本發(fā)明涉及一種手部外骨骼系統(tǒng)，特別是涉及一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

手是人類日常生活中最常用到的人體器官之一，它是人體運(yùn)動(dòng)靈巧性的最高體現(xiàn)。人手由二十七塊骨骼組成，可以實(shí)現(xiàn)二十個(gè)自由度的活動(dòng)。對(duì)物體的操縱和觸覺感知是人手的兩大重要功能。手對(duì)物體的操縱功能主要是指手在骨骼、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的共同作用下完成對(duì)物體抓握、捏取、以及對(duì)精細(xì)動(dòng)作控制的能力。外力、疾病以及燒傷等多種原因?qū)е碌氖植抗δ軗p傷嚴(yán)重影響了人們的日常生活。

手部外骨骼這一概念源于柔性外骨骼技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是一種可穿戴在手部的機(jī)器人技術(shù)，結(jié)合了外骨骼仿生技術(shù)和信息控制技術(shù)，涉及生物運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、信息科學(xué)、人工智能等跨學(xué)科知識(shí)。手部外骨骼系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)械手遙操作及手指姿態(tài)測(cè)量，及手部功能康復(fù)訓(xùn)練。

德國柏林工業(yè)大學(xué)的andreaswege等學(xué)者對(duì)手部外骨骼進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在2005年研制了一種每個(gè)手指的兩自由度的外骨骼，通過電機(jī)－滑輪－繩傳動(dòng)，針對(duì)非線性時(shí)變特點(diǎn)，采用滑模控制器，并通過積分消除高頻碰撞的震顫問題。日本岐阜大學(xué)的haruhisakawasaki等學(xué)者，于2006年研制的22自由度手部外骨骼康復(fù)裝置，嘗試通過鏡像控制，即患者的健側(cè)控制患側(cè)，達(dá)到自主康復(fù)訓(xùn)練的目的。

鑒于人手部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)節(jié)自由度多，手部外骨骼的設(shè)計(jì)存在很大的困難。目前國內(nèi)對(duì)于手部外骨骼的研究設(shè)計(jì)尚有很大的進(jìn)步空間。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)相關(guān)專利文獻(xiàn)，其中國申請(qǐng)專利號(hào)為：cn201610447505.1，專利名稱為：一種穿戴式手部外骨骼裝置，申請(qǐng)日為：2016年6月21日。該發(fā)明專利公開了一種基于平面五桿機(jī)構(gòu)和空間六桿機(jī)構(gòu)的手部外骨骼。該裝置可穿戴，且具有與人手關(guān)節(jié)自由度數(shù)相匹配的自由度，然而其仍然存在一定的問題：(1)該裝置手指關(guān)節(jié)間由連桿機(jī)構(gòu)連接，導(dǎo)致整個(gè)裝置體積過大、較為笨重，一定程度上會(huì)影響患者康復(fù)訓(xùn)練的效果；(2)該手部外骨骼無任何驅(qū)動(dòng)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼系統(tǒng)，其能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，有效減小了手部外骨骼的質(zhì)量、體積，裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼系統(tǒng)，其特征在于，所述基于電磁驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼系統(tǒng)包括手部外骨骼部分、導(dǎo)線、繼電器、電源，手部外骨骼部分與所述電源均通過導(dǎo)線與所述繼電器部分連接。

優(yōu)選地，所述所述手部外骨骼部分包括手掌部分及手指部分；所述手指部分包括拇指部、食指部、中指部、無名指部以及小指部；

手掌部分包括掌板、第一電磁鐵、第一防滑墊；所述四個(gè)電磁鐵分別鑲嵌在掌板上部的四個(gè)卡槽中；所述第一防滑墊固定在掌板下部；食指部、中指部、無名指部以及小指部均包括防滑墊、近節(jié)、中節(jié)、第一遠(yuǎn)節(jié)、第一永磁鐵、第二電磁鐵，其中，所述近節(jié)在末端通過一個(gè)銷軸與掌板鉸接；所述中節(jié)與近節(jié)鉸接；所述第一遠(yuǎn)節(jié)與中節(jié)鉸接；所述多個(gè)防滑墊分別固定在近節(jié)、中節(jié)、第一遠(yuǎn)節(jié)下半部；第二電磁鐵固定在中節(jié)的上半部，第一永磁鐵固定在第一近節(jié)和第一遠(yuǎn)節(jié)的上半部；

拇指部包括第二永磁鐵、第三電磁鐵、第二遠(yuǎn)節(jié)、第二近節(jié)、第三防滑墊以及連接器，其中，所述第二遠(yuǎn)節(jié)與第二近節(jié)鉸接；所述第二近節(jié)與連接器鉸接；所述兩個(gè)第三防滑墊分別固定在第二遠(yuǎn)節(jié)以及第二近節(jié)下部；連接器在末端與掌板形成過盈配合，第三電磁鐵固定在第二近節(jié)的上半部，第二永磁鐵固定在第二遠(yuǎn)節(jié)的上半部以及連接器上的一個(gè)圓孔中。

優(yōu)選地，所述繼電器在特定電流信號(hào)指令下切換接頭位置。

優(yōu)選地，所述第一電磁鐵、第二電磁鐵和第三電磁鐵的形狀都為圓柱體。

優(yōu)選地，所述繼電器的形狀為長方體。

優(yōu)選地，所述繼電器是雙刀雙擲繼電器。

優(yōu)選地，所述電源對(duì)手部外骨骼部分、導(dǎo)線、繼電器進(jìn)行供電。

本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供了一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼裝置，有效減小了手部外骨骼的質(zhì)量、體積，裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明手掌部分手背面等軸側(cè)圖。

圖3為本發(fā)明手掌部分手心面等軸側(cè)圖。

圖4為本發(fā)明食指部、中指部、無名指部或小指部等軸側(cè)圖。

圖5為本發(fā)明拇指部等軸側(cè)圖。

圖6為本發(fā)明雙刀雙擲繼電器等軸側(cè)圖。

圖7為本發(fā)明電源等軸側(cè)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1至圖7所示，本發(fā)明基于電磁驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼系統(tǒng)包括手部外骨骼部分1、導(dǎo)線2、繼電器3、電源4，手部外骨骼部分1與所述電源4均通過導(dǎo)線2與所述繼電器3部分連接。

所述手部外骨骼部分包括手掌部分及手指部分；所述手指部分包括拇指部、食指部、中指部、無名指部以及小指部；

手掌部分包括掌板5、第一電磁鐵6、第一防滑墊7；所述四個(gè)電磁鐵6分別鑲嵌在掌板5上部的四個(gè)卡槽中；所述第一防滑墊7固定在掌板5下部；食指部、中指部、無名指部以及小指部均包括防滑墊8、近節(jié)9、中節(jié)10、第一遠(yuǎn)節(jié)11、第一永磁鐵12、第二電磁鐵13，其中，所述近節(jié)9在末端通過一個(gè)銷軸與掌板5鉸接；所述中節(jié)10與近節(jié)9鉸接；所述第一遠(yuǎn)節(jié)11與中節(jié)10鉸接；所述多個(gè)防滑墊8分別固定在近節(jié)9、中節(jié)10、第一遠(yuǎn)節(jié)11下半部；第二電磁鐵13固定在中節(jié)10的上半部，第一永磁鐵12固定在第一近節(jié)9和第一遠(yuǎn)節(jié)11的上半部；

拇指部包括第二永磁鐵19、第三電磁鐵18、第二遠(yuǎn)節(jié)14、第二近節(jié)16、第三防滑墊15以及連接器17，其中，所述第二遠(yuǎn)節(jié)14與第二近節(jié)16鉸接；所述第二近節(jié)16與連接器17鉸接；所述兩個(gè)第三防滑墊15分別固定在第二遠(yuǎn)節(jié)14以及第二近節(jié)16下部；連接器17在末端與掌板5形成過盈配合，第三電磁鐵18固定在第二近節(jié)16的上半部，第二永磁鐵19固定在第二遠(yuǎn)節(jié)14的上半部以及連接器17上的一個(gè)圓孔中。

通過改變所述第一電磁鐵6、第二電磁鐵13、第三電磁鐵18的極性，使得電磁鐵與第一永磁鐵12、第二永磁鐵19極性相斥或相吸，從而對(duì)手指部分屈伸的動(dòng)作形成控制。

所述繼電器3在特定電流信號(hào)指令下切換接頭位置，這樣從而改變了電流方向并改變了電磁鐵極性。繼電器可以是雙刀雙擲繼電器，這樣使用方便。

所述第一電磁鐵6、第二電磁鐵13和第三電磁鐵18的形狀都為圓柱體，從而具有較高的靈活性。

所述繼電器的形狀為長方體，這樣價(jià)格低廉、方便易用、安全有效。

兩永磁鐵安裝極性一致。通電時(shí)，電流通過電磁鐵使之產(chǎn)生極性，若兩電磁鐵極性與兩永磁鐵極性一致，則磁極之間相互吸引，從而使手指完成伸直動(dòng)作；若兩電磁鐵極性與永磁鐵相反，則磁極之間相互排斥，從而使手指完成彎曲動(dòng)作。電源對(duì)整個(gè)裝置(手部外骨骼部分、導(dǎo)線、繼電器)進(jìn)行供電。節(jié)是指靠近手掌處指節(jié)；遠(yuǎn)節(jié)是指遠(yuǎn)離手掌處指節(jié)；中節(jié)是指在近節(jié)與遠(yuǎn)節(jié)之間的指節(jié)。第一電磁鐵、第二電磁鐵、第三電磁鐵在線圈通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁性，且磁場(chǎng)方向隨電流方向變化而變化。基于電磁鐵的這種特性，同時(shí)已知到磁鐵同極相斥、易極相吸的原理，考慮到通過磁場(chǎng)間的作用力控制手指外骨骼的運(yùn)動(dòng)：通過永磁鐵與電磁鐵之間的斥力，使指間關(guān)節(jié)彎曲；通過繼電器改變電流方向，使得永磁鐵與電磁鐵間產(chǎn)生吸力，從而使指尖關(guān)節(jié)伸直，從而實(shí)現(xiàn)手指外骨骼的屈伸。本發(fā)明由電流方向控制磁場(chǎng)方向的電磁鐵與永磁鐵配合為該手部外骨骼提供動(dòng)力，可通過采集人體皮膚表面微弱的肌電信號(hào)，分析肌肉的運(yùn)動(dòng)意圖，從而傳遞給該裝置，作為其控制信號(hào)。本發(fā)明使五個(gè)手指可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，具有較高的靈活性、整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單輕便、易于制造安裝，具有價(jià)格低廉、方便易用、安全有效，且可控性較高的優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供了一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼裝置，有效減小了手部外骨骼的質(zhì)量、體積，裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。