CN107693175A - 一种假肢机械手及其手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种假肢机械手及其手臂，其中假肢机械手包括手掌部，手掌部包括手掌组件和手指组件，手掌组件中设置有掌心联杆组件，手指组件包括多个手指，每个手指包括多个彼此铰接的指节，掌心联杆组件包括连接主轴、手指连轴以及横向传力杆，连接主轴通过横向传力杆与手指连轴相连，手指连轴分别与手指组件的手指相连，连接主轴受推拉力移动时通过横向传力杆驱动手指连轴来回移动，手指连轴来回移动时驱动手掌组件的手指弯曲或伸直。本发明的假肢机械手中，通过改变掌心联杆组件中的连接主轴、连接支轴、手指连轴以及横向传力杆连接位置，即可改变杠杆力矩、力臂而实现仅弯曲部分手指，使各手指弯曲不同程度，适于抓握多种不同形状的物品。

Description

一种假肢机械手及其手臂

技术领域

本发明属于仿真机械设备技术领域，尤其涉及一种用于残疾人的假肢机械手及其手臂。

背景技术

假肢机械手臂是手部或臂部有残疾的残疾人所需的日常辅助工具，现有的残疾人假肢机械手臂主要包括有臂和无臂两种，其中无臂机械手需要依靠脚部、胸部等肌肉来驱动运转，完成简单的生活动作。而对于有臂机械手，大部分都采用双指或多指钳住的方式来完成抓取物品和握持物品的动作。

现有的假肢机械手臂通常包括食指和中指、拇指、手架板、连杆、食指-拇指轴组合件等组成，该种设计只单独采用了单轴转动，完成食指和拇指间的夹紧和放开，这种方式虽然简单，但对物品的夹持能力不够，与真实人手相差太大，由于该结构只能让手指的两个支点与物品接触，接触点少就不容易拿住东西，另外接触面少而引发的大压强很容易把目标物体捏坏，从而无法拿取较小，易碎的物品，如陶瓷物品、甚至鸡蛋等。

此外，现有的机械手的张开程度有限，一般难以张开较大的范围，从而大大限制了该类机械手无法拿取大型体积的物品，只能将手指设计的尽量长一些才能面前完成大物品的拿取，而且这种机械手不具有自回复到手掌展开状态的能力。

由此，现有的残疾人假肢机械手臂利用传动杆传动手臂力量到手掌，传动杆的传动结构复杂、假肢机械手臂自身调节能力弱，适用范围较窄。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种假肢机械手臂，以方便残疾人利用手臂肘部弯曲动作实现假肢机械手臂的抓握和松开。

为实现上述目的，本发明的假肢机械手臂的具体技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种假肢机械手，包括手掌部，手掌部包括手掌组件和手指组件，手掌组件中设置有掌心联杆组件，手指组件包括多个手指，每个手指包括多个彼此铰接的指节，其中掌心联杆组件包括连接主轴、手指连轴以及横向传力杆，连接主轴通过横向传力杆与手指连轴转动连接，手指连轴分别与手指组件的手指相连，连接主轴受推拉力移动时通过横向传力杆驱动手指连轴来回移动，手指连轴来回移动时驱动手掌组件的手指弯曲或伸直。

进一步，横向传力杆包括第一横向传力杆和第二横向传力杆，连接主轴通过第一横向传力杆与拇指连轴以及第二横向传力杆转动连接，第二横向传力杆与食指连轴、中指连轴、无名指连轴以及小指连轴转动连接，其中连接主轴与第一横向传力杆的中部相连，拇指连轴和第二横向传力杆通过第一连接支轴与第一横向传力杆的两端转动连接。

进一步，横向传力杆包括第一横向传力杆、第二横向传力杆、第三横向传力杆以及第四横向传力杆，连接主轴通过第一横向传力杆与拇指连轴和第二横向传力杆转动连接，连接主轴与第一横向传力杆的中部相连，拇指连轴和第二横向传力杆分别与第一横向传力杆的两端转动连接，第三横向传力杆和第四横向传力杆分别与第二横向传力杆的两端转动连接，第三横向传力杆的两端分别与食指连轴、中指连轴转动连接，第四横向传力杆的两端分别与无名指连轴和小指连轴转动连接。

进一步，手指组件的每个手指中包括手指联杆组件，手指联杆组件包括多个传动节，相邻的传动节之间转动连接，各个传动节分别与手指转动连接，手指联杆组件的底部传动节与手指连轴相连，手指联杆组件的顶部传动节通过连杆与位于手指指尖的指节转动连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种假肢机械手臂，包括手臂部和上述手掌部，手臂部与手掌部活动连接，手臂部包括前臂组件和后臂组件，前臂组件和后臂组件转动连接，前臂组件和后臂组件的连接位置位于人体的肘部位置，后臂组件上设置有驱动杆，驱动杆的两端分别与后臂组件和前臂组件相连，后臂组件弯曲和伸直运动时可带动驱动杆移动，驱动杆与手掌部相连，驱动杆移动时可驱动手掌部的连接主轴来回移动，以带动手掌部完成抓握或松开动作。

进一步，后臂组件包括后臂筒体，后臂筒体套置在人体后臂的外表，后臂组件上形成有导槽，驱动杆的一端与后臂组件的导槽活动连接并且可在导槽中滑动，驱动杆的另一端与前臂组件相连。

进一步，前臂组件包括前臂筒体、铰接件以及第一联杆组件，前臂组件的前端与手掌部相连，前臂组件的后端与后臂组件转动连接，前臂筒体可套置在人体前臂的外表，铰接件铰接于前臂筒体的后端并且与驱动杆相连，第一联杆组件设置在前臂筒体的一侧，第一联杆组件的一端与铰接件相连，另一端与手掌部的连接主轴相连，后臂组件来回弯曲时，后臂组件依次通过驱动杆、铰接件以及第一联杆组件驱动手掌部的连接主轴移动以完成手掌抓握或松开动作。

进一步，前臂组件的前端形成颈部，前臂组件的颈部上活动套设有套筒，套筒可沿前臂组件的颈部来回滑动和转动，前臂组件的第一联杆组件通过套筒与手掌部的连接主轴相连，第一联杆组件通过带动套筒移动从而驱动手掌部的连接主轴移动以完成抓握或松开动作。

进一步，还包括弹性组件，弹性组件的一端与前臂组件的铰接件相连，另一端与后臂组件相连，弹性组件可在前臂组件和后臂组件之间提供回弹力以驱动手臂部伸直。

进一步，前臂筒体包括第一筒体和第二筒体，第一筒体和第二筒体叠合设置，第一筒体的直径大于第二筒体的直径，第二筒体可沿第一筒体移动以调节前臂组件的长度，前臂组件的长度调节完成后通过卡合或螺栓固定。

本发明的假肢机械手臂中，通过设置包括前臂组件和后臂组件的手臂部，可将人体肘部的弯曲和舒展动作转化为假肢机械手臂的手掌抓握和松开动作，从而方便残疾人使用，在手掌部的指节之间以及前臂组件和后臂组件之间设置弹性组件，使假肢机械手臂在未受力作用时可自动回复到伸直的状态，使用灵活方便。

本发明的假肢机械手臂主要具备以下突出优点：

1)由于手指组件包括多个彼此铰接的指节，每个手指中均设置有可灵活传动的第三联杆组件，使得手指组件的弯曲范围很大，手掌部可以完成从握紧拳头到伸直展平范围内的大角度变形，因而抓握角度大，适用范围广。

2)通过改变第二联杆组件中的连接主轴、连接支轴、手指连轴以及横向传力杆连接位置，也即改变对称结构、改变杠杆力矩、力臂可以实现仅弯曲其中的一支或多支手指；假肢机械手臂在抓握物品时，由于手掌部的各个手指可独立弯曲，各个手指可弯曲不同程度，也即各个手指可根据物品的外形自动弯曲相应的程度，适于抓握多种不同形状的物品。

附图说明

图1为本发明的假肢机械手臂的结构主视图；

图2为本发明的假肢机械手臂中手臂部的结构侧视图；

图3为本发明的假肢机械手臂中手掌部的结构主视图；

图4示出了手掌部中的第二联杆组件的结构示意图；

图5示出了手掌部的手指中的第三联杆组件的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的假肢机械手臂做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的假肢机械手臂包括彼此相连的手臂部和手掌部30，其中手臂部包括前臂组件20和后臂组件10，手掌部30包括手掌组件31和手指组件32。使用者通过驱动手臂部运动从而带动手掌部30握紧或松开，从而协助残疾人完成抓握及松开物品的日常动作，帮助残疾人进行自理生活。

如图2所示，在手臂部中，前臂组件20和后臂组件10转动连接，前臂组件20和后臂组件10的连接位置位于人体的肘部位置，后臂组件10包括后臂筒体14、杆体11以及驱动杆12，后臂筒体14套置在人体后臂的外表，后臂组件10上形成有导槽，例如导槽为形成于杆体11上的条形槽，驱动杆12的一端与后臂组件10相连，另一端与前臂组件20活动连接，例如驱动杆12的一端与后臂组件10的导槽活动连接并且可在导槽中滑动，驱动杆12的另一端与前臂组件20相连，例如与前臂组件20中的铰接件21相连。优选地，后臂组件10中优选设置有弹性组件13，弹性组件13的一端与铰接件21相连，另一端与后臂组件10相连，如与后臂筒体14或驱动杆12相连。

由此，当人体肘部弯曲而带动后臂组件10相对于前臂组件20转动时，后臂组件10带动驱动杆12移动，驱动杆12移动从而带动铰接件21转动，铰接件21转动后带动第一联杆组件23移动，从而驱动手掌部30握紧以完成抓握动作。当人体肘部回弯到肘部伸直状态时，后臂组件10带动驱动杆12移动，驱动杆12移动从而带动铰接件21转动，铰接件21转动后带动第一联杆组件23移动，从而驱动手掌部30松开以完成手掌松开的动作。

再次参见图2，前臂组件20包括前臂筒体22、铰接件21以及第一联杆组件23，前臂组件20的前端与手掌部30相连，前臂组件20后端与后臂组件10转动连接，前臂筒体22套置在人体前臂的外表，第一联杆组件23的一端与铰接件21相连，另一端与手掌部30相连，后臂组件10来回弯曲时，后臂组件10依次通过驱动杆12、铰接件21以及第一联杆组件23驱动手掌部30完成抓握或松开动作。

进一步，前臂组件20的前端形成颈部24，前臂组件20的颈部24上活动套设有套筒25，套筒25相当于人体手腕部，套筒25可沿前臂组件20的颈部24来回滑动和转动，使得手掌部30可绕前臂组件20进行360°旋转，并且不会对手掌部30的抓握性能产生影响。前臂组件20的第一联杆组件23通过套筒25与手掌部30相连，第一联杆组件23通过带动套筒25移动从而驱动手掌部30完成抓握或松开动作。

进一步，对于不同身材高度的用户来说，由于手臂长度的不同，因此需要将前臂组件20的长度设计为可调节的。为此，本发明的前臂筒体22包括第一筒体和第二筒体，第一筒体和第二筒体叠合设置，第一筒体的直径大于第二筒体的直径，第二筒体可沿第一筒体移动以调节前臂组件20的长度，前臂组件20的长度调节完成后，通过卡合或螺栓固定第一筒体和第二筒体的相对位置，从而固定前臂组件20的长度。对应地，第一联杆组件23也包括第一连杆和第二连杆，通过调节第一连杆和第二连杆的相对连接位置，从而改变第一联杆组件23的长度，以适应前臂组件20的长度(即前臂筒体22的长度)的调节。

进一步，上述手臂部的前臂筒体22和后臂筒体14均为半圆柱体形，前臂筒体22和后臂筒体14的内侧壁上设置有缓冲垫，以减弱手臂部的前臂筒体22和后臂筒体14对人体手臂皮肤的挤压。前臂筒体22和后臂筒体14上均设置有连接带，在将假肢机械手臂穿戴到用户手臂上时，通过连接带将前臂筒体22和后臂筒体14与手臂连接，使前臂筒体22和后臂筒体14分别位于人体肘部的两侧。上述连接带的两端优选设置有魔术贴，连接带通过魔术贴连接。

如图3所示，手掌部30包括手掌组件31、手指组件32以及第二联杆组件34，手掌组件31与手指组件32活动连接，其中手指组件32包括多个手指，每个手指包括多个彼此铰接的指节，每个相邻指节转动连接，第二联杆组件34的一端(通过套筒25)与第一联杆组件23相连，第二联杆组件34的另一端与手指相连，如与手指的指尖指节相连。

由此，后臂组件10弯折后先驱动指尖指节向内弯曲，指尖指节弯曲后再带动内侧指节弯曲，从而实现手掌部30的抓握动作；后臂组件10在展平伸直过程中依次通过驱动杆、铰接件、第一联杆组件以及第二联杆组件驱动手掌部移动以带动手指组件32展开摊平，从而完成手掌部30的松开动作。基于此，当后臂组件10来回弯曲伸直时，后臂组件10依次通过驱动杆12、铰接件21、第一联杆组件23以及第二联杆组件34驱动手掌部30完成抓握或松开动作。

进一步，第二联杆组件34包括第三连杆、横向传力杆33以及第四连杆，横向传力杆33设置在第三连杆和第四连杆之间，横向传力杆33基本上与第三连杆和第四连杆垂直，第三连杆的一端通过套筒25与前臂组件20相连，第三连杆的另一端与横向传力杆33相连，第四连杆的一端与横向传力杆33相连，另一端分别与手指组件32的各个手指相连，如分别与各个手指的指尖指节相连。优选地，第三连杆包括2-3根支杆，第四连杆包括5根支杆，这5根支杆分别于五个手指的指尖指节相连。

优选地，如图4所示，第二联杆组件34包括连接主轴341、手指连轴以及横向传力杆33，连接主轴341的一端通过套筒25与前臂组件20相连，连接主轴341的另一端通过横向传力杆33与手指连轴相连。由此，当后臂组件10来回弯曲伸直时，后臂组件10依次通过驱动杆12、铰接件21、第一联杆组件23以及套筒25驱动第二联杆组件34的连接主轴341移动，连接主轴341移动后通过横向传力杆33带动手指连轴移动，手指连轴分别与手指组件32中的手指相连，从而带动手指弯曲或伸直，从而完成手掌握紧或伸直。

上述手指连轴包括拇指连轴342、食指连轴343、中指连轴344、无名指连轴345以及小指连轴346，其中拇指连轴342、食指连轴343、中指连轴344、无名指连轴345以及小指连轴346分别于拇指、食指、中指、无名指以及小指相连。

如图4所示，上述横向传力杆33包括第一横向传力杆331，连接主轴341通过第一横向传力杆331与拇指连轴342、食指连轴343、中指连轴344、无名指连轴345以及小指连轴346相连。例如，连接主轴341与第一横向传力杆331的中部一侧相连，拇指连轴342、食指连轴343、中指连轴344、无名指连轴345以及小指连轴346与第一横向传力杆331的另一侧相连。

为增强第二联杆组件34联动过程中的灵活性，还可增设第二横向传力杆332，连接主轴341通过第一横向传力杆331与拇指连轴342以及第二横向传力杆332相连，第二横向传力杆332与食指连轴343、中指连轴344、无名指连轴345以及小指连轴346相连。例如，连接主轴341与第一横向传力杆331的中部一侧相连，拇指连轴342、第二横向传力杆332通过第一连接支轴347与第一横向传力杆331的另一侧(的两端)相连。

为进一步强化第二联杆组件34联动过程中的灵活性，还可增设第三横向传力杆333、第四横向传力杆334，连接主轴341通过第一横向传力杆331与拇指连轴342以及第二横向传力杆332相连，第二横向传力杆332与第三横向传力杆333和第四横向传力杆334相连，第三横向传力杆333与食指连轴343、中指连轴344相连，第四横向传力杆334与无名指连轴345和小指连轴346相连。例如，连接主轴341与第一横向传力杆331的中部一侧相连，拇指连轴342、第二横向传力杆332通过第一连接支轴347与第一横向传力杆331的另一侧(的两端)相连，第三横向传力杆333通过第二连接支轴348与第二横向传力杆332的一端相连、第四横向传力杆334通过第三连接支轴349与第二横向传力杆332的另一端相连。第三横向传力杆333的两端分别与食指连轴343、中指连轴344相连第四横向传力杆334与无名指连轴345和小指连轴346相连。

应注意的是，上述第二联杆组件34中的连接主轴341、连接支轴、手指连轴以及横向传力杆33之间均优选为活动连接，如铰接，从而确保第二联杆组件34传动过程的灵活性。尤其地，通过改变第二联杆组件34中的连接主轴341、连接支轴、手指连轴以及横向传力杆33连接位置，使第二联杆组件34中的各部件对称或不对称设置、偏心或不偏心设置(如连接主轴341可以相对套筒偏心或居中设置)，也即改变对称结构、改变杠杆力矩、力臂可以实现仅弯曲其中的一支或多支手指。假肢机械手臂在抓握物品时，由于手掌部的各个手指可独立弯曲，各个手指可弯曲不同程度，也即各个手指可根据物品的外形自动弯曲相应的程度，适于抓握多种不同形状的物品。

如图5所示，手指组件32包括多个手指，每个手指中包括第三联杆组件，第三联杆组件包括多个传动节，相邻的传动节之间转动连接，各个传动节分别与手指转动连接，第三联杆组件的底部传动节与手指连轴相连，第三联杆组件的顶部传动节通过连杆与手指指尖相连。

下面以食指为例(参加图5)具体说明，第三联杆组件包括第一传动节321、第二传动节322，第一传动节321(如通过连杆323)与手指连轴相连，第一传动节321与食指底部指节转动连接，第一传动节321通过连杆323与第二传动节322转动连接，第二传动节322与食指中部指节转动连接，第二传动节322通过连杆323与食指顶部(指尖)指节转动连接。

第三联杆组件的工作过程如下：当后臂组件10弯曲时，后臂组件10依次通过驱动杆12、铰接件21、第一联杆组件23以及第二联杆组件34驱动(也即拉动)手指连轴移动，手指连轴移动驱动第三联杆组件动作，也即先驱动底部传动节转动，底部传动节转动后带动中部传动节和顶部(指尖)传动节转动，顶部传动节转动后驱动手指指尖向内弯曲，指尖向内弯曲带动手指中部向内弯曲，从而完成手掌握紧动作。类似地，当后臂组件10伸直时，后臂组件10依次通过驱动杆12、铰接件21、第一联杆组件23以及第二联杆组件34驱动(也即推动)手指连轴移动，手指连轴移动驱动第三联杆组件动作，也即先驱动底部传动节转动，底部传动节转动后带动中部传动节和顶部(指尖)传动节转动，顶部传动节转动后驱动手指指尖向外伸直，指尖向外伸直带动手指中部向外伸直，从而完成手掌伸开展平动作。

应注意的是，本发明的假肢机械手臂中，由于手指组件32中包括多个彼此铰接的指节，每个手指中均设置有可灵活传动的第三联杆组件，使得手指组件32的弯曲范围很大，手掌部可以完成从握紧拳头到伸直展平范围内的大角度变形，因而抓握角度大，适用范围广。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种假肢机械手，包括手掌部，其特征在于，手掌部包括手掌组件和手指组件，手掌组件中设置有掌心联杆组件，手指组件包括多个手指，每个手指包括多个彼此铰接的指节，其中掌心联杆组件包括连接主轴、手指连轴以及横向传力杆，连接主轴通过横向传力杆与手指连轴转动连接，手指连轴分别与手指组件的手指相连，连接主轴受推拉力移动时通过横向传力杆驱动手指连轴来回移动，手指连轴来回移动时驱动手掌组件的手指弯曲或伸直。

2.根据权利要求1所述的假肢机械手，其特征在于，横向传力杆包括第一横向传力杆和第二横向传力杆，连接主轴通过第一横向传力杆与拇指连轴以及第二横向传力杆转动连接，第二横向传力杆与食指连轴、中指连轴、无名指连轴以及小指连轴转动连接，其中连接主轴与第一横向传力杆的中部相连，拇指连轴和第二横向传力杆通过第一连接支轴与第一横向传力杆的两端转动连接。

3.根据权利要求1所述的假肢机械手，其特征在于，横向传力杆包括第一横向传力杆、第二横向传力杆、第三横向传力杆以及第四横向传力杆，连接主轴通过第一横向传力杆与拇指连轴和第二横向传力杆转动连接，连接主轴与第一横向传力杆的中部相连，拇指连轴和第二横向传力杆分别与第一横向传力杆的两端转动连接，第三横向传力杆和第四横向传力杆分别与第二横向传力杆的两端转动连接，第三横向传力杆的两端分别与食指连轴、中指连轴转动连接，第四横向传力杆的两端分别与无名指连轴和小指连轴转动连接。

4.根据权利要求1所述的假肢机械手，其特征在于，手指组件的每个手指中包括手指联杆组件，手指联杆组件包括多个传动节，相邻的传动节之间转动连接，各个传动节分别与手指转动连接，手指联杆组件的底部传动节与手指连轴相连，手指联杆组件的顶部传动节通过连杆与位于手指指尖的指节转动连接。

5.一种假肢机械手臂，包括手臂部和上述权利要求1-4中任一项所述的手掌部，手臂部与手掌部活动连接，其特征在于，手臂部包括前臂组件和后臂组件，前臂组件和后臂组件转动连接，前臂组件和后臂组件的连接位置位于人体的肘部位置，后臂组件上设置有驱动杆，驱动杆的两端分别与后臂组件和前臂组件相连，后臂组件弯曲和伸直运动时可带动驱动杆移动，驱动杆与手掌部相连，驱动杆移动时可驱动手掌部的连接主轴来回移动，以带动手掌部完成抓握或松开动作。

6.根据权利要求5所述的假肢机械手臂，其特征在于，后臂组件包括后臂筒体，后臂筒体套置在人体后臂的外表，后臂组件上形成有导槽，驱动杆的一端与后臂组件的导槽活动连接并且可在导槽中滑动，驱动杆的另一端与前臂组件相连。

7.根据权利要求6所述的假肢机械手臂，其特征在于，前臂组件包括前臂筒体、铰接件以及第一联杆组件，前臂组件的前端与手掌部相连，前臂组件的后端与后臂组件转动连接，前臂筒体可套置在人体前臂的外表，铰接件铰接于前臂筒体的后端并且与驱动杆相连，第一联杆组件设置在前臂筒体的一侧，第一联杆组件的一端与铰接件相连，另一端与手掌部的连接主轴相连，后臂组件来回弯曲时，后臂组件依次通过驱动杆、铰接件以及第一联杆组件驱动手掌部的连接主轴移动以完成手掌抓握或松开动作。

8.根据权利要求7所述的假肢机械手臂，其特征在于，前臂组件的前端形成颈部，前臂组件的颈部上活动套设有套筒，套筒可沿前臂组件的颈部来回滑动和转动，前臂组件的第一联杆组件通过套筒与手掌部的连接主轴相连，第一联杆组件通过带动套筒移动从而驱动手掌部的连接主轴移动以完成抓握或松开动作。

9.根据权利要求5所述的假肢机械手臂，其特征在于，还包括弹性组件，弹性组件的一端与前臂组件的铰接件相连，另一端与后臂组件相连，弹性组件可在前臂组件和后臂组件之间提供回弹力以驱动手臂部伸直。

10.根据权利要求7所述的假肢机械手臂，其特征在于，前臂筒体包括第一筒体和第二筒体，第一筒体和第二筒体叠合设置，第一筒体的直径大于第二筒体的直径，第二筒体可沿第一筒体移动以调节前臂组件的长度，前臂组件的长度调节完成后通过卡合或螺栓固定。