CN109172063B - 一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手 - Google Patents

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Abstract

一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手，包括柔性手指机构，柔性手指机构通过弹性钢片和直线推杆电机连接，直线推杆电机固定于手掌上，手掌通过手腕机构和接受腔前端相连，接受腔后端和截肢患者前臂相连；柔性手指机构包括柔性拇指机构、柔性食指机构、柔性中指机构、柔性无名指机构和柔性小指机构；直线推杆电机推动弹性钢片前进，引起弹性钢片变形弯曲，带动柔性手指进行弯曲运动，直线推杆电机拉动弹性钢片后退，柔性手指进行伸展运动；手腕机构设有舵盘与舵机，舵机通过舵盘带动手掌连接单元转动，将自身旋转运动转化为腕部转动；本发明能实现五根手指的独立运动，具有柔顺抓取特性；通过3D打印可实现个性化定制，重量轻且成本低。

Description

一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手
技术领域
本发明涉及一种仿生人体义肢，具体涉及一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手。
背景技术
工伤、疾病、自然灾害等意外事故造成大量健康人被迫截肢，成为肢体残疾患者。截肢使得肢残患者丧失了部分、甚至全部劳动力，不仅给患者及其家庭造成了沉重的负担，也使患者承受着巨大的心理压力，已经成为不可回避的社会问题。由于当前的科技医疗水平还无法实现假肢的生物学再造，佩戴假肢成为解决肢体残疾问题唯一可行的途径。现有的义肢手虽然可以实现基本的手部动作，但存在以下不足：大部分采用刚性连杆机构设计，控制复杂，难以实现柔顺抓取；重量较大，影响患者体验；价格高昂，不易推广。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种具有刚柔耦合结构的新型义肢手，不仅能实现五根手指的独立运动，还具有一定的柔顺抓取特性；各零部件通过3D打印制造而成，可依据不同患者的手部尺寸实现个性化定制，易于穿戴，重量轻且成本低。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手，包括柔性手指机构1，柔性手指机构1通过弹性钢片2和直线推杆电机3连接，直线推杆电机3固定于手掌4上，手掌4连接在手腕机构5前端，手腕机构5后端和接受腔6前端相连，接受腔6后端和截肢患者前臂相连；
所述的柔性手指机构1包括柔性拇指机构101、柔性食指机构102、柔性中指机构103、柔性无名指机构104和柔性小指机构105。
所述的柔性拇指机构101由远指间关节107、掌指间关节109以及从手指上端矩形孔穿过的弹性钢片2连接而成，弹性钢片2一端固定于远指间关节107前端连接的指尖106处，弹性钢片2的另一端与直线推杆电机3推杆连接；柔性拇指机构101通过指根接口110固定在手掌4上。
所述的柔性食指机构102、柔性中指机构103、柔性无名指机构104、柔性小指机构105具有相同的结构，分别由远指间关节107、近指间关节108、掌指间关节109以及从各柔性手指上端矩形孔穿过的弹性钢片2连接而成；弹性钢片2一端固定于远指间关节107前端连接的指尖106处，弹性钢片2另一端与直线推杆电机3推杆连接；各柔性手指机构通过指根接口110固定在手掌4上。
所述的远指间关节107、近指间关节108、掌指间关节109具有相同的一体式柔性结构，包括关节连接单元202，关节连接单元202上设有下端相连的柔性薄片201，通过改变柔性薄片201的个数、关节连接单元202的厚度和弹性钢片2的刚度，控制各指关节的弯曲刚度。
所述的直线推杆电机3推动弹性钢片2前进，引起弹性钢片2变形弯曲，进而带动柔性手指机构1进行弯曲运动，直线推杆电机3拉动弹性钢片2后退，柔性手指机构1进行伸展运动；柔性手指机构1尺寸根据截肢患者尺寸进行参数化设计。
所述的手掌4包括拇指固定机构401、食指固定机构402、中指固定机构403、无名指固定机构404、小指固定机构405以及拇指直线推杆电机固定结构406、食指直线推杆电机固定结构407、中指直线推杆电机固定结构408、无名指直线推杆电机固定结构409、小指直线推杆电机固定结构410，手掌4后端通过掌腕接口411和手腕机构5前端相连。
所述的手腕机构5包括和掌腕接口411连接的手掌连接单元501，手掌连接单元501细长端安装有薄壁轴承505和衬套506，手掌连接单元501通过薄壁轴承505外圈和中间体502内腔壁相连，中间体502后端和手臂连接单元504前端连接；手掌连接单元501细长端面通过舵盘507与舵机503连接，舵机503机身则嵌套于中间体502和手臂连接单元504之间。
所述的接受腔6通过接口601和手臂连接单元504后端相连，接受腔6设计有开口603，开口603处布置有尼龙扣固定装置602，调节尼龙扣松紧能够适应不同截肢患者的残肢尺寸，并将接受腔6与肢残患者残肢相连。
所述的柔性手指机构1、手掌4、手腕机构5和接受腔6通过3D打印制造而成，依据不同患者的手部尺寸实现个性化定制。
本发明的有益效果为：
1、本发明结构简单紧凑，质量轻便；各手指采用一体式柔性结构设计，在抓取过程中可以自动适应物体外形，实现顺应性抓取操作；其它零部件为刚性结构，刚柔耦合的整体结构设计使得该义肢手驱动方式简单、控制易于实现且操作安全。
2、本发明根据人手实际结构尺寸仿生设计而成，通过对各组成零部件进行参数化建模，结合3D打印技术，可以针对不同截肢患者手部尺寸实现快速的个性化定制，且成本低廉。
3、本发明以较简单的结构实现了更多的手部自由度，除了每根手指设计有三个指关节(拇指只有两个指关节)，可以独立进行屈伸运动外，还设计了一个腕部旋转自由度，手指屈伸动作和腕部旋转动作相互配合，可以帮助截肢患者完成日常生活所需的多种手部动作。
附图说明
图1为本发明整体的结构示意图。
图2(a)为本发明拇指驱动机构的结构示意图；图2(b)为本发明的食指、中指、无名指或小指驱动机构的结构示意图。
图3为本发明柔性指关节的结构示意图，图(a)为伸展状态图；图(b)为弯曲状态图。
图4为本发明手掌的结构示意图，图(a)为手掌正面图；图(b)为手掌背面图。
图5为本发明手腕机构的结构示意图，图(a)为腕部轴测图；图(b)为腕部内部结构图。
图6为本发明接受腔的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1，一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手，包括柔性手指机构1，柔性手指机构1通过弹性钢片2和直线推杆电机3连接，直线推杆电机3固定于手掌4上，手掌4连接在手腕机构5前端，手腕机构5后端和接受腔6前端相连，接受腔6后端和截肢患者前臂相连。
所述的柔性手指机构1包括柔性拇指机构101、柔性食指机构102、柔性中指机构103、柔性无名指机构104和柔性小指机构105。
参照图2(a)，所述的柔性拇指机构101由远指间关节107、掌指间关节109以及从手指上端矩形孔穿过的弹性钢片2连接而成，弹性钢片2一端固定于远指间关节107前端连接的指尖106处，弹性钢片2的另一端与直线推杆电机3推杆连接；柔性拇指机构101通过指根接口110固定在手掌4上。
参照图2(b)，所述的柔性食指机构102、柔性中指机构103、柔性无名指机构104、柔性小指机构105具有相同的结构，分别由远指间关节107、近指间关节108、掌指间关节109以及从各柔性手指上端矩形孔穿过的弹性钢片2连接而成；弹性钢片2一端固定于远指间关节107前端连接的指尖106处，弹性钢片2另一端与直线推杆电机3推杆连接；各柔性手指机构通过指根接口110固定在手掌4上。
参照图3，所述的远指间关节107、近指间关节108、掌指间关节109具有相同的一体式柔性结构，包括关节连接单元202，关节连接单元202上设有下端相连的柔性薄片201，通过改变柔性薄片201的个数、关节连接单元202的厚度和弹性钢片2的刚度，控制各指关节的弯曲刚度。
所述的直线推杆电机3推动弹性钢片2前进，引起弹性钢片2变形弯曲，进而带动柔性手指机构1进行弯曲运动，直线推杆电机3拉动弹性钢片2后退，柔性手指机构1进行伸展运动；柔性手指机构1尺寸根据截肢患者尺寸进行参数化设计。
参照图4，所述的手掌4包括拇指固定机构401、食指固定机构402、中指固定机构403、无名指固定机构404、小指固定机构405以及拇指直线推杆电机固定结构406、食指直线推杆电机固定结构407、中指直线推杆电机固定结构408、无名指直线推杆电机固定结构409、小指直线推杆电机固定结构410，手掌4后端通过掌腕接口411和手腕机构5前端相连。
参照图5，所述的手腕机构5包括和掌腕接口411连接的手掌连接单元501，手掌连接单元501细长端安装有薄壁轴承505和衬套506，手掌连接单元501通过薄壁轴承505外圈和中间体502内腔壁相连，中间体502后端和手臂连接单元504前端连接；手掌连接单元501细长端面通过舵盘507与舵机503连接，舵机503机身则嵌套于中间体502和手臂连接单元504之间。
参照图6，所述的接受腔6通过接口601和手臂连接单元504后端相连，接受腔6设计有开口603，开口603处布置有尼龙扣固定装置602，调节尼龙扣松紧能够适应不同截肢患者的残肢尺寸，并将接受腔6与肢残患者残肢相连。
所述的柔性手指机构1、手掌4、手腕机构5和接受腔6通过3D打印制造而成，依据不同患者的手部尺寸实现个性化定制。
本发明的工作原理为：弹性钢片2只能弯曲变形，不能伸缩变形，且初始状态无变形发生，当直线推杆电机3推动弹性钢片2向前运动，由于弹性钢片2前端固定于指尖106处，无法继续向前，于是弹性钢片2变形弯曲，进而带动柔性手指机构1进行弯曲运动；反之，若直线推杆电机3拉动弹性钢片2后退，将带动柔性手指机构1进行伸展运动，直到弹性钢片2恢复初始状态；控制各直线推杆电机3具有不同的输出速度，可以控制义肢手实现不同的手部动作；舵机503通过舵盘507带动手掌连接单元501转动，薄壁轴承505的内外圈分别连接手掌连接单元501细长端和中间体502内腔壁，起定向和支撑作用，舵机503可以控制并输出所需转动角度，进而将舵盘507的旋转运动转化为义肢手的腕部转动。
以上实例只为说明本发明的技术构思和特点，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡是根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手，其特征在于：包括柔性手指机构(1)，柔性手指机构(1)通过弹性钢片(2)和直线推杆电机(3)连接，直线推杆电机(3)固定于手掌(4)上，手掌(4)连接在手腕机构(5)前端，手腕机构(5)后端和接受腔(6)前端相连，接受腔(6)后端和截肢患者前臂相连；
所述的柔性手指机构(1)包括柔性拇指机构(101)、柔性食指机构(102)、柔性中指机构(103)、柔性无名指机构(104)和柔性小指机构(105)；
所述的柔性拇指机构(101)由远指间关节(107)、掌指间关节(109)以及从手指上端矩形孔穿过的弹性钢片(2)连接而成，弹性钢片(2)一端固定于远指间关节(107)前端连接的指尖(106)处，弹性钢片(2)的另一端与直线推杆电机(3)推杆连接；柔性拇指机构(101)通过指根接口(110)固定在手掌(4)上；
所述的柔性食指机构(102)、柔性中指机构(103)、柔性无名指机构(104)、柔性小指机构(105)具有相同的结构，分别由远指间关节(107)、近指间关节(108)、掌指间关节(109)以及从各柔性手指上端矩形孔穿过的弹性钢片(2)连接而成；弹性钢片(2)一端固定于远指间关节(107)前端连接的指尖(106)处，弹性钢片(2)另一端与直线推杆电机(3)推杆连接；各柔性手指机构通过指根接口(110)固定在手掌(4)上；
所述的远指间关节(107)、近指间关节(108)、掌指间关节(109)具有相同的一体式柔性结构，包括关节连接单元(202)，关节连接单元(202)上设有下端相连的柔性薄片(201)，通过改变柔性薄片(201)的个数、关节连接单元(202)的厚度和弹性钢片(2)的刚度，控制各指关节的弯曲刚度；
所述的直线推杆电机(3)推动弹性钢片(2)前进，引起弹性钢片(2)变形弯曲，进而带动柔性手指机构(1)进行弯曲运动，直线推杆电机(3)拉动弹性钢片(2)后退，柔性手指机构(1)进行伸展运动；柔性手指机构(1)尺寸根据截肢患者尺寸进行参数化设计；
所述的手掌(4)包括拇指固定机构(401)、食指固定机构(402)、中指固定机构(403)、无名指固定机构(404)、小指固定机构(405)以及拇指直线推杆电机固定结构(406)、食指直线推杆电机固定结构(407)、中指直线推杆电机固定结构(408)、无名指直线推杆电机固定结构(409)、小指直线推杆电机固定结构(410)，手掌(4)后端通过掌腕接口(411)和手腕机构(5)前端相连；
所述的手腕机构(5)包括和掌腕接口(411)连接的手掌连接单元(501)，手掌连接单元(501)细长端安装有薄壁轴承(505)和衬套(506)，手掌连接单元(501)通过薄壁轴承(505)外圈和中间体(502)内腔壁相连，中间体(502)后端和手臂连接单元(504)前端连接；手掌连接单元(501)细长端面通过舵盘(507)与舵机(503)连接，舵机(503)机身则嵌套于中间体(502)和手臂连接单元(504)之间。
2.根据权利要求1所述的一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手，其特征在于：所述的接受腔(6)通过接口(601)和手臂连接单元(504)后端相连，接受腔(6)设计有开口(603)，开口(603)处布置有尼龙扣固定装置(602)，调节尼龙扣松紧能够适应不同截肢患者的残肢尺寸，并将接受腔(6)与肢残患者残肢相连。
3.根据权利要求1所述的一种具有柔顺抓取特性的刚柔耦合义肢手，其特征在于：所述的柔性手指机构(1)、手掌(4)、手腕机构(5)和接受腔(6)通过3D打印制造而成，依据不同患者的手部尺寸实现个性化定制。
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