[发明专利]柔性驱动式机械手

说明书

本发明提供了机器人和外骨骼手的系统和方法。外骨骼手可以包括具有腔体和附加补强加固带的柔性驱动器。腔体可以充满来自压力源的流体，迫使驱动器变形，弯曲或延展。作为驱动力填充腔体的流体可以是气体或液体，其可以是可回收的或一次性的。

背景技术

机械手在工业以及医疗领域都有各种应用。现有技术的机械手臂、手和手指通常包含金属，轴承，电缆和滑轮的使用。然而，这些部件可能存在与成本，复杂性，操作速度，灵活性和安全性相关的问题。因此，仍然需要在能耗，成本，制造效率，功率，速度，灵活性，安全性和控制方面提供机器人关键技术。

发明内容

本发明涉及机器人运动的装置，系统，技术和方法。更具体地说，本发明可适用于机械关节，手足和肢体的关节(包括膝关节，肘关节，颈部，踝关节和腕关节)以及机械手(包括外骨骼型机械手)的关节。实施例包括具有附带力补偿部件的柔性驱动器的柔性外骨骼机械手。本发明柔性驱动器可以包括手指驱动器，拇指关节驱动器，拇指驱动器和手指伸展驱动器。作为具体实例，本发明可以在医疗领域应用于手部运动受损的患者。

本发明柔性驱动器可以包括具有用于提供力补偿、限定启动力阈值的附加补强加固带的空腔或气囊。柔性驱动器的形状变化可以通过柔性驱动器上的净力产生所支配，其中变形发生于当空腔加压变形时产生的力和外部环境对空腔施加的力的总和大于由附加补强加固带所定义的启动力阈值。本发明的工作原理可适用于各种具体应用，例如机械手。

本发明实施例的机械手或外骨骼手可以包括柔性的并且具有腔体或气囊的手指驱动器，用于与所述腔体连通流体的装置，以及用于将加压流体供应到所述腔体的压力源。在不提供压力时，压力可以从腔体中释放，或者可以施加真空以从腔体中移除流体。可以在手指驱动器的一个表面上设置附加补强加固带，以限制手指驱动器在该表面上的膨胀。这可以允许驱动器的相对侧相对于底部表面膨胀，产生卷曲或抓握的效果。

在柔性驱动器上设置附加补强加固带，以利用柔性驱动器的阈值启动力来补偿痉挛挠曲手指中的关节扭矩。这可以让患有手指痉挛的患者伸展手指，并由此正常地张开他们的手。同时，可以限制柔性驱动器在一个表面上的膨胀，致使柔性驱动器的相对侧在指关节扭矩补偿时相对于另一表面膨胀，从而产生卷曲或抓握效果。

手指驱动器(即，柔性驱动器)可以具有多个横向分离的腔体，从而形成多个子空腔，每个子空腔纵向贯穿手指驱动器。此外，手指驱动器也可以具有多个纵向分离的相互连通的子腔体，其中多个子腔体分布于手指驱动器的整个长度上。通过个别地加压每个驱动器中的特定腔体，驱动器可被引导朝着不同方向移动并弯曲在特定位置。即使当多个子腔相互流体连通时，腔体之间的间隔也可以促进手指驱动器弯曲到特定位置处。

结构网格可以包含在驱动器内作为支撑以及控制弯曲或卷曲运动。网格可嵌入驱动器内或固定在驱动器的表面。提供给驱动器腔体的压力可以使用控制阀，比如电磁阀来调节。可以设置微控制器或微处理器来控制腔体的压力并调节外骨骼手的整体动作。向微控制器(或微处理器)输入角度传感器信号，压力传感器信号，电磁阀信号，流体源开关信号和阀位置信号。微控制器的输入还可以包括来自肌电图(EMG)或脑电图(EEG)传感器的信号，这些传感器使人能够控制外骨骼柔性手。

本发明可以应用于医疗领域以帮助那些残疾人。作为一个具体例子，本发明可应用于手指痉挛的情况，这是中风患者的严重问题。本发明可以帮助中风患者恢复手部功能。也就是说，根据本发明的外骨骼手可以协助中风患者打开和闭合他们的手，并且可以通过从用户的神经或肌肉的信号中检测到的信号来控制。也可以执行更复杂的手势，例如捏或侧抓。经过一系列训练后，中风患者的肌肉力量可以得到改善，他们可以在没有帮助的情况下实现正常的手部功能。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的外骨骼机械手(或柔性手)。

图2(a)和图2(b)描绘了通过本发明实施例完成的不同捏夹任务。

图3描绘了根据本发明实施例的外骨骼机械手(或柔性手)以及相关的控制机构。