本發(fā)明涉及手部假肢技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著科技水平的不斷發(fā)展和人們對(duì)殘疾人福利事業(yè)的關(guān)注程度日益上升，陸續(xù)出現(xiàn)了基于各種原理的殘疾人假手。其中包括實(shí)際應(yīng)用最廣泛的德國(guó)OttoBock單自由度假手，采用繩驅(qū)動(dòng)的Stanford大學(xué)假手，采用腱驅(qū)動(dòng)的西班牙Manus假手、意大利ARTS實(shí)驗(yàn)室假手、采用欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)的英國(guó)南安普頓大學(xué)假手和四國(guó)聯(lián)合研制的CyberHand等。多倫多大學(xué)TBM假手采用了連桿機(jī)構(gòu)，是一種為7～11歲年齡段兒童設(shè)計(jì)的試驗(yàn)性多手指假手。四指（食指、中指、無(wú)名指和小指）分別有三個(gè)指節(jié)，每個(gè)手指有一個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)軌跡仿人；四指結(jié)構(gòu)完全相同，均由六根桿件構(gòu)成，零件的互換性很高。拇指具有彎曲/伸展與內(nèi)收/外展兩個(gè)自由度，由四根桿件構(gòu)成。其中內(nèi)收/外展自由度是被動(dòng)自由度，需借助人手或其他外力進(jìn)行調(diào)整，內(nèi)收/外展自由度與其他四指一起由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該手結(jié)構(gòu)小巧，剛性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)適應(yīng)性抓取。但由于五個(gè)手指都依靠一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此出現(xiàn)了抓取力不平衡的問題。Limb手是由英國(guó)“仿生接觸”（TouchBionics）公司研制的商用多自由度假手，在英國(guó)的市場(chǎng)占有率達(dá)到67%。它是利用兩路EMG輸入控制五個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)五個(gè)手指獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；四指各具有兩個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，基關(guān)節(jié)靠蝸輪蝸桿傳動(dòng)，中關(guān)節(jié)靠同步帶與基關(guān)節(jié)耦合運(yùn)動(dòng)；拇指在基關(guān)節(jié)處增加了一個(gè)被動(dòng)自由度，可以通過外力調(diào)節(jié)拇指的內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)。該手能夠在四種動(dòng)作模式間切換，可以順利完成開鎖端盤子等各種動(dòng)作。外殼材料采用了輕型塑料，重量輕于人的自然手。外表包裝了人工皮膚，外觀仿人。Limb手的問世標(biāo)志著多自由度假手開始應(yīng)用于臨床。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直接傳動(dòng)類的靈巧手中，日本岐阜大學(xué)和幾家公司合作開發(fā)的Gifu-II（手是在尺寸和形狀上和人手最為接近的，整手尺寸接近人手的二倍。它采用的是集成在手掌和手指中的微驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)。Gifu手有五個(gè)模塊化的手指，共20個(gè)關(guān)節(jié)16個(gè)自由度。其中拇指有四個(gè)關(guān)節(jié)四個(gè)自由度，其它手指有四個(gè)關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，除拇指外的其它四指的后兩個(gè)關(guān)節(jié)通過連桿實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。整個(gè)手上裝有豐富的觸覺傳感器，包括關(guān)節(jié)位置傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器、指端六維力/力矩傳感器、手掌觸覺傳感器，共有859個(gè)探測(cè)點(diǎn)。清華大學(xué)在研究德國(guó)OttoBock假手的基礎(chǔ)上，研制了帶有新型自適應(yīng)增力機(jī)構(gòu)的肌電控制假手。全手共有拇指、食指和中指三個(gè)手指，其中食指和中指固連為一體，采用一個(gè)電機(jī)通過螺旋和連桿傳動(dòng)。針對(duì)OttoBock假手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造困難的問題，設(shè)計(jì)了雙螺旋自動(dòng)切換增力機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由不同螺距的兩個(gè)螺旋串聯(lián)組成，在手指接觸物體前通過大螺旋快速傳動(dòng)推動(dòng)工作頭，接觸物體后通過小螺旋傳動(dòng)增力。該假手指端出力50～100N，100mm開手時(shí)間1～1.5s，噪音小于42dB，沒有回彈，可靠性高，但由于自由度少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)被抓取物體形狀的適應(yīng)性較差。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了HIT多指靈巧手，該手采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由傘齒輪、連桿等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。HIT/DLR-I手采用模塊化、集成化設(shè)計(jì)，四個(gè)相同的手指，每個(gè)手指有四個(gè)關(guān)節(jié)三個(gè)自由度；拇指設(shè)計(jì)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度，可以通過配置拇指的相對(duì)位置來滿足不同的抓取要求。HIT/DLR-I手的指尖布置了六維力/力矩傳感器。但是受傘齒輪和直流電機(jī)的限制，手指基關(guān)節(jié)的尺寸略大。綜上，現(xiàn)有技術(shù)提供的假手存在著體積、重量大，耗能較大，外觀和運(yùn)動(dòng)形式仿人化程度不好等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明創(chuàng)造所要解決的技術(shù)問題是提供一種手指結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，開合速度快，抓握過程接近人手的仿人型假手。本發(fā)明創(chuàng)造為解決上述技術(shù)問題，采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明創(chuàng)造的仿人型假手，包括手腕、手指、與手腕連接承載和固定手指的手掌，為假手提供動(dòng)力及控制信號(hào)的控制系統(tǒng)；所述手腕包括盤形底座、手掌固定盤、連接盤形底座和手掌固定盤的連接軸，固定在盤形底座內(nèi)的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)上裝配有曲柄，連接曲柄和手掌固定盤的連桿；所述手掌設(shè)置在手腕的上方，包括前手面、后手面及連接兩者的側(cè)板，所述后手面上設(shè)有手指固定孔，所述前手面的對(duì)應(yīng)位置處設(shè)有凹槽，凹槽和手指固定孔用來裝配手指；所述手指包括連接在手掌上的基座、設(shè)置在基座內(nèi)驅(qū)動(dòng)手指的伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)及與連桿連接的指節(jié)，所述指節(jié)與連桿構(gòu)成耦合形式；所述基座連接在后手面上的手指固定孔處，與前手面上的凹槽一一對(duì)應(yīng)；所述控制系統(tǒng)集成在手掌內(nèi)部，包括中央處理模塊、電隨動(dòng)模塊、角位移傳感模塊、力矩傳感模塊及顯示模塊；所述電隨動(dòng)模塊包括主動(dòng)模塊和隨動(dòng)模塊；主動(dòng)模塊用于經(jīng)使用者控制產(chǎn)生位移信號(hào)，中央處理模塊處理該信號(hào)并控制隨動(dòng)模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；角位移傳感和力矩傳感器用于實(shí)時(shí)測(cè)得手指的旋轉(zhuǎn)角度及手指根部所受力矩的大小，中央處理模塊處理后，傳遞到顯示模塊中便于使用者控制。進(jìn)一步的，所述耦合形式的指節(jié)與連桿，指節(jié)包括近指節(jié)、中指節(jié)及遠(yuǎn)指節(jié)，所述連桿包括連桿一、連桿二及連桿三；連桿一一端與設(shè)置在伺服電機(jī)輸出軸上的曲柄連接，連桿一另一端與近指節(jié)下端相連，近指節(jié)下端通過連接軸設(shè)置在基座上，近指節(jié)通過曲柄和連桿一的驅(qū)動(dòng)繞基座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；中指節(jié)下端與近指節(jié)上端相連，中指節(jié)下端同時(shí)與連桿二的一端連接，連桿二的另一端連接在基座上；中指節(jié)的運(yùn)動(dòng)通過近指節(jié)和連桿二的耦合作用確定；遠(yuǎn)指節(jié)下端與中指節(jié)上端相連，遠(yuǎn)指節(jié)下端同時(shí)與連桿三一端連接，連桿三另一端與近指節(jié)上端相連；遠(yuǎn)指節(jié)的運(yùn)動(dòng)通過中指節(jié)和連桿三的耦合作用確定。進(jìn)一步的，所述后手面為曲面，后手面邊緣線的法線在兩邊緣線所確定的平面內(nèi)，兩法線的夾角為155°。進(jìn)一步的，所述前手面為曲面，且前手面和后手面上任一對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)等距。進(jìn)一步的，所述前手面上凹槽大小相等、形狀相同。進(jìn)一步的，前手面上上端凹槽的中心分布在同一個(gè)圓周上，互成10°夾角；前手面上側(cè)邊凹槽與最相鄰的凹槽的夾角為60°。進(jìn)一步的，所述角位移傳感器設(shè)置在伺服電機(jī)的后部，力矩傳感器設(shè)置在手指的根部。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明創(chuàng)造具有如下有益效果：1、摒棄傳統(tǒng)的整手僅有一個(gè)自由度的抓取方式，采用每根手指一個(gè)自由度的抓取方式。整手僅有一個(gè)自由度的抓取方式僅能通過將除了大拇指外的四個(gè)手指并為一個(gè)，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)與大拇指發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，模仿人的抓握姿態(tài)。而每個(gè)手指一個(gè)自由度的抓取方式不僅能完成上述功能，在控制系統(tǒng)和使用者的操作下，還能完成大拇指與食指配合的捏取，大拇指與食指、中指配合的三點(diǎn)抓取，五個(gè)手指相互配合進(jìn)行肢體語(yǔ)言的表達(dá)。2、摒棄傳統(tǒng)整個(gè)手指內(nèi)部沒有任何自由度的機(jī)構(gòu)，采用六連桿耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行手指彎曲動(dòng)作的模擬，即固定在基座上的伺服電機(jī)通過曲柄、連桿一將運(yùn)動(dòng)傳遞到近指節(jié)上，使近指節(jié)繞基座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；中指節(jié)通過連桿二連接在基座上，中指節(jié)與近指節(jié)連接，中指節(jié)的運(yùn)動(dòng)通過近指節(jié)和連桿二的耦合作用確定；遠(yuǎn)指節(jié)連接到中指節(jié)上，遠(yuǎn)指節(jié)通過連桿三連接到近指節(jié)上，遠(yuǎn)指節(jié)的運(yùn)動(dòng)通過中指節(jié)和連桿三的耦合作用確定。3、手指各個(gè)指節(jié)的尺寸采用統(tǒng)計(jì)得來的數(shù)據(jù)求的加權(quán)平均數(shù)，適應(yīng)大部分的人群。4、將假手的控制系統(tǒng)集成到假手內(nèi)部，傳感器系統(tǒng)嵌入到手指機(jī)構(gòu)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了假手的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，使得假手體積小、重量輕，采用的集成式智能控制器系統(tǒng)又使得假手的多自由度復(fù)雜控制功能成為可能。附圖說明圖1為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手手腕的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手手掌的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手手指連桿的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手手指連桿的連接示意圖；圖6為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手控制系統(tǒng)的原理框圖。圖7為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用狀態(tài)示意圖一；圖8為本發(fā)明創(chuàng)造優(yōu)選實(shí)施例基于耦合連桿的仿人型假手的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用狀態(tài)示意圖二；具體實(shí)施方式如圖1，本實(shí)施例的基于耦合連桿的仿人型假手，包括手腕2，與手腕2連接承載和固定五個(gè)手指的手掌3，手指4，為假手提供動(dòng)力及控制信號(hào)的控制系統(tǒng)1。如圖2，手腕2包括盤形底座201、手掌固定盤202、連接盤形底座和手掌固定盤的連接軸203，固定在盤形底座內(nèi)的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)上裝配有曲柄，連接曲柄和手掌固定盤202的連桿204。如圖3，手掌設(shè)置在手腕的上方，包括前手面301和后手面303，后手面上有五組手指固定孔304，前手面上對(duì)應(yīng)于手指固定孔304處有五個(gè)大小相等、形狀相同的凹槽，凹槽和手指固定孔304用來裝配五個(gè)手指；前手面301與后手面303通過側(cè)板302連接。后手面303設(shè)置為曲面，后手面邊緣線的法線在兩邊緣線所確定的平面內(nèi)，兩法線的夾角為155°。前手面301設(shè)置為與后手面303形狀相同的曲面。前手面301上上端四個(gè)凹槽的中心分布在同一個(gè)圓周上，互成10°夾角；前手面上側(cè)邊凹槽與最相鄰的凹槽的夾角為60°。手的抓取分為精確抓取和強(qiáng)力抓取，其中精確抓取是指尖與物體之間的接觸，對(duì)于手掌結(jié)構(gòu)的要求不高；而強(qiáng)力抓取是手掌和手指對(duì)物體大面積性的空間包絡(luò)，這種抓取需要手掌與物體間有良好的接觸才能保證抓取的穩(wěn)定性，所以仿人假手的手掌設(shè)計(jì)對(duì)整手性能有很大影響。在人手抓取尺寸大的球形、橢球形和形狀復(fù)雜的物體時(shí)，手掌和手指緊貼物體的外形，這樣抓取才能牢固。因此可知人手的手掌在抓取的時(shí)候具有空間的包絡(luò)性，即將手掌設(shè)計(jì)為具有曲面的立體結(jié)構(gòu)。如圖4和圖5，手指4包括連接在手掌3上的基座401、設(shè)置在基座內(nèi)驅(qū)動(dòng)手指的伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)及與連桿連接的指節(jié)，指節(jié)與連桿構(gòu)成耦合形式。其中，基座401通過緊固側(cè)板連接在后手面上的手指固定孔304處，與前手面上的凹槽一一對(duì)應(yīng)。手指的連接采用耦合方式，連桿一407一端與設(shè)置在伺服電機(jī)輸出軸上的曲柄408連接，連桿一407另一端通過軸一410與近指節(jié)402下端相連，近指節(jié)402下端通過軸二410設(shè)置在基座401上，近指節(jié)402通過曲柄408和連桿一407的驅(qū)動(dòng)繞基座401進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；中指節(jié)403下端通過軸三412與近指節(jié)402上端相連，中指節(jié)403下端通過軸四414同時(shí)與連桿二406的一端連接，連桿二406的另一端通過軸五409連接在基座401上；中指節(jié)403的運(yùn)動(dòng)通過近指節(jié)402和連桿二406的耦合作用確定；遠(yuǎn)指節(jié)404下端通過軸六415與中指節(jié)403上端相連，遠(yuǎn)指節(jié)404下端通過軸七416同時(shí)與連桿三405一端連接，連桿三405另一端通過軸八413與近指節(jié)402上端相連；遠(yuǎn)指節(jié)404的運(yùn)動(dòng)通過中指節(jié)403和連桿三405的耦合作用確定。結(jié)合圖1和圖6，控制系統(tǒng)1集成在手掌內(nèi)部，包括電隨動(dòng)控制模塊、伺服電機(jī)、角位移傳感、力矩傳感器及顯示模塊；角位移傳感器設(shè)置在伺服電機(jī)的后部，力矩傳感器設(shè)置在近指節(jié)的根部。電隨動(dòng)控制模塊包括主動(dòng)模塊和隨動(dòng)模塊；使用者通過控制主動(dòng)模塊使隨動(dòng)模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，手指的旋轉(zhuǎn)角度及手指根部所受力矩的大小通過角位移傳感和力矩傳感器實(shí)時(shí)傳遞到顯示模塊中便于使用者控制。結(jié)合圖1和圖6，控制系統(tǒng)1集成在手掌內(nèi)部，包括中央處理模塊、電隨動(dòng)模塊、角位移傳感模塊、力矩傳感模塊及顯示模塊；角位移傳感模塊設(shè)置在伺服電機(jī)的后部，力矩傳感模塊設(shè)置在近指節(jié)的根部，電隨動(dòng)模塊包括主動(dòng)模塊和隨動(dòng)模塊；使用者通過控制主動(dòng)模塊產(chǎn)生位移信號(hào)，經(jīng)過中央處理模塊處理后，使隨動(dòng)模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；手指的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度及手指根部所受力矩的大小通過角位移傳感和力矩傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得，經(jīng)中央處理模塊處理后，一部分與從主動(dòng)模塊傳來的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，另一部分傳遞到顯示模塊中便于使用者控制。結(jié)合圖7和圖8，采取PWM脈寬調(diào)制對(duì)驅(qū)動(dòng)手指的各個(gè)減速伺服電機(jī)進(jìn)行控制，采用閉環(huán)式控制方案實(shí)時(shí)采集各個(gè)手指的受力信息，及時(shí)的調(diào)整控制信號(hào)，提高控制的精度，以實(shí)施仿人型假手的各種動(dòng)作。