CN109758276A - 一种假肢手 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于康复医疗器械技术领域,提供了一种假肢手,包括支撑结构、拇指结构、手指结构,以及至少一个第一驱动结构;每一第一驱动结构包括设置于支撑结构上的第一驱动元件、第一传动组件、丝杆、丝杆滑块、导向杆和第一走线座;第一传动组件的首端与第一驱动元件的输出端连接,末端与丝杆连接,且用于将第一驱动元件的动力传输给丝杆;丝杆滑块分别套设于丝杆和导向杆外,以将丝杆的转动转化为丝杆滑块沿丝杆轴向的直线运动;丝杆滑块的直线运动带动拇指腱绳和手指腱绳拉伸或放松,以使食指、中指、无名指、小指和拇指进行耦合屈伸运动。本发明的手指结构和第一驱动结构采用模块化设计,而且进行了个性化设计,可实现多种多自由度假肢手构型。

Description

一种假肢手
技术领域
本发明涉及康复医疗器械技术领域,特别涉及一种假肢手。
背景技术
仿人假肢手为上肢缺失的残疾人的日常生活提供了便利,是康复工程领域的重要研究方向。目前已经商品化的假肢手有公司的安全比例控制肌电手、英国苏格兰公司(Touch bionics)生产的高精度肌电控制假肢iLimb等。其中,安全比例控制肌电手有三个手指(拇指、食指和中指),能完成手的开合动作以实现抓取功能,但其手指是整体,不能实现多指节耦合运动;iLimb是有五根手指的假肢手,除无名指与小指进行耦合运动以外,能单独控制每一根手指运动,可以完成多种手部动作,并且其除拇指以外的四指具备两个指节耦合运动的特点,在一定程度上实现了动作仿人。
现有假肢手具有单自由度和多自由度,其中,单自由度假肢手灵活度不够,难以完成日常生活中的常用动作;而多自由度假肢手大多整手质量较大、制造与维护成本高,限制了假肢手的实用性与产品化,不利于残疾患者的使用。另外,目前假肢手多采用肌电信号作为直觉控制的输入信号,而截肢患者残余肌肉端能够提供的信号有限,因此其能控制的假肢手的自由度数目受限,导致假肢手的实用性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种假肢手,旨在解决目前的假肢手成本高、重量大、灵活度差且实用性差的技术问题。
本发明是这样实现的,一种假肢手,包括:
支撑结构;
拇指结构,包括拇指;
手指结构,包括食指、中指、无名指和小指,所述食指、中指、无名指、小指和拇指分别按照人类手指的相对位置布置于支撑结构上;以及
至少一个第一驱动结构;
所述拇指包括由近到远依次设置的拇指近指节和拇指远指节,以及拇指腱绳;所述食指、中指、无名指和小指均包括由近到远依次设置的手指近指节、手指中指节和手指远指节,以及手指腱绳;
每一所述第一驱动结构包括设置于所述支撑结构上的第一驱动元件、第一传动组件、丝杆、丝杆滑块、导向杆和第一走线座;所述第一传动组件的首端与所述第一驱动元件的输出端连接,末端与所述丝杆连接,且用于将所述第一驱动元件的动力传输给所述丝杆;所述丝杆滑块分别套设于所述丝杆和所述导向杆外,以将所述丝杆的转动转化为所述丝杆滑块沿丝杆轴向的直线运动;所述丝杆滑块上开设有与所述第一走线座一一对应且同轴设置的走线孔,所述拇指腱绳和手指腱绳的一端均与对应的远指节固定连接,另一端穿过所述第一走线座和对应的所述走线孔后固定于所述丝杆滑块上,所述丝杆滑块的直线运动带动所述拇指腱绳和手指腱绳拉伸或放松,以使所述食指、中指、无名指、小指和拇指进行耦合屈伸运动。
在本发明的一个实施例中,所述第一驱动结构的数量为1至5个,所述丝杆滑块上开设有五个所述走线孔。
在本发明的一个实施例中,所述假肢手还包括设置于所述支撑结构上的第二驱动结构,所述第二驱动结构用于驱动所述拇指进行内收外展运动。
在本发明的一个实施例中,所述第二驱动结构包括第二驱动元件、第二传动组件、转轴和固定帽,所述第二传动组件的首端与所述第二驱动元件的输出端连接,末端与所述转轴连接,且用于将所述第二驱动元件的动力传输给所述转轴;所述拇指还包括拇指基座,所述拇指近指节与所述拇指手指基座的一端转动连接,所述拇指基座的另一端与所述转轴固定连接,所述固定帽固定于所述转轴的一端,以限制所述拇指基座的轴向移动。
在本发明的一个实施例中,所述支撑结构包括支撑架,以及设置于所述支撑架上的固定座和丝杆座,所述第一驱动元件、第二驱动元件固定于所述固定座上,所述丝杆的一端与所述固定座连接,另一端与所述丝杆座连接,所述第一走线座安装于所述丝杆座上。
在本发明的一个实施例中,所述食指、中指、无名指和小指均还包括手指基座、第一扭簧、第二扭簧、第三扭簧、第一指节轴、第二指节轴和第三指节轴,所述第一扭簧套设于所述第一指节轴上,所述第二扭簧套设于所述第二指节轴上,所述第三扭簧套设于所述第三指节轴上,所述手指基座固定于所述支撑架上,所述手指近指节通过所述第一扭簧和第一指节轴与所述手指基座转动连接,所述手指中指节通过所述第二扭簧和第二指节轴与所述手指近指节转动连接,所述手指远指节通过所述第三扭簧和第三指节轴与所述手指中指节转动连接;
所述拇指还包括第四扭簧、第五扭簧、第四指节轴和第五指节轴,所述第四扭簧套设于所述第四指节轴上,所述第五扭簧套设于所述第五指节轴上,所述拇指近指节通过所述第四扭簧和第四指节轴与所述拇指近指节转动连接;所述拇指远指节通过所述第五扭簧和第五指节轴与所述拇指近指节转动连接。
在本发明的一个实施例中,所述手指近指节内均开设有第一通孔,所述手指中指节内均开设有第二通孔,所述拇指近指节内开设有第三通孔,所述第一通孔和第二通孔用于供所述手指腱绳穿过,所述第三通孔用于供所述拇指腱绳穿过。
在本发明的一个实施例中,所述食指、中指、无名指和小指均还包括第一螺线管,所述拇指还包括第二螺线管,所述手指腱绳穿设所述第一螺线管,所述拇指腱绳穿设所述第二螺线管。
在本发明的一个实施例中,所述丝杆座上还安装有第二走线座,所述拇指结构还包括设置于所述支撑结构上的第一滑轮和第二滑轮,所述第二滑轮与所述第一滑轮等高,所述拇指腱绳的一端穿过所述第二走线座后与所述第一滑轮的一侧相切,所述拇指腱绳对所述第一滑轮的切线与所述第二走线座的轴线重合,所述拇指腱绳绕过所述第一滑轮和第二滑轮后与所述丝杆滑块上的走线孔的轴线重合。
在本发明的一个实施例中,所述第一传动组件包括第一减速器、第一齿轮和第二齿轮,所述第一减速器与所述第一驱动元件的输出轴连接,所述第一齿轮固定套接于所述第一减速器的输出轴上,所述第二齿轮固定套接于所述丝杆上且与所述第一齿轮啮合;所述第二驱动组件包括第二减速器、第三齿轮和第四齿轮,所述第二减速器与所述第二驱动元件的输出轴连接,所述第三齿轮固定套接于所述第二减速器的输出轴上,所述第四齿轮固定套接于所述转轴上且与所述第三齿轮啮合。
实施本发明的一种假肢手,具有以下有益效果:
第一、本发明的假肢手仿照自然人手的外观设计了食指、中指、无名指、小指和拇指共5根手指,14个指节,能够能满足使用者基本的日常动作需求;
第二、五根手指和驱动五根手指进行耦合屈伸运动的第一驱动结构采用模块化设计,能够实现单根手指屈伸及不同手指的合并动作,如力量抓握、精捏、侧捏以及钩状抓握等,其中,一个第一驱动结构实现一个主动自由度,可以根据所设计的假肢手的自由度需求选择第一驱动结构的数目,因此可以实现单自由度、两自由度、三自由度、四自由度和五自由度的假肢手手指主动屈伸的自由度数目,并且,不同自由度假肢手在装配第一驱动结构所驱动的手指时有多种装配方案,不同的装配方案能实现不同的假肢手的动作;
第三、目前假肢手多采用肌电信号作为直觉控制的输入信号,而截肢患者残余肌肉端能够提供的信号有限,因此其能控制的假肢手的自由度数目受限,根据截肢患者所能提供的控制信息选择合适的假肢手自由度数目,不仅能够最大程度的利用控制信息,而且能够通过削减多余的自由度数目降低第一驱动结构的数目,从而减轻不必要的假肢手质量;
第四、手指采用腱传动的设计结构,根据所选第一驱动结构的数量及装配方案,可以实现单根手指屈伸或者多根手指同时屈伸,手指指节间能耦合屈伸运动,从而实现一种欠驱动的假手驱动方式;
第五、第一驱动结构设置于支撑结构内,不会对腕部动作造成干涉,整个假肢手结构紧凑,假肢手动作多,成本较低,为截肢患者提供了一种较实用、易于商业化的假肢手。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的假肢手的前视结构示意图;
图2是本发明实施例提供的假肢手的左视结构示意图;
图3是本发明实施例提供的第一驱动结构的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的丝杆滑块的俯视图;
图5是本发明实施例提供的拇指结构和第二驱动结构的前视结构示意图;
图6是本发明实施例提供的拇指结构和第二驱动结构的右视结构示意图;
图7是本发明实施例提供的第一螺线管和第二螺线管的结构示意图;
图8是本发明实施例提供的单自由度假肢手的结构示意图;
图9是本发明一个实施例提供的双自由度假肢手的结构示意图;
图10是本发明另一个实施例提供的双自由度假肢手的结构示意图。
上述附图所涉及的标号明细如下:
100-手指结构;101-手指基座;102-第一扭簧;103-手指近指节;1031-第一通孔;104-第二扭簧;105-手指中指节;1051-第二通孔;106-第三扭簧;107-手指远指节;108-手指腱绳;109-第一螺线管;
200-拇指结构;201-拇指基座;202-第四扭簧;203-拇指近指节;2031-第三通孔;204-第五扭簧;205-拇指远指节;206-拇指腱绳;207-第二螺线管;208-第二走线座;209-第一滑轮;210-第二滑轮;211-端子卡扣;
300-第一驱动结构;301-第一驱动元件;302-第一减速器;303-第一齿轮;304-第二齿轮;305-丝杆滑块;3051-走线孔;3052-导向孔;306-丝杆;307-导向杆;308-第一走线座;
400-第二驱动结构;401-第二驱动元件;402-第二减速器;403-第三齿轮;404-第四齿轮;405-转轴;406-固定帽;
500-支撑结构;501-支撑架;502-固定座;503-丝杆座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需说明的是,当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件,它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件,它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置,仅是为了便于描述,不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
针对目前假肢手成本高、重量大、灵活度差以及实用性差等问题,本发明实施例提出了一种假肢手,其中,控制该假肢手手指屈伸运动的驱动结构采用模块化设计,而且假肢手针对使用者进行了个性化设计,其以满足使用者基本日常动作需求为目标,针对使用者需求选择合适的自由度数目及驱动结构的装配方案,并尽量降低假肢手的质量。本发明实施例可实现多种多自由度假肢手构型,针对使用者的实际情况设计假肢手自由度数目,针对使用者的常用动作选择驱动结构对手指的装配方案,在保证使用灵巧性的情况下最大程度降低假肢手的重量,因此假肢手可接受度强、实用化潜力大。
为了说明本发明所述的技术方案,以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
请一并参阅图1和图2,其中,图1为假肢手的前视结构示意图,图2为假肢手的左视结构示意图。本发明实施例的假肢手包括支撑结构500、拇指结构200、手指结构100和至少一个第一驱动结构300。
其中,拇指结构200主要包括拇指,手指结构100包括除拇指外的四指,即包括食指、中指、无名指和小指,食指、中指、无名指、小指和拇指分别按照人类手指的相对位置布置于支撑结构500上,此处支撑结构500对应于人的手掌。食指、中指、无名指和小指采用模块化设计,其运动原理相同,只在长度上有所差异。在本实施例中,通过改变拇指的安装位置可以进行左右假肢手的安装。
拇指具有两个指节,具体包括由近到远依次设置的拇指近指节203和拇指远指节205(离手掌较近的指节称为近指节,离手掌较远的指节称为远指节,下同),以及连接拇指远指节205和第一驱动结构300的拇指腱绳206。食指、中指、无名指和小指均具有三个指节,具体包括由近到远依次设置的手指近指节103、手指中指节105和手指远指节107,以及用于连接手指远指节107和第一驱动结构300的手指腱绳108。
请结合图3,每一第一驱动结构300包括设置于支撑结构500上的第一驱动元件301、第一传动组件、丝杆306、丝杆滑块305、导向杆307和第一走线座308。其中,第一传动组件的首端与第一驱动元件301的输出端连接,第一传动组件的末端与丝杆306连接,该第一传动组件用于将第一驱动元件301的动力传输给丝杆306,进而带动丝杆306转动;丝杆滑块305分别套设于丝杆306和导向杆307外,以将丝杆306的转动转化为丝杆滑块305沿丝杆306轴向的直线运动,导向杆307起到导向的作用,可限制丝杆滑块305的转动;丝杆滑块305上开设有与第一走线座308一一对应且同轴设置的走线孔3051,拇指腱绳206和手指腱绳108的一端均与对应的远指节固定连接(如拇指腱绳206的一端与拇指远指节205固定连接,手指腱绳108的一端与手指远指节107固定连接),另一端穿过第一走线座308和对应的走线孔3051后固定于丝杆滑块305上,丝杆滑块305的直线运动带动拇指腱绳206和手指腱绳108拉伸或放松,以使食指、中指、无名指、小指和拇指进行耦合屈伸运动。
在具体应用中,丝杠滑块在丝杠的转动下沿着丝杠的轴向方向(也即导向杆307轴向方向)做上下直线运动,在丝杆滑块305上开设有导向孔3052,该导向孔3052用于限制导向杆307。
本发明实施例的假肢手至少具有以下有益效果:
第一、本发明的假肢手仿照自然人手的外观设计了食指、中指、无名指、小指和拇指共5根手指,14个指节,能够能满足使用者基本的日常动作需求;
第二、五根手指和驱动五根手指进行耦合屈伸运动的第一驱动结构300采用模块化设计,能够实现单根手指屈伸及不同手指的合并动作,如力量抓握、精捏、侧捏以及钩状抓握等,其中,一个第一驱动结构300实现一个主动自由度,可以根据所设计的假肢手的自由度需求选择第一驱动结构300的数目,因此可以实现单自由度、两自由度、三自由度、四自由度和五自由度的假肢手手指主动屈伸的自由度数目,并且,不同自由度假肢手在装配第一驱动结构300所驱动的手指时有多种装配方案,不同的装配方案能实现不同的假肢手的动作;
第三、目前假肢手多采用肌电信号作为直觉控制的输入信号,而截肢患者残余肌肉端能够提供的信号有限,因此其能控制的假肢手的自由度数目受限,根据截肢患者所能提供的控制信息选择合适的假肢手自由度数目,不仅能够最大程度的利用控制信息,而且能够通过削减多余的自由度数目降低第一驱动结构300的数目,从而减轻不必要的假肢手质量;
第四、手指采用腱传动的设计结构,根据所选第一驱动结构300的数量及装配方案,可以实现单根手指屈伸或者多根手指同时屈伸,手指指节间能耦合屈伸运动,从而实现一种欠驱动的假手驱动方式;
第五、第一驱动结构300设置于支撑结构500内,不会对腕部动作造成干涉,整个假肢手结构紧凑,假肢手动作多,成本较低,为截肢患者提供了一种较实用、易于商业化的假肢手。
在本发明的一个实施例中,第一驱动结构300的数量为1至5个,进而实现假肢手的1至5个自由度。另外,请结合图4,丝杆滑块305上开设有五个走线孔3051,其对应五个第一走线座308,五个走线孔3051和五个第一走线座308是一一对应且轴线重合的,其中,第一走线座308的数量可以根据需要驱动的手指数量进行安装,一个第一驱动结构300所对应的位置最多可以安装5个第一走线座308。在具体应用中,五个走线孔3051沿圆周方向均匀布置且贯穿丝杆滑块305,其可分别对应五根手指,进而实现五根手指一起屈伸,也可对应其中的1至4根手指,进而实现其中1至4根手指的屈伸。在本实施例中,通过选择第一驱动结构300的不同数目,以及选择应用走线孔3051的数目,可以实现手指的耦合屈伸运动。
在本发明的一个实施例中,通过第一驱动结构300实现手指的耦合屈伸运动,拇指的外展内收由另外单独的第二驱动结构400完成,第一驱动结构300和第二驱动结构400两者结合起来,最多可实现六自由度假肢手。
具体地,请结合图5和图6,假肢手还包括设置于支撑结构500上的第二驱动结构400,该第二驱动结构400用于驱动拇指进行内收外展运动。在本实施例中,第二驱动结构400设置于支撑结构500内,不会对腕部动作造成干涉。
在本发明的一个实施例中,第二驱动结构400包括第二驱动元件401、第二传动组件、转轴405和固定帽406。其中,第二传动组件的首端与第二驱动元件401的输出端连接,第二传动组件的末端与转轴405连接,该第二传动组件用于将第二驱动元件401的动力传输给转轴405,进而使得转轴405转动。在本实施例中,拇指还包括拇指基座201,拇指近指节203与拇指基座201的一端转动连接,拇指基座201的另一端与转轴405固定连接,通过转轴405转动带动拇指基座201转动,进而带动拇指进行内收外展运动。固定帽406固定于转轴405的一端,以限制拇指基座201的轴向移动。
在本发明的一个实施例中,支撑结构500包括支撑架501,以及设置于支撑架501上的固定座502和丝杆座503,其中,第一驱动元件301、第二驱动元件401固定于固定座502上,丝杆306的一端与固定座502连接,丝杆306的另一端与丝杆座503连接,通过丝杆座503限制丝杆306位置,第一走线座308安装于丝杆座503上。在本实施例中,固定帽406将拇指基座201固定于固定座502与固定帽406之间,以限制拇指基座201的轴向移动。在具体应用中,丝杆306通过轴承与固定座502连接,并通过轴承与丝杆座503连接。优选地,拇指基座201与固定座502和固定帽406之间均具有一定距离,以防止拇指基座201与固定座502和固定帽406之间发生摩擦。
另外,可通过调整第一走线座308和丝杠座的重合程度调整腱绳的连接长度,使腱绳处于紧绷状态,方便安装和实际使用中调整。优选地,有效调整长度为丝杠座的厚度。
在本发明的一个实施例中,食指、中指、无名指和小指均还包括手指基座101、第一扭簧102、第二扭簧104、第三扭簧106、第一指节轴、第二指节轴和第三指节轴。其中,第一扭簧102套设于第一指节轴上,第二扭簧104套设于第二指节轴上,第三扭簧106套设于第三指节轴上,手指基座101固定于支撑架501上,手指近指节103通过第一扭簧102和第一指节轴与手指基座101转动连接,手指中指节105通过第二扭簧104和第二指节轴与手指近指节103转动连接,手指远指节107通过第三扭簧106和第三指节轴与手指中指节105转动连接。
拇指还包括第四扭簧202、第五扭簧204、第四指节轴和第五指节轴。其中,第四扭簧202套设于第四指节轴上,第五扭簧204套设于第五指节轴上,拇指近指节203通过第四扭簧202和第四指节轴与拇指近指节203转动连接;拇指远指节205通过第五扭簧204和第五指节轴与拇指近指节203转动连接。
在本实施例中,通过设置在关节轴的扭簧,实现腱绳放松状态下手指的伸展。
在本发明的一个实施例中,为了便于穿设腱绳,在手指近指节103内均开设有第一通孔1031,在手指中指节105内均开设有第二通孔1051,在拇指近指节203内开设有第三通孔2031,该第一通孔1031和第二通孔1051用于供手指腱绳108穿过,该第三通孔2031用于供拇指腱绳206穿过。
请结合图7,在本发明的一个实施例中,食指、中指、无名指和小指均还包括第一螺线管109,第一螺线管109的一端与手指远指节107连接,第一螺线管109的另一端与对应的第一走线座308连接。拇指还包括第二螺线管207,第二螺线管207的一端与拇指远指节205连接,第二螺线管207的另一端与对应的第一走线座308连接。上述手指腱绳108穿设第一螺线管109设置,拇指腱绳206穿设第二螺线管207设置。其中,第一螺线管109和第二螺线管207是小径、中空、可弯曲、不可拉伸或压缩的走线通道,该螺线管用于限制腱绳的位置,并通过螺线管可以限制位于螺线管内部的腱绳的长度。另外,通过调整螺线管和第一走线座308的相对位置,使腱绳在初始位置处于绷紧的状态。
在具体应用中,上述手指腱绳108的一端固定于对应的手指远指节107上,另一端通过手指中指节105的第一通孔1031,再经过手指近指节103的第二通孔1051,后经过第一螺线管109导向并通过第一走线座308,然后再通过走线孔3051后,由端子卡扣211将手指腱绳108的末端固定于丝杆滑块305上的走线孔3051附近。其中,手指腱绳108在对应的第一走线座308与丝杆滑块305之间的线段是垂直的,即与走线孔3051轴线重合。手指腱绳108呈张紧状态且不具有伸缩能力。
在本发明的一个实施例中,在丝杆座503上还安装有第二走线座208,拇指结构200还包括设置于支撑结构500上的第一滑轮209和第二滑轮210,第二滑轮210与第一滑轮209等高,拇指腱绳206的一端穿过第二走线座208后与第一滑轮209的一侧相切,拇指腱绳206对第一滑轮209的切线与第二走线座208的轴线重合,拇指腱绳206绕过第一滑轮209和第二滑轮210后与丝杆滑块305上的走线孔3051的轴线重合。在本实施例中,第一滑轮209和第二滑轮210起到导向的作用。
在具体应用中,拇指腱绳206的一端固定于拇指远指节205上,另一端从拇指近指节203的第三通孔2031出来后,经过第二螺线管207导向并通过第二走线座208后和第一滑轮209一侧相切,拇指腱绳206对第一滑轮209的切线与第二走线座208的轴线重合,拇指腱绳206绕过第二滑轮210后和丝杠滑块上的走线孔3051中的一个孔轴线重合,通过走线孔3051后,由端子卡扣211将拇指腱绳206的末端固定于丝杠滑块上的走线孔3051附近。第一滑轮209和第二滑轮210固定与丝杠座上。拇指腱绳206是张紧状态且不具有伸缩能力。
在本发明的一个实施例中,第一传动组件包括第一减速器302、第一齿轮303和第二齿轮304。其中,第一减速器302与第一驱动元件301的输出轴连接,第一齿轮303固定套接于第一减速器302的输出轴上,第二齿轮304固定套接于丝杆306上且与第一齿轮303啮合。第一驱动元件301经第一减速器302减速后,带动第一齿轮303转动,第一齿轮303带动第二齿轮304转动,从而带动丝杠转动。
第二驱动组件包括第二减速器402、第三齿轮403和第四齿轮404,其中,第二减速器402与第二驱动元件401的输出轴连接,第三齿轮403固定套接于第二减速器402的输出轴上,第四齿轮404固定套接于转轴405上且与第三齿轮403啮合。第二驱动元件401经第二减速器402减速后,带动第三齿轮403转动,第三齿轮403带动第四齿轮404转动,从而带动转轴405转动。
在具体应用中,第一驱动元件301和第二驱动元件401可以是驱动马达,驱动马达包括但不仅限于电动机,也可以是液/气压驱动器、形状记忆合金驱动器等其他驱动器。
优选地,在本发明的一个实施例中,在手指(包括食指、中指、无名指、小指和拇指)的末端远指节设置有自适应机构,该自适应机构使假肢手对所抓取的物体形状有一定的适应性,以增强抓取的稳定性。其中,该自适应机构可以是扭簧,其使得末端指节处于弯曲状态,以适应物体形状。
在本发明实施例中,手指结构100的屈伸由第一驱动结构300实现,其具体实现方式如下:
第一驱动元件301通过第一减速器302减速后驱动固定于第一减速器302的输出轴上的第一齿轮303转动,第一齿轮303与第二齿轮304啮合,第二齿轮304固定于丝杠的轴端,带动丝杠转动,丝杠滑块和丝杠配合运动,将丝杠的转动运动转化为丝杠滑块的直线运动;固定于固定座502和丝杠座上的导向杆307用来限制丝杠滑块的转动;驱动手指结构100的手指腱绳108的一端固定于丝杠滑块的走线孔3051上;因此,当第一驱动元件301正向通电后,丝杠滑块垂直向下运动,带动手指腱绳108拉伸,从而带动手指结构100的弯曲;当第一驱动元件301反向通电后,丝杠滑块垂直向上运动,使得手指腱绳108放松,手指结构100在第一扭簧102、第二扭簧104和第三扭簧106的作用下恢复到初始位置。
拇指结构200的屈伸同样由第一驱动结构300实现,其具体实现方式如下:
第一驱动元件301通过第一减速器302减速后驱动固定于第一减速器302轴上的第一齿轮303转动,第三齿轮403与第二齿轮304啮合,第二齿轮304固定于丝杠的轴端,带动丝杠转动,丝杠滑块和丝杠配合运动,将丝杠的转动运动转化为丝杠滑块的直线运动;固定于固定座502和丝杠座的导向杆307用来限制丝杠滑块的转动;驱动拇指结构200的拇指腱绳206的一端固定在丝杠滑块的走线孔3051上,另一端经过第一滑轮209和第二滑轮210变向,经过第二螺线管207导向,通过拇指近指节203的第三通孔2031连接到拇指远指节205上;拇指腱绳206处于绷紧状态,因此,当第一驱动元件301正向通电后,丝杠滑块垂直向下运动,拉动拇指腱绳206,从而带动拇指结构200的弯曲;当第一驱动元件301反向通电后,丝杠滑块垂直向上运动,使得拇指腱绳206放松,拇指结构200在扭第四簧和第五扭簧204的作用下恢复到初始位置。
拇指结构200的内收外展由第二驱动结构400实现,其具体实现方式如下:
第二通驱动元件过第二减速器402减速后驱动固定于第二减速器402轴上的第三齿轮403转动,第三齿轮403与第四齿轮404啮合,第四齿轮404固定于转轴405的一端,带动转轴405转动,拇指基座201和转轴405固定,可以在转轴405的带动下转动,因此,当第二驱动元件401正向通电后,带动拇指结构200完成内收运动;当第二驱动元件401反向通电后,带动拇指结构200完成外展运动。
由于假肢手的第一驱动结构300采用模块化的设计,因此对第一驱动结构300和第二驱动结构400进行不同数量的选择和组装能够实现多种自由度假肢手。假肢手的手指结构100同样采用模块化的设计结构,因此,对于手指数量的选择和装配,可以实现不同手指数量的假肢手。在具体应用中,驱动结构的组合方式如下:
(1)单主动自由度假肢手
选择一个第一驱动结构300作为多根手指的驱动结构,可以实现五根手指同时屈曲/伸展运动,拇指可以被动内外旋。这里以五根手指为例,假肢手安装的原理示意图如图8所示。五根手指对应的腱绳分别固定于丝杠滑块的五个走线孔3051中,丝杠座上对应五个走线孔3051的位置安装五个第一走线座308,调整第一走线座308相对丝杠座的位置使各腱绳紧绷。因此,当第一驱动元件301正向通电后,丝杠滑块垂直向下运动,拉动各腱绳,从而带动手指结构100和拇指结构200的弯曲;当第一驱动元件301反向通电后,丝杠滑块垂直向上运动,使得各腱绳放松,拇指结构200和手指结构100都恢复到初始位置。此时,拇指可以被动内收外展。
其中,单主动自由度假肢手只有一种实现方案。
(2)两主动自由度假肢手
两主动自由度假肢手有两种驱动选择方案,第一种是选择一个第一驱动结构300作为五根手指同步屈伸的驱动结构,选择一个第二驱动结构400作为拇指内收外展的驱动机构,假肢手的安装原理示意图如图9(部分结构省略)所示。
第二种是选择两个第一驱动结构300作为多根手指屈伸的驱动结构,可以根据所要完成的动作和排列组合的方法作如下15种驱动屈伸的动作分配方案:①第一个第一驱动结构300驱动一根手指,第二个第一驱动结构300驱动四根手指,有如下5种可行的手指驱动分配方法(其中ABCDE分别表示拇指、食指、中指、无名指、小指):A\BCDE、B\ACDE、C\ABDE、D\ABCE、E\ABCD;②第一个第一驱动结构300驱动两根手指,第二个第一驱动结构300驱动三根手指,有如下10种可行的手指驱动分配方法:AB\CED、AC\BDE、AD\BCE、AE\BCD、BC\ADE、BD\ACE、BE\ADC、CD\ABE、CE\ABD、DE\ABC(如图10所示,部分结构省略,其他驱动方案类似,不再单独表示)。此时,拇指可以被动内外旋。
其中,两主动自由度假肢手有26种实现方案。
(3)三主动自由度假肢手
三主动自由度假肢手有两种驱动选择方案,第一种是选择两个第一驱动结构300作为多根手指同步屈伸的驱动结构,选择一个第二驱动结构400作为拇指内收外展的驱动结构。此时,手指屈伸有上述两主动自由度假肢手的第二种方案中的15种驱动方案。其安装方式和示意图和上方案类似,此处不再单独表示。
第二种是选择三个第一驱动结构300作为多根手指屈伸的驱动结构,可以根据所要完成的动作和腱绳对应驱动结构的连接方法作如下25种驱动屈伸的动作分配方案:①第一个第一驱动结构300驱动一根手指,第二个第一驱动结构300驱动一根手指,第三个第一驱动结构300驱动三根手指,有如下10种可行的手指驱动分配方法:A\B\CED、A\C\BDE、A\D\BCE、A\E\BCD、B\C\ADE、B\D\ACE、B\E\ADC、C\D\ABE、C\E\ABD、D\E\ABC;②第一个第一驱动结构300驱动一根手指,第二个第一驱动结构300驱动两根手指,第三个第一驱动结构300驱动两根手指,有如下15种可行的手指驱动分配方法:A\BC\DE、A\BD\CE、A\BE\CD、B\AC\DE、B\AD\CE、B\AE\CD、C\AB\DE、C\AD\BE、C\AE\BD、D\AB\CE、D\AC\BE、D\AE\BC、E\AB\CD、E\AC\BD、E\AD\BC。此时,拇指可以被动内外旋。
其中,三主动自由度假肢手有40种实现方案。
(4)四主动自由度假肢手
四主动自由度假肢手有两种驱动选择方案,第一种是选择三个第一驱动结构300作为多根手指同步屈伸的驱动结构,选择一个第二驱动结构400作为拇指内收外展的驱动结构,此时,手指屈伸有上述三主动自由度假肢手第二种方法的25种驱动方案。
第二种是选择四个第一驱动结构300作为多根手指屈伸的驱动结构,第一个第一驱动结构300驱动一根手指,第二个第一驱动结构300驱动一根手指,第三个第一驱动结构300驱动一根手指,第四个第一驱动结构300驱动两根手指,可以根据所要完成的动作和腱绳对应驱动结构的连接方法作如下10种驱动屈伸的动作分配:A\B\C\DE、A\B\D\CE、A\B\E\CD、A\C\D\BE、A\C\E\BD、B\D\ACE、A\D\E\BC、B\C\D\AE、B\C\E\AD、B\D\E\AC、C\D\E\AB。此时,拇指可以被动内外旋。
其中,四主动自由度假肢手有35种实现方案。
(5)五主动自由度假肢手
五主动自由度假肢手有两种驱动选择方案,第一种是选择四个第一驱动结构300作为多根手指同步屈伸的驱动结构,选择一个第二驱动结构400作为拇指内收外展的驱动机构,手指屈伸有如四主动自由度假肢手第二种方法的10种驱动方案。
第二种是选择五个第一驱动结构300作为多根手指屈伸的驱动结构。每根手指通过单独的第一驱动结构300完成屈伸运动。在对应第一驱动结构300的位置安装对应驱动手指的腱绳。此时,拇指可以被动内外旋。
其中,五主动自由度假肢手有11种实现方案。
(6)六主动自由度假肢手
六主动自由度假肢手选择五个第一驱动结构300驱动手指实现屈伸运动,每个第一驱动结构300驱动一根手指,选择一个第二驱动结构400实现拇指内收外展运动。
其中,六主动自由度假肢手有1种实现方案。
综上所述,本发明实施例所设计的假肢手共有114种实现方案。
以上所述仅为本发明的可选实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种假肢手,其特征在于,包括:
支撑结构;
拇指结构,包括拇指;
手指结构,包括食指、中指、无名指和小指,所述食指、中指、无名指、小指和拇指分别按照人类手指的相对位置布置于支撑结构上;以及
至少一个第一驱动结构;
所述拇指包括由近到远依次设置的拇指近指节和拇指远指节,以及拇指腱绳;所述食指、中指、无名指和小指均包括由近到远依次设置的手指近指节、手指中指节和手指远指节,以及手指腱绳;
每一所述第一驱动结构包括设置于所述支撑结构上的第一驱动元件、第一传动组件、丝杆、丝杆滑块、导向杆和第一走线座;所述第一传动组件的首端与所述第一驱动元件的输出端连接,末端与所述丝杆连接,且用于将所述第一驱动元件的动力传输给所述丝杆;所述丝杆滑块分别套设于所述丝杆和所述导向杆外,以将所述丝杆的转动转化为所述丝杆滑块沿丝杆轴向的直线运动;所述丝杆滑块上开设有与所述第一走线座一一对应且同轴设置的走线孔,所述拇指腱绳和手指腱绳的一端均与对应的远指节固定连接,另一端穿过所述第一走线座和对应的所述走线孔后固定于所述丝杆滑块上,所述丝杆滑块的直线运动带动所述拇指腱绳和手指腱绳拉伸或放松,以使所述食指、中指、无名指、小指和拇指进行耦合屈伸运动。
2.如权利要求1所述的假肢手,其特征在于,所述第一驱动结构的数量为1至5个,所述丝杆滑块上开设有五个所述走线孔。
3.如权利要求1所述的假肢手,其特征在于,所述假肢手还包括设置于所述支撑结构上的第二驱动结构,所述第二驱动结构用于驱动所述拇指进行内收外展运动。
4.如权利要求3所述的假肢手,其特征在于,所述第二驱动结构包括第二驱动元件、第二传动组件、转轴和固定帽,所述第二传动组件的首端与所述第二驱动元件的输出端连接,末端与所述转轴连接,且用于将所述第二驱动元件的动力传输给所述转轴;所述拇指还包括拇指基座,所述拇指近指节与所述拇指手指基座的一端转动连接,所述拇指基座的另一端与所述转轴固定连接,所述固定帽固定于所述转轴的一端,以限制所述拇指基座的轴向移动。
5.如权利要求4所述的假肢手,其特征在于,所述支撑结构包括支撑架,以及设置于所述支撑架上的固定座和丝杆座,所述第一驱动元件、第二驱动元件固定于所述固定座上,所述丝杆的一端与所述固定座连接,另一端与所述丝杆座连接,所述第一走线座安装于所述丝杆座上。
6.如权利要求5所述的假肢手,其特征在于,所述食指、中指、无名指和小指均还包括手指基座、第一扭簧、第二扭簧、第三扭簧、第一指节轴、第二指节轴和第三指节轴,所述第一扭簧套设于所述第一指节轴上,所述第二扭簧套设于所述第二指节轴上,所述第三扭簧套设于所述第三指节轴上,所述手指基座固定于所述支撑架上,所述手指近指节通过所述第一扭簧和第一指节轴与所述手指基座转动连接,所述手指中指节通过所述第二扭簧和第二指节轴与所述手指近指节转动连接,所述手指远指节通过所述第三扭簧和第三指节轴与所述手指中指节转动连接;
所述拇指还包括第四扭簧、第五扭簧、第四指节轴和第五指节轴,所述第四扭簧套设于所述第四指节轴上,所述第五扭簧套设于所述第五指节轴上,所述拇指近指节通过所述第四扭簧和第四指节轴与所述拇指近指节转动连接;所述拇指远指节通过所述第五扭簧和第五指节轴与所述拇指近指节转动连接。
7.如权利要求1至6任一项所述的假肢手,其特征在于,所述手指近指节内均开设有第一通孔,所述手指中指节内均开设有第二通孔,所述拇指近指节内开设有第三通孔,所述第一通孔和第二通孔用于供所述手指腱绳穿过,所述第三通孔用于供所述拇指腱绳穿过。
8.如权利要求1至6任一项所述的假肢手,其特征在于,所述食指、中指、无名指和小指均还包括第一螺线管,所述拇指还包括第二螺线管,所述手指腱绳穿设所述第一螺线管,所述拇指腱绳穿设所述第二螺线管。
9.如权利要求5所述的假肢手,其特征在于,所述丝杆座上还安装有第二走线座,所述拇指结构还包括设置于所述支撑结构上的第一滑轮和第二滑轮,所述第二滑轮与所述第一滑轮等高,所述拇指腱绳的一端穿过所述第二走线座后与所述第一滑轮的一侧相切,所述拇指腱绳对所述第一滑轮的切线与所述第二走线座的轴线重合,所述拇指腱绳绕过所述第一滑轮和第二滑轮后与所述丝杆滑块上的走线孔的轴线重合。
10.如权利要求4所述的假肢手,其特征在于,所述第一传动组件包括第一减速器、第一齿轮和第二齿轮,所述第一减速器与所述第一驱动元件的输出轴连接,所述第一齿轮固定套接于所述第一减速器的输出轴上,所述第二齿轮固定套接于所述丝杆上且与所述第一齿轮啮合;所述第二驱动组件包括第二减速器、第三齿轮和第四齿轮,所述第二减速器与所述第二驱动元件的输出轴连接,所述第三齿轮固定套接于所述第二减速器的输出轴上,所述第四齿轮固定套接于所述转轴上且与所述第三齿轮啮合。
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