CN108272537A - 一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手 - Google Patents

一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手,包括手掌、拇指和四根手指,拇指及手指都为独立的模块,可以独立地安装及拆卸,每个模块由一台微型电机驱动,每个模块有两个运动关节,两个关节的运动是耦合的,为欠驱动方式;手指的机械传动链包括微型电机、微型减速器、直齿轮副、滑动螺旋副、拉力绳索及扭转弹簧,机械传动链分两层布置,采用折回式布局,并提出了一种楔形凸凹式绳索固定器组件;拇指电机沿手掌横向布置,锥齿轮副可以保证当拇指姿态改变时,传动链仍然可靠地工作;本发明提出的假肢手各电机都固定于手掌,假肢手结构简单、尺寸小、重量轻、工作可靠。

Description

一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手
技术领域
本发明属于医疗康复器械领域,特别涉及一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手。
背景技术
假肢手安装于手部截肢残疾人残肢端部,用于实现人手的某些功能。2008年以前,市场上运作最成功的假肢手为德国OttoBock公司的Suva单自由度假肢手,该假肢手依靠肌电信号传感器拾取残疾人残臂上肌肉的控制信息,经微控制芯片处理后发出运动指令,实现假肢手的动作,该种假肢手只能实现简单的开合运动,不能对操作物体实现较好的包络。
2008年以后,多自由度假肢手开始面世,比较有代表性的为英国的Blatchford &son公司生产的ilimb假肢手和冰岛Steeper公司生产的Bebionic假肢手。这两款假肢手均由五个微型电机驱动,食指、中指、无名指和小指机械结构相同,统称为手指,每个手指有两个关节,第一关节为主动关节,第二关节为从动关节,两个关节的运动是耦合的,称这种驱动方式为欠驱动。
ilimb假肢手的手指第一关节由蜗杆蜗轮驱动,微型电机微型减速器组件置于第一指节的空腔内,微型减速器输出轴通过齿轮驱动蜗杆回转,蜗轮联接于手掌部,相对于手掌固定不动,当电机回转时,蜗杆连同微型电机微型减速器及第一指节绕蜗轮回转,实现手指的屈伸,第二关节由联接于蜗轮的绳索驱动,其拇指机械结构与食指机械结构类似,但无有第二关节的运动;该型假肢手的主要缺陷为,微型电机微型减速器组件置于第一指节空腔内,虽然可以节省手掌的空间,却受微型电机微型减速器长度的限制,第一指节的长度长于人手指节长度,且微型电机微型减速器也作为微型电机的负荷,浪费了电机的有效功率,第一指节的回转中心即是蜗轮的中心,位于第一指节手掌心部,当佩戴仿人手皮时,手皮关节处变形很大,极大地浪费了电机的有效功率。。
Bebionic假肢手的手指第一关节由滑块连杆机构驱动,微型电机微型减速器组件置于手掌上,第二关节由四连杆机构驱动,四连杆的主动运动杆件即为第一指节,其拇指机械结构为多杆机构,微型电机微型减速器组件置于拇指第一指节空腔内;该型假肢手的主要缺陷为,拇指驱动电机及复杂的机械装置置于拇指第一指节空腔内,使拇指尺寸比较租大,且微型电机微型减速器和机械零件作为负载浪费了拇指电机的有效功率。
另外,通过对现有的文献资料检索发现:
中国发明专利公开号:CN 103538077 A, 名称:一种多自由度机器仿生手。使用六台电机控制假肢手,其中食指、中指、无名指、小指各用一台电机;拇指用两台电机,一台用于拇指外旋,一台用于拇指屈伸。电机都固定在手掌上,机械传动链为蜗杆蜗轮机构。手指和拇指电机顺次摆放,使手掌很长。拇指的第二指节不能作屈伸运动。
中国发明专利公开号:CN 103565562 A, 名称:一种欠驱动假肢手。使用三台电机控制五个手指的运动,其中食指及中指由一台电机控制,无名指及小指由一台电机控制,拇指由一台电机控制,不能实现每个手指的独立运动。其机械传动链为,电机驱动丝杆螺母机构,再通过滑块导轨机构将电机的回转运动转化为滑块的线性运动,滑块拉动绳索驱动手指各指节,传动链较长,使手掌尺寸也较长;每个手指使用了三根绳索和多个导轮,比较复杂。拇指的外旋及拇指的曲伸运动不是独立的。
中国发明专利公开号:CN 1418765, 名称:机器人灵巧手机构。每个手指的两个关节分由两台电机分别控制,虽然增加了灵活性,由于重量等原因不适用于假肢手。
中国发明专利公开号:CN 1365877, 名称:机器人拟人多指手装置。食指、中指、无名指、小指四个手指用一台电机控制;拇指用一台电机控制。仅能实现五指抓取操作模式,其它的运动模式如两指捏取、鼠标双击等操作模式无法实现。
发明内容
本发明的目的在于克服目前假肢手产品及专利技术中的不足,提供一种结构简单、控制灵活、功能强大的模块式多自由度欠驱动仿人假肢手。该型假肢手由五台微型电机驱动,手指及拇指具有两个运动关节。
本发明通过下述技术方案实现:
一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手,包括假肢手掌部联接件、拇指、食指、中指、无名指、小指,其中食指、中指、无名指及小指结构相同,只是各指节长度不同,统称为手指,手指由手指本体及手指机械传动链构成,拇指由拇指本体及拇指机械传动链构成,每个手指及拇指为模块化结构,可以独立地安装于掌部联接件或从掌部联接件拆下;
手指本体由近及远包括模块基座、手指第一指节、手指第二指节、手指第三指节第一零件、手指第三指节第二零件,手指第三指节第一零件和手指第三指节第二零件组成手指第三指节,把手指第三指节分为两个零件是为了安装拉力绳索固定器组件及零件制造时便于拔模;
手指第一指节通过手指第一关节空心销轴联接于手指模块基座远端,并可绕手指模块基座远端作回转运动,形成手指第一关节,第一扭转弹簧套装在手指第一关节空心轴上,扭转弹簧具有两个伸出端,一个伸出端与安装于手指模块基座的第一弹簧限位销钉接触,另一伸出端与安装于手指第一指节的第二弹簧限位销钉接触,在手指第一指节的两端下方,分别各有一个导轮,通过导轮销轴联接于手指第一指节,导轮可以相对导轮销轴回转;
手指第二指节通过手指第二关节空心销轴联接于手指第一指节远端,并可绕手指第一指节远端作回转运动,形成手指第二关节,第二扭转弹簧套装在手指第二关节空心轴上,第二扭转弹簧具有两个伸出端,一个伸出端与安装于手指第一指节的第三弹簧限位销钉接触,另一伸出端与安装于手指第二指节的第四弹簧限位销钉接触,在手指第二指节的两端下方,分别各有一个导轮,通过导轮销轴联接于手指第二指节,导轮可以相对导轮销轴回转;
手指第三指节第一零件通过手指第三关节销轴联接于手指第二指节远端,并可绕手指第二指节远端作回转运动,形成手指第三关节,第三扭转弹簧套装在手指第三关节销轴上,扭转弹簧具有两个伸出端,一个伸出端与安装于手指第二指节的第五弹簧限位销钉接触,另一伸出端与安装于手指第三指节第一零件的第六弹簧限位销钉接触,手指第三指节第一零件的远端具有一空腔,用于放置拉力绳索固定器组件;手指第三指节第二零件通过其方形销过盈联接于手指第三指节第一零件的孔中,形成完整的手指第三指节;
手指运动传动链包括微型电机微型减速器组件、直齿轮副、螺旋传动副及拉力绳索组件,手指电机联接板通过螺钉联接于手指模块基座的近端端面上,手指微型电机微型减速器组件置于手指模块基座的空腔中,并与电机联接板固定联接,第一直齿轮通过D形孔装配于微型减速器的伸出电机联接板外的D形截面输出轴轴颈上,在第一直齿轮与微型减速器输出轴的轴肩之间安装有隔套,用于调整第一直齿轮在微型减速器输出轴上的轴向位置;
一滑动螺杆置于手指模块基座的空腔内并位于微型电机微型减速器组件的下方,滑动螺杆的一个轴颈穿过与电机联接板固定联接的铜套,并可在铜套内回转,滑动螺杆的一个轴肩与电机联接板外侧接触,实现滑动螺杆与电机联接板外侧的轴向定位,一定位套套装在滑动螺杆的轴颈上,两者以销钉联接,该定位套实现滑动螺杆在电机联接板内侧的轴向定位;
第二直齿轮通过其中心的D形孔与滑动螺杆伸出电机联接板外侧的D形截面轴颈联接,且第二直齿轮与第一直齿轮相啮合;
一滑动螺母与滑动螺杆旋合,滑动螺母的一部分外形为U形,其两侧与手指模块基座内腔两侧平面接触,并可沿模块基座内腔直线滑动;
手指机械传动链的主要特点为,采用了双层折回式布置方案,缩减了传动链沿手掌的长度,滑动螺母也同时起到了滑块的作用,减少了零件数量及传动链长度;
一拉力绳索穿过手指第一指节、手指第二指节及手指第三指节的空腔,拉力绳索的一端通过绳扣方式系于一销钉上,而该销钉固定于滑动螺母的远端端部,绳索的绳扣位于滑动螺母中间的开槽中,绳索的另一端固定于绳索固定器组件,绳索固定器组件置于手指第三指节第一零件的孔中;
绳索固定器组件由绳索固定板、绳索压板及螺钉组成,绳索固定板具有楔形凹槽,绳索压板具有楔形凸起,楔形凸起和楔形凹槽相配合,绳索固定板中心具螺纹孔,绳索压板具中心孔,压紧螺钉可以穿过绳索压板的中心孔联接于绳索固定板,拉力绳索的一个端部置于绳索压板和绳索固定板之间,用螺钉将绳索压板、绳索端部及绳索固定板压在一起,楔形凸凹增大了绳索与绳索压板及绳索固定板的摩擦力,可以实现绳索的可靠联接;
当手指屈指时,微型电机正向回转,通过微减速器减速,再通过直齿轮副将运动传递给滑动螺杆,滑动螺杆转动使滑动螺母向掌心方向线性运动,通过与滑动螺母联接的销钉,拉动拉力绳索,使手指第一指节、手指第二指节及手指第三指节作曲指运动,各指节中的导轮与绳索接触以避免绳索与指节的摩擦,在手指模块基座内部设计有屈指限位面,对滑动螺母有限位作用,而每相邻指节之间也设计了屈指限位面;
当手指展指时,微型电机反向回转,通过微型减速器减速,再通过直齿轮副将运动传递给滑动螺杆,滑动螺杆转动使滑动螺母向手掌远端方向线性运动,拉力绳索松动,手指第一指节、手指第二指节及手指第三指节在各关节扭转弹簧的作用下相对展直,在手指模块基座内部设计有展指限位面,对滑动螺母有限位作用,而每相邻指节之间也设计了展指限位面;
假肢手拇指本体包括拇指基座、拇指转架、拇指第一指节、拇指第二指节第一零件、拇指第二指节第二零件、拇指第二指节第三零件,这三个零件组装为第二指节,把拇指第二指节分为三个零件是为了制造时拔模方便及减小缩坑;
拇指基座远端及近端各有一个孔,两端的孔同心,远端心轴插入于拇指基座远端孔中,近端心轴插入于拇指基座近端孔中,远端心轴和近端心轴各有用于联接的凸缘,通过螺钉把远端心轴、近端心轴联接于拇指基座,拇指转架设计有远端支撑孔及近端支撑孔,远端心轴也插入于拇指转架远端支撑孔中,近端心轴插入于拇指支架近端支撑孔中,拇指转架可以相对于拇指基座绕心轴回转,拇指基座的一个侧壁对拇指转架向分掌方向的运动进行限位,拇指转架远端面与拇指基座远端内表面之间具有一定的空间,在该空间内放置着一压力弹簧,该压力弹簧套装在远端心轴的外表面,可以使拇指转架可靠地停留在相对于拇指基座的可转动范围内的任意姿态;
拇指转架上部具有两个侧壁,在两个侧壁上加工有同轴的通孔,拇指第一关节空心轴插入安装于拇指转架侧壁的同轴孔中,并在拇指转架两侧壁都有等长的伸出端,拇指第一指节近端和远端分别具有第一关节轴孔和第二关节轴孔,并在第一关节轴孔的同心圆周上加工有驱动销轴孔,拇指第一指节的第一关节联接处为两个侧壁,拇指第一指节的该两侧壁置于拇指转架两侧壁外,并套装在拇指第一关节空心轴上,可绕拇指第一关节空心轴回转;
拇指第二指节第一零件的近端具有第二关节轴孔,拇指第二关节空心销轴穿过拇指第一指节远端的第二关节轴孔和拇指第二指节第一零件近端的第二关节轴孔,拇指第二指节可绕第二关节轴线相对于拇指第一指节回转,拇指第二指节第一零件近端具有连杆销轴孔;
拇指的机械传动链包括微型电机微型减速器组件、锥齿轮副、蜗杆蜗轮副及四连杆机构,拇指微型电机微型减速器组件安装于拇指基座的安装孔中,该安装孔轴心线与拇指转架回转轴线在同一高度的平面上,第一锥齿轮通过D形孔安装于微型减速器的D形截面输出轴颈上,在微型减速器输出轴的轴肩与第一锥齿轮的端面之间套装着第一调整垫,用于调整第一锥齿轮在微型减速器输出轴颈上的轴向位置;
拇指蜗杆通过蜗杆远端铜套及蜗杆近端铜套安装于拇指转架的蜗杆安装孔中,一孔用弹性卡圈装配于拇指转架的环槽中,该环槽与蜗杆安装孔同轴,对蜗杆远端铜套进行轴向定位,拇指转架在其蜗杆安装孔近端加工有一开口槽,蜗杆的近端轴颈伸出拇指转架的蜗杆安装孔,第二锥齿轮通过D形孔安装于蜗杆的近端伸出轴上,并处于开口槽空间中,在蜗杆近端轴颈的一个轴肩与锥齿轮端部,套装第二调整垫片,用于调整第二锥齿轮在蜗杆轴颈的轴向位置,当手动或电动方法使拇指转架相对于拇指基座回转,调整拇指的对掌及分掌姿态时,第一锥齿轮与第二锥齿轮始终保持相啮合;
拇指蜗轮置于拇指转架的两侧壁之间,并套装在拇指第一关节空心轴上,并可绕该空心轴回转,所述拇指蜗轮因其转角范围为90度,考虑啮合重复度,把拇指蜗轮外形设计为120度的扇形,以便在拇指蜗轮运动范围之外,安装拇指连杆第一销轴,在拇指蜗轮两侧各装有一个隔套,隔套还套装在拇指第一关节空心轴上,在拇指蜗轮加工有一销轴孔,在拇指转架的两侧壁上加工有弧形槽,该弧形槽与前述的拇指蜗轮销轴孔在同一圆周上,拇指第一指节驱动销轴穿过拇指蜗轮的销轴孔及拇指转架的侧壁的弧形槽,当拇指蜗轮转动时,拇指第一指节驱动销轴可在拇指转架侧壁弧形槽内运动,弧形槽两边缘夹角为90度,两边缘对拇指蜗轮转动范围进行限位,拇指蜗轮与拇指蜗杆相啮合;
拇指第一指节驱动销轴穿过拇指第一指节的驱动销轴孔,拇指第一关节的驱动过程为,拇指微型电机回转,通过微型减速器减速,带动减速器输出轴上的第一锥齿轮回转,使与其啮合的第二锥齿轮回转,拇指蜗杆与第二锥齿轮同轴回转,使与拇指蜗杆啮合的拇指蜗轮回转,拇指蜗轮通过第一关节驱动销轴带动拇指第一指节绕拇指第一关节轴线回转;
拇指连杆的一端为叉形,叉形部分置于拇指转架两侧壁之间,叉形内空间可以容纳拇指蜗轮在其中运动,这样的分层布置方法使拇指的欠驱动运动成为可行,在拇指转架两侧壁上还加工有拇指连杆联接销轴孔,该销轴孔位于拇指蜗轮运动范围之外,拇指连杆第一销轴穿过拇指转架的连杆联接销轴孔,拇指连杆的近端轴孔套装在拇指连杆第一销轴上,第二连杆销轴穿过拇指连杆的远端销轴孔及前述的第二指节第一零件的连杆销轴孔;
拇指转架、拇指第一指节、拇指第二指节第一零件及拇指连杆组成了一个四连杆机构,当拇指第一指节绕第一关节回转时,拇指第二指节则绕第二关节作从动运动,形成了欠驱动运动形式;
拇指、食指、中指、无名指、小指的模块基座都具有安装螺孔,通过螺钉安装于假肢手掌部联接件上,食指、中指、无名指及小指模块沿手掌纵向安装,拇指基座也按掌部纵向安装,而拇指电机则沿手掌横向,这种布置方式极大地缩减了手掌长度,使其与人的手掌尺寸相近。
本发明的技术优点及技术效果体现在:
假肢手的拇指、食指、中指、无名指及小指为模块化结构,每个手指模块可以独立的安装及拆下,更便于制造及维护。
食指、中指、无名指及小指模块结构相同,其机械传动链为微型电机微型减速器驱动,经齿轮副,再经螺旋副,将电机回转运动转化为螺母的线性运动,螺母兼起滑块作用,简化了机构;对驱动绳索拉动为线性运动,克服了绝大多数灵巧手卷曲驱动绳的缺点,降低了对驱动绳柔性的要求;机械传动链采用双层折回式布局,缩减了机械传动链的长度。
提出了楔形驱动绳固定装置,装置尺寸小,联接可靠。
食指、中指、无名指及小指都各有三个指节,具有三个运动关节,而目前的假肢手基本上只有两个关节,本方案增加了手指对所持物体的包络能力;三个关节由一台微电机驱动,该欠驱动方法减少了主动自由度数量;每个手指由一台电机驱动,其运动可以独立,增加了假肢手的动作模式数量。
拇指机械传动采用蜗杆蜗轮与四连杆配合的欠驱动方式,使拇指第二指节相对第一指节作协调运动,目前绝大多数假肢手的拇指只有第一指节的回转运动,本方案增加了拇指按压能力。
拇指电机固联于拇指机架,通过锥齿轮副将运动传递给蜗杆,克服了目前绝大多数将电机置于拇指第一指节空腔内的诸多缺点;由于采用锥齿轮副传动,当变动拇指的姿态时,机械传动链仍能实现拇指的屈伸运动;拇指电机横向置于假肢手手掌内侧,减小了手掌长度。
本方案所提假肢手手指长度及手掌长度都大为缩减,整手质量小于550克,关节总数多,电机都固定于手掌内部;实现了尺寸小,重量轻,动作灵活,可靠性增加。
附图说明
图1 手指模块本体结构图
图2 手指模块机械传动图
图3 手指模块基座内机械传动图
图4 驱动绳固定器原理图
图5 拇指模块本体结构图
图6 拇指模块转架内机械传动图
图7 拇指模块基座内机械传动图
图8 模块式假肢手总体布置图
图9 模块式假肢手双指捏取操作示意图
图10 模块式假肢手拇指按压操作示意图
具体实施方案
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供的一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手如图8所示,从表观上看,其小指81、无名指82、中指83、食指84、拇指86分别联接于掌部联接件85。所述小指81、无名指82、中指83及食指84其机械结构相同,只是指节长度不同,为叙述方便,称为手指以区别于拇指。
图1所示为手指本体结构,手指第一指节14通过手指第一关节销轴18联接于手指基座15远端,并可绕手指第一关节销轴18的中心线回转;手指第二指节13通过手指第二关节销轴19联接于手指第一指节14,并可绕手指第二关节销轴19的中心线回转;手指第三指节第一零件12通过第三关节销轴110联接于手指第二指节13,并可绕手指第三关节销轴110的中心线回转;手指第三指节第二零件11过盈联接于手指第三指节第一零件12。手指基座15上加工有展指限位面16和屈指限位面17。
图2及图3所示为手指机械传动图。微型电机210及微型减速器211组成的组件联接于电机联接板212,两者不能相对运动;直齿轮214通过D形孔联接于减速器211的输出轴轴颈上,在直齿轮214和减速器211的输出轴的一个轴肩之间安装有调整垫片213;螺杆轴铜套216装于电机联接板212的一个孔中,滑动螺杆218穿过螺杆轴铜套216,并可绕螺杆轴铜套216的中心线回转;挡圈217套装在滑动螺杆218的一段轴颈上,销钉216穿过挡圈217与滑动螺杆218的垂直于轴线的孔,挡圈217和滑动螺杆218的一个轴肩实现了滑动螺杆218相对于电机联接板212的双向轴向定位;滑动螺母219与滑动螺杆218旋合,滑动螺母219两侧面具有平面形状,可沿手指基体15空腔的两侧面滑动,滑动螺母219兼起到滑块的作用;手指机械传动链布置为两层,采用折回式方式,缩短了所占用的手掌掌部的长度,并实现了每个手指的独立运动。
第一扭转弹簧28套装在第一关节销轴18上,第一指节14的近端装有第二销钉27,手指基座15上装有第一销钉29,第二销钉27及第一销钉29分别压在第一扭转弹簧28的两个伸出端上;第二扭转弹簧25套装在第二关节销轴19上,第二指节13的近端装有第四销钉24,第一指节14的远端上装有第三销钉26,第四销钉24及第三销钉26分别压在第二扭转弹簧25的两个伸出端上;第三扭转弹簧22套装在第三关节销轴110上,第三指节第一零件12的近端装有第六销钉21,第二指节13的远端上装有第五销钉23,第六销钉21及第五销钉23分别压在第三扭转弹簧22的两个伸出端上;第一指节14的近端装有第一销轴222,第一销轴222上套装有第一导轮221,第一指节14的远端装有第二销轴224,第二销轴224上套装有第二导轮223;第二指节13的近端装有第三销轴226,第三销轴226上套装有第三导轮225,第二指节13的远端装有第四销轴228,第四销轴228上套装有第四导轮227。
如图4所示,拉力绳索固定器组件229由固定板44、压板42及螺钉41组成,拉力绳索43置于固定板44与压板42之间,把螺钉41拧紧于固定板44,压板42和固定板44的两个配合的楔形凸凹部分,使绳索43可靠地固定于固定板44;拉力绳索43的另一端用绳扣系于滑动螺母销钉220上。
当微型电机210正向回转时,通过前述的机械传动链,使滑动螺母219向手掌心方向运动,拉动拉力绳索43,拉力绳索43与各导轮接触,各关节的扭转弹簧发生扭转变形,手指屈指运动;当微型电机210反向回转时,通过前述的机械传动链,使滑动螺母219向手掌远端方向运动,松开拉力绳索43,各关节的扭转弹簧产生恢复扭转,手指作展指运动;
如图5所示,拇指本体包括拇指基座59、前端心轴58、后端心轴514、拇指转架515、拇指第一指节55、拇指第二指节第一零件53、拇指第二指节第二零件52、拇指第二指节第三零件51、拇指驱动电机510、拇指减速器511、拇指第一锥齿轮513、第一锥齿轮调整垫片512;拇指第二指节第一零件53、拇指第二指节第二零件52、拇指第二指节第三零件51,拇指第二指节的这三个零件过盈配合依次联接形成了完整的第二指节,把拇指第二指节分为三个零件是为了尼龙空心零件制造时,便于拔模和减小缩坑。
前端心轴58穿过拇指基座59的前端孔并通过螺钉使其凸缘与拇指基座59联接,后端心轴514穿过拇指基座59的后端孔并通过螺钉使其凸缘与拇指基座59联接;前端空心轴58穿入拇指转架515的前端孔用于支撑拇指转架515的前端,后端心轴514穿入拇指转架515的后端孔用于支撑拇指转架515的后端,拇指转架515可以用健手或机动的方法使其相对拇指基座59作回转运动,实现拇指的对掌和分掌姿态;一压缩弹簧57置于拇指转架515前端面与拇指基座59前内壁之间的空间内,并套装于前端心轴58上,使拇指转架515可以可靠地停留在两个极限位置之间。
如图6及图7所示为拇指机械传动图,拇指蜗杆67通过蜗杆前端铜套68和蜗杆后端铜套66支撑于拇指转架515的蜗杆安装孔中,蜗杆67可以相对安装孔中心线回转;弹性挡圈69安装于拇指转架515的前端的孔槽内,实现拇指蜗杆67的前端轴向定位,铜套66的凸缘实现拇指蜗杆67的后端轴向定位;第二锥齿轮64通过D形孔装于拇指蜗杆67伸出于拇指转架515的D形截面轴颈上且位于拇指转架515的开口槽空间内,第二锥齿轮调整垫片65置于第二锥齿轮64的端面与拇指蜗杆67伸出端的轴肩之间并套装于蜗杆67的伸出轴颈上,用于调整第二锥齿轮64的轴向位置。
拇指转架515具有两侧壁,两侧壁具有一个通孔,通孔与蜗杆安装孔中心线垂直,拇指第一关节空心轴56穿过拇指转架515侧壁上的通孔,并在两侧壁外有等长的伸出;一扇形拇指蜗轮63置于拇指转架515两侧壁的空间内,并套装于拇指第一关节空心轴56上,拇指蜗轮63两侧面各安装有一个隔套612,隔套612套装于拇指第一关节空心轴56上,拇指蜗轮63与拇指蜗杆67相啮合。
在拇指蜗轮63上加工有一销轴孔,销轴610穿过这一销轴孔,在拇指转架515的两侧壁上加工有弧形槽,销轴610也穿过弧形槽,并在两侧有等长的伸出部分,弧形槽两端的圆弧对销轴610的运动范围具限位作用;拇指转架515的两侧壁上加工有连杆销轴孔,连杆销轴62穿过上述的连杆销轴孔。
拇指第一指节55的近端安装孔套装于拇指第一关节空心轴56上,并可相对于拇指转架515回转,拇指第一指节55加工有驱动孔,销轴610穿过驱动孔;拇指第二指节第一零件53通过销轴54与拇指第一指节55相联接,并可相对拇指第一指节55回转;一叉形连杆61置于拇指第一指节55的空腔内,叉形连杆61的叉形空间内可容纳拇指蜗轮63,叉形连杆61的近端轴孔套装在销轴62上,叉形连杆61的远端轴孔套装在销轴611上,而销轴611固定于拇指第二指节第一零件53上。
拇指屈指及展指的机械传动链为:拇指驱动电机510回转,通过微型减速器511减速,通过拇指第一锥齿轮513及拇指第二锥齿轮64所组成的锥齿轮传动副,带动拇指蜗杆67回转,拇指蜗杆67带动拇指蜗轮63回转,拇指蜗轮63则通过销轴610驱动拇指第一指节55绕拇指第一关节空心轴56回转;拇指转架、拇指连杆、拇指第一指节55、拇指第二指节第一零件53组成了四连杆机构,拇指第一指节55的运动使拇指第二指节第一零件53产生从动运动,即拇指两个指节的运动是欠驱动方式。
由于拇指第一锥齿轮513的轴线与拇指蜗杆67的轴线在同一个平面内,当使拇指机架515转动处于分掌姿态或对掌姿态时,都能保证机械传动链的正常工作。
如图8所示,小指模块81、无名指模块82、中指模块83、食指模块84通过联接螺钉联接于掌部联接件85,这些模块的微型电机都是纵向分布的;拇指模块86通过螺钉联接于掌部联接件85,拇指电机是横向布置的;这种布置方式缩减了手掌的长度。
图9所示为假肢手的两指捏取操作模式,这时拇指处于对掌姿态;图10所示为假肢手的拇指按压操作模式,这时拇指处于分掌姿态;这两种操作模式能够实现,表明所提假肢手的结构是合理的。

Claims (5)

1.一种模块式多自由度欠驱动仿生假肢手,包括假肢手掌部联接件、拇指、食指、中指、无名指、小指,其中食指、中指、无名指及小指结构相同,只是各指节长度不同,统称为手指,手指由手指本体及手指机械传动链构成,拇指由拇指本体及拇指机械传动链构成,手指及拇指为模块化结构,可以独立地安装于掌部联接件或从掌部联接件拆下,其特征在于:
手指本体由近及远包括模块基座、手指第一指节、手指第二指节、手指第三指节第一零件、手指第三指节第二零件,手指第三指节第一零件和手指第三指节第二零件组成第三指节,把手指第三指节分为两个零件是为了安装拉力绳索固定器组件及零件制造时便于拔模;
手指第一指节通过手指第一关节空心销轴联接于手指模块基座远端,并可绕手指模块基座远端作回转运动,形成手指第一关节,第一扭转弹簧套装在手指第一关节空心轴上,第一扭转弹簧具有两个伸出端,一个伸出端插与安装于手指基座的第一弹簧限位销钉接触,另一伸出端与安装于手指第一指节的第二弹簧限位销钉接触,在手指第一指节的两端下方,分别各有一个导轮,通过导轮销轴联接于手指第一指节,导轮可以相对导轮销轴回转;
手指第二指节通过手指第二关节空心销轴联接于手指第一指节远端,并可绕手指第一指节远端作回转运动,形成手指第二关节,第二扭转弹簧套装在手指第二关节空心轴上,第二扭转弹簧具有两个伸出端,一个伸出端与安装于手指第一指节的第三弹簧限位销钉接触,另一伸出端与安装于手指第二指节的第四弹簧限位销钉接触,在手指第二指节的两端下方,分别各有一个导轮,通过导轮销轴联接于手指第二指节,导轮可以相对导轮销轴回转;
手指第三指节第一零件通过手指第三关节销轴联接于手指第二指节远端,并可绕手指第二指节远端作回转运动,形成手指第三关节,第三扭转弹簧套装在手指第三关节销轴上,第三扭转弹簧具有两个伸出端,一个伸出端与安装于手指第二指节的第五弹簧限位销钉接触,另一伸出端与安装于手指第三指节第一零件的第六弹簧限位销钉接触,第三指节第一零件的远端具有一空腔,用于放置拉力绳索固定器组件,手指第三指节第二零件通过其方形销过盈联接于手指第三指节第一零件的孔中,形成完整的手指第三指节;
手指运动传动链包括微型电机微型减速器组件、直齿轮副、螺旋传动副及拉力绳索组件,手指电机联接板通过螺钉联接于手指模块基座的近端端面上,手指微型电机微型减速器组件置于手指模块基座的空腔中,并与电机联接板固定联接,第一直齿轮通过D形孔装配于微型减速器的伸出电机联接板外的D形截面输出轴轴颈上,在第一直齿轮与微型减速器输出轴的轴肩之间安装有隔套,用于调整第一直齿轮在微型减速器输出轴上的轴向位置;
一滑动螺杆置于手指模块基座的空腔内并位于微型电机微型减速器组件的下方,滑动螺杆的一个轴颈穿过与电机联接板固定联接的铜套,并可在铜套内回转,滑动螺杆的一个轴肩与电机联接板外侧接触,实现滑动螺杆与电机联接板外侧的轴向定位,一定位套套装在滑动螺杆的轴颈上,两者以销钉联接,该定位套实现滑动螺杆在电机联接板内侧的轴向定位;
第二直齿轮通过其中心的D形孔与滑动螺杆伸出电机联接板外侧的D形截面轴颈联接,且第二直齿轮与第一直齿轮相啮合,一滑动螺母与滑动螺杆旋合;
手指机械传动链的主要特点为,采用了双层折回式布置方案,缩减了传动链沿手掌的长度,
一拉力绳索穿过手指第一指节、手指第二指节及手指第三指节的空腔,拉力绳索的一端通过绳扣方式系于一销钉上,而该销钉固定于滑动螺母的远端端部,绳索的绳扣位于滑动螺母中间的开槽中,绳索的另一端固定于绳索固定器组件,绳索固定器组件置于第三指节第一零件的孔中;
当手指屈指时,微型电机正向回转,通过微型减速器减速,再通过直齿轮副将运动传递给滑动螺杆,滑动螺杆转动使滑动螺母向掌心方向线性运动,通过与滑动螺母联接的销钉,拉动拉力绳索,使手指第一指节、手指第二指节及手指第三指节作屈指运动,各指节中的导轮与绳索接触以避免绳索与指节的摩擦,在手指模块基座内部设计有屈指限位面,对滑动螺母有限位作用,而每相邻指节之间也设计了屈指限位面;
当手指展指时,微型电机反向回转,通过微型减速器减速,再通过直齿轮副将运动传递给滑动螺杆,滑动螺杆转动使滑动螺母向手掌远端方向线性运动,拉力绳索松动,手指第一指节、手指第二指节及手指第三指节在各关节扭转弹簧的作用下相对展直,在手指模块基座内部设计有展指限位面,对滑动螺母有限位作用,而每相邻指节之间也设计了展指限位面;
假肢手拇指本体包括拇指基座、拇指转架、拇指第一指节、拇指第二指节第一零件、拇指第二指节第二零件、拇指第二指节第三零件,这三个零件组装为第二指节,把拇指第二指节分为三个零件是为了制造时拔模方便及减小缩坑;
拇指基座远端及近端各有一个孔,两端的孔同心,远端心轴插入于拇指基座远端孔中,近端心轴插入于拇指基座近端孔中,远端心轴和近端心轴各有用于联接的凸缘,通过螺钉把远端心轴、近端心轴联接于拇指基座,拇指转架设计有远端支撑孔及近端支撑孔,远端心轴也插入于拇指转架远端支撑孔中,近端心轴插入于拇指支架近端支撑孔中,拇指转架可以相对于拇指基座绕心轴回转,拇指基座的一个侧壁对拇指转架向分掌方向的运动进行限位,拇指转架远端面与拇指基座远端内表面之间具有一定的空间,在该空间内放置着一压力弹簧,该压力弹簧套装在远端心轴的外表面,可以使拇指转架可靠地停留在相对于拇指基座的可转动范围内的任意姿态;
拇指转架上部具有两个侧壁,在两个侧壁上加工有同轴的通孔,拇指第一关节空心轴插入安装于拇指转架侧壁的同轴孔中,并在拇指转架两侧壁端都有等长的伸出端,拇指第一指节近端和远端分别具有第一关节轴孔和第二关节轴孔,并在第一关节轴孔的同心圆周上加工有驱动销轴孔,拇指第一指节的第一关节联接处为两个侧壁,拇指第一指节的该两侧壁置于拇指转架两侧壁外,并套装在拇指第一关节空心轴上,可绕拇指第一关节空心轴回转;
拇指第二指节第一零件的近端具有第二关节轴孔,第二关节空心销轴穿过拇指第一指节远端的第二关节轴孔和拇指第二指节第一零件近端的第二关节轴孔,拇指第二指节可绕第二关节轴线相对于拇指第一指节回转,拇指第二指节第一零件近端具有连杆销轴孔;
拇指的机械传动链包括微型电机微型减速器组件、锥齿轮副、蜗杆蜗轮副及四连杆机构,拇指微型电机微型减速器组件安装于拇指基座的安装孔中,该安装孔轴心线与拇指转架回转轴线在同一高度的平面上,第一锥齿轮通过D形孔安装于微型减速器的D形截面输出轴颈上,在微型减速器输出轴的轴肩与第一锥齿轮的端面之间套装着第一调整垫,用于调整第一锥齿轮在微型减速器输出轴颈上的轴向位置;
拇指蜗杆通过蜗杆远端铜套及蜗杆近端铜套安装于拇指转架的蜗杆安装孔中,一孔用弹性卡圈装配于拇指转架的环槽中,该环槽与蜗杆安装孔同轴,对蜗杆远端铜套进行轴向定位,拇指转架在其蜗杆安装孔近端加工有一开口槽,蜗杆的近端轴颈伸出拇指转架的蜗杆安装孔,第二锥齿轮通过D形孔安装于蜗杆的近端伸出轴上,并处于开口槽空间中,在蜗杆近端轴颈的一个轴肩与锥齿轮端部,套装第二调整垫片,用于调整第二锥齿轮在蜗杆轴颈的轴向位置,当手动或电动方法使拇指转架相对于拇指基座回转,调整拇指的对掌及分掌姿态时,第一锥齿轮与第二锥齿轮始终保持相啮合;
拇指蜗轮置于拇指转架的两侧壁之间,并套装在拇指第一关节空心轴上,并可绕该空心轴回转,在拇指蜗轮两侧各装有一个隔套,隔套还套装在拇指第一关节空心轴上,在拇指蜗轮加工有一销轴孔,在拇指转架的两侧壁上加工有弧形槽,该弧形槽与前述的拇指蜗轮销轴孔在同一圆周上,拇指第一指节驱动销轴穿过拇指蜗轮的销轴孔及拇指转架的侧壁的弧形槽,当拇指蜗轮转动时,拇指第一指节驱动销轴可在拇指转架侧壁弧形槽内运动,弧形槽两边缘夹角为90度,两边缘对拇指蜗轮转动范围进行限位,拇指蜗轮与拇指蜗杆相啮合;
拇指第一指节驱动销轴穿过拇指第一指节的驱动销轴孔,拇指第一关节的驱动过程为,拇指微型电机回转,通过微型减速器减速,带动减速器输出轴上的第一锥齿轮回转,使与其啮合的第二锥齿轮回转,拇指蜗杆与第二锥齿轮同轴回转,使与拇指蜗杆啮合的拇指蜗轮回转,拇指蜗轮通过第一关节驱动销轴带动拇指第一指节绕拇指第一关节轴线回转;
在拇指转架两侧壁上还加工有拇指连杆联接销轴孔,该销轴孔位于拇指蜗轮运动范围之外,拇指连杆第一销轴穿过拇指转架的连杆联接销轴孔,拇指连杆的近端轴孔套装在拇指连杆第一销轴上,第二连杆销轴穿过拇指连杆的远端销轴孔及前述的第二指节第一零件的连杆销轴孔;
拇指转架、拇指第一指节、拇指第二指节第一零件及拇指连杆组成了一个四连杆机构,当拇指第一指节绕第一关节回转时,拇指第二指节则绕第二关节作从动运动,形成了欠驱动运动形式;
拇指、食指、中指、无名指、小指的模块基座都具有安装螺孔,通过螺钉安装于假肢手掌部联接件上,食指、中指、无名指及小指模块沿手掌纵向安装,拇指基座也按掌部纵向安装,而拇指电机则沿手掌横向,这种布置方式极大地缩减了手掌长度,使其与人的手掌尺寸相近。
2.根据权利要求1所述模块式多自由度欠驱动仿生假肢手,其特征在于,所述绳索固定器组件由绳索固定板、绳索压板及螺钉组成,绳索固定板具有楔形凹槽,绳索压板具有楔形凸起,楔形凸起和楔形凹槽相配合,绳索固定板中心具螺纹孔,绳索压板具中心孔,压紧螺钉可以穿过绳索压板的中心孔联接于绳索固定板,拉力绳索的一个端部置于绳索压板和绳索固定板之间,用螺钉将绳索压板、绳索端部及绳索固定板压在一起,楔形凸凹增大了绳索与绳索压板及绳索固定板的摩擦力,可以实现绳索的可靠联接。
3.根据权利要求1所述模块式多自由度欠驱动仿生假肢手,其特征在于,所述滑动螺母的一部分外形为U形,其两侧与手指模块基座内腔两侧平面接触,并可沿模块基座内腔直线滑动,滑动螺母兼起到了滑块的作用。
4.根据权利要求1所述模块式多自由度欠驱动仿生假肢手,其特征在于,所述拇指蜗轮因其转角范围为90度,考虑啮合重复度,把拇指蜗轮外形设计为120度的扇形,以便在拇指蜗轮运动范围之外,安装拇指连杆第一销轴。
5.根据权利要求1所述模块式多自由度欠驱动仿生假肢手,其特征在于,所述拇指连杆的一端为叉形,叉形部分置于拇指转架两侧壁之间,叉形内空间可以容纳拇指蜗轮在其中运动,这样的分层布置方法使拇指的欠驱动运动成为可行。
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