基于連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的單電機(jī)欠驅(qū)動(dòng)假肢手的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿人形的欠驅(qū)動(dòng)假肢手，具體地說(shuō)是一種基于連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的僅使用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)假肢手，應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域，特別適用于手部截肢患者O
【背景技術(shù)】
[0002]由于意外事故、工傷、疾病等原因，世界上產(chǎn)生了大量截肢患者，其中多半是手部截肢患者，他們無(wú)法獨(dú)立完成日常的生活需求，因而生活質(zhì)量顯著降低。為了提高手部截肢殘疾人的生活質(zhì)量，相關(guān)公司和科研機(jī)構(gòu)開發(fā)出了各種各樣的假肢，包括取得廣泛應(yīng)用的單自由度假肢手以及具有仿人形的多自由度假肢手。
[0003]單自由度假肢手可以通過(guò)簡(jiǎn)單的手指開合來(lái)完成有限的抓握動(dòng)作，功能單一，實(shí)用性較差，且不具有仿人外形，穿戴以后與人體不和諧，易受到患者排斥。多自由度假肢手具有人手外觀，易被患者接受，且設(shè)有與人手相近的關(guān)節(jié)數(shù)從而具有更好的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的動(dòng)作，但是這種多自由度假肢手由于使用較多鉸鏈、連桿或其他的傳統(tǒng)傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，目前還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能適應(yīng)不同的物體形狀，從而可以完成更協(xié)調(diào)、與人手更為相近的運(yùn)動(dòng)的假肢手。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種新型的欠驅(qū)動(dòng)假肢手，僅采用一個(gè)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輸入，將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸入分配到五個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出，繼而傳遞到五個(gè)手指的各個(gè)關(guān)節(jié)上，以完成假肢手的順應(yīng)抓取動(dòng)作；特別設(shè)計(jì)了一種連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)輸入與驅(qū)動(dòng)輸出各部分完整相連并可連續(xù)變形。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅可以整體地移動(dòng)，同時(shí)，在抓取不同的物體時(shí)，連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)還可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變形，使得各路運(yùn)動(dòng)輸出具有不同的輸出量，從而使假肢手對(duì)不同的抓取物體具有適應(yīng)性。
[0006]由于連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)中不使用鉸鏈、連桿等傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副，從而消除了傳動(dòng)系統(tǒng)的回差。大量使用彈性合金絲作為驅(qū)動(dòng)與傳遞元件，使假肢手具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，同時(shí)明顯減輕了假肢手的重量。
[0007]系統(tǒng)僅采用一個(gè)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輸入，實(shí)現(xiàn)較多的運(yùn)動(dòng)輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本明顯降低。同時(shí)各個(gè)手指之間的運(yùn)動(dòng)通過(guò)連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，使手指各個(gè)關(guān)節(jié)具有協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并且能適應(yīng)不同的物體形狀，假肢手從而可以完成更協(xié)調(diào)、與人手更為相近的運(yùn)動(dòng)。
[0008]本發(fā)明的假肢手主要由手掌和手指，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電池組成。本發(fā)明的假肢手仿照人手尺寸構(gòu)建，具有與人手相近的外觀與尺寸。
[0009]假肢手主要由手掌和五根手指組成，五根手指分別固定在手掌上對(duì)應(yīng)位置。其中拇指由一根傳動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的彎曲和展開，其余四個(gè)手指由連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)將一路運(yùn)動(dòng)輸入轉(zhuǎn)化為4路運(yùn)動(dòng)輸出，從而驅(qū)動(dòng)除拇指外的四根手指。拇指的翻轉(zhuǎn)指節(jié)為被動(dòng)，外力可調(diào)整拇指的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，拇指翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在關(guān)節(jié)內(nèi)摩擦力作用下可保持在任意翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而使得假肢手適合于不同物體的抓取。
[0010]電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元:電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元固定在手掌內(nèi)部。電機(jī)通過(guò)一個(gè)支架固定在基座上，基座上同時(shí)固定中空軸，中空軸內(nèi)布置有線性軸承，線性軸承內(nèi)有一根傳動(dòng)軸在其中滑動(dòng)，傳動(dòng)軸上固定有一個(gè)齒條，與電機(jī)上的齒輪嚙合，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)齒輪齒條帶動(dòng)傳動(dòng)軸在線性軸承內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)軸的末端連接到拇指的驅(qū)動(dòng)連桿上，帶動(dòng)拇指彎曲和伸展。同時(shí)，齒條上還固定有一個(gè)用于夾持合金絲的夾持結(jié)構(gòu)，從而驅(qū)動(dòng)連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入合金絲也同時(shí)前后運(yùn)動(dòng)。
[0011]連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu):連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)是指驅(qū)動(dòng)輸入與驅(qū)動(dòng)輸出通過(guò)彈性元件連接，組成各部分完整相連的可連續(xù)變形的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入合金絲的一端與傳動(dòng)軸固定在一起，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可前后移動(dòng)；輸入合金絲穿過(guò)固定盤，另一端固定在一個(gè)末端盤的中部，末端盤的兩端分別固定有一根第一輸出合金絲，這樣就形成了一個(gè)連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本單元，將一路運(yùn)動(dòng)輸入分成了兩路運(yùn)動(dòng)輸出。一個(gè)運(yùn)動(dòng)輸入不僅可以帶動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)輸出同時(shí)運(yùn)動(dòng)，在兩路運(yùn)動(dòng)輸出的負(fù)載力不均衡的情況下，三根合金絲會(huì)朝向同一個(gè)方向彎曲，使得兩根第一輸出合金絲具有不同的輸出量。進(jìn)一步地，兩根第一輸出合金絲分別穿過(guò)固定盤，固定在另外兩個(gè)末端盤的中部，每個(gè)末端盤同樣地固定有兩根第二輸出合金絲，這樣就將一路運(yùn)動(dòng)輸入分配給了四路運(yùn)動(dòng)輸出。四路運(yùn)動(dòng)輸出的合金絲分別固定在四根手指的連桿上，就可以帶動(dòng)四根手指實(shí)現(xiàn)彎曲、伸展運(yùn)動(dòng)。
[0012]手掌內(nèi)同時(shí)嵌入有電池以及控制電路，構(gòu)成一個(gè)完成的假肢手系統(tǒng)。該假肢手系統(tǒng)可以通過(guò)接收腔裝在患者的殘肢上，就能夠通過(guò)肌電信號(hào)等方式控制假肢手實(shí)現(xiàn)各種抓取動(dòng)作。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種假肢手，其特征在于，所述假肢手包括:
[0014]電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)有基座和電機(jī)，其中所述電機(jī)固定于所述基座上且電機(jī)的輸出軸上設(shè)有齒輪，所述基座上同時(shí)固定有中空軸，該中空軸內(nèi)設(shè)有一根傳動(dòng)軸在其中滑動(dòng)，該傳動(dòng)軸上固定有一個(gè)齒條，該齒條與電機(jī)上的齒輪嚙合，從而電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)齒輪齒條嚙合而帶動(dòng)所述傳動(dòng)軸在中空軸內(nèi)直線運(yùn)動(dòng)；該傳動(dòng)軸的末端連接到拇指的驅(qū)動(dòng)連桿上，用于帶動(dòng)拇指彎曲和伸展；以及齒條上還固定有一個(gè)用于夾持合金絲的夾持結(jié)構(gòu)；
[0015]連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)有固定盤、多個(gè)末端盤、輸入合金絲、第一輸出合金絲和第二輸出合金絲，所述固定盤上設(shè)有供所述輸入合金絲和輸出合金絲穿過(guò)的多個(gè)孔，所述輸入合金絲的一端與所述夾持結(jié)構(gòu)固定連接，從而通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)，而另一端固定于一個(gè)末端盤的中部；該末端盤的兩端分別固定有一根第一輸出合金絲的一端，該兩根第一輸出合金絲的另一端分別穿過(guò)所述固定盤并固定在另外兩個(gè)末端盤的中部，所述另外兩個(gè)末端盤中的每個(gè)的兩端分別固定有兩根第二輸出合金絲，從而四根所述第二輸出合金絲穿過(guò)所述固定盤并分別與所述假肢手的對(duì)應(yīng)手指連接，從而帶動(dòng)除了拇指之外的四根手指運(yùn)動(dòng)；以及
[0016]手掌，用于固定所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和所述連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)以及手指。
[0017]較佳地，所述假肢手還包括電池和控制器，所述電池為所述電機(jī)和所述控制器供電，所述控制器用于接收肌電信號(hào)或外部信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0018]較佳地，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的所述基座上同時(shí)固定有兩個(gè)環(huán)形支架，所述中空軸的兩端分別連接于所述兩個(gè)環(huán)形支架，且拇指固定于所述中空軸上，其中所述兩個(gè)環(huán)形支架中一個(gè)為開口環(huán)并設(shè)有螺釘，用來(lái)調(diào)整該環(huán)形支架和中空軸之間的摩擦力，使得拇指的翻轉(zhuǎn)能夠被調(diào)整，同時(shí)保持調(diào)整后的姿態(tài)。
[0019]—優(yōu)選實(shí)施例中，所述拇指從根部到末端依次設(shè)有翻轉(zhuǎn)指節(jié)、第二指節(jié)和第三指節(jié)，它們之間分別通過(guò)銷釘連接，構(gòu)成三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中翻轉(zhuǎn)指節(jié)固定于所述中空軸上，所述第二指節(jié)經(jīng)由連桿與所述傳動(dòng)軸的一端連接。
[0020]上述實(shí)施例中，優(yōu)選地，所述傳動(dòng)軸上固定有第一連桿，第一連桿與第二連桿的一端通過(guò)第一銷釘連接，第二連桿的另一端與第三連桿通過(guò)第二銷釘連接，第二連桿同時(shí)通過(guò)第二銷釘連接在第二指節(jié)上，第二連桿還通過(guò)第三銷釘連接有第三連桿，第三連桿穿過(guò)第二指節(jié)連接到第四銷釘上，第四銷釘連接在拇指的第三指節(jié)上。
[0021]一優(yōu)選實(shí)施例中，除了拇指之外的每個(gè)手指包括底座、第一指節(jié)和第二指節(jié)，底座固定于手掌上，第一指節(jié)與底座通過(guò)第一銷釘和第一連桿連接，第一指節(jié)和第二指節(jié)之間通過(guò)第二銷釘連接，從而形成了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所述第二輸出合金絲之一與所述第一連桿的一端連接，從而帶動(dòng)該手指運(yùn)動(dòng)。
[0022]上述實(shí)施例中，優(yōu)選地，在第二銷釘上還設(shè)有一個(gè)扭簧，使關(guān)節(jié)保持展開狀態(tài)，且第一連桿的另一端與第二連桿的一端鉸接，第二連桿的另一端通過(guò)第二銷釘與第二指節(jié)鉸接。
[0023]一優(yōu)選實(shí)施例中，所述連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一個(gè)固定盤、3個(gè)末端盤、一根輸入合金絲、兩根第一輸出合金絲和四根第二輸出合金絲，所述固定盤固定于所述基座上。
[0024]本發(fā)明的整體工作原理如下:根據(jù)所要抓取的物體的形狀的不同，可以預(yù)先調(diào)整大拇指的翻轉(zhuǎn)指節(jié)的位置，使大拇指保持在合適抓取該物體的位置。然后，通過(guò)開關(guān)或肌電信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒條和傳動(dòng)軸移動(dòng)，通過(guò)連桿帶動(dòng)拇指實(shí)現(xiàn)彎曲。與此同時(shí)，通過(guò)固定在齒條上的夾持結(jié)構(gòu)帶動(dòng)連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入合金絲前后移動(dòng)。連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)將一根輸入合金絲的運(yùn)動(dòng)分成為四根輸出合金絲的運(yùn)動(dòng)，分別連接到食指、中指、無(wú)名指和小指，這四根手指同時(shí)彎曲，向內(nèi)抓緊物體。當(dāng)其中某根或某幾根手指接觸到物體時(shí)，由于連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的連續(xù)體會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，承受負(fù)載小的合金絲仍可以運(yùn)動(dòng)，使對(duì)應(yīng)的手指仍可以彎曲，直到這些手指也完全接觸到物體，使得四根手指都接觸被抓取物體的外表面輪廓，對(duì)物體實(shí)現(xiàn)良好的抓取。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明的基于連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的單電機(jī)欠驅(qū)動(dòng)假肢手的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為假肢手的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3為假肢手的連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)在輸出端負(fù)載不均衡時(shí)連續(xù)體彎曲變形的示意圖；
[0029]圖5為假肢手的拇指結(jié)構(gòu)的立體示意圖；以及
[0030]圖6為假肢手的食指結(jié)構(gòu)的立體示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以便更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解的是，附圖所示的實(shí)施例并不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，而只是為了說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神。
[0032]如圖1所示，本實(shí)施例的假肢手1000主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元100、連續(xù)體差動(dòng)機(jī)構(gòu)200、拇指300、食指400、中指500、無(wú)名指600、小指700和電池800以及手掌900，各部件都固定在手掌900上。以下分別對(duì)各個(gè)部分的構(gòu)造和功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]圖2示出了假肢手的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元100的立體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，電機(jī)I通過(guò)電機(jī)支架2固定在基座3上。電機(jī)的輸出軸(圖未示)上固定有一個(gè)齒輪4，與齒條5嚙合。在基座3上同時(shí)固定有兩個(gè)環(huán)形支架6和7，兩個(gè)支架上固定有一個(gè)中空軸8，拇指固定于該中空軸8上。其中，環(huán)形支架7為開口環(huán)，在開口環(huán)上設(shè)有螺釘9，用來(lái)調(diào)整環(huán)形支架7和中空軸8之間的摩擦力(通過(guò)調(diào)整它們之間的間隙來(lái)完成)，