基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置

1.本实用新型涉及人机交互技术领域，具体地讲是基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置。


背景技术：

2.动作辅助设备主要是针对肢体运动障碍的人群，已经广泛的应用在神经康复、医疗军事等领域。由于生活中，手的使用是极为重要和频繁的，故针对手部动作辅助装置的设计尤为核心。
3.而手部功能障碍的患者主要可归结为两类，一类是由于脑部坏损和神经通路损坏造成的，另一类是由于肌肉损伤造成的。对于第一类病人，可以通过神经移位手术来治疗；对于第二类病人，可以通过靶向肌肉神经移植手术来治疗。但不论是神经移位还是靶向神经移植手术，所用到的神经通常不是原来支配肌肉所所对应的神经，所以在手术后病人通常要经过一段时间的康复训练，以达到脑重塑的目的。
4.现有的动作辅助装置大多是刚性材质，重量重、体积大，穿戴极为不方便，而且还会给使用者带来额外的身体负担。
5.在运动控制方面，现有的设备大多是采用机械开关控制，即按下开关动作辅助装置进行运动，松开开关，运动停止，这样的运动方式极为僵硬，甚至会发生运动力过大，对手部造成二次损伤。
6.为此设计一种体积小、轻量化、穿戴方便、控制柔顺的可以支持患者日常使用的基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置是十分有必要的。


技术实现要素：

7.本实用新型突破了现有技术的难题设计了一种体积小、轻量化、穿戴方便、控制柔顺的可以支持患者日常使用的动作辅助装置。
8.为了达到上述目的，本实用新型首先设计了一种基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置，其特征在于：包括传感单元、驱动单元、驱动线管、手部外骨骼；
9.所述传感单元，用于采集并传输使用者的表面肌电信号，包括信号传感器、信号传输线，所述信号传感器布置在使用者身体上，利用所述信号传输线将表面肌电信号传输到驱动单元，驱动单元对表面肌电信号进行分析、处理并将产生的驱动力传输到手部外骨骼，控制手部外骨骼进行动作。
10.所述手部外骨骼为线驱动手部外骨骼，包括柔性外骨骼手套或者刚柔式外骨骼手套。
11.进一步的，所述驱动单元，包括传动机构、自锁机构、控制电路板、电源、驱动器，所述电源用于给驱动单元提供电力，所述控制电路板与用于接收传感单元传输的表面肌电信号，进行分析并传输指令给驱动器，使其产生驱动力，驱动力经由自锁机构、传动机构将驱动力传输到手部外骨骼，控制手部外骨骼进行动作。
12.进一步的，所述驱动线管，用于保护并梳理驱动线束，包括设置在其一端的理线器一和设置在另一端的驱动头，所述驱动线管套设在驱动线束外部，所述理线器一与驱动单元伸出的驱动线束相连，将驱动线束导入驱动线管后与驱动头连通。
13.进一步的，所述传动机构包括：
14.主动轴，用于提供所述传动机构所需的动力；
15.所述主动轴可拆卸的安装在基座的侧壁上，其上套设有单向轴承；
16.从动轴，可拆卸的安装在基座的侧壁上，其上也套设有单向轴承，所述从动轴利用齿轮副与所述主动轴连接，随着主动轴转动；
17.转向轴，分别可拆卸的安装在基座的底板上，用于改变驱动线束的方向；
18.所述驱动线束绕设在主动轴的单向轴承、从动轴的单向轴承、转向轴上，之后穿过基座侧壁上的线孔与手部外骨骼相连。
19.进一步的，所述齿轮副包括主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮套设安装在所述主动轴上，所述从动齿轮套设安装在从动轴上。
20.进一步的，所述传动机构还包括按压轴，所述按压轴位于从动轴的上下两侧，使线束靠紧从动轴上的单向轴承，令出线可靠。
21.进一步的，所述自锁机构为旋转双向自锁机构，包括输出轴、输入轴，所述输出轴的一端与传动机构相连，输入轴一端则与驱动器相连接，所述输出轴的另一端与锁紧部件相固定，所述锁紧部件上开设有安装孔与装配槽，所述安装孔内安装有弹性部件，所述弹性部件的两端伸出所述锁紧部件并与限位柱相抵触，所述限位柱的侧壁与弹性部件的端部、装配槽的外侧面相接触，所述限位柱的两端则分别与所述锁紧部件、限位部件紧密抵触；
22.所述限位部件固定在输入轴的另一端，所述限位部件的内壁设有与所述装配槽相配合的装配齿，使所述限位部件与所述锁紧部件可以安装配合，从而将所述弹性部件、所述限位柱固定在两者内部，形成锁紧组合件。
23.在锁紧组合件外部套设套筒，所述套筒的内壁也与限位柱的侧壁相接触。
24.进一步的，所述手部外骨骼包括手套本体、集线装置以及设置在集线装置与手套之间的理线器二，所述手套本体由指套部、手背部、手掌部组成，三者之间利用驱动线相连，所述驱动线经由理线器二整理后进入集线装置与驱动线管相连。
25.进一步的，所述集线装置包括外壳以及设置在外壳内部的可转动的轮轴，所述外壳的后部位置开设有通线凹槽，所述外壳的一侧面开设有入线孔，所述入线孔的上方部位设置有出线孔，所述入线的下方部位设置有集线孔，入线孔、出线孔位于外壳内部的一端均靠近所述轮轴，所述集线孔位于外壳内部的一端则从所述轮轴的下方穿过与所述通线凹槽连通；所述通线凹槽与所述驱动头可拆卸的连接，从而使得驱动线束与穿入集线装置的驱动线相互连通，令驱动单元可以经由驱动线管控制手部外骨骼运动。
26.本实用新型与现有技术相比，具有以下优势：
27.(1)设计了新的传动机构，使电机的正传和反转动力分离开来，进而分别控制手部的伸展和弯曲两个动作，从而使伸展和弯曲两个动作由一个电机实现，提高了电机利用率，减轻了手部动作辅助装置的质量，采用全新的绕线方式，使得单一动力输入的情况下，不同手指可以有不同的弯曲角度，进而可以抓握不同形状的物体，提高了灵活性，方便日常穿戴使用，而齿轮副的利用则实现了对收放线束的初步控制，利用收线束与放线束之间的速率
比，可以对放线的速率进行最终的确认；
28.(2)设计了旋转双向自锁机构，取消了行星轮、差分器等大型零件，利用特殊的锁紧部件与限位部件只需要用铣刀铣出相应的结构即可，简化了加工流程和加工成本，而且利用弹性部件进行定位，使得限位柱始终与套筒内壁侧面、装配槽齿的弧面之间接触，从而消除自锁回程间隙，极大提高了自锁机构的安全性和可靠性；还消除了电机需要长时间输出的阶段，进而较大程度上提高了效率，增加续航时长，同时有助于电池的轻量化，进一步减轻装置重量；
29.(3)柔性外骨骼手套与刚柔式外骨骼手套的选择性使用，则可以满足患者的佩戴需求；其中柔性外骨骼手套使用柔性材料制造，佩戴舒适，使用轻便，而刚柔式外骨骼手套则在提供训练所需的刚度的同时便于塑形以适应不同患者，解决了现有康复辅助外骨骼手套笨重、不便于搬运、舒适度差的缺点；
30.(4)针对维护更换方面，本实用新型特殊设计了带有通线凹槽的集线装置，利用可拆卸连接的特点，实现了不同型号的驱动机构、不同型号的外骨骼装置之间可以自由组装配对，极大增加了手套维护的方便性和实用性；
31.(5)采用自适应柔顺控制的控制方式，结合肌电信号主动力估计，可以做到按需提供动力，从而可以实现更好的人机交互体验和康复效果。
附图说明
32.图1为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置的佩戴示意图。
33.图2为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中驱动单元的结构示意图。
34.图3为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中传动机构在外骨骼手套弯曲状态下的俯视图。
35.图4为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中传动机构在外骨骼手套弯曲状态下的主视图。
36.图5为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中传动机构在外骨骼手套伸张状态下的俯视图。
37.图6为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中传动机构在外骨骼手套伸张状态下的主视图。
38.图7为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中旋转双向自锁机构的结构分解图。
39.图8为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中旋转双向自锁机构中锁紧部件的俯视图。
40.图9为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中集线装置的侧视图。
41.图10为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中集线装置的剖视图。
42.图11为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置中集线装置的正视图。
43.图12为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置控制方法的流程示意图。
44.图13为一具体实施例中基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置控制方法中驱动力自适应控制流程示意图。
具体实施方式
45.结合附图对本实用新型进行进一步描述，但不作为对本实用新型的限定。
46.在具体实施例中，将电极片布置在使用者身体上，采集使用者的表面肌电信号作为生物电信号，所使用的电极片共设计了3个，其中 1号电极片和3号电极片采集使用者的表面肌电信号，2号电极片作为参考电机，以免肌电信号的绝对电压超出仪表放大器的工作范围。
47.参见图1，在具体实施例中，设计了基于线驱动的手部基于脑可塑的外骨骼手部动作辅助装置，其特征在于：包括：传感单元2、驱动单元1、驱动线管3、手部外骨骼4；
48.参见图2，驱动单元1，包括传动机构1-1、自锁机构1-2、控制电路板1-3、电源1-4、驱动器1-5，所述电源1-4用于给驱动单元1 提供电力，所述控制电路板1-3与用于接收传感单元2传输的生物电信号，进行分析并传输指令给驱动器1-5，使其产生驱动力，驱动力经由自锁机构1-2、传动机构1-1将驱动力传输到手部外骨骼4，控制手部外骨骼4进行动作，当手部外骨骼4维持某一位置不再运动时，控制电路板1-3断开驱动器1-5电源，手部外骨骼4的弯曲形状被自锁机构1-2锁定，从而起到省电的效果；
49.传感单元2，用于采集并传输使用者的生物电信号，包括信号传感器2-1、信号传输线2-2，所述信号传感器2-1布置在使用者身体上，利用所述信号传输线2-2将生物电信号传输到驱动单元1；
50.驱动线管3，用于保护并梳理驱动线束，包括设置在其一端的理线器一和设置在另一端的驱动头，所述驱动线管3套设在驱动线束外部，所述理线器一与驱动单元1伸出的驱动线束相连，将驱动线束导入驱动线管3后与驱动头连通；
51.手部外骨骼4，为柔性外骨骼手套或者刚柔式外骨骼手套，包括手套本体、集线装置4-1以及设置在集线装置4-1与手套之间的理线器二，所述手套本体由指套部、手背部、手掌部组成，三者之间利用驱动线相连，所述驱动线经由理线器二整理后进入集线装置4-1与驱动线管3相连。
52.参见图3～6，优选的，所述传动机构1-1包括：
53.主动轴1-1-1，用于提供所述传动机构1-1所需的动力；
54.所述主动轴1-1-1可拆卸的安装在基座1-1-2的侧壁上，其上套设有单向轴承；
55.从动轴1-1-3，可拆卸的安装在基座1-1-2的侧壁上，其上也套设有单向轴承，所述从动轴1-1-3利用齿轮副与所述主动轴1-1-1连接，随着主动轴1-1-1转动；
56.转向轴，分别可拆卸的安装在基座1-1-2的底板上，用于改变驱动线束的方向；
57.所述驱动线束绕设在主动轴1-1-1的单向轴承、从动轴1-1-3的单向轴承、转向轴上，之后穿过基座1-1-2侧壁上的线孔与手部外骨骼4相连。
58.由于要控制手部外骨骼4进行弯曲和伸张两种运动状态，因此在具体实施例中将主动轴1-1-1上的单向轴承分为第一单向轴承1-1-4、第二单向轴承1-1-5；从动轴1-1-3上
单向轴承分为第三单向轴承 1-1-6、第四单向轴承1-1-7；转向轴分为第一转向轴1-1-8、第二转向轴1-1-9；驱动线束分为第一线束1-1-10和第二线束1-1-11，两者在传动机构1-1中的环绕方式分别如下：
59.第一线束绕设在主动轴1-1-1的第一单向轴承1-1-4、从动轴 1-1-3的第三单向轴承1-1-6、第一转向轴1-1-8上，后穿过基座1-1-2 侧壁上的第一线孔与手部外骨骼4相连；
60.第二线束绕设在主动轴1-1-1的第二单向轴承1-1-5、从动轴 1-1-3的第四单向轴承1-1-7、第二转向轴1-1-9上，后穿过基座1-1-2 侧壁上的第二线孔与手部外骨骼4相连。
61.齿轮副包括主动齿轮1-1-12和从动齿轮1-1-13，所述主动齿轮 1-1-12套设安装在所述主动轴1-1-1上，所述从动齿轮1-1-13套设安装在从动轴1-1-3上。
62.在具体实施例中传动机构还包括按压轴1-1-14，所述按压轴 1-1-14位于从动轴1-1-3的上下两侧，使线束靠紧从动轴1-1-3上的单向轴承，令出线可靠。
63.在安装时，将主动轴1-1-1可拆卸的安装在基座1-1-2的侧壁上，其一端贯穿所述基座1-1-2的一侧侧壁与外设的动力源相连，其另一端则套设有齿轮副的主动齿轮1-1-12。
64.从动轴1-1-3同样可拆卸的安装在基座1-1-2的侧壁上，位于主动轴1-1-1的旁边，所述从动轴1-1-3上则安装有齿轮副的从动齿轮 1-1-13，从动齿轮1-1-13与主动齿轮1-1-12相啮合，从而带动从动轴1-1-3随着主动轴1-1-1转动。
65.优选的，转向轴则分别可拆卸的安装在基座1-1-2的底板上，即其底端与基座的底板相固定。
66.其中控制手部外骨骼4的弯曲与伸张的两股线束的主动轴由单个电机控制，利用单向轴承的离合效应，对实现对两股线束的绕转收线的分时单独控制，在一股线束动作时，不影响另外一股线束的绕转放线、收线；利用齿轮副配合，实现单个电机同时驱动主动轴与从动轴的旋转。
67.根据手部外骨骼对驱动线束的方向要求，利用转向轴，对驱动线束的方向进行改变；根据手部外骨骼对两股线束的收放速率比的要求各设计方案，各穿戴人员的要求有所不同，由动力源带动主动轴1-1-1 主动旋转下，从动轴1-1-3随之运动，带动线束进行收放线运动，速率由手部外骨骼4进行控制，但不得高于某一数值。
68.手部外骨骼4两种不同动作弯曲与伸张对应的线束的绕线与放线完全相反，速率比保持一致。
69.参见图3和图4，是小范围自适应收放线比率的传动机构在手部外骨骼弯曲状态下的实施例。
70.手部外骨骼的弯曲需要第一线束1-1-10绕着主动轴1-1-1进线，其速率设为a1，第二线束1-1-11随之绕着主动轴1-1-1以速率a2 进行出线，a2≤a1。
71.具体为：电机旋转，保证第一线束1-1-10以a1速率进行进线，由于主动轴1-1-1上第一单向轴承1-1-4、第二单向轴承1-1-5的存在，第二线束1-1-11的收放与速率不受影响；电机旋转，通过主动轴1-1-1与从动轴1-1-3之间的齿轮副的传动，实现从动轴1-1-3相对于主动轴1-1-1的固定速率反向转动；由于从动轴1-1-3上第三单向轴承1-1-6、第四单向轴承1-1-7的存在，第一线束1-1-10的进线不受从动轴1-1-3的旋转的影响；通过第一转向轴1-1-8，第一线束1-1-10传出该传动机构与手部外骨骼相连，控制手部外骨骼以固定的速率进行弯曲。
1-2-3-3的平面相对设置形成所述装配槽1-2-3-2。
83.优选的，所述锁紧部件1-2-3上还设有安装翼1-2-3-4，所述安装翼1-2-3-4位于所述装配齿1-2-6-1的弧面外侧，两者为一体化设计，所述安装翼1-2-3-4上开设有纵向通孔，即为所述安装孔1-2-3-1。
84.参见图7，在具体实施例中设计了2个装配槽、2个安装翼、2 个装配齿，使用了2个弹簧作为弹性部件，4个限位柱，共同形成本实用新型所设计的旋转双向自锁机构。
85.当然的，在具体实施中，根据所需要的情况不同，可以使用不同数量的装配槽1-2-3-2、装配齿1-2-6-1、安装翼1-2-3-4，但是需要注意的是，这三者的数量必须是相同的，否则将无法达到对应配合自锁的目的，同时它们的数量均至少为2个，如果少于2个则会导致自锁效果极差，无法满足机械要求。
86.而相应的，限位柱1-2-5的数量则应该是弹性部件1-2-4数量的 2倍，因为在弹性部件的两端均要设计限位柱1-2-5，防止弹性部件 1-2-4从安装孔1-2-3-1中脱出。
87.而且在布局的过程中，为了满足机械美感与载荷平衡所述装配槽 1-2-3-2的数量、装配齿1-2-6-1、安装翼1-2-3-4的布局方式均为旋转对称，对称中心为相应部件即锁紧机构、限位机构的中心点。
88.同样的，本领域技术人员可以根据现实情况的需要，选择采用合适的弹性部件1-2-4。
89.在具体实施中，采用如图7所示的旋转双向自锁机构，为了方便表达，给4个限位柱分别编号为a、b、c、d。
90.当输入轴1-2-2顺时针转动一定角度，限位部件1-2-6上的限位面推动限位柱a和限位柱c相对输出轴1-2-1运动，从而使限位柱a 和限位柱c脱离套筒1-2-7内壁，即与套筒1-2-7内壁从接触变为不接触，然后限位部件1-2-6上装配齿1-2-6-1的侧面接触到锁紧部件 1-2-3装配槽1-2-3-2的侧面，开始推动输出轴1-2-1顺时针转动。
91.当输入轴1-2-2停止顺时针转动，不再提供转矩时，输出轴1-2-1 由于负载力的作用，会有逆时针转动的趋势即回弹趋势，此时限位柱 b在装配槽齿1-2-3-3的弧面和套筒1-2-7内壁所形成的空间内，此时压力角大小在5
°
～10
°
左右，小于摩擦角，因此限位柱b只能在其中发生滚动，而不能发生滑动，又由于限位柱b在滚动时，装配槽齿1-2-3-3的弧面和套筒1-2-7内壁会发生相对运动，而这个运动会使限位柱b与两者之间的相切点的间距变小，限位柱b受压，导致限位柱b无法发生滚动，从而阻止装配槽齿1-2-3-3的弧面和套筒1-2-7 内壁相对运动，同理，限位柱d也会阻止装配槽齿1-2-3-3的弧面和套筒1-2-7内壁相对运动，由于套筒1-2-7是固定不动的，所以装配槽齿1-2-3-3的弧面所在的输出轴1-2-1也不能运动，从而产生自锁效果。
92.同理，当输入轴1-2-2逆时针转动时，限位柱b和限位柱d被推开解锁，然后带动输出轴1-2-1逆时针转动。
93.当输入轴1-2-2停止逆时针转动，不再提供转矩的时候，输出轴 1-2-1则具有顺时针转动的趋势，跟上述同理，此时是限位柱a和c 处于装配槽齿1-2-3-3的弧面和套筒1-2-7内壁所形成的空间内，通过相同的原理、过程，达成锁紧效果。
94.由上述可知，本自锁机构可以实现输入轴一侧可以主动自由正反转，而而输出轴一侧一旦和输入轴具有反向转动趋势就会锁紧无法转动，在保持了实时自锁的功能，同时
力的转换系数，mav1为使用者做伸张运动时表面肌电信号的绝对平均值；f2为使用者做弯曲运动时需要的驱动力，c1为肌肉做弯曲运动时的电信号-力的转换系数，mav1为使用者做弯曲运动时表面肌电信号的绝对平均值。
107.由于每个人在屈伸手指、使用手指握捏物品时，产生的生物电信号是不同的，因此在使用本实用新型之前，需要使用者对动作辅助装置进行训练，具体的训练方法为：操作机构发送训练指令给动作辅助装置，操作机构上显示动作画面，使用者按照画面提示做相应动作，传感单元2采集使用者的生物电信号，在驱动单元1中进行模拟数字处理，并在信号特征提取模块进行电信号特征提取，将提取的电信号特征存入lda分类器，获得基于该使用者的lda分类器后训练完成。
108.本领域普通技术人员可以理解上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述程序可存储于一个计算机可读存储介质中，如本实用新型的实施例中，该程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各方法的实施例的流程。其中所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom) 或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
109.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
110.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型的范围限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。