CN104146799B - 一种实现双向自由度的手指假肢 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械结构运动型手指假肢领域，具体涉及一种能够实现双向自由度的手指假肢，包括：侧转感受器、内转感受器、锥齿轮组、凹槽凸轮A、凹槽凸轮B、双向铰接轴、近指节、指架；其连接关系如下：双向铰接轴的侧转轴与指架活动连接，且双向铰接轴的侧转轴与凹槽凸轮A固定连接，侧转感受器上的连杆A带滚珠的一端与凹槽凸轮A滑动配合连接；凹槽凸轮B与指架活动连接，近指节底部的圆柱结构套装在双向铰接轴的内转轴上，大锥齿轮B与近指节底部的圆柱结构固连，大锥齿轮A与凹槽凸轮B固连，同时，换向小锥齿轮分别与两侧的大锥齿轮A和大锥齿轮B啮合，内转感受器上的连杆B带滚珠的一端与凹槽凸轮B滑动配合连接。

Description

一种实现双向自由度的手指假肢

技术领域

本发明属于机械结构运动型手指假肢领域，具体涉及一种单指实现两向自由度的运动结构设计。

背景技术

当今的运动型手指假肢(机械控制或电控)，多为单自由度形式，即仅能够实现单指的内转运动。这样虽然能够实现大多手指运动，但是无法实现需要单指侧转(如：夹取)的运动。因此，实现单指的内、侧两向偏转的结构将进一步提高手指假肢的实用范围。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决运动型手指假肢自由度不足的问题，提出一种能够实现双向自由度的手指假肢。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种实现双向自由度的手指假肢，它包括：侧转感受器、内转感受器、锥齿轮组、凹槽凸轮A、凹槽凸轮B、双向铰接轴、近指节、指架；

其中，所述双向铰接轴为具有侧转轴和内转轴的构件；

所述侧转感受器由侧转感受器垫、膜片弹簧A、连杆A、滚珠组成；

所述内转感受器由内转感受器垫、膜片弹簧B、连杆B、滚珠组成；

所述锥齿轮组由大锥齿轮A、大锥齿轮B及一个换向小锥齿轮组成；

其连接关系如下：侧转感受器、内转感受器均固定在指架内表面上，双向铰接轴的侧转轴与指架上的支撑座活动连接，且双向铰接轴的侧转轴与凹槽凸轮A固定连接，侧转感受器上的连杆A与凹槽凸轮A滑动配合连接；凹槽凸轮B与指架上的支撑座活动连接，且凹槽凸轮B与双向铰接轴的内转轴位于同一个轴线上，近指节底部的圆柱结构套装在双向铰接轴的内转轴上，大锥齿轮B与近指节底部的圆柱结构固连，大锥齿轮A与凹槽凸轮固连，换向小锥齿轮与指架外壳活动连接，同时，换向小锥齿轮分别与两侧的大锥齿轮A和大锥齿轮B啮合，内转感受器上的连杆B与凹槽凸轮B滑动配合连接；

进一步的，所述双向铰接轴的侧转轴为其轴线垂直于构件基体平面的带有键的轴，内转轴为其轴线平行于构件基体平面的轴，其中，侧转轴的轴线与内转轴的轴线互相垂直且相交于一点；

所述指架为壳体，壳体的外表面上有两个支撑座，其中一个支撑座带有圆孔，另一个支撑座带有定轴，并且，圆孔和定轴的轴线互相垂直且相交于一点；

所述侧转感受器中的侧转感受器垫为圆形的盖状结构，膜片弹簧A套装在侧转感受器垫上，且膜片弹簧A的外圆锥面与侧转感受器垫的内圆周面紧密贴合，连杆A的一端固定在膜片弹簧A的中心位置，另一端与滚珠活动连接；所述内转感受器中的内转感受器垫为圆形的盖状结构，膜片弹簧B套装在内转感受器垫上，且膜片弹簧B的外圆锥面与内转感受器垫的内圆周面紧密贴合，连杆B的一端固定在膜片弹簧B的中心位置，另一端与滚珠活动连接；其中，膜片弹簧A和膜片弹簧B的轴线相互垂直；

所述连杆A使侧转感受器垫所在平面与凹槽凸轮A所在平面互相垂直；所述连杆B使内转感受器垫所在平面与凹槽凸轮B所在平面互相垂直。

工作原理：作为运动源的残余断指挤压侧转感受器垫时，侧转感受器垫内的膜片弹簧A受到压缩，通过连杆A带滚珠的一端与凹槽凸轮A的滑动连接，使凹槽凸轮A绕侧转轴发生定轴转动，从而带动双向铰接轴及装配在双向铰接轴上的近指节一起侧转；当残余断指挤压力消失时，侧转感受器垫内的膜片弹簧A恢复原长，通过连杆A带滚珠的一端与凹槽凸轮A的滑动连接，使凹槽凸轮A绕侧转轴发生逆向的定轴转动，从而带动双向铰接轴及装配在双向铰接轴上的近指节侧转归回原位；当残余断指挤压内转感受器垫的时候，内转感受器垫内的膜片弹簧B受到压缩，通过连杆B带滚珠的一端与凹槽凸轮B的滑动连接，使凹槽凸轮B绕内转轴发生定轴转动，从而带动凹槽凸轮B侧的大椎齿轮A绕定轴发生转动，通过换向小锥齿轮，带动固连在近指节上的大锥齿轮B绕双向铰接轴的内转轴方向发生转动，即近指节发生内转；当残余断指挤压力消失时，内转感受器垫内的膜片弹簧B恢复原长，通过连杆B带滚珠的一端与凹槽凸轮B的滑动连接，使凹槽凸轮B绕内转轴发生逆向的定轴转动，从而通过锥齿轮组带动近指节回归原位；

其中，锥齿轮组的作用为：当近指节发生侧向偏转时，凹槽凸轮B和换向小锥齿轮位置保持不变，近指节与凹槽凸轮B、换向小锥齿轮发生分离，从而防止近指节与凹槽凸轮B发生干涉，同时，通过大锥齿轮A、大锥齿轮B的换向保持了内转时的转向与挤压内转感受器垫的方向一致，因此，设侧转轴线与内转轴线互相垂直且相交于一点为O点，大锥齿轮B和换向小锥齿轮的轴线的相交点为A点，大锥齿轮B和换向小锥齿轮的最小接触圆与锥齿轮组轴线构成的平面相交点为B点，当满足∠ABO≦90°时，大锥齿轮B随近指节绕O点发生侧转时，不会和换向小锥齿轮发生根切。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用了一种双向自由度的结构，可由内转感受器和侧转感受器独立驱动，实现手指假肢的内转和侧转两个自由度的运动；

(2)本发明通过对锥齿轮机构的尺寸进行合理设计，可将两个方向的运动彼此分离，实现内、侧转的互不干涉，从而实现单指的双向自由度；

(3)本发明通过对膜片弹簧特性的应用，设计出了具有自行回复能力的侧转感受器和内转感受器，实现了断指驱动时可传递运动与力，不驱动时看自行恢复手指假肢初始形状的功能。

附图说明

图1为双向自由度结构的轴测图；

图2为双向自由度结构的主视图；

图3为双向自由度结构的左视图；

图4为双向自由度结构及支撑结构轴测图；

图5为双向铰接轴的轴测图；

图6为锥齿轮过渡防止干涉原理示意图；

其中，1-侧转感受器垫、2-膜片弹簧A、3-连杆A、4-凹槽凸轮A、5-大锥齿轮A、6-大锥齿轮B、7-凹槽凸轮B、8-双向铰接轴、9-近指节、10-换向小锥齿轮、11-连杆B、12-内转感受器垫、13-膜片弹簧B、14-指架。

具体实施方式

参见附图1、2、3、4，一种实现双向自由度的手指假肢，它包括：侧转感受器、内转感受器、锥齿轮组、凹槽凸轮A4、凹槽凸轮B7、双向铰接轴8、近指节9、指架14；

参见附图5，其中，所述双向铰接轴8为具有侧转轴和内转轴的构件，侧转轴为其轴线垂直于构件基体平面的带有键的轴，内转轴为其轴线平行于构件基体平面的轴，其中，侧转轴线与内转轴线互相垂直且相交于一点；

所述指架14为壳体，壳体的外表面上有两个支撑座，其中一个支撑座带有圆孔，另一个支撑座带有定轴，并且，圆孔和定轴的轴线互相垂直且相交于一点；

所述侧转感受器由侧转感受器垫1、膜片弹簧A2、连杆A3、滚珠组成，侧转感受器垫1为圆形的盖状结构，膜片弹簧A2套装在侧转感受器垫1上，且膜片弹簧A2的外圆锥面与侧转感受器垫1的内圆周面紧密贴合，连杆A3的一端固定在膜片弹簧A2的中心位置，另一端与滚珠活动连接；

所述内转感受器由内转感受器垫12、膜片弹簧B13、连杆B11、滚珠组成，内转感受器垫12为圆形的盖状结构，膜片弹簧B13套装在内转感受器垫12上，且膜片弹簧B13的外圆锥面与内转感受器垫12的内圆周面紧密贴合，连杆B11的一端固定在膜片弹簧B13的中心位置，另一端与滚珠活动连接；

所述连杆A3进行两次弯折角为90°的弯折，两个弯折角处于同一个平面内；

所述连杆B11进行三次弯折角为90°的弯折，三个弯折角所在的三个平面互相垂直；

所述锥齿轮组由大锥齿轮A5、大锥齿轮B6及一个换向小锥齿轮10组成；

其连接关系如下：侧转感受器由膜片弹簧A2通过螺钉固定在指架14上，同时，内转感受器由膜片弹簧B13通过螺钉固定在指架14上，且膜片弹簧A2和膜片弹簧B13的轴线相互垂直；双向铰接轴8的侧转轴穿过支撑座上的圆孔而与指架14活动连接，且双向铰接轴8的侧转轴通过键与凹槽凸轮A4固定连接，侧转感受器上的连杆A3带滚珠的一端与凹槽凸轮A4滑动配合连接，且连杆A3满足使侧转感受器垫1所在平面与凹槽凸轮A4所在平面互相垂直；凹槽凸轮B7通过套装在支撑座的定轴而与指架14活动连接，且凹槽凸轮B7与双向铰接轴8的内转轴位于同一个轴线上，近指节9底部的圆柱结构套装在双向铰接轴8的内转轴上，大锥齿轮B6与近指节9底部的圆柱结构固连，大锥齿轮A5与凹槽凸轮B7固连，换向小锥齿轮10通过螺母与指架14外壳活动连接，同时，换向小锥齿轮10分别与两侧的大锥齿轮A5和大锥齿轮B6啮合，内转感受器上的连杆B11带滚珠的一端与凹槽凸轮B7滑动配合连接，且连杆B11满足使内转感受器垫12所在平面与凹槽凸轮B7所在平面互相垂直。

工作原理：作为运动源的残余断指挤压侧转感受器垫1时，侧转感受器垫1内的膜片弹簧A2受到压缩，通过连杆A3带滚珠的一端与凹槽凸轮A4的滑动连接，使凹槽凸轮A4绕侧转轴发生定轴转动，从而带动双向铰接轴8及装配在双向铰接轴8上的近指节9一起侧转；当残余断指挤压力消失时，侧转感受器垫1内的膜片弹簧A2恢复原长，通过连杆A3带滚珠的一端与凹槽凸轮A4的滑动连接，使凹槽凸轮A4绕侧转轴发生逆向的定轴转动，从而带动双向铰接轴8及装配在双向铰接轴8上的近指节9侧转归回原位；当残余断指挤压内转感受器垫1的时候，内转感受器垫1内的膜片弹簧B13发生弹性形变，通过连杆B11带滚珠的一端与凹槽凸轮B7的滑动连接，使凹槽凸轮B7绕内转轴发生定轴转动，从而带动凹槽凸轮B7侧的大椎齿轮A5绕定轴发生转动，通过换向小锥齿轮10，带动固连在近指节9上的大锥齿轮B6绕双向铰接轴8的内转轴方向发生转动，即近指节9发生内转；当残余断指挤压力消失时，内转感受器垫1内的膜片弹簧B13恢复原长，通过连杆B11带滚珠的一端与凹槽凸轮B7的滑动连接，使凹槽凸轮B7绕内转轴发生逆向的定轴转动，从而通过锥齿轮组带动近指节9回归原位。

参见附图6，其中,锥齿轮组的作用为：当近指节9发生侧向偏转时，凹槽凸轮B7和换向小锥齿轮10位置保持不变，近指节9与凹槽凸轮B7、换向小锥齿轮10发生分离，从而防止近指节9与凹槽凸轮B7发生干涉，同时，通过大锥齿轮A5、大锥齿轮B6的换向保持了内转时的转向与挤压内转感受器垫12的方向一致，因此，设侧转轴线与内转轴线互相垂直且相交于一点为O点，大锥齿轮B6和换向小锥齿轮10的轴线的相交点为A点，大锥齿轮B6和换向小锥齿轮10的最小接触圆与锥齿轮组轴线构成的平面相交点为B点，当满足∠ABO≦90°时，大锥齿轮B6随近指节9绕O点发生侧转时，不会和换向小锥齿轮10发生根切。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能够实现双向自由度的手指假肢，其特征在于，包括：侧转感受器、内转感受器、锥齿轮组、凹槽凸轮A(4)、凹槽凸轮B(7)、双向铰接轴(8)、近指节(9)、指架(14)；

其中，所述双向铰接轴(8)为具有侧转轴和内转轴的构件；

所述侧转感受器由侧转感受器垫(1)、膜片弹簧A(2)、连杆A(3)、滚珠组成；

所述内转感受器由内转感受器垫(12)、膜片弹簧B(13)、连杆B(11)、滚珠组成；

所述锥齿轮组由大锥齿轮A(5)、大锥齿轮B(6)及一个换向小锥齿轮(10)组成；

其连接关系如下：侧转感受器、内转感受器均固定在指架(14)内表面上，双向铰接轴(8)的侧转轴与指架(14)上的支撑座活动连接，且双向铰接轴(8)的侧转轴与凹槽凸轮A(4)固定连接，侧转感受器上的连杆A(3)与凹槽凸轮A(4)滑动配合连接；凹槽凸轮B(7)与指架(14)上的支撑座活动连接，且凹槽凸轮B(7)与双向铰接轴(8)的内转轴位于同一个轴线上，近指节(9)底部的圆柱结构套装在双向铰接轴(8)的内转轴上，大锥齿轮B(6)与近指节(9)底部的圆柱结构固连，大锥齿轮A(5)与凹槽凸轮B(7)固连，换向小锥齿轮(10)与指架(14)外壳活动连接，同时，换向小锥齿轮(10)分别与两侧的大锥齿轮A(5)和大锥齿轮B(6)啮合，内转感受器上的连杆B(11)与凹槽凸轮B(7)滑动配合连接。

2.如权利要求1所述的一种能够实现双向自由度的手指假肢，其特征在于，所述双向铰接轴(8)的侧转轴为其轴线垂直于构件基体平面的带有键的轴，内转轴为其轴线平行于构件基体平面的轴，其中，侧转轴的轴线与内转轴的轴线互相垂直且相交于一点。

3.如权利要求1所述的一种能够实现双向自由度的手指假肢，其特征在于，所述指架(14)为壳体，壳体的外表面上有两个支撑座结构，一个支撑座带有圆孔，另一个支撑座带有定轴，并且，圆孔和定轴的轴线互相垂直且相交于一点。

4.如权利要求1所述的一种能够实现双向自由度的手指假肢，其特征在于，所述侧转感受器中的侧转感受器垫(1)为圆形的盖状结构，膜片弹簧A(2)套装在侧转感受器垫(1)上，且膜片弹簧A(2)的外圆锥面与侧转感受器垫(1)的内圆周面紧密贴合，连杆A(3)的一端固定在膜片弹簧A(2)的中心位置，另一端与滚珠活动连接；所述内转感受器中的内转感受器垫(12)为圆形的盖状结构，膜片弹簧B(13)套装在内转感受器垫(12)上，且膜片弹簧B(13)的外圆锥面与内转感受器垫(12)的内圆周面紧密贴合，连杆B(11)的一端固定在膜片弹簧B(13)的中心位置，另一端与滚珠活动连接；其中，膜片弹簧A(2)和膜片弹簧B(13)的轴线相互垂直。

5.如权利要求1所述的一种能够实现双向自由度的手指假肢，其特征在于，所述连杆A(3)使侧转感受器垫(1)所在平面与凹槽凸轮A(4)所在平面互相垂直；所述连杆B(11)使内转感受器垫(12)所在平面与凹槽凸轮B(7)所在平面互相垂直。

6.如权利要求1所述的一种能够实现双向自由度的手指假肢，其特征在于，设侧转轴线与内转轴线互相垂直且相交于一点为O点，大锥齿轮B(6)和换向小锥齿轮(10)的轴线的相交点为A点，大锥齿轮B(6)和换向小锥齿轮(10)的最小接触圆与锥齿轮组轴线构成的平面相交点为B点，当满足∠ABO≦90°时，大锥齿轮B(6)随近指节(9)绕O点发生侧转时，不会和换向小锥齿轮(10)发生根切。