CN104367404A - 一种仿人型肌电假手的手掌机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿人型肌电假手的手掌机构，包括通过螺钉相接合的掌背和掌面，由所述于掌背的凹槽和掌面的挖空部合围而成的空腔内设置有用于驱动手指动作的驱动系统，驱动系统包括4个驱动单元，每个驱动单元含有减速器、直流电机和编码器，全部安装手手掌内，为整个仿人型肌电假手提供动力，分别驱动假手的4个自由度，包括拇指向掌心的旋转、拇指的屈伸、食指的屈伸以及中指、无名指和小指的耦合屈伸。本发明的仿人型肌电假手的手掌机构能够使得假手实现八个能满足日常生活需要的手势，包括圆柱抓取、勾取、侧边捏取、指向、放松、球形抓取、三指捏取和两指捏取，体积小、重量轻，且具有适当的操作功能。

Description

一种仿人型肌电假手的手掌机构

技术领域

本发明涉及手部假肢技术领域，特别是涉及基于肌电信号原理设计的仿人型肌电假手的手掌机构。

背景技术

肌电假手是由人体肌肉电信号进行控制的仿人型假手，其外形更加美观，功能更加完善。肌电信号来源于使用者肌肉自主收缩时产生的电信号。这种假手利用安装在残余手臂肌肉表面的电极所采集的电信号来控制电机，从而驱动假手的运动。但是肌电假手的机械结构相对复杂，价格昂贵，而且维护成本高。

根据假手的功能性，可将常见的商业型假手分为装饰性假手、索控式假手和肌电假手。装饰假手以仿人手的美观外形为主，是为了弥补人肢体外观的缺陷所设计的，仅起到帮助使用者恢复自然外表以及平衡身体的作用。显然，装饰性假手并不能实现人手的动作功能，也不能对它进行控制。索控假手又称为身体驱动型假手，是一种具有人手外形和基本功能的常用假手。索控假手主要由使用者通过肩膀或上臂等残余肢体的运动来拉动绳索进而控制假手的运动。这种假手结构简单，维护成本低 ，经久耐用，能在潮湿、多尘等条件恶劣的环境下使用。因为这种假手是通过使用者自身的力量来进行控制的，所以其具有一定的可控性。但是索控假手的缺点也非常明显，由于受到自由度的限制，其功能比较单一，而且索控假手的控制方式并不直观，不符合正常的人体神经控制通路，所以这种假手的控制和操作都不方便。

理想的假手应该在功能和外形上与人手一样。假手要能够替代人手的感觉和运动功能，完成一定的人手操作任务，而且还需要在外观上与人手相似。但是目前现有的各种商业假手还远远达不到这个理想的要求，在生活中大部分只能是充当装饰型假手的角色。人体的上肢一共有27个自由度，其中手指的部分就有21个自由度。目前的研究水平还做不到具有21个自由度的假手。美国和日本的实验研究型假手具有7到11个自由度，但是当前临床所使用的假手最多是三个自由度，只能完成人手功能最常用的6个动作，分别是指伸、指屈、旋前、旋后、腕伸、腕屈。

目前科研人员对假手作了很多研究，但是实际上大部分的假手仍然是处在实验的阶段，离商业化和实用化还有很大的一段差距。当前性能比较完善的商业化假手仍然只是单自由度、开环控制系统的肌电假手。与国外相比，我国在假手方面的研究还有较大的差距，在这一领域进行研究和开发的大学和研究机构相对较少，相关的产业比较落后。国内假手的生产厂家和康复中心目前的产品以装饰假手和机械牵引假手为主，所以开发和研制肌电假手有着广泛的应用前景和社会效益。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种新型的基于肌电信号原理设计的仿人型肌电假手的手掌机构，为残疾人提供类似人手外形、体积小、重量轻并且具有适当操作功能的肌电假手的手掌机构。

为了解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种仿人型肌电假手的手掌机构，包括通过螺钉相接合的掌背和掌面，由所述于掌背的凹槽和掌面的挖空部合围而成的空腔内设置有用于驱动手指动作的驱动系统，所述驱动系统包括依次平行地嵌固在掌背的各个凹槽内用于驱动拇指屈伸自由度的第一驱动单元、用于驱动中指、无名指和小指耦合屈伸自由度的第二驱动单元、用于驱动拇指向掌心旋转自由度的第三驱动单元、用于驱动食指屈伸自由度的第四驱动单元，所述第一驱动单元的输出端通过相啮合的第一圆柱直齿轮组与通过轴承转动地设置在掌背上的第一输出轴相连接，所述第一输出轴与位于掌背后端的滑轮相连接，所述滑轮与束缚在掌背和掌面之间的驱动键槽内的绳状驱动键相连接；所述第二驱动单元的输出端通过相啮合的第一锥齿轮组与通过轴承转动地设置在掌背上的第一中间轴相连接，所述第一中间轴通过相啮合的第二圆柱直齿轮组与通过轴承转动地设置在掌背前端的第二输出轴相连接；所述第三驱动单元的输出端通过依次啮合的主动圆柱直齿轮、两个过渡圆柱直齿轮及从动圆柱直齿轮与通过轴承转动地设置于掌背右侧的第四输出轴相连接；所述第四驱动单元的输出端通过相啮合的第二锥齿轮组与通过轴承转动地设置在掌背上的第二中间轴相连接，所述第二中间轴通过相啮合的第三圆柱直齿轮组与通过轴承转动地设置在掌背前端的第三输出轴相连接。

进一步地，所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、第四驱动单元均包括直流电机、与直流电机输出端相连接的减速器、与直流电机电路连接的编码器。

进一步地，还包括电机架，所述电机架压盖于第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元、第四驱动单元上，并通过螺钉固定在掌背的凹槽内。

进一步地，所述第一圆柱直齿轮组的传动比为26:10。

进一步地，所述第一锥齿轮组的传动比为1:1，所述第二圆柱直齿轮组的传动比为26:10。

进一步地，所述的主动圆柱直齿轮、两个过渡圆柱直齿轮及从动圆柱直齿轮的传动比依次为1:1、26:10、1:1。

进一步地，所述第二锥齿轮组的传动比为1:1，所述第三圆柱直齿轮组的传动比为26:10。

进一步地，所述掌背、掌面、电机架和滑轮均由铝合金制成。

进一步地，所述第一输出轴、第二输出轴、第一中间轴、第二中间轴、第三输出轴、第四输出轴均由45号钢制成。

与现有技术相比，本发明的仿人型肌电假手的手掌机构能够使得假手实现八个能满足日常生活需要的手势，包括圆柱抓取、勾取、侧边捏取、指向、放松、球形抓取、三指捏取和两指捏取，且通过传动比设置实现假手动作速度合理易控制。整个假手的驱动系统通过紧密的安排，安装在手掌内部有限的空间里，使得假手体积小、重量轻，且具有适当的操作功能。

附图说明

图1为本发明所涉及的仿人型肌电假手的手掌机构的立体结构示意图。

图2为本发明所涉及的仿人型肌电假手的手掌机构的爆炸示意图。

图3为本发明所涉及的仿人型肌电假手的手掌机构去掉掌面后的内部结构示意图。

图4为本发明所涉及的仿人型肌电假手的手掌机构掌背的主视示意图。

图5为本发明所涉及的仿人型肌电假手的手掌机构掌背的立体示意图。

图6为本发明所涉及的仿人型肌电假手的手掌机构掌面的主视示意图。

图7为本发明所涉及的仿人型肌电假手的手掌机构掌面的立体示意图。

图中所示为：1-掌面；2掌背；3-驱动系统；4-凹槽；5-挖空部；6-滑轮；7-第一输出轴；8-第一圆柱直齿轮组；9-电机架；10-第一驱动单元；11-第二驱动单元；12-第一锥齿轮组；13-第二圆柱直齿轮组；14-第二输出轴；15-第一中间轴；16-第二中间轴；17-第三输出轴；18-第三圆柱直齿轮组；19-第二锥齿轮组；20-第四输出轴；21-第三驱动单元；22-第四驱动单元；23-主动圆柱直齿轮；24-过渡圆柱直齿轮；25-从动圆柱直齿轮；26-驱动键槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述。

如图1至图3所示，一种仿人型肌电假手的手掌机构，包括通过螺钉相接合的掌背2和掌面1，由所述于掌背2的凹槽4和掌面1的挖空部5合围而成的空腔内设置有用于驱动手指动作的驱动系统3，所述驱动系统3包括依次平行地嵌固在掌背2的各个凹槽4内用于驱动拇指屈伸自由度的第一驱动单元10、用于驱动中指、无名指和小指耦合屈伸自由度的第二驱动单元11、用于驱动拇指向掌心旋转自由度的第三驱动单21元、用于驱动食指屈伸自由度的第四驱动单元22，所述第一驱动单元10的输出端通过相啮合的第一圆柱直齿轮组8与通过轴承转动地设置在掌背2上的第一输出轴7相连接，所述第一输出轴7与位于掌背2后端的滑轮6相连接，所述滑轮6与束缚在掌背2和掌面1之间的驱动键槽26内的绳状驱动键相连接；所述第二驱动单元11的输出端通过相啮合的第一锥齿轮组12与通过轴承转动地设置在掌背2上的第一中间轴15相连接，所述第一中间轴15通过相啮合的第二圆柱直齿轮组13与通过轴承转动地设置在掌背2前端的第二输出轴14相连接；所述第三驱动单元21的输出端通过依次啮合的主动圆柱直齿轮23、两个过渡圆柱直齿轮24及从动圆柱直齿轮25与通过轴承转动地设置于掌背2右侧的第四输出轴20相连接；所述第四驱动单元22的输出端通过相啮合的第二锥齿轮组19与通过轴承转动地设置在掌背2上的第二中间轴16相连接，所述第二中间轴16通过相啮合的第三圆柱直齿轮组18与通过轴承转动地设置在掌背2前端的第三输出轴17相连接。

所述第一驱动单元10、第二驱动单元11、第三驱动单21元、第四驱动单元22均包括直流电机、与直流电机输出端相连接的减速器、与直流电机电路连接的编码器。还包括电机架9，所述电机架9压盖于第一驱动单元10、第二驱动单元11、第三驱动单21元、第四驱动单元22上，并通过螺钉固定在掌背2的凹槽4内。

所述第一圆柱直齿轮组8的传动比为26:10。所述第一锥齿轮组12的传动比为1:1，所述第二圆柱直齿轮组13的传动比为26:10。所述的主动圆柱直齿轮23、两个过渡圆柱直齿轮24及从动圆柱直齿轮25的传动比依次为1:1、26:10、1:1。所述第二锥齿轮组19的传动比为1:1，所述第三圆柱直齿轮组18的传动比为26:10。

所述掌背2、掌面1、电机架9和滑轮6均由铝合金制成。所述第一输出轴7、第二输出轴14、第一中间轴15、第二中间轴16、第三输出轴17、第四输出轴20均由45号钢制成。

如图4至7所示，掌背2和掌面1通过螺钉连接，掌背2内有凹槽4，用于安装各个部件，掌面1内部挖空部5，并与所述掌背2连接固定各个轴承。

上述仿人型肌电假手的手掌机构中，驱动系统3紧密安装在肌电假手的手掌内，通过2个电机架9用螺钉固定在掌背2的凹槽4上，为整个仿人型肌电假手提供动力。

本实施例的驱动系统包括4个驱动单元，驱动单元选用组合驱动装置，长度是68mm，直径是13mm，额定扭矩是410mNm，额定转速是36rpm。其中包含有减速箱，电机和编码器三部分。电机是石墨电刷直流电机，配备了高功率永磁铁，核心部件是无铁芯转子，直径是13mm，额定功率是3W，额定电压是12V，空载速度是13300rpm，额定转矩最大连续转矩是2.3mNm。减速器是精密斜齿轮和行星齿轮齿轮箱，齿轮箱在出厂前与目标电机直接匹配，电机主动轮作为一级减速的输入齿轮并与电机轴固定连接，直径是13mm，减速比是275:1，转矩是0.3Nm。编码器是脉冲相对编码器，分辨率是256脉冲/转，通道数量是2个，带有线路驱动器。

上述仿人型肌电假手的手掌机构中，4个驱动单元分别驱动假手的4个自由度，包括拇指向掌心的旋转、拇指的屈伸、食指的屈伸以及中指、无名指和小指的耦合屈伸。

参考图3所示，驱动拇指屈伸自由度的第一驱动单元10，其为一级齿轮传动，第一级齿轮传动为相啮合的第一圆柱直齿轮组8，传动比为26:10，输出的滑轮6安装在第一输出轴7上，驱动的绳状驱动键安装在滑轮6上，通过输出滑轮6的旋转运动实现对拇指屈伸的腱驱动。

参考图3所示，驱动中指、无名指和小指耦合屈伸自由度的第二驱动单元11，其为二级齿轮传送，第一级齿轮传动为相啮合的第一锥齿轮组12，传动比为1:1，第二级齿轮传动为相啮合的第二圆柱直齿轮组13，传动比为26:10，输出为第二输出轴14的旋转运动，通过第二输出轴14耦合中指、无名指和小指的屈伸运动，实现1:1的传动。

参考图3所示，驱动拇指向掌心旋转自由度的第三驱动单元21，其为三级齿轮传动，第一级齿轮传动为圆柱直齿轮传动，传动比为1:1，第二级齿轮传动为圆柱直齿轮传动，传动比为26:10，第三级齿轮传动为圆柱直齿轮传动，传动比为1:1，输出为第四输出轴20的旋转运动，驱动拇指向掌心的旋转。

参考图3所示，驱动食指屈伸自由度的第四驱动单元22，其为二级齿轮传送，第一级齿轮传动为相啮合的第二锥齿轮组19，传动比为1:1，第二级齿轮传动为相啮合的圆柱直齿轮组18，传动比为26:10，输出为第三输出轴17的旋转运动，驱动食指的屈伸。

本实施例的仿人型肌电假手的手掌机构的驱动控制系统主要包括两个基本的部分，其中一个部分是肌电信号采集、分析和处理，包括特征提取和模式识别两个功能；另外一部分是信号输出以及对肌电假手的手指进行动作控制。系统的构建首先建立计算机、运动控制器、运动驱动器和肌电假手之间的通讯，四者之间按实际要求连线并接上电源。然后通过软件分别依次进行通信配置、系统配置、电机参数配置和控制调试等一系列设定。最后对电机的运动方式进行控制编程。

该仿人型肌电假手的手掌机构通过紧密的安排将整个驱动系统3安装在手掌内部有限的空间里，使得整个假手更轻巧灵活，并且能实现假手包括圆柱抓取、勾取、侧边捏取、指向、放松、球形抓取、三指捏取和两指捏取等的功能，能够满足残疾人日常生活的基本需要。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仿人型肌电假手的手掌机构，包括通过螺钉相接合的掌背(2)和掌面(1)，由所述于掌背(2)的凹槽(4)和掌面(1)的挖空部(5)合围而成的空腔内设置有用于驱动手指动作的驱动系统(3)，其特征在于：

所述驱动系统(3)包括依次平行地嵌固在掌背(2)的各个凹槽(4)内用于驱动拇指屈伸自由度的第一驱动单元(10)、用于驱动中指、无名指和小指耦合屈伸自由度的第二驱动单元(11)、用于驱动拇指向掌心旋转自由度的第三驱动单(21)元、用于驱动食指屈伸自由度的第四驱动单元(22)，所述第一驱动单元(10)的输出端通过相啮合的第一圆柱直齿轮组(8)与通过轴承转动地设置在掌背(2)上的第一输出轴(7)相连接，所述第一输出轴(7)与位于掌背(2)后端的滑轮(6)相连接，所述滑轮(6)与束缚在掌背(2)和掌面(1)之间的驱动键槽(26)内的绳状驱动键相连接；所述第二驱动单元(11)的输出端通过相啮合的第一锥齿轮组(12)与通过轴承转动地设置在掌背(2)上的第一中间轴(15)相连接，所述第一中间轴(15)通过相啮合的第二圆柱直齿轮组(13)与通过轴承转动地设置在掌背(2)前端的第二输出轴(14)相连接；所述第三驱动单元(21)的输出端通过依次啮合的主动圆柱直齿轮(23)、两个过渡圆柱直齿轮(24)及从动圆柱直齿轮(25)与通过轴承转动地设置于掌背(2)右侧的第四输出轴(20)相连接；所述第四驱动单元(22)的输出端通过相啮合的第二锥齿轮组(19)与通过轴承转动地设置在掌背(2)上的第二中间轴(16)相连接，所述第二中间轴(16)通过相啮合的第三圆柱直齿轮组(18)与通过轴承转动地设置在掌背(2)前端的第三输出轴(17)相连接。

2.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：所述第一驱动单元(10)、第二驱动单元(11)、第三驱动单(21)元、第四驱动单元(22)均包括直流电机、与直流电机输出端相连接的减速器、与直流电机电路连接的编码器。

3.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：还包括电机架(9)，所述电机架(9)压盖于第一驱动单元(10)、第二驱动单元(11)、第三驱动单(21)元、第四驱动单元(22)上，并通过螺钉固定在掌背(2)的凹槽(4)内。

4.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：所述第一圆柱直齿轮组(8)的传动比为26:10。

5.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：所述第一锥齿轮组(12)的传动比为1:1，所述第二圆柱直齿轮组(13)的传动比为26:10。

6.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：所述的主动圆柱直齿轮(23)、两个过渡圆柱直齿轮(24)及从动圆柱直齿轮(25)的传动比依次为1:1、26:10、1:1。

7.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：所述第二锥齿轮组(19)的传动比为1:1，所述第三圆柱直齿轮组(18)的传动比为26:10。

8.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：所述掌背(2)、掌面(1)、电机架(9)和滑轮(6)均由铝合金制成。

9.根据权利要求1所述的仿人型肌电假手的手掌机构，其特征在于：所述第一输出轴(7)、第二输出轴(14)、第一中间轴(15)、第二中间轴(16)、第三输出轴(17)、第四输出轴(20)均由45号钢制成。