专利名称：包括工具和该工具的安装装置的抓握辅助装置的制作方法本发明涉及一种辅助装置，用于协助尤其是手和/或手腕活动受限的人，例如因关节炎、受伤、或削弱力量的其他生理问题而导致运动障碍的人。有相当数量的人由于受伤或各种疾病，例如风湿性或其他形式的关节炎，而导致手或手腕遭受畸形、长期疼痛和其他缺陷。这种缺陷常常使得患者很困难或无法握持工具以及有效地使用和操作工具，例如钢笔、铅笔或其他书写工具，剪刀、牙刷、厨房用具(如刀、叉、搅拌器、锅铲等)、及类似工具。这种人多数可以活动手臂甚至手指，但是缺乏力量来抓住并紧握工具。因此本发明的目的在于介绍一种装置，一种单一用途或多用途辅助装置，该装置可以帮助或让那些手和/或手腕活动障碍的人能够更容易地握持并使用各种手持工具和装置(例如牙刷、钥匙、剪刀、钳子、以及厨房用具)，其中本发明特别介绍了一种帮助握紧物体的工具，因而特别适用于那些能够活动手臂、手和手指，只是没有力量握紧物体的使用者。本发明的目的尤其是介绍一种具有放置于使用者的手指和被握持的物体之间的夹具的装置，使得该辅助工具施加的握持力不会影响手指，而只是加强辅助工具的夹具和物体之间的压力。
该问题通过提供一种辅助工具得到解决，该辅助工具包括至少两个夹具和将各夹具附着到使用者手指上的装置，其中夹具适于在至少抓握和释放物体的方向上跟随各个手指。当人移动辅助工具去抓握一个物体时，辅助工具的致动确保了夹具的单向锁定，即夹具在释放方向上的移动被锁定。在这种情况下，使用者可以自己移动手部进而移动辅助工具到物体并抓握该物体。夹具在至少抓握和释放物体的方向上跟随手指，在跟随握持动作时在物体上继而产生握持力，从而即使使用者没有足够的力量也可以紧紧夹起物体。辅助工具适于通过用比致动时稍大一些的力量夹紧物体，从而形成握持。在一个实施例中，至少一些夹具包括在辅助工具被致动时膨胀或扩展的可膨胀部分，或至少可扩展接触部分，从而实现握持。这些部分然后形成与物体的接触。“可膨胀”或“可扩展”在本文中指，在被致动时会形成突出于夹具表面的突起。该可膨胀或可扩展接触部分优选地具有与物体高摩擦的接触表面。在一个可选的实施例中，夹具在抓握方向上移动以形成比辅助工具被致动时稍紧的抓握，从而实现握持，其中夹具包括与物体接触的可弹性变形的接触部分。可弹性变形的接触部分与物体的表面略微保持一致，对物体产生更“轻柔”的接触，从而避免物体被损坏同时也更紧固地握住物体。同样这些接触表面的表面也具有高度的摩擦。在一个实施例中，通过以预定的力致动至少一个致动开关来致动辅助工具。在一个实施例中，该开关位于一个夹具上以及该夹具和手指之间，适于在手指以预定的力按压致动开关时被致动。因此使用者并不需要手指力量很大来使用该装置，而仅需轻轻地按动开关即可。在一个可选的实施例中，致动开关位于能够被使用者的另一只手致动的位置。为了使可膨胀部分膨胀，辅助工具还包括在辅助工具被致动时向可膨胀部分内部 填充流体介质的装置。因此在该构造下，辅助工具包括将流体介质填充入可膨胀部分所需的装置，例如压缩机、流体窜槽、阀门、通风口和/或限流器。为了使辅助工具能够以快速简易的更换方式固定到身体部分，本发明还介绍了-安装装置，适于附着在身体部分，-第一连接装置，包括具有第一位置和第二位置的偏压卡持件，-保持机构，适于将卡持件保持在第二位置，-释放装置，适于从保持机构释放卡持件，其中辅助工具包括第二连接装置，第一连接装置或第二连接装置包括适于将偏压卡持件从第一位置移动到第二位置的驱动机构。该驱动机构优选地为气动、液压、压电、电活性、电致伸缩、电子和/或磁性传动器。总之，为了确保快速地将工具附着到辅助装置及从辅助装置拆卸，在一个优选实施例中，第一和第二连接装置的连接基于一个偏置离合器，其中可以引入不同类型的现有技术中已知的偏置离合器，例如弹簧式离合器、膜片弹簧、由气动、弦线、液压、压电电机、电和/或磁的弹簧离合器等。辅助工具可包括能量存储装置，尤其用于与偏置离合器或辅助装置的其他耗能部件相连接。在一个实施例中，该能量存储装置在操作工具或附着第一和第二连接装置的过程中被充电。在进一步的实施例中，辅助装置可包括电子部件，如磁性弹簧离合器，因此还包括存储电能的能量存储装置，如电池。在一个实施例中，辅助装置在一基站中被附着到身体部分或从身体部分被拆除，其中该基站可以位于使用者家中或由专业人员操作的地方。图I本发明的辅助工具的简化示意图。图2在夹握物体位置的辅助工具。图3对开关进行定位以致动本发明辅助工具的示意图。图4膨胀或扩展部分与物体接触的示意图。图5辅助工具包括安装装置的示意图。图6A和6B本发明适于向安装装置附着和拆卸工具的第一和第二连接器的第一实施例。 图7A和7B本发明适于向安装装置附着和拆卸工具的第一和第二连接器的第二实施例。图8本发明适于向安装装置附着和拆卸工具的第一和第二连接器的第三实施例。图9本发明适于向安装装置附着和拆卸工具的第一和第二连接器的第四实施例。图10本发明的安装装置连接到另一工具。图11根据本发明的安装工具的可选实施例。图12根据本发明将工具连接到安装装置的可选实施例。图13拇指安装夹具以及其相对于其他夹具的相对活动度的示意图。图14具有安装装置和柔性接头的辅助工具的一项实施例的示意图。图15柔性接头的锁定机构的一项实施例的示意图。图16具有旋转接触部分的夹具的示意图。
在可选的或附加的实施例中，该握持以如下方式建立在致动后，夹具2在抓握方向上移动，形成比致动时稍紧一点的抓握。然后夹具2可包括接触部分6，该部分为可弹性变形的接触部分6，与物体4的表面略微保持一致，对物体产生更“轻柔”的接触，从而避免物体被损坏同时也更紧固地握住物体。同样这些接触表面的表面也具有高度的摩擦。在一个实施例中，夹具2与物体4的接触表面的至少相当大一部分由现有技术中的任何高摩擦材料制成，或至少包括现有技术中的任何高摩擦材料。夹具2会因为例如对夹具2的驱动器的阻力增大而自动感知与物体4的接触。然后系统选择性地被停止，而且当使用者停止致动开关5时，夹持被释放。可选地,例如当手指释放致动开关5时,夹具2停止动作,并保持该位置直到致动开关5下一次被启动。随着按下致动开关5启动夹具2，在夹具2被设定为保持位置时、或夹具2再一次被启动时，可膨胀或可扩展的接触部分6选择性地膨胀或扩展。·当使用者想要放开物体时，手指在开关上的推力被移除，从而移除对夹具2的锁定，可膨胀或可扩展的接触部分6被收缩。可选地，为了使可膨胀或可扩展的接触部分6回到初始位置，开关5之一专门用于关掉致动能量。这只是让使用者能够移动手臂和开合手指，致动开关5或许只需要轻微的接触来启动，这可以是辅助工具I的一项可调节参数，开关5的致动力尤其可根据各个使用者的需要进行调节。同样的致动/停止也适用于可选的或附加的实施例，其中通过夹具2在夹持方向上移动得稍远一点来使抓握更牢固。使可膨胀部分6膨胀的介质可以是气体流体比如空气，或液体流体比如水或油。使可扩展接触部分扩展的装置可以是由电动、压电、气动或液压装置驱动的线性活化剂，或者一种可扩展的聚合物的形式，例如一种静电驱动的聚合物致动材料。辅助工具I可包括现有技术中已知的进行膨胀或扩展以及收缩或松弛所需的装置，例如压缩机、容纳使部分6膨胀的液体的储液器、连接例如所述储液器和可膨胀部分6的液体流通装置、阀门、通风口、限流器等等。在一个实施例中，介质是从外部吸入可膨胀部分6的空气。夹具2可以由驱动器操作，例如由现有技术中已知的任何致动器如电力、静电、磁力、气动、液压、机械或弦线装置操作。这些驱动器可通过以预定力按压手指上的致动开关5来控制。可通过气动、弦线、液压、压电电机、电动和/或磁力方法来操作可膨胀或可扩展的接触部分6，使其扩展和松弛。可膨胀或可扩展的接触部分6作为一种封闭在夹具2深入部件(de印enings)的气球状或囊状元件，至少一部分表面包含高摩擦材料，该部分表面与物体4接触。当辅助工具I被致动时，气球状或囊状元件的内部在预定压力下被介质充满，从而膨胀或扩展部分6。气球形状的替代方式是，深入部件具有大致柔性材料制成的盖子以及高摩擦材料的外表面。当预定压力的介质被填充入深入部件内时，盖子从夹具2的表面鼓起，与物体4接触。在一个先进的版本中，辅助工具I还包括一个用于感应可膨胀或可扩展的接触部分6在物体4上的压力的装置，该装置可与所需要的压力相关，将介质挤压到可膨胀部分(6)的内部。当可膨胀部分的部分表面与物体4接触时，这些部分被防止无法继续延伸/膨胀，因此需要增加压力使更多介质能够被挤压到内部。所以，通过限定该压力的最大值，可以调节夹具2和可膨胀部分6在物体4上的压力。因此可膨胀部分6可以在可调节的预定压力下选择性地被填充，该压力可根据使用者个人的需求进行调整和/或根据实际物体4进行调整，例如根据物体的精细度或重量进行调整。图5示出了本发明进一步概括的一个实施例，其中辅助工具I连接到安装装置7，该安装装置的形状可以像紧紧连接在使用者身体部分的臂环。如图示，连接器8具有一可选的用于拇指的环状部分9，以帮助辅助工具I稳定地附着在手上。安装装置7可包括紧固装置，将安装装置7紧紧地附着在使用者的身体部分。这可以是任何已知的装置，如皮带扣或篮(bask)，可选地还包括束带、绷带或其他紧紧缠绕在身体部分的装置。
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在一个更先进的版本中，安装装置7和/或紧固装置可以由一种可缩水或可扩展的材料形成，例如一种可根据电刺激等改变长度的材料，如电致伸缩聚合物、电活性聚合物或类似技术。可替换地，紧固装置由气动、弦线、液压、压电电机、电力和/或磁力方法来操作。图6A和6B示出了本发明的一个实施例，其中安装装置7进一步包括第一连接装置10和释放装置12，第一连接装置10与第二连接装置11连接，形成工具I的连接器8的一部分或至少固定到连接器8，释放装置12将第一连接装置10从第二连接装置11释放并拆卸。鉴于使用者的活动能力有限，释放装置应当非常容易和简单地致动。为了确保快速附着和拆卸工具1，在一个优选实施例中，第一连接装置10和第二连接装置11的连接基于一个偏置离合器系统，其中可以引入不同的偏置离合器或卡持件，例如弹簧式离合器、膜片弹簧和/或磁性弹簧离合器等等现有技术已知的类型。下文中的术语“卡持件”将用于泛指的概念，包括离合器、棘爪等。图6A和6B说明了基本的原理，其中第一连接装置10具有一卡持件13，所述卡持件被偏置部件14如弹簧所偏置，使得所述卡持件13偏向第一位置。保持机构15以可释放的方式使卡持件13保持在第二位置，在该位置卡持件13锁定在第二连接10的凹槽16中。在由驱动器17驱动的第一连接装置10与第二连接装置11的连接过程中，卡持件13从第一位置被移动到第二位置，保持机构15将卡持件13保持在第二位置。驱动器在连接过程中由激活器18致动，其中激活器18可以是一开关，当第一连接器10连接到第二连接器11时该开关受到挤压。该驱动器可以是一致动器，优选地是气动、液压、压电、电活性、电致伸缩、电子和/或磁性传动器。当经由释放机构12的致动使保持机构15被释放时，偏置部件14迫使卡持件13移动到第一位置，从而将第一连接10从第二连接11释放。另一可选的操作也适用于本发明，其中相反地，偏置部件13在经由激活器18致动被释放时，将卡持件13朝向第二位置即锁定位置偏压，驱动件17则在释放机构12被致动时迫使卡持件13移动到第一位置。然后保持机构15将卡持件13保持在第一位置直到被激活器18释放。应注意的是，根据本发明的偏置部件通常指现有技术中已知的任何类型，如由气动、弦线、液压、压电电机、电力、磁力等驱动的弹簧、聚合物体等。在图例中，第一连接器10具有与第二连接器20的第二凹槽20匹配的型件19。保持机构15可以是纯机械或电驱动，例如当由对释放装置12致动而使电路短路或断开连接时，装有磁性弹簧的卡持件或离合器13和磁性保持机构15被释放。可选地是气动、弦线、液压、压电电机等和/或由气动、弦线、液压、压电电机等操作。图6A示出了第一连接器10与第二连接器12相连的系统，而图6B示出了当它们完成连接时的系统，其中卡持件13被驱动机构17沿纵向推进凹槽1 6内，同时该运动将型件19同时推至第二凹槽20，从而在保持机构15保持卡持件13的时候将器19牢固地固定到第二连接器11。辅助工具I和/或安装装置7可包括能量存储装置，来输送例如驱动偏置离合器系统的驱动件17或是操作辅助工具I所需要的能量。所述能量可被存储以作为机械能(例如存储在弹簧中的能量)或是电能(例如存储在电池中的能量)来传递。能量存储装置可以是一可转换式的装置，预先充满在耗尽时可用于转换的能量，也可以是可充电式的，在例如工具I的操作过程中或工具I连接到安装装置7或从安装装置7拆卸的过程中被充电。本发明的一个主要方面是确保安装装置适于以牢固、稳定但舒服的方式与身体部分配合，同时在操作过程中为工具I形成一个稳定的平台。因此，安装装置7的至少一部分包括被牢固地保持到身体部分的大致刚性的型材。该型材可以是大致刚性的片材或本体，具有至少一个其形状与身体部分的外部形状相匹配的表面。该刚性片材或本体则包括第一连接器10并被安装装置7牢固地保持到身体部分。图7A和7B示出了第一 10和第二 11连接器的另一可选实施例，其中卡持件13形成旋转进凹槽16的运动。所示的凹槽16各包括两个部分13a，13b，而第二连接器11的相应凹槽16包括入口 21，该入口将卡持件13尤其是端部13b导入凹槽16。第一卡持部13a被保持机构牢固地保持在这个位置，从而形成牢固的连接。本实施例的优点是，该系统不需要专门的驱动机构17，将卡持件13b导入凹槽16的入口 21的形状与使用者本身结合在一起，就起到了驱动机构的作用。图7B示出了两个连接器10和11连接在一起的实施例。尽管很多实施例都显示连接器10和11具有平面表面，但通常不是这样的情况，它们通常会具有适应安装装置所附着的身体部分表面的形状。图8示出了一种可选的连接，其中卡持件13被挤压到凹槽16内，在有关类似剪刀的实施例中，当受到使用者挤压时，卡持件13以类似剪刀的方式进行动作从而抓入凹槽内。再次地，使用者起到了驱动件17的作用。图9更示出了一种可选的连接，其中作为可膨胀部分6的一个或多个卡持件13呈可膨胀的气球状或囊状被插入凹槽内。当在压力下填充基本不可压缩的介质时，该介质的压力确保卡持件13充满凹槽16，形成稳定的连接。本实施例在关于辅助工具I的系统已经包括使气球状或囊状的卡持件13膨胀的装置时尤其重要。保持和释放机构与压力相关，从而维持或释放卡持件13内的压力和介质。为方便连接，在连接过程中卡持件13优选地在更小的压力下被填充。在另一可选但未示出的实施例中，介绍了一种例如空调压缩机内的带有一组环形缠绕线圈的磁性弹簧离合器。该系统还包括一用途与飞轮相同的平坦表面。通过皮带的驱动，整个单元围绕例如压缩机旋转。一驱动轴从平坦表面中心突出，并有一圆盘附着其上。该圆盘的作用类似汽车中的离合器。该离合器盘非常靠近平坦的轴承表面，并借助于离合器盘前侧的金属弹簧与该表面保持距离。当动力施加到该压缩机离合器时，在离合器盘后方的线圈中产生电磁场。该电磁场将离合器盘吸附到轴承的平坦表面，即像磁铁吸起钉子一样。磁力克服了弹簧的抵抗力，离合器牢固地锁定在轴承的平坦表面并转动压缩机。图10示意了本系统的另一个重要方面，介绍了利用第一 10和第二 11连接元件轻松地将工具I连接到安装装置7以及从安装装置7上拆除。通过给其他工具22配备第二连接11，任何可想象到的工具22可以轻易地附着到安装装置22，例如但不仅限于如图所示的刀。因此使用者不需要用手握持工具，而只是用手臂和/或其他身体部分来操作工具。图11示意了同一装置的实施例，其中安装装置7不是完整地环绕手臂，而是螺旋状盘绕在身体部分。这一实施例特别适合工具1，30永久连接到安装装置7的系统，这样当需要新的工具1，30时，只需更换单一的装置。
图12示出了一可选的实施例，其中第一连接装置10包括系在工具1，22的一部分上的束带23，其本身成为第二连接装置11。然后所述束带23以任何已知的方式被系紧，例如利用皮带扣，这时束带23的作用类似皮带；或利用其他机械或电力的收紧装置来收紧缠绕工具的束带23，例如通过小马达将其机械地或电力地缠绕在安装装置7的主轴上。可选地，束带23由某些可根据电刺激等改变长度的材料制成，例如电致伸缩聚合物、电活性聚合物或类似技术。该收紧装置可包括记录何时收紧达到预定阻力的装置，该阻力通过力矩马达、电流或电压、缠绕圈数、或能够表示工具1，23足够收紧到安装装置7的其他方式来测量。需要强调的是，上述任何连接实施例均自然适用于以其他工具22替代辅助工具
Io与安装装置7的安装有关的不同策略还可被引入。通过使用第一 10和第二 11连接器，安装装置7和工具形成一个单一装置，根据需要一起更换，或者安装装置7或多或少地永久固定到身体部分，根据需要更换工具1，22即可。安装装置7可以被使用者附着到身体部分，也可能在不需要时如睡觉时被拆除，或是由专业人员等更永久地附着到身体部分。例如为了确保安装装置牢固并舒适地固定到身体部分以安全地使用工具，安装装置7可在一基站内附着到身体部分。以同样的方式，安装装置7也须在一基站内被拆除。所述基站可以是在医院等地方由专业人员进行操作，或者如果使用者能够自行操作该基站，也可以在家中进行操作。出于安全原因，一些工具1，22具有一个优点，即在被施加了一定数量的力矩或作用力的情况下，工具1，22会自动释放。已知的例子有滑雪板栓扣，其中具有与本发明的第一和第二连接装置类似的连接机构。图13A示意了根据本发明的辅助工具I的一种优选安装方式，其中三个夹具2之一与大拇指联系，并以对称的方式与另两个夹具2相平行地定位。这在许多情况下确保了良好和对称的夹持。然而，有时候只要求/优选用大拇指和另一个手指进行夹持，通常是食指。因此，在本发明的一个专门实施例中，至少一个夹具2 (优选地但不是唯一地)能够改变位置，例如如图13B所示，通过平行位移到与另一夹具2正对面的位置。可选地或附加地，如图13C所示，至少一个夹具2能够随相关联的手指(优选是大拇指)移动，使其可以在辅助工具I的主体100上的固定点旋转，至少旋转到其至少一部分在另一夹具2的正对面延伸，至少一个夹具位于相对于该对面夹具2呈非零度角的位置。如前所述，当例如致动开关5被致动时，夹具2将被单向锁定在这些位置。安装装置7可以在内部配备可膨胀的袋子，其中当在压力下被填充某些介质时，这些袋子向固定安装装置7的身体部分挤压。向袋子填充的介质越多，安装装置7被越紧密地固定到身体部分。图14示意了根据本发明的辅助工具I的一个非限制性的实施例。图中示出了具有连接8到安装装置7的夹具2的辅助工具1，其中该连接装置8包 括两个柔性接头101，分别为辅助工具I提供了相对于安装装置7上下和左右的移动或旋转。然而当辅助工具I被致动时，这些柔性接头101适于在旋转中被锁定，从而将相对位置至少大致“冻结”在致动时的相对位置上。至少一个夹具2由牵拉夹具2的线102所驱动，其中线102与齿条103连接，而齿条103又由一传动齿轮系统104操作,其中齿条和相连的传动齿轮的齿的形状使得当系统被致动时相连的传动齿轮能防止齿条在放松夹具2的方向上移动，但是不阻止其在收紧夹具的方向上移动(即之前阐述的单向紧固原理的另一个例子)。本领域技术人员能够认识到如何制作齿条103和传动齿轮104的齿来达到上述目的，或是能够达到相似效果的其他方式，例如使传动齿轮104在一个方向上锁定转动但在相反方向不锁定、马达控制、传动控制等。示意的实施例还包括一个驱动例如传动齿轮系统104的电动机105。本发明不限于所述具体方式，而是其重要方面，也就是说即使夹具2由于系统的致动而被锁定，只应被理解为在夹具2的放松方向锁定，而不在其收紧方向锁定。使用该辅助工具I的人可以通过用自己的手指来收紧夹具2来自行固定夹持，即使使用者放松了手指，系统也会防止所述夹持被放松，至少直到该系统再次解除致动。在一个优选实施例中，该系统以如下方式进行工作为了使夹持稍微紧一点，在致动之后夹具2的夹持要比致动时稍微收紧一些。夹具2收紧到何种程度依赖于几个因素，如预先定义的、依赖于由第二只手选择性操作的辅助工具2的使用者的一些致动和/或依赖于用来测量所述收紧力的一个或多个夹具2的应变仪，其中一个或多个所述因素可应用算法来计算进一步的收紧夹持。在一个实施例中，柔性接头101的锁定机构也由线102驱动，且在一个实施例中包括由线驱动的闩锁106，其中闩锁根据致动时辅助工具I在安装装置7的实际位置包括若干“冻结”位置。这可构成如图15所示被推入齿条状结构107若干个齿中最近的一个齿的一销钉，其中所述齿条状结构107附着到接头101的一“侧”，而所述销钉附着到另一“侧”，从而在致动时所述销钉在齿条状结构的最近位置被锁定，即冻结在该位置。尽管这是示意的实施例，本领域技术人员熟知的任何其他系统同样适用于本发明。图16示出可结合到该系统的又一实施例。在很多情况下，手需要保持在进行旋转运动的物体上，通常是旋拧运动，例如把一罐果酱的盖子拧上或拧开。通常在此类物体上需要比在一般的物体上保持更牢固的握持。因此，夹具2可包括旋转接触部分108，该部分被由旋转产生的力挤压在物体4上，如图所示，其中藉由摩擦与物体4接触的旋转接触部分108相对于一弹性元件109移动，适于相对于物体4挤压该旋转接触部分108。该系统已在例如滤油器中得到良好的使用，并且技术工人已知的任何实施例均适用于本发明。总之，根据主要实施例所述辅助工具I的操作如下I.使用辅助工具I的人将其定位为对一个物体4形成松弛的抓握。2.当辅助工具I就位时，致动开关5被致动。3.夹具2和柔性接头101被锁定，夹具2被单向锁定。 4.形成对物体4的保持。


本发明涉及一种辅助装置，用于协助尤其是手和/或手腕活动受限的人，例如因关节炎、受伤、或削弱力量的其他生理问题而导致运动障碍的人。问题通过引入一种辅助工具(1)得到解决，该辅助工具具有至少两个夹具(2)和将各夹具附着到手指的装置，其中夹具适于跟随各手指在合上和释放夹持的方向上动作，并且辅助工具的致动包括将夹具单向锁定在当前位置。本发明还介绍了一种用于把辅助工具附着到身体部分的安装装置(7)，其中该安装装置包括根据需要拆卸和安装本工具或其他工具的连接装置(8)。