CN103876866B - 一种少输入多模式输出的假肢手驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少输入多模式输出的假肢手驱动机构，该假肢手驱动机构包括底座和传动系统，该传动系统包括两个伺服电机和五组以上的滑轮组单元，其中各个滑轮组单元整体分布在两个侧板之间，由第一至第五组件共同形成对称形式，其中第一和第五组件和第五组件各自包括第一定滑轮和凸轮；第二和第四组件各自包括第一动滑轮和配套使用的第二定滑轮，并且第一动滑轮可滑动地设置在底板之上；第三组件包括第二动滑轮；此外在这些组件之间相应设置有多个钢丝绳，以便将驱动传递至各个假肢手手指，由此使其发生弯曲动作。通过本发明，能够仅采用少量电机即可实现多模式输出，复现人手动态协调规律，并具备结构紧凑、便于操控和抓握动作精确等特点。

Description

一种少输入多模式输出的假肢手驱动机构

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种少输入多模式输出的假肢手驱动机构。

背景技术

为了使得假肢手更好地发挥其功能，除了在功能和感觉上尽量模仿人手之外，还应使其外观和体积上与人手相类似，并具备便于操控等特点。为了达到上述目的，现有技术中已经引进欠驱动技术来减少假肢手所配备的电机数量，以此方式来适当减少假肢手驱动机构的输入数量。

例如，国防科技大学研制出一种欠驱动假肢手，其中通过为假肢手的各个手指相应配备电机，并经由钢丝绳来拉动以完成各种灵活姿势。然而，该方案仍然需要五个电机的输入，这种多电机输入相应会带来体积增大、重量增加的缺陷，因而难以较好地满足假肢手轻便和操控便利度等方面的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种少输入多模式输出的假肢手装置驱动机构，其目的在于通过对其关键部件的组成及其设置方式进行设计，能够仅采用少量电机即可实现多模式输出，复现人手动态协调规律，并具备结构紧凑、便于操控和抓握动作精确等特点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种少输入多模式输出的假肢手驱动机构，该假肢手驱动机构包括底座、以及安装在该底座上的传动系统，其特征在于：

所述底座由相互对置的两个侧板、连接在对置侧板之间的两个支撑板和设置在底部的底板共同组成，由此形成用于容纳及安装传动系统的框架结构；

所述传动系统包括两个伺服电机和五组以上的滑轮组单元，其中伺服电机设置在支撑板外侧，并分别通过联轴器与装在支撑板之间的两个第一转轴各自相连；滑轮组单元彼此并行地设置在两个支撑板之间，并且对于各个滑轮组单元而言，其整体分布在两个侧板之间，由第一组件、第二组件、第三组件、第四组件和第五组件共同组成并形成对称设置的形式，其中：

第一组件和第五组件的结构相同，它们各自包括共同安装在第一转轴上并随之一同转动的第一定滑轮和凸轮；第二组件和第四组件的结构相同并处于第一组件与第五组件之间，它们各自包括第一动滑轮和配套使用的第二定滑轮，并且第一动滑轮分别通过第一动滑轮支撑块可滑动地设置在底板之上；第三组件处于第二组件与第四组件之间上方，并包括通过第二动滑轮支撑块设置的第二动滑轮；此外

在第一组件与第二组件、第四组件与第五组件之间分别以相同方式套设有第一钢丝绳，该第一钢丝绳的一端固定在第一定滑轮上，并在绕过第一动滑轮后，另一端固定在凸轮上；在第二组件与第四组件之间套设有第二钢丝绳，该第二钢丝绳的一端固定在第二组件中的第一动滑轮支撑块上，并在绕过配套使用的第二定滑轮后，继续绕过第三组件中的第二动滑轮，另一端固定在第四组件中的第一动滑轮支撑块上；第三钢丝绳的一端固定在第二动滑轮支撑块上，另外一端连接至作为驱动对象的各个假肢手手指，由此使其发生弯曲动作。

作为进一步优选地，在所述第一定滑轮与第一动滑轮之间优选还设置有上导向轴和下导向轴，它们装在两个支撑板之间且分别处于上下方位，所述第一钢丝绳经由这两个导向轴完成第一组件与第二组件、第四组件与第五组件之间的套设。

作为进一步优选地，所述第二组件和第四组件中的第一动滑轮支撑块均可滑动地套设在光杆导轨上，所述光杆导轨由压块固定在底板上。

作为进一步优选地，所述第二组件和第四组件中的第二定滑轮均通过套筒安装在第二转轴上，所述第二转轴装在支撑板之间并与所述第一转轴彼此平行。

作为进一步优选地，所述第三组件中的第二动滑轮支撑块吊在竖直设置的弹簧上。

作为进一步优选地，对于所述第一组件和第五组件而言，其中的凸轮的半径优选按照以下公式来设定，并且第一定滑轮的半径被设定对应等于凸轮的基圆半径： $r_b=2\frac{{\tilde{r}}_{\mathrm{fd}}}{{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_d}S+r_a$

其中，r_b表示凸轮的半径，r_a表示凸轮的基圆半径，表示假肢手的活动半径，表示所述伺服电机的输入转速，S表示该凸轮所对应的速度分量。

作为进一步优选地，所述传动系统的滑轮组单元的数量为5至11个。

总体而言，按照本发明以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用凸轮与滑轮的配合来提供传动，这样可以利用两者轮廓半径的连续变化来产生不同的速度输出，进而使得经由多个滑轮传递驱动的手指关节执行抓握动作，以此方式能够仅采用两个电机即可实现多模式输出，并有效复现人手动态协调规律；

2、通过使两个伺服电机输出不同的转速，并对两组以不同转速旋转的凸滑轮的输出做线性组合，即可实现多种不同模式的输出完成不同的抓握动作，对复杂物体具备形状自适应能力，并有助于进一步提高抓握运动的精确性；

3、按照本发明所构建的假肢手驱动机构与现有技术相比能够在大大减少所需的电机数量的同时有效实现多模式输出，并具备体积小、结构紧凑和便于操控等特点，因而尤其适用于假肢手医疗器械的驱动用途。

附图说明

图1是按照本发明所构建的假肢手装置的整体结构示意图；

图2是按照本发明优选实施方式的假肢手驱动机构的结构侧视图；

图3是用于显示按照本发明的假肢手驱动机构的运动原理示意图；

图4是图1中所示假肢手装置的手掌结构主视图；

图5是图1中所示假肢手装置的手指结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1：传动系统  2：手掌结构  3：手指  4：伺服电机  5：联轴器  1-1：侧板  1-2：第一定滑轮  1-3：凸轮  1-4：第一转轴  1-5：支撑板  1-6：上导向轴  1-7：下导向轴  1-8：光杆导轨  1-9：底板  1-10：第一定滑轮支撑块  1-11：第一动滑轮  1-12：压块  1-13：第二定滑轮  1-14：第二转轴  1-15：第二动滑轮  1-16：第二动滑轮支撑块  1-17：弹簧  1-18：弹簧固定块  1-19：弹簧轴  1-20：第一钢丝绳  1-21：第二钢丝绳  1-22：第三钢丝绳

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明所构建的假肢手装置的整体结构示意图。如图1中所示，该假肢手装置主要包括手掌结构、安装在手掌结构上且具备多个关节的五个手指，以及用于对手指的抓握动作根据需要予以驱动的驱动机构。作为本发明的关键改进所在，该假肢手驱动机构包括底座、以及安装在该底座上的传动系统，其主要原理是利用凸轮和滑轮不同直径的连续变化，来产生不同的速度输出，进而使得经由多个滑轮传递驱动的手指关节执行抓握动作，以此方式能够仅采用两个电机即可实现多模式输出，并有效复现人手动态协调规律。

如图2中所示，所述底座由相互对置的两个侧板1-1、连接在对置侧板之间的两个支撑板1-5和设置在底部的底板1-9共同组成，由此形成用于容纳及安装传动系统的框架结构。所述传动系统包括两个伺服电机4和五组以上的滑轮组单元（图中显示为11个），其中伺服电机4设置在某个支撑板1-5的外侧，并分别通过联轴器5与装在两个支撑板1-5之间的两个第一转轴1-4各自相连，由此提供驱动来源；滑轮组单元彼此并行地设置在两个支撑板1-5之间，并且对于各个滑轮组单元而言，其整体分布在两个侧板1-1之间，由第一组件、第二组件、第三组件、第四组件和第五组件共同组成并形成对称设置的形式。

具体而言，第一组件和第五组件的结构相同，它们各自包括共同安装在第一转轴1-4上并随之一同转动的第一定滑轮1-2和凸轮1-3；第二组件和第四组件的结构相同并处于第一组件与第五组件之间，它们各自包括第一动滑轮1-11和配套使用且保持固定的第二定滑轮1-13，并且第一动滑轮1-11分别通过第一动滑轮支撑块1-10可滑动地设置在底板1-9之上；第三组件处于第二组件与第四组件之间上方，并包括通过第二动滑轮支撑块1-16设置的第二动滑轮1-15；此外，为了实现驱动传递过程，在第一组件与第二组件、第四组件与第五组件之间分别以相同方式套设有第一钢丝绳1-20，该第一钢丝绳的一端固定在第一定滑轮1-2上，并在绕过第一动滑轮1-11后，另一端固定在凸轮1-3上，这样当第一转轴转动时，由于凸轮和滑轮之间存在周长差，导致第一钢丝绳1-20会带动第一动滑轮1-11沿着水平方向发生来回移动。然后，在第二组件与第四组件之间套设有第二钢丝绳1-21，该第二钢丝绳的一端固定在第二组件中的第一动滑轮支撑块1-10上，并在绕过配套使用的第二定滑轮1-13后，继续绕过第三组件中的第二动滑轮1-15，另一端固定在第四组件中的第一动滑轮支撑块1-10上；以此方式，当两组动滑轮1-13在水平方向上发生来回移动时，会带动动滑轮1-15在上下方向上也发生移动。最后，第三钢丝绳1-22的一端固定在第二动滑轮支撑块1-16上，另外一端连接至作为驱动对象的各个假肢手手指，由此使其发生弯曲动作。此外，还可以通过使两个伺服电机输出不同的转速，并对两组以不同转速旋转的凸滑轮的输出做线性组合，即可实现多种不同模式的输出完成不同的抓握动作。

如图5中所示，对于各个假肢手手指而言，它们各自包括了多个部分也即近指节3-1、中指节3-6和远指节3-7等。当上述驱动机构的驱动力传递至各个手指时，各个手指譬如可通过彼此相邻的两套滑轮组单元来共同实现抓握动作。举例而言，第一套滑轮组单元提供的钢丝绳一端固定缠绕在近指节3-1内部的定滑轮上，由此当下方的动滑轮1-15发生上下移动时，会带动近指节3-1相应发生转动或弯曲；对于中指节3-6而言，其内部同样设置有定滑轮，第二套滑轮组单元所提供的钢丝绳以上述相同的方式缠绕在该定滑轮上，由此当下方的动滑轮1-15发生上下移动时，会带动中指节3-6相应发生转动或弯曲；对于远指节3-7，同样可采用一段钢丝绳，它的一端固定缠绕在中指节3-6内部的定滑轮上，另外一端固定缠绕在远指节3-7内部设置的另一定滑轮上，由此当中指节3-6转动或弯曲时，远指节3-7相应也同样发生类似的转动或弯曲动作。当然，假肢手手指的结构及其内部传动系统也可以根据需求做出其他适当的设计，相应能够将来自第二动滑轮1-15的驱动相应传递并执行抓握动作即可，该部分的内容为本领域的技术人员所熟知，因此在此不再赘述。

此外，如图4中所示，对于手掌结构，可包括埋头螺钉2-1、手指滑轮支撑座2-2、小动滑轮2-3、手掌板2-4、手指滑轮轴2-5、拇指基板2-6，绕线轴2-7、拇指滑轮轴2-8、拇指滑轮支撑座2-9，以及为方便观察内部结构隐藏的手背板。其中手掌板2-4通过螺钉与手背板相连接，手掌板中间位置开有4个槽，手指滑轮支撑座2-2通过螺钉固定在4个方形槽中，手掌底板2-4右侧开有4个螺纹孔，上部分开有12个螺纹孔，中间偏下位置开有11个轴孔；手指滑轮支撑座2-2两侧开有孔，一侧为通孔，一侧为螺纹孔，手指滑轮轴2-5顶端为外螺纹，手指滑轮支撑座2-2与手指滑轮轴2-5通过螺纹连接，2个小动滑轮2-3与手指滑轮轴转动配合；拇指基板2-6通过螺钉与手掌板2-4连接，拇指基板2-6下方开有方形槽，拇指滑轮支撑座2-9通过螺钉固定在方形槽中；拇指滑轮轴2-8通过螺纹连接固定在拇指滑轮支撑座2-9上，3个小动滑轮2-3与拇指滑轮轴2-8转动配合；绕线轴2-7固定在手掌板2-4下方的孔中，为转动配合。

按照本发明的一个优选实施方式，在所述第一定滑轮1-2与第一动滑轮1-11之间优选还设置有上导向轴1-6和下导向轴1-7，它们装在两个支撑板1-5之间且分别处于上下方位，所述第一钢丝绳1-20经由这两个导向轴完成第一组件与第二组件、第四组件与第五组件之间的套设。

按照本发明的另一优选实施方式，所述第二组件和第四组件中的第一动滑轮支撑块1-10均可滑动地套设在光杆导轨1-8上，所述光杆导轨1-8譬如由压块1-12固定在底板1-9上。此外，所述第二组件和第四组件中的第二定滑轮1-13均通过套筒安装在第二转轴1-14上，第二转轴1-14装在两个支撑板1-5之间并与所述第一转轴1-4彼此平行。此外，所述第三组件中的第二动滑轮支撑块1-16优选可吊在竖直设置的弹簧1-17上，由此利于驱动向手掌结构和手指的传递过程。

按照本发明的又一优选实施方式，对于所述第一组件和第五组件而言，其中的凸轮（1-3）的半径优选按照以下公式来设定，并且第一定滑轮（1-2）的半径被设定对应等于凸轮的基圆半径：

其中，r_b表示凸轮的半径，r_a表示凸轮的基圆半径，表示假肢手的活动半径，表示所述伺服电机的输入转速，S表示该凸轮所对应的速度分量。

下面将参照图3来具体解释按照本发明的驱动过程。首先，由伺服电机4提供驱动源，具体为带动第一转轴1-3转动，安装在第一转轴1-3上的凸轮1-4和定滑轮1-2转动，进而带动第一段钢丝绳1-20拉动第一动滑轮1-11做直线运动；由于两侧对称布置的结构，第一动滑轮1-11做直线运动时通过第二钢丝绳1-21带动第二动滑轮1-15在垂直方向上做直线运动；第二动滑轮运动时带动第三钢丝绳1-22拉伸，第三钢丝绳1-22一直连接至手指，使得手指3弯曲，从而完成手指抓取物体的功能。

综上所述，通过采用凸轮与滑轮的配合来提供传动，这样可以利用两者轮廓半径的连续变化来产生不同的速度输出，以此方式能够仅采用两个电机即可实现多模式输出，并有效复现人手动态协调规律；此外，通过使两个伺服电机输出不同的转速，并对两组以不同转速旋转的凸滑轮的输出做线性组合，即可实现多种不同模式的输出完成不同的抓握动作，对复杂物体具备形状自适应能力，并有助于进一步提高抓握运动的精确性。因此，按照本发明所构建的假肢手驱动机构与现有技术相比，能够在大大减少所需的电机数量的同时有效实现多模式输出，并具备体积小、结构紧凑和便于操控等特点，因而尤其适用于假肢手医疗器械的驱动用途。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种少输入多模式输出的假肢手驱动机构，该假肢手驱动机构包括底座、以及安装在该底座上的传动系统，其特征在于：

所述底座由相互对置的两个侧板(1-1)、连接在所述对置侧板之间的两个支撑板(1-5)和设置在底部的底板(1-9)共同组成，由此形成用于容纳及安装传动系统的框架结构；

所述传动系统包括两个伺服电机和五组以上的滑轮组单元，其中伺服电机设置在所述两个支撑板(1-5)的外侧，并分别通过联轴器(5)与装在这两个支撑板(1-5)之间的两个第一转轴(1-4)各自相连；滑轮组单元彼此并行地设置在所述两个支撑板(1-5)之间，并且对于各个滑轮组单元而言，其整体分布在所述两个侧板(1-1)之间，由第一组件、第二组件、第三组件、第四组件和第五组件共同组成并形成对称设置的形式，其中：

第一组件和第五组件的结构相同，它们各自包括共同安装在所述第一转轴(1-4)上并随之一同转动的第一定滑轮(1-2)和凸轮(1-3)；第二组件和第四组件的结构相同并处于第一组件与第五组件之间，它们各自包括第一动滑轮(1-11)和配套使用的第二定滑轮(1-13)，并且第一动滑轮(1-11)分别通过第一动滑轮支撑块(1-10)可滑动地设置在所述底板(1-9)之上；第三组件处于第二组件与第四组件之间上方，并包括通过第二动滑轮支撑块(1-16)设置的第二动滑轮(1-15)；此外

在第一组件与第二组件、第四组件与第五组件之间分别以相同方式套设有第一钢丝绳(1-20)，该第一钢丝绳的一端固定在所述第一定滑轮(1-2)上，并在绕过第一动滑轮(1-11)后，另一端固定在所述凸轮(1-3)上；在第二组件与第四组件之间套设有第二钢丝绳(1-21)，该第二钢丝绳的一端固定在第二组件中的所述第一动滑轮支撑块(1-10)上，并在绕过配套使用的所述第二定滑轮(1-13)后，继续绕过第三组件中的所述第二动滑轮(1-15)，另一端固定在第四组件中的所述第一动滑轮支撑块(1-10)上；第三钢丝绳(1-22)的一端固定在所述第二动滑轮支撑块(1-16)上，另外一端连接至作为驱动对象的各个假肢手手指，由此使其发生弯曲动作。

2.如权利要求1所述的假肢手驱动机构，其特征在于，在所述第一定滑轮(1-2)与第一动滑轮(1-11)之间还设置有上导向轴(1-6)和下导向轴(1-7)，它们装在所述两个支撑板(1-5)之间且分别处于上、下方位，所述第一钢丝绳(1-20)经由这两个导向轴完成第一组件与第二组件、第四组件与第五组件之间的套设。

3.如权利要求1或2所述的假肢手驱动机构，其特征在于，所述第二组件和第四组件中的第一动滑轮支撑块(1-10)均可滑动地套设在光杆导轨(1-8)上，该光杆导轨(1-8)由压块(1-12)固定在所述底板(1-9)上。

4.如权利要求1或2所述的假肢手驱动机构，其特征在于，所述第二组件和第四组件中的第二定滑轮(1-13)均通过套筒安装在第二转轴(1-14)上，该第二转轴(1-14)装在所述两个支撑板(1-5)之间并与所述第一转轴(1-4)彼此平行。

5.如权利要求1或2所述的假肢手驱动机构，其特征在于，所述第三组件中的第二动滑轮支撑块(1-16)吊在竖直设置的弹簧(1-17)上。

6.如权利要求1或2所述的假肢手驱动机构，其特征在于，对于所述第一组件和第五组件而言，其中的所述凸轮(1-3)的半径按照以下公式来设定，并且所述第一定滑轮(1-2)的半径被设定对应等于所述凸轮的基圆半径：

$r_b=2+\frac{{\tilde{r}}_{\mathrm{fd}}}{{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_d}S{+r}_a$

其中，r_b表示凸轮的半径，r_a表示凸轮的基圆半径，表示假肢手的活动半径，表示所述伺服电机的输入转速，S表示该凸轮所对应的速度分量。