CN105193525B - 一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手，包括手指、手掌、指间弹簧(15、14、13)、手指销轴、拇指旋转轴、扭簧和驱动装置，其特征在于，所述的手指包括分别由单根镍钛合金原料整体加工而成的拇指(1)、食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)以及开有通孔的导向柱，所述的手掌包括手掌盒盖(6)和手掌盒(7)，所述的驱动装置包括拇指屈伸电机(8)、拇指旋转电机(9)、食指电机(11)、复合电机(12)、食指绳轮(34)、复合绳轮(35)、旋转绳轮(36)、屈伸绳轮(37)和拉线。本发明的五指假手，能够实现柱形抓取、指尖抓、掌心捏取、球形抓取、侧边捏取等多种典型动作，适于在上肢截肢患者中推广使用。

Description

一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手

技术领域

本发明属于医用康复辅助器械技术领域，具体是涉及一种五指假手机构。

背景技术

假手按照其用途可以分为灵巧手和假肢手两种。灵巧手泛指用于仿人机器人或其他机器人本体之上的一种工具性假手，是一种机械假手，可以实现特殊环境的仿人作业，如德国宇航中心研发的DLR系列假手和哈尔滨工业大学研发的HTI系列假手，其结构和控制相对复杂，具有多个自由度，价格成本较高。假肢手是用于上肢截肢患者，尤其是手部缺失的残障患者，实现手部功能代偿的一种康复辅具，如上海科生和丹阳精博生产的肌电假手，其结构较为简单，一般多为三指，自由度有限，只能完成简单的开合、抓握动作。尽管其二者用途、结构不同，但在外观和尺寸上与实际人体假手相类似。随着科学技术的快速发展，二者的划分界限越来越模糊，灵巧手的成功研发为智能假肢手的设计提供了有力的技术保障，从而诞生了Michelangelo、Bebionic、i-limb等先进的智能假肢手产品。但这些智能假肢手往往价格极其昂贵，手指结构过于复杂，推广性较差，让很多上肢截肢患者望而却步，只能继续使用传统的简单假手。同时，现有的假手结构原理多为腱连接和连杆耦合，其都属于刚性结构，如中国发明专利CN201110026001、CN20091009241、CN20091024125、CN20131033508、CN200810015532公开的假手结构，其手指弯曲时，呈折线状，抓握物体(尤其是圆形或圆柱形物体)时，手指与物体的接触面为点接触或线接触，很容易造成物体因局部受力而被损坏；而且，每个手指由多个零部件组成，结构较为复杂，体积较大。因此，寻找其他材料和结构，如弹性材料和柔性结构解决上述问题显得极为必要，中国发明专利CN201210369429公布了一种基于记忆合金关节的假手设计，但其只是指关节采用弹性材料，整体手指依然是刚性结构；文章《A multi-fingered hand prosthesis》介绍了一种基于电流加热、温度记忆的合金假手，但其为原理探索，不能实际应用，无法实现四指并拢，拇指旋转等功能。

基于以上分析，设计一种有别于传统假肢手，但又较Michelangelo等智能手廉价是极为必要的。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于镍钛记忆合金材料的仿生五指假手，针对传统假肢手过于简单，智能手成本较高，推广困难的问题，可实现柱形抓取、指尖抓、掌心捏取、球形抓取、侧边捏取等典型动作；可完成日常生活中的如敲键盘等绝大多数动作。

本发明的具体技术方案是一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手，包括手指、手掌、指间弹簧、手指销轴、拇指旋转轴、扭簧和驱动装置，其特征在于，

所述的手指包括分别由单根镍钛合金原料整体加工而成的拇指、食指、中指、无名指、小指以及开有通孔的导向柱，所述的拇指具有远指关节和中指关节，所述的食指、中指、无名指和小指分别具有远指关节、中指关节和近指关节，各手指在指关节处的横截面积小于手指其它部位的横截面积形成超弹形的弯曲铰链，所述的导向柱有多个分别位于各手指指尖和各指关节两端，

所述的手掌包括手掌盒盖和手掌盒，

所述的驱动装置包括拇指屈伸电机、拇指旋转电机、食指电机、复合电机、食指绳轮、复合绳轮、旋转绳轮、屈伸绳轮和拉线，所述的食指电机、复合电机、拇指旋转电机和拇指屈伸电机分别驱动食指绳轮、复合绳轮、旋转绳轮和屈伸绳轮转动，所述的拉线包括食指拉线、中指拉线、无名指拉线、小指拉线、拇指屈伸拉线和拇指旋转拉线，

所述的食指、中指、无名指、小指的根部分别通过手指销轴安装在手掌盒的外侧壁上，手指销轴的旋转轴线与手掌的掌面垂直，所述的指间弹簧有三个，分别位于食指和中指、中指和无名指、无名指和小指之间，在食指、中指、无名指、小指四根手根伸开时，三个指间弹簧具有抵抗压缩的恢复力，所述的拇指屈伸电机、拇指旋转电机、食指电机和复合电机安装在手掌盒内，所述的食指拉线、中指拉线、无名指拉线、小指拉线和拇指屈伸拉线的一端分别穿过各手指的导向柱上的通孔，系紧在各手指指尖的导向柱上，所述的食指拉线的另一端缠绕固定在食指绳轮上，所述的中指拉线、无名指拉线和小指拉线的另一端缠绕固定在复合绳轮上，所述的拇指屈伸拉线的另一端缠绕固定在屈伸绳轮上，所述的拇指根部通过拇指旋转轴旋转安装在手掌盒内，所述的扭簧套在拇指旋转轴上并且扭簧的预紧力使拇指压在手掌盒上，所述的拇指旋转拉线一端缠绕固定在旋转绳轮上，另一端固定在拇指的根部，在旋转绳轮收紧拇指旋转拉线时，与扭簧预紧力形成相反的扭矩。

更进一步地，所述的食指的远指关节和中指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与食指的弯曲方向垂直，食指的近指关节的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的无名指的远指关节和中指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与无名指的弯曲方向垂直，无名指的近指关节的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的小指的远指关节和中指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与小指的弯曲方向垂直，小指的近指关节的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的中指的远指关节、中指关节和近指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与中指的弯曲方向垂直，所述的拇指的远指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与拇指的弯曲方向垂直，拇指的中指关节的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的小指拉线的拉线方向与小指的弯曲方向具有夹角，所述的无名指拉线的拉线方向与无名指弯曲方向具有夹角，所述的中指拉线的拉线方向与中指弯曲方向一致，在复合绳轮收紧中指拉线、无名指拉线、小指拉线时，小指和无名指向中指并拢，所述的食指拉线的拉线方向与食指的弯曲方向具有夹角，在食指绳轮收紧食指拉线时，食指向中指并拢。

更进一步地，在食指、中指、无名指、小指四根手指的拉线收紧时，四根手指的中指关节先弯曲，其次弯曲顺序为近指关节和远指关节，在拇指屈伸拉线收紧时，拇指的中指关节先弯曲。

更进一步地，还包括用于拇指旋转角度的编码器。

更进一步地，所述的拉线为细钢丝。

本发明的优点在于：1)本发明的五指假手，手指整体采用镍钛记忆合金材料经局部加工而成，结构简单，性能稳定；2)本发明的五指假手，可以同时屈伸和侧向并拢，与人体手部功能类似，可以提高抓握力，防止物体掉落；3)本发明的五指假手的手指整体由弹性材料制成，指关节为柔性铰链结构，可以极好的利用材料本身的弹性属性实现屈伸弯曲。本发明的五指假手，能够实现柱形抓取、指尖抓、掌心捏取、球形抓取、侧边捏取等多种典型动作，适于在上肢截肢患者中推广使用。

附图说明

图1是本发明的基于镍钛记忆合金的仿生五指假手的整体结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是本发明的基于镍钛记忆合金的仿生五指假手的食指伸展示意图；

图4是本发明的基于镍钛记忆合金的仿生五指假手的食指的远指关节的横截面图；

图5是本发明的基于镍钛记忆合金的仿生五指假手的食指的近指关节的横截面图；

图6是本发明的基于镍钛记忆合金的仿生五指假手的拇指处于伸展状态的示意图；

图7是本发明的的基于镍钛记忆合金的仿生五指假手的手掌的构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地描述。

如图1-2所示，本发明公开的基于镍钛记忆合金材料的仿生五指假手，包括五根手指(拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5)、中空的手掌及容置于手掌中的驱动装置，每根手指整体采用镍钛记忆合金经局部加工而成。这样在五根手指通过手指销轴安装于手掌体上，手指销轴的旋转轴线与手掌掌面垂直；每根手指上均装有用于拉动手指动作的拉线，驱动装置通过相应的拉线控制相应的手指进行屈伸、侧向并拢、旋转等动作。

如图3所示，由于食指2、中指3、无名指4、小指5结构类似，在此仅以食指2为例进行阐述。食指2具有远指关节25、中指关节26、近指关节27三个关节。在伸展状态，由于人体远指关节、中指关节、近指关节的屈伸角度大小不一样及超弹性材料手指不仅起到力的传导作用，而且在拉紧的过程中，可以产生极大的弹性势能。由此为了减小拉力和防止手指拉拽变形，本发明的食指2的远指关节25、中指关节26、近指关节27所对应的力臂l₁、l₂、l₃不同(l₂>l₃>l₁)，从而导致其力矩不同，这样促使食指2关节弯曲顺序为：中指关节26、近指关节27、远指关节25，进而保证了拉力最小和避免拉拽变形。在拇指屈伸拉线29收紧时，拇指1的中指关节先弯曲。力臂的差别是通过导向柱高度来调节的。电机的拉力是沿着拉线传递，在手指指节处，设置不同高度的导向柱可以形成不同大小的力臂，这样依次弯曲相应指节。由于导向柱高度不一样，使拉线呈现出折线状，可以得到不一样的摩擦力分力，致使相应的关节实现弯曲。现有的腱连接假手所采用的弯曲力臂与本发明类似，但没有考虑各关节力臂的问题。本发明根据柔性铰链的材料属性设置不同的弯曲力臂，相比现有技术采用的同样拉线力臂的方法，可以减小弯曲阻力，相对减小电机力矩。

如图4所示，食指2的远指关节25和中指关节26其截面呈椭圆形状，椭圆形截面的柔性铰链，在长轴251和短轴252方向上受力大小不同，使得远指关节25能够实现单方向的弯曲，具有单自由度；如图5所示，食指2的近指关节27，其截面呈圆角正方形，圆角正方形截面的柔性铰链，在横轴271和竖轴272方向上受力大小相同，使得近指关节27可同时实现弯曲和侧向并拢是的，具有两个自由度。

中指3、无名指4及小指5与食指2的结构类似，同样具有远指关节、中指关节、近指关节三个指关节；三个指关节均为柔性铰链结构，其中，无名指4、小指5的远指关节和中指关节均为椭圆形截面的柔性铰链而具有单自由度，无名指4、小指5的近指关节均为圆角正方形截面的柔性铰链而具有两个自由度，而中指3的远指关节、中指关节、近指关节均为椭圆形截面的柔性铰链，具有单自由度，这样，中指3仅可实现弯曲动作，而食指2、无名指4及小指5可同时实现弯曲及侧向并拢(向中指并拢)动作。

如图6所示，拇指1具有远指关节31和中指关节32两个指关节，远指关节31为椭圆形截面的柔性铰链，具有单自由度，中指关节32为圆角正方形截面的柔性铰链，具有两个自由度；拇指1根部通过拇指旋转轴与手掌相连接，该转轴与手掌之间呈60度夹角安装，可保证拇指1在各个角度的弯曲空间，转轴上装有扭簧33和编码器10，可实时反馈拇指1的旋转角度。同时，如图2所示，食指2、中指3、无名指4及小指5四根手指的指间分别装有指间弹簧15、14、13，可以保证各手指在不受力的情况下，保持平顺展开。

如图2、6所示，多个导向柱分布于手指上，拉线一端固定于手指指尖，另一端穿过同一手指上的多个导向柱缠绕于绳轮上；驱动装置包括用于驱动拇指1屈伸的屈伸电机8、用于驱动拇指1旋转的旋转电机9、用于驱动食指2动作的食指电机11、用于驱动中指3、无名指4、小指5驱动的复合电机12。

如图6所示，拇指1上设有若干拇指导向柱30，拇指屈伸拉线29从指尖始，穿过多个拇指导向柱30，缠绕于屈伸绳轮37上，屈伸电机8的输出端与屈伸绳轮37的轴心相连接，通过驱动屈伸绳轮37转动带动屈伸拉线29的收紧或是放松，实现拇指1的屈伸动作；拇指旋转拉线的一端固定于拇指1的根部，拇指旋转拉线的另一端缠绕于旋转绳轮36上，旋转电机9可驱动旋转绳轮36转动带动拇指旋转拉线的收紧或是放松，实现拇指1的旋转动作；

如图7所示，食指2上设有若干食指导向柱16，食指拉线17从指尖始，穿过多个食指导向柱16，缠绕于食指绳轮34上，食指电机11的输出端与食指绳轮34的轴心相连接，通过驱动食指绳轮34的转动带动食指拉线17的收紧或是放松，实现食指2的屈伸及侧向并拢动作；

同理，中指3、无名指4、小指5上的中指拉线19、无名指拉线21、小指拉线23分别穿过对应手指上的中指导向柱18、无名指导向柱20、小指导向柱22缠绕于复合绳轮35的不同位置上，通过复合电机12驱动复合绳轮35的转动，实现无名指4、小指5的屈伸、侧向并拢动作，以及实现中指3的屈伸动作。

如图1所示，手掌由手掌盒盖6和手掌盒7通过螺丝固定而成，驱动装置容设于中空的手掌中。五指假手整体套有柔性美容手皮，具有装饰和仿生效果。

本发明的基于镍钛记忆合金材料的仿生五指假手，五根手指均采用镍钛记忆合金经局部加工而成，指关节均为柔性铰链结构，共具有十八个自由度，与人体手部功能类似，能够提高假手的抓握能力；本发明的五指假手，抓握物体时，先旋转拇指(拇指动作分解为旋转和屈伸，先旋转到合适位置再屈伸)，使之到达相应位置，再弯曲相应的手指，能够实现柱形抓取、指尖抓、掌心捏取、球形抓取、侧边捏取等典型动作，适于在上肢截肢患者中推广使用。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手，包括手指、手掌、指间弹簧(15、14、13)、手指销轴、拇指旋转轴、扭簧和驱动装置，其特征在于，

所述的手指包括分别由单根镍钛合金原料整体加工而成的拇指(1)、食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)以及开有通孔的导向柱，所述的拇指(1)具有远指关节和中指关节，所述的食指(2)、中指(3)、无名指(4)和小指(5)分别具有远指关节、中指关节和近指关节，各手指在指关节处的横截面积小于手指其它部位的横截面积形成超弹形的弯曲铰链，所述的导向柱有多个分别位于各手指指尖和各指关节两端，

所述的手掌包括手掌盒盖(6)和手掌盒(7)，

所述的驱动装置包括拇指屈伸电机(8)、拇指旋转电机(9)、食指电机(11)、复合电机(12)、食指绳轮(34)、复合绳轮(35)、旋转绳轮(36)、屈伸绳轮(37)和拉线，所述的食指电机(11)、复合电机(12)、拇指旋转电机(9)和拇指屈伸电机(8)分别驱动食指绳轮(34)、复合绳轮(35)、旋转绳轮(36)和屈伸绳轮(37)转动，所述的拉线包括食指拉线(17)、中指拉线(19)、无名指拉线(21)、小指拉线(23)、拇指屈伸拉线(29)和拇指旋转拉线，

所述的食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)的根部分别通过手指销轴安装在手掌盒(7)的外侧壁上，手指销轴的旋转轴线与手掌的掌面垂直，所述的指间弹簧(15、14、13)有三个，分别位于食指(2)和中指(3)、中指(3)和无名指(4)、无名指(4)和小指(5)之间，在食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)四根手根伸开时，三个指间弹簧(15、14、13)具有抵抗压缩的恢复力，所述的拇指屈伸电机(8)、拇指旋转电机(9)、食指电机(11)和复合电机(12)安装在手掌盒(7)内，所述的食指拉线(17)、中指拉线(19)、无名指拉线(21)、小指拉线(23)和拇指屈伸拉线(29)的一端分别穿过各手指的导向柱上的通孔，系紧在各手指指尖的导向柱上，所述的食指拉线(17)的另一端缠绕固定在食指绳轮(34)上，所述的中指拉线(19)、无名指拉线(21)和小指拉线(23)的另一端缠绕固定在复合绳轮(35)上，所述的拇指屈伸拉线(29)的另一端缠绕固定在屈伸绳轮(37)上，所述的拇指(1)根部通过拇指旋转轴旋转安装在手掌盒(7)内，所述的扭簧套在拇指旋转轴上并且扭簧的预紧力使拇指(1)压在手掌盒(7)上，所述的拇指旋转拉线一端缠绕固定在旋转绳轮(36)上，另一端固定在拇指(1)的根部，在旋转绳轮(36)收紧拇指旋转拉线时，与扭簧预紧力形成相反的扭矩。

2.如权利要求1所述的一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手，其特征在于，所述的食指(2)的远指关节(25)和中指关节(26)的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与食指(2)的弯曲方向垂直，食指(2)的近指关节(27)的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的无名指(4)的远指关节和中指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与无名指(4)的弯曲方向垂直，无名指(4)的近指关节的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的小指(5)的远指关节和中指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与小指(5)的弯曲方向垂直，小指(5)的近指关节的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的中指(3)的远指关节、中指关节和近指关节的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与中指(3)的弯曲方向垂直，所述的拇指(1)的远指关节(31)的横截面形状为椭圆形，该椭圆形的长轴与拇指(1)的弯曲方向垂直，拇指(1)的中指关节(32)的横截面形状为四角倒圆角的正方形，所述的小指拉线(23)的拉线方向与小指(5)的弯曲方向具有夹角，所述的无名指拉线(21)的拉线方向与无名指(4)弯曲方向具有夹角，所述的中指拉线(19)的拉线方向与中指(3)弯曲方向一致，在复合绳轮(35)收紧中指拉线(19)、无名指拉线(21)、小指拉线(23)时，小指(5)和无名指(4)向中指(3)并拢，所述的食指拉线(17)的拉线方向与食指(2)的弯曲方向具有夹角，在食指绳轮(34)收紧食指拉线(17)时，食指(2)向中指(3)并拢。

3.如权利要求1所述的一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手，其特征在于，在食指(2)、中指(3)、无名指(4)、小指(5)四根手指的拉线收紧时，四根手指的中指关节先弯曲，其次弯曲顺序为近指关节和远指关节，在拇指屈伸拉线(29)收紧时，拇指(1)的中指关节先弯曲。

4.如权利要求1所述的一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手，其特征在于，还包括用于拇指(1)旋转角度的编码器(10)。

5.如权利要求1-4所述的任一项一种基于镍钛记忆合金的仿生五指假手，其特征在于，所述的拉线为细钢丝。