CN108784892A - 一种机械传动式假肢手臂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种机械传动式假肢手臂，包括：上臂和下臂；手掌，其后端通过腕关节转轴与下臂前端铰接；手指，其一端通过手指轴于所述手掌相铰接，所述手指与所述手指轴相固定；第一锥齿轮，其与所述肘关节转轴同轴布置，并且所述第一锥齿轮与所述上臂相固定；第二锥齿轮，其可旋转支撑在所述下臂内，并且所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮相啮合；第一带轮，其与所述第二锥齿轮同轴固定连接；第二带轮，其与所述腕关节转轴同轴固定连接；传动带，其呈环形并且套设在所述第一带轮和第二带轮上；手指传动机构，其设置在所述腕关节转轴与手指轴之间，以将所述腕关节转轴转动动力传递给所述手指轴。

Description

一种机械传动式假肢手臂
技术领域
本发明属于假肢技术领域，特别涉及一种机械传动式假肢手臂。
背景技术
随着社会的发展，各种工伤事故和交通事故以及地震等各种自然灾害的不断发生，各种残疾人的不断出现，如何提高这些残疾人的生活质量和工作质量，尤其是提高那些上肢缺失者的生活质量，是全社会的责任，各种各样假肢的出现确实给予残疾人带来了很大的便利，使他们也能象正常人一样进行生活、工作、学习。在上肢方面最具现实意义的就是具有张闭功能和取拿物体功能的假手，以及肘关节和腕关节。现有上肢假肢通常采用索控方式进行传动。索控假手通过索线拉动手指，通过在手指中设置弹力绳控制手指的回弹复位。索线在长时间使用时易发生断裂，并且使用者在使用时需要使用较大的力来弯曲肘关节才能产生足够的驱动力，给使用者带来极大的不便。
发明内容
本发明的目的是解决现有假肢手臂驱动方式复杂、传动可靠性差的缺陷，提供了一种机械传动式假肢手臂。
本发明提供的技术方案为：
一种机械传动式假肢手臂，包括：
上臂和下臂，所述上臂前端与下臂后端通过肘关节转轴铰接；
手掌，其后端通过腕关节转轴与下臂前端铰接；
手指，其一端通过手指轴与所述手掌相铰接；
第一锥齿轮，其与所述肘关节转轴同轴布置，并且所述第一锥齿轮与所述上臂相固定；
第二锥齿轮，其可旋转支撑在所述下臂内，并且所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮相啮合；
第一带轮，其与所述第二锥齿轮同轴固定连接；
第二带轮，其与所述腕关节转轴同轴，并且所述第二带轮与所述手掌相固定；
传动带，其呈环形并且套设在所述第一带轮和第二带轮上；
手指传动机构，其设置在所述手掌与手指之间，以将所述腕关节转轴转动动力传递给所述手指轴。
优选的是，所述手指包括第一手指、第二手指、第三手指和第四手指，所述手指轴包括第一手指轴，所述第一手指轴可旋转设置在所述手掌前端，所述第一手指、第二手指、第三手指和第四手指后端依次固定在所述第一手指轴上；
所述手指传动机构包括呈直线排列并且两两啮合的第一直齿轮、第二直齿轮、第三直齿轮和第四直齿轮，所述第一直齿轮与所述腕关节转轴同轴并且第一直齿轮与所述下臂前端相固定，所述第二直齿轮和第三直齿轮可旋转设置在所述手掌侧面，所述第四直齿轮与所述第一手指轴同轴固定连接。
优选的是，所述手指还包括第五手指，所述手指轴还包括第二手指轴，所述手指传动机构还包括相啮合的第三锥齿轮和第四锥齿轮，所述第二手指轴可旋转设置在所述手掌内，所述第五手指与所述第二手指轴固定连接，所述第三锥齿轮与所述第一手指轴同轴固定连接，所述第四锥齿轮与所述第二手指轴同轴固定连接。
优选的是，所述第一手指、第二手指、第三手指和第四手指均包括相铰接的第一指节和第二指节，所述第一指节的后端与所述第一手指轴固定连接，所述第二指节的后端与中间轴固定连接，所述中间轴与所述第一指节的前端可旋转连接；
所述手掌前端固定设置有第五直齿轮，所述第五直齿轮与所述第一手指轴同轴设置，所述中间轴的一端同轴固定有第六直齿轮，所述第五直齿轮与第六直齿轮相啮合。
优选的是，所述下臂后部空腔内设置有挡板。
优选的是，所述上臂前端上部和下部分别设置有第一安装翼，所述第一安装翼上设置有第一轴孔；所述下臂后端的上部和下部分别设置有第二安装翼，所述第二安装翼上设置有第二轴孔，两个第二安装翼位于两个第一安装翼之间，并且使第一轴孔和第二轴孔同轴布置；所述肘关节转轴依此穿过第一轴孔和第二轴孔以将第一安装翼和第二安装翼铰接。
优选的是，所述下臂后端的外侧中部设置有第三安装翼，所述第三安装翼上设置有第三轴孔，所述第二锥齿轮的转轴可旋转支撑在所述第三轴孔内。
优选的是，所述下臂的前端的内侧和外侧分别设置有第四安装翼，所述第四安装翼上设置有第四轴孔；所述手掌后端内侧和外侧分别设置有第五安装翼，所述第五安装翼上设置有第五安装孔；两个第五安装翼位于两个第四安装翼之间，并使第四轴孔和第五轴孔同轴；所述腕关节转轴穿过所述第四轴孔和第五轴孔，以将第四安装翼和第五安装翼铰接在一起。
优选的是，所述传动带为齿形带，所述第一带轮和第二带轮为齿形带轮。
优选的是，所述上臂、下臂、手掌和手指均采用增材制造而成。
本发明的有益效果体现在以下方面：
1、本发明提供的机械传动式假肢手臂，通过特定的结构设计和传动机构设计，使弯曲肘关节就能够使腕关节和手指关节弯曲，从而实现了抓取物体的功能，为残疾患者提供了生活辅助。
2、本发明传动机构采用齿轮传动和带动，传动可靠性高，传动过程中能量损耗小，与绳索传动相比，没有回弹力，使用者弯曲肘关节时不需要克服额外的回弹力，减轻了使用者的体力消耗。
3、本发明提供的机械传动式假肢手臂主要部件均采用增材制造而成，具有制造时间短，成本低，便于个性化定制的特点。
附图说明
图1为本发明所述的机械传动式假肢手臂总体结构示意图。
图2为本发明所述的上臂结构示意图。
图3为本发明所述的下臂结构示意图。
图4为本发明所述的手掌结构示意图。
图5为本发明所述的腕关节传动机构结构示意图。
图6为本发明所述的第一锥齿轮和第二锥齿轮配合关系示意图。
图7为本发明所述的齿形同步带轮结构示意图。
图8为本发明所述的齿形同步带结构示意图。
图9为本发明所述的手掌与手指安装位置示意图。
图10为本发明所述的手指传动机构结构示意图。
图11为本发明所述的机械传动式假肢手臂弯曲状态示意图。
图12为本发明所述的手指指节传动机构结构示意图。
图13为本发明所述的手指结构分解示意图。
图14为另一实施例中手掌与手指安装位置示意图。
图15为另一实施例中机械传动式假肢手臂弯曲状态示意图。
图16为本发明所述的挡板安装位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种机械传动式假肢手臂，包括上臂110、下臂120、手掌130以及手指。
一并参阅图2、图3，所述上臂110的前端上部和下部分别设置有第一安装翼112，在所述第一安装翼112上设置有第一轴孔113，所述第一轴孔113的轴线沿竖直方向布置。在所述下臂120后端的上部和下部分别设置有第二安装翼121，在所述第二安装翼121上设置有第二轴孔122，所述第二轴孔122的轴线沿竖直方向布置。所述上臂110的前端与下臂120的后端安装时，使两个第二安装翼121位于两个第一安装翼112之间，并使第一轴孔113和第二轴孔122同轴，通过肘关节转轴111使上臂110的前端与下臂120的后端铰接，所述肘关节转轴111具有两段，位于上部的肘关节转轴111穿过上部的第一轴孔113和第二轴孔122，位于下部的肘关节转轴111穿过下部的第一轴孔113和第二轴孔122，使上臂110能够绕肘关节转轴111相对于下臂120旋转，实现肘关节的作用。所述肘关节转轴111与第一安装翼112相固定，与第二安装翼121可旋转连接。
在所述下臂120后端的外侧中部，设置有第三安装翼123，在所述第三安装翼123上设置有第三轴孔124，所述第三轴孔124的轴线沿水平方向布置。
一并参阅图3、图4，所述在所述下臂120前端的内侧和外侧分别设置有第四安装翼125，在所述第四安装翼125上设置有第四轴孔126，所述第四轴孔126的轴线沿水平方向布置。在所述手掌130的后端内侧和外侧分别设置有第五安装翼132，在所述第五安装翼132上设置有第五轴孔133，所述第五轴孔133的的轴线沿水平方向布置。所述下臂120和手掌130安装时，使两个第五安装翼132位于两个第四安装翼125之间，并使第四轴孔126和第五轴孔133同轴，通过腕关节转轴131穿过第四轴孔126和第五轴孔133，使下臂120的前端与手掌130的后端相铰接，使手掌130能够绕腕关节转轴131相对于下臂120旋转，实现腕关节的作用。所述腕关节转轴131与所述第五安装翼132相固定，与第四安装翼125可旋转连接。
如图5、图6所示，本发明提供的机械传动式假肢手臂内设置腕关节传动机构，所述腕关节传动机构包括第一锥齿轮210、第二锥齿轮220、第一带轮230、第二带轮240以及第一传动带250。
所述第一锥齿轮210与下部的肘关节转轴111同轴固定连接，由于所述肘关节转轴111与上臂110前端的第一安装翼112相固定，进而第一锥齿轮210与上臂110前端的第一安装翼112也相对固定。所述第二锥齿轮220的转轴与第三安装翼123上的第三轴孔124相配合，使第二锥齿轮220通过自身的转轴可旋转支撑在第三安装翼123上，使第二锥齿轮220能够绕自身轴线相对于下臂120绕自身轴线旋转。第一锥齿轮210与第二锥齿轮220的轴线相垂直，并且所述第一锥齿轮210和第二锥齿轮220相啮合，当上臂110相对于下臂120绕肘关节转轴111旋转时，上臂110会带动第一锥齿轮210绕自身轴线旋转，并带动第二锥齿轮220绕自身轴线旋转。
所述第一带轮230与第二锥齿轮220同轴固定连接，第二带轮240与腕关节转轴131同轴固定连接，所述腕关节转轴131与手掌130相固定，所述下臂120能够绕腕关节转轴131旋转。第一传动带250呈闭合环状，第一传动带250套设在第一带轮230和第二带轮240之间，使第一带轮230和第二带轮240之间能够传递动力。当上臂110相对于下臂120绕肘关节转轴111旋转使，通过第一锥齿轮210带动第二锥齿轮220旋转，再带动第一带轮230旋转，通过第一传动带250带动第二带轮240旋转，进而带动腕关节转轴131旋转，实现手掌130相对于下臂120旋转，即最终实现了当肘关节转动时带动腕关节转动。
如图7、图8所示，作为一种优选的，所述第一带轮230和第二带轮240为同步齿形带轮，所述第一传动带250为齿形同步带。采用齿形同步带和齿形同步带轮进行传动，能够防止打滑，提高传动的可靠性。
如图4、图9所示，所述手指包括第一手指140、第二手指150、第三手指160、第四手指170和第五手指180。在所述手掌130的前端两侧设置有第六轴孔134，所述第六轴孔134的轴线与与第五轴孔133的轴线平行。第一手指轴141两端可旋转支撑在第六轴孔134内，使第一手指轴141能够相对于手掌130旋转。在所述第一手指轴141上依次固定有第一手指140、第二手指150、第三手指160和第四手指170，当第一手指轴141转动时，能够使第一手指140、第二手指150、第三手指160和第四手指170共同相对于手掌130弯曲。
在所述手掌130的一侧设置有安装位137，在所述安装位137内设置有第七轴孔138，所述第七轴孔138的轴线与第六轴孔134的轴线垂直。第二手指轴181的两端可旋转支撑在第七轴孔138内，使第二手指轴181能够相对于手掌130旋转。所述第二手指轴181与第五手指180固定连接，从而使第五手指180设置在手掌130一侧的安装位137内，并且第五手指180能够相对于手掌130弯曲。
一并参阅图10，在所述手掌130和下臂120内设置有手指传动机构。所述手指传动机构包括第一直齿轮310、第二直齿轮320、第三直齿轮330、第四直齿轮340、第三锥齿轮350以及第四锥齿轮360。
所述第一直齿轮310、第二直齿轮320、第三直齿轮330和第四直齿轮340均位于手掌130的一侧，并且第一直齿轮310、第二直齿轮320、第三直齿轮330和第四直齿轮340呈直线排列，相邻两个直齿轮相互啮合。所述第一直齿轮310与腕关节转轴131同轴设置，并且第一直齿轮310固定在下臂120前端的第二安装翼121上，使第一直齿轮310能够相对于腕关节转轴131旋转。在所述手掌130的一侧固定设置有突出的第一齿轮轴135和第二齿轮轴136，所述第二直齿轮320可旋转套设在第一齿轮轴135上，所述第三直齿轮330可旋转套设在第二齿轮轴136上。所述第四直齿轮340与第一手指轴141的一端同轴固定连接。当腕关节转轴131带动手掌130相对于下臂120转动时，由于第一直齿轮310与下臂120相固定，第二直齿轮320与第一直齿轮310发生了相对运动，通过相邻两个直齿轮的依此啮合，使第四直齿轮340产生绕自身轴线的自转，进而带动第一手指轴141相对于手掌130旋转，最终实现第一手指140、第二手指150、第三手指160和第四手指170相对于手掌发生弯曲。
所述第三锥齿轮350同轴固定在所述第一手指轴141的另一端，所述第四锥齿轮360与第二手指轴181同轴固定连接，并且第三锥齿轮350和第四锥齿轮360相啮合。当第一手指轴141相对于手掌130旋转时，带动第三锥齿轮350共同旋转，通过锥齿轮传动，带动第二手指轴181相对于手掌130旋转，进而实现了第五手指180相对于手掌130发生弯曲。
一并参阅图11，本发明提供的机械传动式假肢手臂为具有部分下臂的残疾患者提供辅助手臂修复。使用时将假肢手臂套在使用者的手臂上，使假肢的上臂110套在使用者的大臂上，假肢的下臂120套在使用者的小臂上，并使患者的肘关节与假肢的肘关节重合，将患者的肘关节弯曲时产生的力作为假肢手臂的动力。当患者的肘关节弯曲时，会带动假肢手臂的上臂110相对于下臂120转动，通过腕关节传动机构，带动手掌130相对于下臂120旋转，再通过手指传动机构带动手指相对于手掌130旋转，从而使手指能进行简单的抓取动作。
如图12、图13、图14所示，在另一实施例中，所述第一手指140、第二手指150、第三手指160和第四手指170均包括两个指节，以第一手指140为例，其包括相铰接的第一指节142和第二指节143，所述第一指节142的后端与所述第一手指轴141固定连接，所述第二指节143的后端与中间轴190固定连接，在所述第一指节142的前端设置有轴孔，中间轴190穿过第一指节142前端的轴孔，使中间轴190能够相对于第一指节142旋转。所述第五手指180为一体式，将第五手指180做成弯曲形状。
在所述手掌130前端的内侧固定有第五直齿轮370，并且所述第五直齿轮370与第一手指轴141同轴布置，即第一手指轴141从第五直齿轮370中间穿过，使第一手指轴141能够相对于第五直齿轮370旋转。在所述中间轴190的一端同轴固定连接有第六直齿轮380，所述第六直齿轮380与第五直齿轮370相啮合。当第一手指轴141相对于手掌130旋转时，第一手指轴141会带动与其固定的第一指节142相对于手掌旋转。由于第五直齿轮370与手掌130固定，第一手指轴141旋转时，使第五直齿轮370和第六直齿轮380产生相对运动，进而带动中间轴190相对于第一指节142旋转，从而实现第二指节143相对于第一指节142旋转。如图15所示，通过将四个手指设置成两个指节，并且每个指节都能够弯曲，能够更加真实的模拟人手抓取的动作，提高抓取的成功率和可靠性。
如图16所示，在所述下臂120后部的空腔内，设置有挡板127，通过挡板将使用者的下臂与第一锥齿轮210和第二锥齿轮220分隔开，使用者的下臂不会触碰到第一锥齿轮210和第二锥齿轮220，防止使用者的下臂被第一锥齿轮210和第二锥齿轮220刮伤。
本发明提供的机械传动式假肢手臂中的主要部件，如上臂110、下臂120、手掌130以及手指均采用增材制造而成，具有制造时间短，成本低，便于个性化定制的特点。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种机械传动式假肢手臂，其特征在于，包括：
上臂和下臂，所述上臂前端与下臂后端通过肘关节转轴铰接；
手掌，其后端通过腕关节转轴与下臂前端铰接；
手指，其一端通过手指轴与所述手掌相铰接；
第一锥齿轮，其与所述肘关节转轴同轴布置，并且所述第一锥齿轮与所述上臂相固定；
第二锥齿轮，其可旋转支撑在所述下臂内，并且所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮相啮合；
第一带轮，其与所述第二锥齿轮同轴固定连接；
第二带轮，其与所述腕关节转轴同轴，并且所述第二带轮与所述手掌相固定；
传动带，其呈环形并且套设在所述第一带轮和第二带轮上；
手指传动机构，其设置在所述手掌与手指之间，以将所述腕关节转轴转动动力传递给所述手指轴。
2.根据权利要求1所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述手指包括第一手指、第二手指、第三手指和第四手指，所述手指轴包括第一手指轴，所述第一手指轴可旋转设置在所述手掌前端，所述第一手指、第二手指、第三手指和第四手指后端依次固定在所述第一手指轴上；
所述手指传动机构包括呈直线排列并且两两啮合的第一直齿轮、第二直齿轮、第三直齿轮和第四直齿轮，所述第一直齿轮与所述腕关节转轴同轴并且第一直齿轮与所述下臂前端相固定，所述第二直齿轮和第三直齿轮可旋转设置在所述手掌侧面，所述第四直齿轮与所述第一手指轴同轴固定连接。
3.根据权利要求2所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述手指还包括第五手指，所述手指轴还包括第二手指轴，所述手指传动机构还包括相啮合的第三锥齿轮和第四锥齿轮，所述第二手指轴可旋转设置在所述手掌内，所述第五手指与所述第二手指轴固定连接，所述第三锥齿轮与所述第一手指轴同轴固定连接，所述第四锥齿轮与所述第二手指轴同轴固定连接。
4.根据权利要求3所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述第一手指、第二手指、第三手指和第四手指均包括相铰接的第一指节和第二指节，所述第一指节的后端与所述第一手指轴固定连接，所述第二指节的后端与中间轴固定连接，所述中间轴与所述第一指节的前端可旋转连接；
所述手掌前端固定设置有第五直齿轮，所述第五直齿轮与所述第一手指轴同轴设置，所述中间轴的一端同轴固定有第六直齿轮，所述第五直齿轮与第六直齿轮相啮合。
5.根据权利要求4所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述下臂后部空腔内设置有挡板。
6.根据权利要求5所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述上臂前端上部和下部分别设置有第一安装翼，所述第一安装翼上设置有第一轴孔；所述下臂后端的上部和下部分别设置有第二安装翼，所述第二安装翼上设置有第二轴孔，两个第二安装翼位于两个第一安装翼之间，并且使第一轴孔和第二轴孔同轴布置；所述肘关节转轴依此穿过第一轴孔和第二轴孔以将第一安装翼和第二安装翼铰接。
7.根据权利要求6所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述下臂后端的外侧中部设置有第三安装翼，所述第三安装翼上设置有第三轴孔，所述第二锥齿轮的转轴可旋转支撑在所述第三轴孔内。
8.根据权利要求7所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述下臂的前端的内侧和外侧分别设置有第四安装翼，所述第四安装翼上设置有第四轴孔；所述手掌后端内侧和外侧分别设置有第五安装翼，所述第五安装翼上设置有第五安装孔；两个第五安装翼位于两个第四安装翼之间，并使第四轴孔和第五轴孔同轴；所述腕关节转轴穿过所述第四轴孔和第五轴孔，以将第四安装翼和第五安装翼铰接在一起。
9.根据权利要求8所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述传动带为齿形带，所述第一带轮和第二带轮为齿形带轮。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的机械传动式假肢手臂，其特征在于，所述上臂、下臂、手掌和手指均采用增材制造而成。
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