：

(1)手外骨骼康復裝置不夠輕巧，缺乏便攜性，不能輔助患手進行各種場合的日常性的生活動作。

(2)對拇指很少有相應的行之有效的康復機構，但是拇指對于很多手部日常性動作如抓握的進行是不可或缺的。

(3)患者難以進行自主的有針對性的康復訓練。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的手外骨骼康復裝置面臨的上述問題，提出了一種手外骨骼雙手隨動康復裝置，包括手外骨骼雙手隨動康復手外骨骼雙手隨動康復裝置。其中，手外骨骼雙手隨動康復裝置包括手外骨骼患手康復裝置、正常手外骨骼主導康復裝置。

本發(fā)明的技術方案是：

一種手外骨骼雙手隨動康復裝置，包括手外骨骼患手康復裝置、手外骨骼健康手主導康復裝置，手外骨骼健康手主導康復裝置安放到健康手上，手外骨骼健康手主導康復裝置通過數(shù)據(jù)信號線連接控制器，控制器通過控制信號線連接手外骨骼患手康復裝置；

其中，手外骨骼患手康復裝置包括手指部、手背部和控制器；所述手指部包括四個手指機構和一個拇指機構，四個手指機構分別為食指機構、中指機構、無名指機構和小指機構，四個手指機構的機構組成相同，每個手指機構均包括三個指套、第一線纜、第二線纜、第一動力源、第一角度傳感器和第一齒輪，每個指套的底部均安裝有一個指節(jié)連接件；

三個指套分別為第一指套、第二指套和第三指套，第一指套與第二指套轉(zhuǎn)動連接，第二指套與第三指套轉(zhuǎn)動連接，第三指套與手背部轉(zhuǎn)動連接，第一指套上設有第一線輪，第一線輪位于第一指套與第二指套的連接處，第三指套上設有第二線輪，第二線輪位于第三指套與第二指套的連接處，第一線纜的一端固定在第一線輪上，另一端固定在第二線輪上，第二線纜的一端固定在第一線輪上，另一端固定在第二線輪上，第一線纜與第二線纜交叉，第一動力源安裝在第三指套上，第一動力源的輸出軸依次穿過第一角度傳感器和第一齒輪，第二指套的側(cè)面設有配合齒輪，配合齒輪與第一齒輪嚙合，每個手指機構的第一角度傳感器和第一動力源以及所述手背部均與所述控制器連接。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，手背部包括固定板，固定板上并排安裝有三個指套控制機構加上一個拇指指套控制機構，其中三個指套控制機構分別為第一指套控制機構、第二指套控制機構和第三指套控制機構，第一指套控制機構與所述食指機構連接，第二指套控制機構與所述中指機構連接，第三指套控制機構分別與所述無名指機構和所述小指機構連接，拇指指套控制機構與所述拇指機構相連接；

第一指套控制機構、第二指套控制機構和第三指套控制機構均包括滑軌支座、電機支座、小型齒條、第二動力源、第二角度傳感器和第二齒輪，其中滑軌支座安裝在固定板上，滑軌支座上設有微型導軌，電機支座安裝在微型導軌上且能在微型導軌上滑動，第二動力源安裝在電機支座上，第二動力源的輸出軸依次穿過第二角度傳感器和第二齒輪，小型齒條安裝在滑軌支座上，第二齒輪與所述小型齒條嚙合；

第一指套控制機構和第二指套控制機構還各包括一個連桿，第一指套控制機構的連桿的一端安裝在第一電機支座上，另一端與食指機構的第三指套連接，第二指套控制機構的連桿的一端安裝在第二電機支座上，另一端與中指機構的第三指套連接；

第三指套控制機構還包括兩個連桿，第三指套控制機構的兩根連桿的一端安裝在第三電機支座，另一端依次與無名指機構和小指機構的第三指套相連接。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，手外骨骼患手康復裝置的拇指機構包括拇指第一指套、拇指第二指套、拇指第三指套機構、拇指第一線纜、拇指第二線纜、拇指第一角度傳感器、拇指第一齒輪、拇指第一動力源，拇指第三指套機構包括第三指節(jié)佩戴環(huán)和第三指節(jié)齒輪；

其中，拇指第一指套與拇指第二指套轉(zhuǎn)動連接，拇指第二指套與拇指第三指套中的第三指節(jié)齒輪轉(zhuǎn)動連接，第三指節(jié)齒輪和第三指節(jié)佩戴環(huán)固連，第三指節(jié)佩戴環(huán)與手背部中的拇指指套控制機構的小連桿轉(zhuǎn)動連接；拇指第一指套上設有拇指第一線輪，拇指第一線輪位于拇指第一指套與拇指第二指套的連接處，拇指第三指套上設有拇指第二線輪，拇指第二線輪位于拇指第三指套與拇指第二指套的連接處，與第三指節(jié)齒輪同軸固連，視為一個零件；拇指第一線纜的一端固定在拇指第一線輪上，另一端固定在拇指第二線輪上，拇指第二線纜的一端固定在拇指第一線輪上，另一端固定在拇指第二線輪上，拇指第一線纜與拇指第二線纜交叉，拇指第一動力源安裝在拇指第二指套上，拇指第一動力源的輸出軸依次穿過拇指第一角度傳感器和拇指第一齒輪，第三指節(jié)齒輪與拇指第一齒輪嚙合，拇指第一角度傳感器和拇指第一動力源以及所述手背部均與所述控制器連接。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，手背部的拇指指套控制機構包括一個內(nèi)齒輪彎曲連架桿、一個小連桿、拇指電機支座、拇指第二動力源、拇指第二齒輪、拇指第二角度傳感器；其中，拇指電機支座和手背板固定連接，拇指第二動力源安裝在拇指電機支座上，拇指第二動力源的輸出軸依次穿過拇指第二角度傳感器和拇指第二齒輪，拇指第二齒輪和內(nèi)齒輪彎曲連架桿嚙合，小連桿和內(nèi)齒輪彎曲連架桿轉(zhuǎn)動連接。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，在滑軌支座上設置齒條安裝槽，通過粘結的方式將小型齒條粘結在滑軌支座的齒條安裝槽內(nèi)。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，手外骨骼患手康復裝置包括手指部、手背部，所述手外骨骼健康手主導康復裝置的手指部包括四個手指機構，分別是拇指機構、食指機構、中指機構、無名指機構；其中食指機構、中指機構、無名指機構均包括第二指節(jié)指套機構、第三指節(jié)指套機構、mcp關節(jié)連桿機構；第二指節(jié)指套機構包括有設有配合齒輪的第二指節(jié)指套，和連接在指套下方的指套連接件；第三指節(jié)指套機構包括第三指節(jié)指套、小齒輪軸、第三指節(jié)角度傳感器、指套連接件，小齒輪軸安裝在第三指節(jié)指套的上方，與第二指節(jié)指套一側(cè)的配合齒輪嚙合，第三指節(jié)角度傳感器安裝在齒輪軸上，指套連接件連接在第三指節(jié)指套的下方；mcp關節(jié)連桿機構包括mcp連桿、連架桿和mcp角度傳感器，mcp角度傳感器安裝在mcp連桿和連架桿的轉(zhuǎn)動連接處。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，手外骨骼健康手主導康復裝置的拇指機構包括第三指節(jié)佩戴環(huán)、第三指節(jié)齒輪片、拇指第二指節(jié)指套、主導小連桿、彎曲連架桿、拇指主導角度傳感器、拇指主導第二角度傳感器，拇指主導第二角度傳感器安裝在彎曲連架桿與手部背板的轉(zhuǎn)動連接處；拇指主導角度傳感器安裝在拇指第二指節(jié)指套和第三指節(jié)佩戴環(huán)的轉(zhuǎn)動副處，第三指節(jié)齒輪片在第三指節(jié)佩戴環(huán)與拇指前兩個關節(jié)轉(zhuǎn)動中心相垂直的一側(cè)平面固連，其第三指節(jié)齒輪片的中心與拇指pip關節(jié)回轉(zhuǎn)中心重合，并與小齒輪軸進行嚙合，第二角度傳感器測出齒輪軸的旋轉(zhuǎn)角度。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，在手外骨骼健康手主導康復裝置的食指機構、中指機構、無名指機構中，第二指節(jié)指套機構與第三指節(jié)指套機構轉(zhuǎn)動連接；在第三指節(jié)指套機構中，齒輪軸在第三指節(jié)指套上方與指套轉(zhuǎn)動連接，第三指節(jié)指套機構和mcp關節(jié)連桿機構轉(zhuǎn)動連接；其中mcp關節(jié)連桿機構中的mcp連桿和連架桿形成轉(zhuǎn)動連接；mcp關節(jié)連桿機構的連架桿與手背部轉(zhuǎn)動連接；在拇指機構中，拇指第二指節(jié)指套和第三指節(jié)佩戴環(huán)轉(zhuǎn)動連接，第三指節(jié)佩戴環(huán)與主導小連桿轉(zhuǎn)動連接，主導小連桿和彎曲連架桿轉(zhuǎn)動連接，彎曲連架桿與手背部轉(zhuǎn)動連接。

所述的手外骨骼雙手隨動康復裝置，手外骨骼健康手主導康復裝置中的手背部包括手部背板和手掌連接件，手掌連接件的兩端連接在手部背板上。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是：

1、發(fā)明人于之前所申請的發(fā)明專利申請(申請?zhí)枺?01710060563.3)中所提出的針對手外骨骼康復裝置的線耦合與曲柄滑塊混合驅(qū)動方案具有良好的便攜性和可靠性，為了輔助患手進行不同場合的日常性生活動作提供了可能。基于此混合驅(qū)動方案的基礎上，本發(fā)明提出的完整的外骨骼康復系統(tǒng)針對拇指的康復與輔助新增了拇指驅(qū)動機構的設計，使得康復裝置可實現(xiàn)手指運動的自由度數(shù)目進一步提高，可更全面的幫助患手進行康復訓練以及日常動作輔助(并對之前專利號為201710060563.3中的康復裝置中的四指機構做了布局優(yōu)化設計)。與其同時，本發(fā)明將針對不同指節(jié)的康復機構高度整合在手背機構上，同時將其控制系統(tǒng)可搭載在人的小臂上，使整個系統(tǒng)易穿戴且便攜程度高。最后，整個裝置在實現(xiàn)了可對患者進行被動康復訓練以及日常手部運動輔助之后，加入了一種外骨骼雙手隨動康復方法，以及除上所述患手康復外骨骼裝置之外的正常手外骨骼主導裝置，可更好的實現(xiàn)自主的的針對性的康復訓練，提高康復訓練的效果。

2、本發(fā)明中的手外骨骼雙手隨動康復裝置，通過同時控制第一動力源和第二動力源，并且在第一線輪和第二線輪的線耦合運動的配合下，使患者的手部能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度的運動，使其得到有效的鍛煉。裝置在無名指和小指第三指節(jié)的驅(qū)動上進行了適當?shù)鸟詈希褂靡粋€動力源對其自由度驅(qū)動，滿足實用的前提下，進一步簡化了裝置的結構、保持了裝置的便攜性；本發(fā)明中的裝置可以根據(jù)康復訓練的實際需要來合理的設置第一線輪和第二線輪的半徑，當所述第一線輪和所述第二線輪的形狀均為圓形時，所述第一線輪的半徑與所述第二線輪的半徑之比可選在為1～2.2(優(yōu)選值為1.83)，使該裝置達到不同的鍛煉效果；本發(fā)明中的裝置的大部分零部件可以通過3d打印技術加工而成，使其與患者的匹配性更好，以達到最佳的康復效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明手外骨骼患手康復裝置的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明手外骨骼健康手主導康復裝置的結構示意圖。

圖3-圖4是本發(fā)明拇指機構的結構示意圖。其中，圖3為主視圖；圖4為立體圖。

圖5-圖7是本發(fā)明第一指套、第二指套和第三指套的結構示意圖。其中，圖5是主視圖；圖6是立體分解圖；圖7是俯視分解圖。

圖8是本發(fā)明提供的食指機構與第一指套控制機構的連接結構示意圖。

圖9是本發(fā)明提供的拇指機構整體裝配示意圖。

圖10是本發(fā)明大拇指dip關節(jié)、mcp關節(jié)和cmc關節(jié)的示意圖。

圖11是本發(fā)明提供的第一指套和第二指套的彎曲過程示意圖。

圖12是本發(fā)明提供的單指機構(如：食指機構或中指機構)為彎曲狀態(tài)時的結構示意圖。

其中：1食指機構；2中指機構；3無名指機構；4小指機構；5第一指套；6第二指套；7第三指套；8第一線纜；9第二線纜；10第一動力源；11第一角度傳感器；12第一齒輪；14第一線輪；15第二線輪；16配合齒輪；17固定板；18第一指套控制機構；19第二指套控制機構；20第三指套控制機構；21滑軌支座；22電機支座；23小型齒條；24第二動力源；25第二角度傳感器；26第二齒輪；27連桿；28微型導軌；40拇指指套控制機構；41內(nèi)齒輪彎曲連架桿；42小連桿；43拇指電機支座；44拇指第二動力源；45拇指第二齒輪；46拇指第二角度傳感器；47拇指機構；48拇指第一指套；49拇指第二指套；50拇指第三指套機構；51第三指節(jié)佩戴環(huán)；52第三指節(jié)齒輪；53拇指第一線纜；54拇指第二線纜；55拇指第一角度傳感器；56拇指第一齒輪；57拇指第一動力源；58拇指第一線輪；59拇指第二線輪；60拇指機構；61食指機構；62中指機構；63無名指機構；64第二指節(jié)指套機構；65第三指節(jié)指套機構；66、mcp關節(jié)連桿機構；67配合齒輪；68第二指節(jié)指套；70第三指節(jié)指套；71小齒輪軸；72第三指節(jié)角度傳感器；74、mcp連桿；75連架桿；76、mcp角度傳感器；77第三指節(jié)佩戴環(huán)；78拇指第二指節(jié)指套；79主導小連桿；80彎曲連架桿；81拇指主導角度傳感器；82拇指主導第二角度傳感器；83手部背板；第三指節(jié)齒輪片84。

具體實施方式

在具體實施過程中，本發(fā)明提供了一種手部外骨骼雙手隨動康復方法，包括：

(1)通過位移傳感裝置將健康手(不限左右手)在進行各種日常性動作(例如：抓握)各個指關節(jié)實時測量出來。

(2)將測量得到的健康手運動時的各個指節(jié)的角度位移數(shù)據(jù)，傳輸?shù)揭獙际诌M行康復訓練或者是輔助患手的手部外骨骼裝置。

(3)得到健康手指節(jié)的角度位移數(shù)據(jù)的外骨骼裝置，以該角度位移為目標位置去驅(qū)動患手，讓患手做出和健康手相同的動作。

其中，在通過位移傳感裝置將健康手(不限左右手)在進行各種日常性動作(例如：抓握)各個指關節(jié)實時的角度位移測量出來時，包括：

?。簩y量角度數(shù)據(jù)的裝置(即所述的手外骨骼健康手主導康復裝置)穿戴在健康手上，并使外骨骼的各個轉(zhuǎn)動副關節(jié)轉(zhuǎn)動軸心線與相對應的手指關節(jié)的轉(zhuǎn)動副關節(jié)轉(zhuǎn)動軸心線重合。

ⅱ：在對進行mcp轉(zhuǎn)動關節(jié)角度位移的測量時可將mcp關節(jié)視為一個連接到固定機架的轉(zhuǎn)動副，利用手外骨骼健康手主導康復裝置的四桿機構原理，用角度傳感器測得除mcp關節(jié)轉(zhuǎn)動副外其他轉(zhuǎn)動副的角位移，通過計算從而間接得出mcp關節(jié)的角位移數(shù)據(jù)。

ⅲ：在對pip關節(jié)進行角度位移的測量時，也可采用上述在mcp關節(jié)角度位移的測量中所使用的四桿機構原理的方法來進行測量，但是之前在專利申請(申請?zhí)枺?01710060563.3)中驅(qū)動第二指節(jié)的是電機通過齒輪直接傳動，所以在測量pip關節(jié)角位移數(shù)據(jù)是將角度傳感器安置在齒輪傳動軸，通過計算得出pip轉(zhuǎn)動副的角度位移。

ⅳ：在對dip關節(jié)進行角度位移的測量時，可以采用上述的兩種方法。因為dip關節(jié)周圍空間足夠，也可以直接將角度傳感器直接安裝在dip關節(jié)側(cè)面，使其回轉(zhuǎn)中心通過dip關節(jié)的回轉(zhuǎn)中心，直接對dip的角度位移進行測量。但是在本發(fā)明中，因為人手自然運動時dip和pip關節(jié)之間的耦合關系較為強烈，而且在手外骨骼患手康復裝置的dip關節(jié)驅(qū)動部分采用了欠驅(qū)動的線耦合方案，可直接通過pip關節(jié)的角位移通過計算耦合關系直接得出dip關節(jié)的角位移數(shù)據(jù)。本發(fā)明中，采用通過計算pip關節(jié)dip關節(jié)的運動耦合關系，用pip角位移數(shù)據(jù)來得出dip關節(jié)的角位移數(shù)據(jù)，參見之前的專利申請(申請?zhí)枺?01710060563.3)。

ⅴ：角度位移數(shù)據(jù)的記錄與傳輸可通過單片機來實現(xiàn)。

在具體實施過程中，為了解決現(xiàn)有技術存在的手外骨骼康復裝置存在的體積大、重量大、便攜性較差以及整個裝置的機械連桿的數(shù)量較多，結構復雜的問題，本發(fā)明還提供了一種手外骨骼雙手隨動康復裝置，包括手外骨骼患手康復裝置、手外骨骼健康手主導康復裝置，手外骨骼健康手主導康復裝置安放到健康手上，手外骨骼健康手主導康復裝置通過數(shù)據(jù)信號線連接控制器，控制器通過控制信號線連接手外骨骼患手康復裝置，整個手外骨骼雙手隨動康復裝置可佩戴。

如圖1、圖3-圖9、圖12所示，本發(fā)明手外骨骼患手康復裝置設置手指部、手背部、手套和控制器，其結構主要包括：食指機構1、中指機構2、無名指機構3、小指機構4、第一指套5、第二指套6、第三指套7、第一線纜8、第二線纜9、第一動力源10、第一角度傳感器11、第一齒輪12、第一線輪14、第二線輪15、配合齒輪16、固定板17、第一指套控制機構18、第二指套控制機構19、第三指套控制機構20、滑軌支座21、電機支座22、小型齒條23、第二動力源24、第二角度傳感器25、第二齒輪26、連桿27、微型導軌28、拇指指套控制機構40、內(nèi)齒輪彎曲連架桿41、小連桿42、拇指電機支座43、拇指第二動力源44、拇指第二齒輪45、拇指第二角度傳感器46、拇指機構47、拇指第一指套48、拇指第二指套49、拇指第三指套機構50(拇指第三指套機構50包括第三指節(jié)佩戴環(huán)51和第三指節(jié)齒輪52)、拇指第一線纜53、拇指第二線纜54、拇指第一角度傳感器55、拇指第一齒輪56、拇指第一動力源57、拇指第一線輪58、拇指第二線輪59等，具體結構如下：

所述手外骨骼患手康復裝置的手指部包括四個手指機構(包括食指機構1、中指機構2、無名指機構3、小指機構4等)和一個拇指機構47(包括拇指指套控制機構40等)，此手指機構和上面所述的手外骨骼健康手主導康復裝置的手指機構不同。四個手指機構分別是食指機構1、中指機構2、無名指機構3、小指機構4，其中食指機構1、中指機構2、無名指機構3的組成部分是相同的，而小指機構4的組成部分雖與食指機構1、中指機構2、無名指機構3相同，但是為了空間布置方便，將其變?yōu)殓R像放置。每個手指機構均包括三個指套、第一線纜8、第二線纜9(線耦合用)、第一動力源10、第一角度傳感器11和第一齒輪12，每個指套的底部均安裝有一個指節(jié)連接件。

如圖3-圖7所示，三個指套分別為第一指套5、第二指套6和第三指套7，第一指套5與第二指套6轉(zhuǎn)動連接，第二指套6與第三指套7轉(zhuǎn)動連接，第三指套7與手背部轉(zhuǎn)動連接，第一指套5上設有第一線輪14，第一線輪位于第一指套5與第二指套6的連接處，第三指套7上設有第二線輪15，第二線輪15位于第三指套7與第二指套6的連接處，第一線纜8的一端固定在第一線輪14上，另一端固定在第二線輪15上，第二線纜9的一端固定在第一線輪14上，另一端固定在第二線輪15上，第一線纜8與第二線纜9交叉，第一動力源10安裝在第三指套7上，第一動力源10的輸出軸依次穿過第一角度傳感器11和第一齒輪12，第二指套6的一側(cè)面設有配合齒輪16，配合齒輪16與第一齒輪12嚙合，每個手指機構的第一角度傳感器11和第一動力源10以及所述手背部均與所述控制器連接。另外，第二指套6的另一側(cè)面設有雙邊連接件6-1，第三指套7的側(cè)面設置單邊連接件7-1。

所述手外骨骼患手康復裝置的手背部包括固定板17，固定板17上并排安裝有三個指套控制機構加上一個拇指指套控制機構，其中三個指套控制機構分別為第一指套控制機構18、第二指套控制機構19和第三指套控制機構20，第一指套控制機構18與所述食指機構1連接，第二指套控制機構19與所述中指機構2連接，第三指套控制機構20分別與所述無名指機構3和所述小指機構4連接，拇指指套控制機構與所述拇指機構相連接。

如圖1、圖8、圖12所示，第一指套控制機構18、第二指套控制機構19和第三指套控制機構20均包括滑軌支座21、電機支座22(其中第一指套控制機構對應的是第一電機支座、第二指套控制機構對應的是第二電機支座、第三指套控制機構對應的是第三電機支座，每個電機支座的外形略有差異)、小型齒條23、第二動力源24、第二角度傳感器25和第二齒輪26。其中滑軌支座21安裝在固定板17上，滑軌支座21上設有微型導軌28，電機支座22安裝在微型導軌28上且能在微型導軌28上滑動，第二動力源24安裝在電機支座22上，第二動力源24的輸出軸依次穿過第二角度傳感器25和第二齒輪26，小型齒條23安裝在滑軌支座21上，第二齒輪26與所述小型齒條23嚙合。具體地，可以在滑軌支座21上設置齒條安裝槽，通過粘結的方式將小型齒條23粘結在滑軌支座21的齒條安裝槽內(nèi)。

第一指套控制機構18和第二指套控制機構19還各包括一個連桿27，第一指套控制機構18的連桿27的一端安裝在第一電機支座22上，另一端與食指機構1的第三指套7連接，第二指套控制機構19的連桿27的一端安裝在第二電機支座22上，另一端與中指機構2的第三指套7連接。

第三指套控制機構20還包括兩個連桿27，第三指套控制機構20的兩根連桿27的一端安裝在第三電機支座22上，另一端依次與無名指機構3和小指機構4的第三指套7相連接。

手背部的拇指指套控制機構40包括一個內(nèi)齒輪彎曲連架桿41、一個小連桿42、拇指電機支座43、拇指第二動力源44、拇指第二齒輪45、拇指第二角度傳感器46。其中，拇指電機支座43和手背板17固定連接，拇指第二動力源44安裝在拇指電機支座43上，拇指第二動力源44的輸出軸依次穿過拇指第二角度傳感器46和拇指第二齒輪45，拇指第二齒輪45和內(nèi)齒輪彎曲連架桿41嚙合，小連桿42和內(nèi)齒輪彎曲連架桿41轉(zhuǎn)動連接。

手外骨骼患手康復裝置的拇指機構47包括拇指第一指套48、拇指第二指套49、拇指第三指套機構50(拇指第三指套機構50包括第三指節(jié)佩戴環(huán)51和第三指節(jié)齒輪52)、拇指第一線纜53、拇指第二線纜54、拇指第一角度傳感器55、拇指第一齒輪56、拇指第一動力源57。

其中，拇指第一指套48與拇指第二指套49轉(zhuǎn)動連接，拇指第二指套49與拇指第三指套中的第三指節(jié)齒輪52轉(zhuǎn)動連接，第三指節(jié)齒輪52和第三指節(jié)佩戴環(huán)51固連，第三指節(jié)佩戴環(huán)51與手背部中的拇指指套控制機構40的小連桿42轉(zhuǎn)動連接。拇指第一指套48上設有拇指第一線輪58(見圖3-圖4、圖9)，拇指第一線輪位于拇指第一指套48與拇指第二指套49的連接處，拇指第三指套50上設有拇指第二線輪59，拇指第二線輪59位于拇指第三指套50與拇指第二指套49的連接處，拇指第一線纜53的一端固定在拇指第一線輪58上，另一端固定在拇指第二線輪59上，拇指第二線纜54的一端固定在拇指第一線輪58上，另一端固定在拇指第二線輪59上，拇指第一線纜53與拇指第二線纜54交叉，拇指第一動力源57安裝在拇指第二指套49上，拇指第一動力源57的輸出軸依次穿過拇指第一角度傳感器55和拇指第一齒輪56，第三指節(jié)齒輪52與拇指第一齒輪56嚙合，拇指第一角度傳感器55和拇指第一動力源57以及所述手背部均與所述控制器連接。

如圖2所示，手外骨骼健康手主導康復裝置放到健康手上用于位移數(shù)據(jù)采集，將健康手的位移數(shù)據(jù)傳遞到控制器，通過控制器發(fā)出指令驅(qū)動手外骨骼患手康復裝置。該手外骨骼健康手主導康復裝置設置手指部、手背部，其結構包括：拇指機構60、食指機構61、中指機構62、無名指機構63(針對手指部的)、第二指節(jié)指套機構64、第三指節(jié)指套機構65、mcp關節(jié)連桿機構66、配合齒輪67、第二指節(jié)指套68、指套連接件、第三指節(jié)指套70、小齒輪軸71、第三指節(jié)角度傳感器72、mcp連桿74、連架桿75、mcp角度傳感器76、(拇指部分)第三指節(jié)佩戴環(huán)77、拇指第二指節(jié)指套78、主導小連桿79、彎曲連架桿80、拇指主導角度傳感器81、拇指主導第二角度傳感器82、手部背板83等，具體結構如下：

所述手外骨骼健康手主導康復裝置的手指部包括四個手指機構，分別是拇指機構60、食指機構61、中指機構62、無名指機構63。其中食指機構61、中指機構62、無名指機構63的組成部分是相同的(僅有長度、寬度、高度方面的尺寸差異，運動原理都相同)，均包括第二指節(jié)指套機構64、第三指節(jié)指套機構65、mcp關節(jié)連桿機構66。第二指節(jié)指套機構64包括有設有配合齒輪67的第二指節(jié)指套68，和連接在指套下方的指套連接件。第三指節(jié)指套機構65包括第三指節(jié)指套70、小齒輪軸71、第三指節(jié)角度傳感器72、指套連接件。小齒輪軸71安裝在第三指節(jié)指套70的上方，與第二指節(jié)指套68一側(cè)的配合齒輪67嚙合，第三指節(jié)角度傳感器72安裝在齒輪軸71上，指套連接件連接在第三指節(jié)指套70的下方。mcp關節(jié)連桿機構66包括mcp連桿74、連架桿75和mcp角度傳感器76，mcp角度傳感器76安裝在mcp連桿74和連架桿75的轉(zhuǎn)動連接處。

手外骨骼健康手主導康復裝置的拇指機構包括第三指節(jié)佩戴環(huán)77、第三指節(jié)齒輪片84、拇指第二指節(jié)指套78、主導小連桿79、彎曲連架桿80、拇指主導角度傳感器81、拇指主導第二角度傳感器82，拇指主導第二角度傳感器82安裝在彎曲連架桿80與手部背板83的轉(zhuǎn)動連接處。拇指主導角度傳感器81安裝在拇指第二指節(jié)指套68和第三指節(jié)佩戴環(huán)77的轉(zhuǎn)動副處，第三指節(jié)齒輪片84在第三指節(jié)佩戴環(huán)77與拇指前兩個關節(jié)轉(zhuǎn)動中心相垂直的一側(cè)平面固連，其第三指節(jié)齒輪片84的中心與拇指pip關節(jié)回轉(zhuǎn)中心重合，并與小齒輪軸71進行嚙合，第二角度傳感器82可測出齒輪軸71的旋轉(zhuǎn)角度。

在手外骨骼健康手主導康復裝置的食指機構61、中指機構62、無名指機構63中，第二指節(jié)指套機構64與第三指節(jié)指套機構65轉(zhuǎn)動連接；在第三指節(jié)指套機構65中，齒輪軸71在第三指節(jié)指套70上方與指套轉(zhuǎn)動連接，第三指節(jié)指套機構65和mcp關節(jié)連桿機構76轉(zhuǎn)動連接；其中mcp關節(jié)連桿機構76中的mcp連桿74和連架桿75形成轉(zhuǎn)動連接；mcp關節(jié)連桿機構的連架桿75與手部背板83轉(zhuǎn)動連接。在拇指機構中，拇指第二指節(jié)指套78和第三指節(jié)佩戴環(huán)77轉(zhuǎn)動連接，第三指節(jié)佩戴環(huán)77與主導小連桿79轉(zhuǎn)動連接，主導小連桿79和彎曲連架桿80轉(zhuǎn)動連接，彎曲連架桿80與手部背板83轉(zhuǎn)動連接。

手外骨骼健康手主導康復裝置中的手背部包括手部背板83和手掌連接件，手掌連接件的兩端連接在手部背板83上。

值得一提的是，本發(fā)明完整版的手外骨骼患手康復裝置較之前(專利申請?zhí)枺?01710060563.3)在三個指套的設計方面均做了改進(見圖5-圖7)：

1：將原本附加在第二指套的齒輪改為貼片式，同時對第二指套的線輪一側(cè)進行減厚，將貼片齒輪通過螺釘或者是其他固定的方式貼在線輪一側(cè)；

2：優(yōu)化了第一指套的外觀設計；

3：優(yōu)化了第三指套的外觀設計。

對這些地方進行優(yōu)化的直接好處使裝置的結構更加緊湊，使四指機構在進行各自的獨立運動時不會產(chǎn)生互相干涉，同時也因為裝置在各個指間的占用的空間減小，進一步增加了患者佩戴的舒適性。

4：在指套控制機構方面，在無名指和小指的控制方面也做了改進，將連接無名指小指第三指節(jié)的指套的連桿都連接在了一個電機支座上，因為在實際日常生活運動中無名指小指的運動耦合關系較為強烈，所以共用一個控制器聯(lián)合驅(qū)動這種方式在滿足實用的前提下反而會使裝置更加小巧緊湊，增加便攜性，見圖1。

本發(fā)明中，拇指結構和其他四指機構在設計上的區(qū)別：

(1)設計的拇指第一指節(jié)僅通過一側(cè)的轉(zhuǎn)動關節(jié)和第二指節(jié)指套相連接；

(2)拇指第二指節(jié)指套的設計和拇指第二指節(jié)動力源的放置和其他四指機構有所區(qū)別，區(qū)別在于驅(qū)動拇指第二指節(jié)的動力源放置在了拇指第二指節(jié)指套上，與之相對應的是拇指第二指節(jié)指套上的電機槽。而其他四指機構驅(qū)動第二指節(jié)的動力源放置在了第三指節(jié)指套上，與之對應的是第三指節(jié)指套的電機槽。同時，為了配合拇指第二指節(jié)動力源驅(qū)動第二指節(jié)指套，在第三指節(jié)佩戴環(huán)上固連了第三指節(jié)齒輪。然而在其他四指機構中配合第二指節(jié)動力源驅(qū)動第二指節(jié)指套的齒輪貼片是與第二指節(jié)指套相連的。

(3)拇指的第三指節(jié)機構有兩個零件：第三指節(jié)佩戴環(huán)和第三指節(jié)齒輪52。而在四指機構中的第三指節(jié)只有一個零件。

手外骨骼患手康復裝置的手背部分由一塊手背板，而電機支座可以與手背板通過多種方式固連在一起，也可以3d打印一體成型，本發(fā)明采用的時一體成型的方式。

本發(fā)明手部及腕部的手外骨骼雙手隨動康復裝置的使用過程和原理如下：

一：與手指的佩戴方式：可以將手背部的固定板17通過指節(jié)連接件(可以為尼龍搭扣)，并且在每個指套的兩個側(cè)面均設置固定槽，可以將尼龍搭扣穿過指套上的固定槽并且通過縫合的方式與指套連接在一起，當需要使用本發(fā)明中的裝置進行康復訓練時，可以將手套帶上，此時該裝置的手背部位于患者的手背之上，并將尼龍搭扣的尼龍鉤帶和尼龍絨帶撕開，將該裝置的第一指套5卡在人手的遠端指節(jié)上，第二指套6卡在人手的中端指節(jié)上，第三指套7卡在人手的近端指節(jié)上，并將每個指套底部的尼龍搭扣的尼龍鉤帶和尼龍絨帶重新粘結在一起，如此便可以將本發(fā)明中的手外骨骼雙手隨動康復裝置與人手固定在一起，對于手外骨骼健康手主導康復裝置的佩戴也是如此。

二：拇指機構的設計原理

拇指的運動對于絕大多數(shù)執(zhí)行日常生活動作(比如抓握)來說是不可或缺的，甚至起到一定的決定作用。因為，為了整個機構的完整性與實用性，設計了拇指康復機構。

如圖10所示，在分析拇指運動時，發(fā)現(xiàn)了拇指的運動學關系不同于其他手指：

?。耗粗傅母筷P節(jié)即cmc關節(jié)能夠執(zhí)行3d范圍的運動，相當于球副。

ⅱ：拇指在繞cmc關節(jié)執(zhí)行回轉(zhuǎn)動作的時候，會圍繞一根穿過cmc關節(jié)中心并且平行于中指的軸運動。尤其是當拇指伸展時，拇指的第三指節(jié)會沿一個圓錐面(這種拇指的運動學描述關系又叫做“surgeonsmethod”)運動，雖然實際上拇指在執(zhí)行各種各樣的動作時運動軌跡會變得更加復雜，但是這種描述大多數(shù)時候拇指的運動的方法對于實現(xiàn)拇指主要功能方面來說已經(jīng)夠用。

ⅲ：拇指前端的dip關節(jié)和mcp關節(jié)只能實現(xiàn)單自由度的回轉(zhuǎn)運動。

針對拇指的運動學情況，決定采用以下的外骨骼解決方案：

?。河靡惶姿臈U機構來驅(qū)動大拇指的第三指節(jié)。

ⅱ：用線耦合方案來驅(qū)動大拇指的前兩個關節(jié)(dip,mcp關節(jié))。

進行拇指初步的運動學實驗后，發(fā)現(xiàn)該套裝置能夠滿足基本拇指運動需求，能夠完成比如對掌、伸展等動作。

拇指四桿機構測角度原理：平行四邊形原理；

在本發(fā)明中，線耦合的原理參見中國專利申請(申請?zhí)?01710060563.3)，當患者穿戴好本發(fā)明的手外骨骼雙手隨動康復裝置后，第一線輪14的軸心與人手的dip關節(jié)(distalinterphalangealpoint，遠側(cè)指間關節(jié))的旋轉(zhuǎn)軸心重合，第二線輪15的軸心與人手的pip關節(jié)(proximalinterphalangealpoint，近側(cè)指間關節(jié))的旋轉(zhuǎn)軸心重合。如圖1、圖8、圖12，每個手指機構的第一指套5和第二指套6旋轉(zhuǎn)彎曲的原理相同，在此以食指機構1為例進行說明，可參照圖8、圖11、圖12，第二指套6圍繞第三指套7旋轉(zhuǎn)以及第一指套5圍繞第二指套6旋轉(zhuǎn)的原理如下：

第一動力源10的輸出軸帶動第一齒輪12進行旋轉(zhuǎn)，由于第一齒輪12與第二指套6上的配合齒輪16嚙合，因此通過齒輪傳動，會帶動配合齒輪16進行旋轉(zhuǎn)，參見圖8，若圖8中的第一齒輪12順時針旋轉(zhuǎn)，則會使配合齒輪16按照圖8中實線箭頭的方向旋轉(zhuǎn)，由于配合齒輪16與第二指套6為一體的結構，因此會使第二指套6和第一指套5相對于第三指套7均旋轉(zhuǎn)一定的角度。如圖11所示，此時第一指套5和第二指套6從伸直狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)，即圖11中的m狀態(tài)轉(zhuǎn)換成n狀態(tài)，此時可以使患者的中端指節(jié)和遠端指節(jié)彎曲一定的角度；當?shù)谝恢柑?相對于第三指套7進行旋轉(zhuǎn)時，由于第一線輪14、第二線輪15、第一線纜8和第二線纜9的線耦合運動，會使第一指套5相對于第二指套6旋轉(zhuǎn)一定的角度。參見圖11，①和②為第二線輪15上的兩個固定點，③和④為第一線輪14上的兩個固定點，第一線纜8和第二線纜9可以為鋼絲軟繩，第一線纜8的兩端分別固定在固定點②和固定點③上，第二線纜9的兩端分別固定在固定點①和固定點④上，第一線纜8和第二線纜9交叉，當?shù)谝恢柑?相對于第三指套7進行旋轉(zhuǎn)時，第一線輪14圍繞第二線輪15進行旋轉(zhuǎn)。如圖11所示，但由于第一線纜8和第二線纜9的兩端均固定，因此，第一線纜8在第一線輪14上進行纏繞，同時第二線纜9在第二線輪15上進行纏繞，因此可以使第一指套5相對第二指套6旋轉(zhuǎn)一定的角度，即可以使患者的遠端指節(jié)圍繞dip關節(jié)進行旋轉(zhuǎn)，第一動力源10繼續(xù)驅(qū)動第一齒輪12旋轉(zhuǎn)，第一指套5和第二指套6從n狀態(tài)轉(zhuǎn)換為l狀態(tài)，因此在本發(fā)明中，僅通過一個第一動力源10進行驅(qū)動，再通過線耦合運動的方式可即可以使第二指套6圍繞第三指套7旋轉(zhuǎn)一定的角度以及使第一指套5圍繞第二指套6旋轉(zhuǎn)一定的角度，無需在每個手指關節(jié)處均設置機械連桿，省去了大量的機械連桿的數(shù)量，大大簡化的裝置的結構以及減輕了重量。

在本發(fā)明中，第一線輪14和第二線輪15的形狀可以為圓形，第一線輪14的半徑可以和第二線輪15的半徑可以相同，即圖1和圖11中所示的結構。此時，第一指套5圍繞第二指套6旋轉(zhuǎn)的角速度與第二指套6圍繞第三指套7旋轉(zhuǎn)的角速度相同，即線耦合的傳動比為1；當?shù)谝痪€輪14的半徑和第二線輪15的半徑不同時，第一指套5圍繞第二指套6旋轉(zhuǎn)的角速度與第二指套6圍繞第三指套7旋轉(zhuǎn)的角速度不同，若第一線輪14的半徑為第二線輪15的半徑的兩倍。此時，第一指套5圍繞第二指套6旋轉(zhuǎn)的角速度是第二指套6圍繞第三指套7旋轉(zhuǎn)的角速度的1/2，即線耦合的傳動比為2；當?shù)谝痪€輪14和第二線輪15的形狀均為圓形時，線耦合的傳動比為定傳動比。在本發(fā)明中，線耦合的傳動比也可以為變傳動比，即將第一線輪14和第二線輪15設計為漸變半徑線輪，線輪的半徑不是定值。當?shù)谝痪€輪14和第二線輪15為漸變半徑時，第一指套5圍繞第二指套6旋轉(zhuǎn)的角速度相對第二指套6圍繞第三指套7旋轉(zhuǎn)的角速度是持續(xù)變化的。然而人手在一個自然伸展或彎曲的運動序列中，dip關節(jié)對pip關節(jié)的相對角速度也是持續(xù)改變。所以用漸變半徑線輪更加能夠讓人手指達到一個自然的運動序列，更有利與康復效果。不過也可根據(jù)患者的實際情況或?qū)嶋H制造時的考慮，合理的設計第一線輪14和第二線輪15的形狀。

在本發(fā)明中，第一指套控制機構18控制食指機構1的第三指套7圍繞手背部進行旋轉(zhuǎn)的原理與第二指套控制機構19控制中指機構2的第三指套7圍繞手背部進行旋轉(zhuǎn)的原理相同，以第一指套控制機構18為例進行說明，參見圖8、圖12和圖1，第二動力源24的輸出軸帶動第二齒輪26進行旋轉(zhuǎn)，第二齒輪26在小型齒條23上進行水平運動，使得電機支座22在微型導軌28上滑動，患者的食指的近端指節(jié)和食指機構1的第三指套7通過指節(jié)連接件固定，可視為一個整體連桿，該整體連桿與第一指套控制機構18構成一個曲柄滑塊機構，當電機支座22在微型導軌28上滑動時，且第三指套7與患者的近端指節(jié)固定在一起，因此會使第三指套7圍繞手背部進行旋轉(zhuǎn)，即第三指套7帶動患者的近端指節(jié)圍繞mcp關節(jié)(metacarpophalangealpoint，掌指關節(jié))進行彎曲。

三：在本發(fā)明中，控制器為可以為plc(programmablelogiccontroller，可編程邏輯控制器)、單片機或者arduino微控制器和電機驅(qū)動模塊組成，控制器未在圖中示出；第一動力源和第二動力源可以為微型電機，微型電機可以是型號為ga12yn20-380的減速電機，減速比為1:380，減速電機的轉(zhuǎn)速為34r/min，第一角度傳感器和第二角度傳感器可以是型號為sv01a103aea01r00的旋轉(zhuǎn)角度傳感器，也可以根據(jù)實際情況選擇其他型號的電機和角度傳感器。在控制程序方面，程序主要包括數(shù)據(jù)采集濾波、pid控制等部分。

在濾波方面，反饋傳感器采用村田sv01a103aea01r00旋轉(zhuǎn)角度傳感器，轉(zhuǎn)動時電阻從零逐漸增大，當轉(zhuǎn)過一整周之后，電阻歸零，在此處傳感器會有明顯的波動和噪聲。為此，通過增加中間參量、使用限幅濾波等方法，對輸入信號進行處理，使得到平穩(wěn)連續(xù)的波形，使控制穩(wěn)定、可靠。

在pid控制方面，在樣機上進行了長時間的調(diào)試，通過對抖動波形的分析，選定了一組較為合適的參數(shù)。樣機上的9個減速電機，大約每10ms可分別接收一次pid控制信號，可以實現(xiàn)較為精確的控制。

另外，本發(fā)明中的裝置的零部件的材質(zhì)可以根據(jù)實際情況選擇塑料或者輕質(zhì)金屬。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。