專利名稱：五自由度假肢手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種五自由度假肢手。
背景技術(shù)：
仿人假肢手安裝于斷手殘疾人殘肢上，實現(xiàn)人手的某些功能。目前，世界上運作最 成功，應(yīng)用最廣泛的電動型假肢手為德國OttoBock公司出品的OttoBock SUVA手。此型假 肢手拾取表面肌點信號(EMG)，由微處理器處理后形成指令，驅(qū)動微型電動機。經(jīng)微型直齒 圓柱齒輪減速，通過連桿，實現(xiàn)假肢手的開合運動。此種假肢手只有1個自由度，不能實現(xiàn) 對被抓取物體很好的包絡(luò)和更多的動作。與其相關(guān)的研究領(lǐng)域機器人多指靈巧手雖然不能直接作為假肢手使用，但對假肢 手的研究起到了巨大的技術(shù)推動作用。世界上上很多研究機構(gòu)都致力于EMG控制假肢手的 研究并力圖應(yīng)用于殘疾人。英國南安普頓大學研制了 Remedi手，此手有1個拇指和4個手 指，每個手指有3個關(guān)節(jié)。末端兩個關(guān)節(jié)的運動是耦合的。每個手指由1臺微電機驅(qū)動，只 有拇指由兩臺微電機驅(qū)動。采用壓阻傳感器和動態(tài)壓電傳感器來檢測抓取力。意大利研制 了 MARCUS假肢手。該手有拇指，食指和中指。有兩臺微電機，一臺用于驅(qū)動拇指，另一臺用 于驅(qū)動食指和中指。手內(nèi)裝有位置、力、滑動傳感器以保證穩(wěn)定的抓取。加拿大多倫多大學 研制了從動自適應(yīng)控制式假肢手TBM。TBM手的五個手指通過一套彈性桿的差分機構(gòu)分配 動力，從而把一個驅(qū)動源的動力分配到五個手指。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學研制HIT手。此手 有17個自由度，由13臺微電機驅(qū)動，并用壓力傳感器反饋控制抓取壓力。上海交通大學研 制了彈性桿欠驅(qū)動假肢手，五個手指由三臺微電機驅(qū)動。雖然基于EMG的假肢手技術(shù)得到了發(fā)展，但尚存在很多問題影響了其廣泛使用。最主要的問題包括1、尺寸大，重量重一般所研制的假肢手其尺寸為人手的1. 5倍，重量為人手重量 的2倍或以上。絕大部分假肢手采用輕質(zhì)合金材料制造，其密度遠大于人手密度。機構(gòu)復 雜，用了為數(shù)眾多的微電機導致尺寸增大。2、價格昂貴由于采用了眾多的微電機，微型傳感器，微型機構(gòu)。有的為了減輕重 量，采用了特殊材料，如環(huán)氧碳纖維。使材料和制造成本增加?，F(xiàn)代假肢手價格一般都在人 民幣三十萬元或以上。有的假肢手制造成本就達人民幣六十萬元。一般的殘疾人很難支付。3、可靠性低絕大部分假肢手的研究還是原理性的。由于結(jié)構(gòu)復雜，元器件眾多， 導線雜亂，距實際應(yīng)用尚有較大差距。

實用新型內(nèi)容本實用新型是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，多自由度，尺 寸小，重量輕，價格適中的五自由度假肢手。本實用新型通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種五自由度假肢手，其特征在于，由腕部、手掌部和手指部組成，所述手指部由拇指、食指、中指、無名指和小指五個手指組成；每個手指由基關(guān)節(jié)、空心的基指節(jié)、近指節(jié)、 遠指節(jié)組成；所述遠指節(jié)與近指節(jié)固定連接；所述近指節(jié)通過銷軸與所述基指節(jié)連接，所 述基關(guān)節(jié)包括基關(guān)節(jié)支架、罩在基關(guān)節(jié)支架外的基關(guān)節(jié)外罩，所述基關(guān)節(jié)支架上安裝有微 型蝸桿，所述微型蝸桿的一端安裝有同軸的從動錐齒輪，所述微型蝸桿與微型蝸輪嚙合，所 述微型蝸輪的傳動軸安裝在基關(guān)節(jié)支架上，所述基指節(jié)的空腔內(nèi)安裝有微型直流電機，所 述微型直流電機與微型減速機連接，所述微型減速機的輸出軸上安裝有與所述從動錐齒輪 嚙合的主動錐齒輪；所述基指節(jié)與所述基關(guān)節(jié)支架固定連接，復位彈簧一端與所述基指節(jié) 固定連接，所述復位彈簧的另一端與近指節(jié)固定連接；所述微型蝸輪與所述基關(guān)節(jié)外罩固 定連接，所述微型蝸輪與牽引索一端連接，所述牽引索另一端與近指節(jié)內(nèi)部固定連接；五個 手指中的拇指安裝在拇指支架上，所述拇指支架的兩端分別安裝有轉(zhuǎn)動軸，所述拇指支架 一端的轉(zhuǎn)動軸通過回轉(zhuǎn)軸承安裝在腕部，所述拇指支架另一端的轉(zhuǎn)動軸安裝在滑塊的軸孔 內(nèi)，所述滑塊與安裝在手掌部的滑道滑動連接；每個手指基關(guān)節(jié)外罩與手掌通過螺釘連接。兩個表面肌電信號傳感器安放于殘疾人殘肢的肌肉表皮上，每個表面肌電信號傳 感器分別依次通過差動放大電路、濾波電路與微控制器的A/D變換排序器的輸入端連接， 五個微型直流電機驅(qū)動電路的輸入端分別通過各自的電平變換電路與微控制器的GPIOA 端口連接，五個微型直流電機驅(qū)動電路分別通過各自的阻容網(wǎng)絡(luò)電路分流后與微控制器的 A/D變換順序器的輸入端連接。所述基關(guān)節(jié)支架為航空鋁合金材料，手掌部、腕部以及每個手指的遠指節(jié)、近指 節(jié)、基指節(jié)均為材料密度為1. 2-1. 4g/cm3的高強度聚合物材料。所述主動錐齒輪的軸徑通過第一深溝球軸承與基關(guān)節(jié)支架連接。所述蝸桿的兩端分別通過第二深溝球軸承和第三深溝球軸承與基關(guān)節(jié)支架連接。所述微型蝸輪的傳動軸為空心軸。本實用新型具有下述技術(shù)效果1、本實用新型的假肢手中，每個手指由基關(guān)節(jié)、基指節(jié)、近指節(jié)、遠指節(jié)組成，每個 手指由一臺微型直流電機驅(qū)動，蝸桿連同基指節(jié)、近指節(jié)、遠指節(jié)一起可繞蝸輪中心正逆方 向回轉(zhuǎn)，形成了基關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，近指節(jié)傳動的合手運動采用牽引索拉動，而張手運動由復位 彈簧復位運動實現(xiàn)，減少了微電機、傳感器、微型機構(gòu)等的數(shù)量，從而簡化了假肢手的結(jié)構(gòu)， 可靠性高，成本低。2、本實用新型的假肢手中的拇指采用手動實現(xiàn)上擺、下擺、內(nèi)旋和外旋動作，具有 多個自由度，擴展了拇指的功能，增強了拇指的靈活性，而且簡化了拇指結(jié)構(gòu)，造價低。3、本實用新型的假肢手的手掌部、腕部以及每個手指的遠指節(jié)、近指節(jié)、基指節(jié)均 為高強度聚合物材料，是輕質(zhì)合金材料密度的一半，重量更輕。4、本實用新型的假肢手錐齒輪副、蝸輪蝸桿副都采用滾動軸承類型中的深溝軸承 作為支承，可以承受徑向力、軸向力，摩擦力小，可以采用輸出力矩小的電機，可以減少假肢 手的外形尺寸。5、本實用新型的假肢手采用蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，具有機械自鎖功能，即使電機失 電也不會使抓牢的物體掉落，可靠性高。6、本實用新型的假肢手的電路中，取電機驅(qū)動電路驅(qū)動電流的分流來間接測取電 機力矩，實現(xiàn)力控制，省去了必需的表面壓力傳感器，簡化了系統(tǒng)。
圖1為本實用新型五自由度假肢手的示意圖；圖2為本實用新型五自由度假肢手的手指結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型五自由度假肢手的電路原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。本實用新型五自由度假肢手的示意圖如圖1和圖2所示，由腕部23、手掌部四和 手指部組成。所述手指部由拇指、食指、中指、無名指和小指五個手指組成，每個手指由基關(guān) 節(jié)、空心的基指節(jié)7、近指節(jié)2、遠指節(jié)1組成，所述遠指節(jié)1與近指節(jié)2固定連接，所述近指 節(jié)2通過銷軸22與所述基指節(jié)7連接，所述基關(guān)節(jié)包括基關(guān)節(jié)支架10、罩在基關(guān)節(jié)支架外 的基關(guān)節(jié)外罩17，所述基關(guān)節(jié)支架10上安裝有微型蝸桿15，所述微型蝸桿15的一端安裝 有同軸的從動錐齒輪13，所述微型蝸桿15與微型蝸輪20嚙合，所述微型蝸輪的傳動軸19 安裝在基關(guān)節(jié)支架10上，其中，所述微型蝸輪的傳動軸19最好為空心軸。所述基指節(jié)7的 空腔內(nèi)安裝有微型直流電機8，所述微型直流電機8與微型減速機9連接，所述微型減速機 9的輸出軸上安裝有與所述從動錐齒輪13嚙合的主動錐齒輪12。所述基指節(jié)7與所述基 關(guān)節(jié)支架10固定連接，復位彈簧5 —端通過銷釘6與所述基指節(jié)7固定連接，所述復位彈 簧5的另一端通過銷釘4與近指節(jié)2固定連接。所述微型蝸輪20通過銷釘18與基關(guān)節(jié)外 罩17固定連接，所述微型蝸輪20與牽引索21 —端連接，所述牽引索21另一端與近指節(jié)2 內(nèi)部通過緊定螺釘3固定連接。五個手指中的拇指沈安裝在拇指支架25上，所述拇指支 架25的兩端分別安裝有轉(zhuǎn)動軸，所述拇指支架一端的轉(zhuǎn)動軸通過回轉(zhuǎn)軸承M安裝在腕部 23，所述拇指支架25另一端的轉(zhuǎn)動軸安裝在滑塊27的軸孔內(nèi)，所述滑塊27與安裝在手掌 部的滑道觀滑動連接。每個手指的基關(guān)節(jié)外罩與手掌通過螺釘連接。本實施例中的電路原理圖如圖3所示，假肢手使用兩個表面肌電信號傳感器，安 放于殘疾人殘肢的肌肉表皮上。一個表面肌電信號傳感器(EMG傳感器1)通過差動放大電 路1、濾波電路1與微控制器A/D變換排序器的通道0連接，一個表面肌電信號傳感器(EMG 傳感器2、通過差動放大電路2、濾波電路2與微控制器A/D變換排序器的通道1連接。五 個微型直流電機驅(qū)動電路的輸入端分別通過各自的電平變換電路與微控制器的GPIOA端 口連接，五個微型直流電機驅(qū)動電路分別通過各自的阻容網(wǎng)絡(luò)電路分流后與微控制器的A/ D變換排序器的輸入端連接。電路板可以制作成手掌形狀，以嵌入手掌空腔內(nèi)。微控制器可以選用信號處理器 系列 DSPF2810。 為了減輕重量，所述基關(guān)節(jié)支架為航空鋁合金材料，可以選用航空鋁LC4，手掌部、 腕部以及每個手指的遠指節(jié)、近指節(jié)、基指節(jié)均為材料密度為1. 2-1. 4g/cm3的高強度聚合 物材料，可以選用PA6060，使整手的重量為600克，與人手相當。為了減少摩擦，所述主動錐齒輪的軸徑通過第一深溝球軸承11與基關(guān)節(jié)支架連 接。所述蝸桿的兩端分別通過第二深溝球軸承14和第三深溝球軸承16與基關(guān)節(jié)支架連接。表面肌電信號傳感器發(fā)出的信號經(jīng)過放大和濾波處理后送到微處理器，對表面肌電信號進行解析，如果為合手指令則調(diào)用合手運動子程序，如果為開手指令則調(diào)用開手運 動子程序。并通過GPIOA端口輸出合手或開手指令給微型直流電機驅(qū)動電路驅(qū)動微型直流 電機。微型直流電機通過微型減速機、主動錐齒輪、從動錐齒輪帶動微型蝸桿轉(zhuǎn)動，微型蝸 桿帶動微型蝸輪相對于基關(guān)節(jié)支架轉(zhuǎn)動。當微型蝸輪相對于基關(guān)節(jié)支架逆時針轉(zhuǎn)動時，微 型蝸輪拉動牽引索，從而帶動近指節(jié)，使其繞基指節(jié)的銷軸相對順時針回轉(zhuǎn)，同時復位彈簧 則被拉伸。當蝸輪相對于基關(guān)節(jié)支架順時針回轉(zhuǎn)時，牽索引被放松。近指節(jié)在復位彈簧的 彈力作用下，繞基指節(jié)上的銷軸逆時針回轉(zhuǎn)。因而，近指節(jié)相對于基指節(jié)的回轉(zhuǎn)運動是被動 的?；P(guān)節(jié)運動與近指關(guān)節(jié)運動是耦合的，由一臺微型直流電機驅(qū)動，為欠驅(qū)動機構(gòu)。
權(quán)利要求1.一種五自由度假肢手，其特征在于，由腕部、手掌部和手指部組成，所述手指部由拇 指、食指、中指、無名指和小指五個手指組成；每個手指由基關(guān)節(jié)、空心的基指節(jié)、近指節(jié)、遠 指節(jié)組成；所述遠指節(jié)與近指節(jié)固定連接；所述近指節(jié)通過銷軸與所述基指節(jié)連接，所述 基關(guān)節(jié)包括基關(guān)節(jié)支架、罩在基關(guān)節(jié)支架外的基關(guān)節(jié)外罩，所述基關(guān)節(jié)支架上安裝有微型 蝸桿，所述微型蝸桿的一端安裝有同軸的從動錐齒輪，所述微型蝸桿與微型蝸輪嚙合，所述 微型蝸輪的傳動軸安裝在基關(guān)節(jié)支架上，所述基指節(jié)的空腔內(nèi)安裝有微型直流電機，所述 微型直流電機與微型減速機連接，所述微型減速機的輸出軸上安裝有與所述從動錐齒輪嚙 合的主動錐齒輪；所述基指節(jié)與所述基關(guān)節(jié)支架固定連接，復位彈簧一端與所述基指節(jié)固 定連接，所述復位彈簧的另一端與近指節(jié)固定連接；所述微型蝸輪與所述基關(guān)節(jié)外罩固定 連接，所述微型蝸輪與牽引索一端連接，所述牽引索另一端與近指節(jié)內(nèi)部固定連接；五個 手指中的拇指安裝在拇指支架上，所述拇指支架的兩端分別安裝有轉(zhuǎn)動軸，所述拇指支架 一端的轉(zhuǎn)動軸通過回轉(zhuǎn)軸承安裝在腕部，所述拇指支架另一端的轉(zhuǎn)動軸安裝在滑塊的軸孔 內(nèi)，所述滑塊與安裝在手掌部的滑道滑動連接；每個手指基關(guān)節(jié)外罩與手掌通過螺釘連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，兩個表面肌電信號傳感器安 放于殘疾人殘肢的肌肉表皮上，每個表面肌電信號傳感器分別依次通過差動放大電路、濾 波電路與微控制器的A/D變換排序器的輸入端連接，五個微型直流電機驅(qū)動電路的輸入端 分別通過各自的電平變換電路與微控制器的GPIOA端口連接，五個微型直流電機驅(qū)動電路 分別通過各自的阻容網(wǎng)絡(luò)電路分流后與微控制器的A/D變換排序器的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，所述基關(guān)節(jié)支架為航空鋁合 金材料，手掌部、腕部以及每個手指的遠指節(jié)、近指節(jié)、基指節(jié)均為材料密度為1.2-1.4g/ cm3的高強度聚合物材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，所述主動錐齒輪的軸徑通過 第一深溝球軸承與基關(guān)節(jié)支架連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，聽述蝸桿的兩端分別通過第 二深溝球軸承和第三深溝球軸承與基關(guān)節(jié)支架連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，所述微型蝸輪的傳動軸為空 心軸。
專利摘要本實用新型公開了一種五自由度假肢手，旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單，多自由度，尺寸小，重量輕，價格適中的五自由度假肢手。由腕部、手掌部和手指部組成。手指部由五個手指組成，每個手指由基關(guān)節(jié)、空心的基指節(jié)、近指節(jié)、遠指節(jié)組成。基關(guān)節(jié)支架內(nèi)有微型蝸桿，微型蝸桿的一端安裝有同軸的從動錐齒輪，微型蝸桿與微型蝸輪嚙合，微型蝸輪的傳動軸安裝在基關(guān)節(jié)支架上，基指節(jié)的空腔內(nèi)裝有微型直流電機，微型直流電機與微型減速機連接，微型減速機的輸出軸上有主動錐齒輪；基指節(jié)與基關(guān)節(jié)支架固定連接，復位彈簧一端與基指節(jié)固定連接，另一端與近指節(jié)固定連接；微型蝸輪與基關(guān)節(jié)外罩固定連接，并與牽引索一端連接，牽引索另一端與近指節(jié)固定連接。
文檔編號A61F2/72GK201861802SQ20102063876
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者王博成 申請人:王博成