專利名稱：五自由度假肢手的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種五自由度假肢手。
背景技術：
仿人假肢手安裝于斷手殘疾人殘肢上，實現人手的某些功能。目前，世界上運作最 成功，應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，驅動微型電動機。經微型直齒 圓柱齒輪減速，通過連桿，實現假肢手的開合運動。此種假肢手只有1個自由度，不能實現 對被抓取物體很好的包絡和更多的動作。與其相關的研究領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推動作用。世界上上很多研究機構都致力于EMG控制假肢手的 研究并力圖應用于殘疾人。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個關節(jié)。末端兩個關節(jié)的運動是耦合的。每個手指由1臺微電機驅動，只 有拇指由兩臺微電機驅動。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，一臺用于驅動拇指，另一臺用 于驅動食指和中指。手內裝有位置、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分配 動力，從而把一個驅動源的動力分配到五個手指。國內哈爾濱工業(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 制了彈性桿欠驅動假肢手，五個手指由三臺微電機驅動。雖然基于EMG的假肢手技術得到了發(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合金材料制造，其密度遠大于人手密度。機構復 雜，用了為數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。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。由于結構復雜，元器件眾多， 導線雜亂，距實際應用尚有較大差距。
實用新型內容本實用新型是為了克服現有技術中的不足之處，提供一種結構簡單，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方案實現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 述基關節(jié)包括基關節(jié)支架、罩在基關節(jié)支架外的基關節(jié)外罩，所述基關節(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節(jié)支架上，所述基指節(jié)的空腔內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動軸，所述拇指支架 一端的轉動軸通過回轉軸承安裝在腕部，所述拇指支架另一端的轉動軸安裝在滑塊的軸孔 內，所述滑塊與安裝在手掌部的滑道滑動連接；每個手指基關節(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動電路分別通過各自的阻容網絡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效果1、本實用新型的假肢手中，每個手指由基關節(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，形成了基關節(jié)的轉動，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，減少了微電機、傳感器、微型機構等的數量，從而簡化了假肢手的結構， 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上擺、下擺、內旋和外旋動作，具有 多個自由度，擴展了拇指的功能，增強了拇指的靈活性，而且簡化了拇指結構，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，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，取電機驅動電路驅動電流的分流來間接測取電 機力矩，實現力控制，省去了必需的表面壓力傳感器，簡化了系統。
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構示意圖；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 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，所述基關節(jié)包括基關節(jié)支架10、罩在基關節(jié)支架外 的基關節(jié)外罩17，所述基關節(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動軸，所述拇指支架一端的轉動軸通過回轉軸承M安裝在腕部 23，所述拇指支架25另一端的轉動軸安裝在滑塊27的軸孔內，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動電路分別通過各自的阻容網絡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。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與基關節(jié)支架連接。表面肌電信號傳感器發(fā)出的信號經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用合手運動子程序，如果為開手指令則調用開手運 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動電路驅動微型直流 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動，微型蝸 桿帶動微型蝸輪相對于基關節(jié)支架轉動。當微型蝸輪相對于基關節(jié)支架逆時針轉動時，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，同時復位彈簧 則被拉伸。當蝸輪相對于基關節(jié)支架順時針回轉時，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。因而，近指節(jié)相對于基指節(jié)的回轉運動是被動 的?；P節(jié)運動與近指關節(jié)運動是耦合的，由一臺微型直流電機驅動，為欠驅動機構。
權利要求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 基關節(jié)包括基關節(jié)支架、罩在基關節(jié)支架外的基關節(jié)外罩，所述基關節(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節(jié)支架上，所述基指節(jié)的空腔內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動軸，所述拇指支架 一端的轉動軸通過回轉軸承安裝在腕部，所述拇指支架另一端的轉動軸安裝在滑塊的軸孔 內，所述滑塊與安裝在手掌部的滑道滑動連接；每個手指基關節(jié)外罩與手掌通過螺釘連接。
2.根據權利要求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動電路 分別通過各自的阻容網絡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.根據權利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，所述基關節(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.根據權利要求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節(jié)支架連接。
5.根據權利要求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節(jié)支架連接。
6.根據權利要求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，旨在提供一種結構簡單，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，每個手指由基關節(jié)、空心的基指節(jié)、近指節(jié)、遠指節(jié)組成?；P節(jié)支架內有微型蝸桿，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節(jié)支架上，基指節(jié)的空腔內裝有微型直流電機，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)先權日2010年12月2日
發(fā)明者王博成 申請人:王博成