CN111529148B - 一种仿生手拇指装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生手拇指装置，涉及仿生假肢领域，包括拇指单元、换向单元、传动单元、內掌子块、外掌子块、传动绳索；所述拇指单元与所述换向单元的第一端连接，所述换向单元的第二端与所述內掌子块固定连接，所述传动单元与所述內掌子块和所述外掌子块固定连接，所述內掌子块和所述外掌子块固定连接，所述传动绳索贯穿于所述拇指单元、所述换向单元、所述传动单元、所述內掌子块和所述外掌子块。本发明能够实现屈曲伸展和对掌功能，配合仿生手四指实现抓握、捏取等日常常用动作，且成本低、质量轻和实用性强，从而提高假手的仿人性以及灵巧性，满足实际情况的需要。

Description

一种仿生手拇指装置

技术领域

本发明涉及仿生假肢领域，尤其涉及一种仿生手拇指装置。

背景技术

我国的肢体残疾患者数量庞大。据2006年全国第二次残疾人口抽样调查，残疾人口占总人口的比例为6.34％；其中主要的残疾类别便是肢体残疾，大约有2412万人。人手经过数百万年的进化，具有高度的灵巧性和卓越的操作性能。手是人体最为重要的肢体部位之一，人们的各种日常活动均离不开手。因意外伤害和疾病导致的肢体残缺，不仅影响外表的美观，而且会严重影响患者的生活质量。研究发现，穿戴假手的日常行为中，日常生活的力量抓握占35％、精捏占30％，侧捏占20％，其他动作如食指伸、钩状抓握等也应用较多。因此，研发一款的与人手功能相近的假肢，不仅具有迫切的市场需求，而且具有重大的现实意义。

拇指在手的功能中占极其重要的地位，运动功能占整个手功能的18％，对掌运动功能占60％；其中，对掌运动，是指拇指尖的掌面和其他各指的掌面相接触的运动。对掌运动功能是人类在长期的生产过程中进化出的特有能力，使人手能够执行复杂的捏取动作以及使手掌适应具有复杂曲面的被操作对象。拇指的对掌运动是一个多关节、多肌肉的复杂协作运动，主要由拇指的外展、旋前、屈曲即桡偏组成。充分的拇指对掌功能要求拇指有充分的外展，同时产生旋前运动。

现有的大部分假手尚未充分实现对掌功能，难以执行复杂的捏取动作。对于肢体残缺患者，若假手的仿人性和灵活性达不到患者心中预想，会严重影响患者穿戴的舒适感，降低假手的使用效率。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种仿生手拇指装置，能够实现屈曲伸展和对掌功能，且成本低、质量轻和实用性强，从而提高假手的仿人性以及灵巧性，满足实际情况的需要。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何充分实现屈曲伸展和对掌功能，且成本低、质量轻和实用性强，从而提高假手的仿人性以及灵巧性，满足实际情况的需要的一种仿生手拇指装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种仿生手拇指装置，包括拇指单元、换向单元、传动单元、內掌子块、外掌子块、传动绳索；所述拇指单元与所述换向单元的第一端连接，所述换向单元的第二端与所述內掌子块固定连接，所述传动单元与所述內掌子块和所述外掌子块固定连接，所述內掌子块和所述外掌子块固定连接，所述传动绳索贯穿于所述拇指单元、所述换向单元、所述传动单元、所述內掌子块和所述外掌子块。

进一步地，所述拇指单元与所述换向单元的第一端铰链连接。

进一步地，所述拇指单元包括掌骨关节、中指关节和远指关节；所述掌骨关节的第一端与所述换向单元的第一端连接，所述掌骨关节的第二端与所述中指关节的第一端连接；所述中指关节的第二端与所述远指关节的第一端连接。

进一步地，所述掌骨关节的第一端与所述换向单元的第一端通过铰链连接，所述掌骨关节的第二端与所述中指关节的第一端通过铰链连接；所述中指关节的第二端与所述远指关节的第一端通过铰链连接。

进一步地，所述拇指单元还包括绕线滑轮和平角弹簧；所述绕线滑轮与所述中指关节铰链连接，所述平角弹簧与所述绕线滑轮同轴，且所述平角弹簧安装于所述绕线滑轮；所述绕线滑轮被配置为改变所述传动绳索在所述拇指单元的走向。

进一步地，所述换向单元包括转换体、换向轮和转动柱；所述转换体与所述內掌子块连接，所述换向轮与所述转换体连接，所述转动柱与所述拇指单元连接，所述转动柱和所述换向轮同轴设置。

进一步地，所述换向单元还包括复位弹簧和第一滑轮；所述复位弹簧与所述转动柱和所述换向轮同轴线地连接；所述第一滑轮所述內掌子块铰链连接；所述第一滑轮被配置为改变所述传动绳索在所述换向单元的走向。

进一步地，所述转换体与所述內掌子块通过铰链连接，所述换向轮与所述转换体通过铰链连接，所述转动柱与所述拇指单元通过铰链连接。

进一步地，所述传动单元包括屈曲组件、位姿组件和连接件；所述屈曲组件被配置为通过所述传动绳索使所述拇指单元屈曲或屈曲复位；所述位姿组件被配置为通过所述传动绳索使所述拇指单元对掌或对掌复位；所述连接件连接所述屈曲组件和所述位姿组件；所述屈曲组件和所述位姿组件均与所述内掌子块固定连接。

进一步地，所述屈曲组件包括屈曲舵机、屈曲舵轮和屈曲舵盘；所述屈曲舵轮与所述屈曲舵盘固定连接，所述屈曲舵盘与所述屈曲舵机固定连接，所述屈曲舵机还与所述內掌子块固定连接；所述位姿组件包括位姿舵机、位姿舵盘、位姿舵轮；所述位姿舵轮与所述位姿舵盘固定连接，所述位姿舵盘与所述位姿舵机固定连接，所述位姿舵机与所述內掌子块固定连接。

相对于现有技术，本发明设置两个舵机作为动力源，配合传动绳索和换相单元，解耦位姿控制与屈曲控制，经过拇指单元实现假手拇指的屈曲伸展和对掌运动；配合仿生手四指实现抓握、捏取等日常常用动作，提高假手的灵活性和仿人性，并同时改善残疾患者穿戴假手的舒适度，提高假手的使用率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的仿生手拇指装置总体结构图；

图2是本发明的一个较佳实施例的拇指单元总体示意图；

图3是图2所示拇指单元A-A阶梯剖面示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的换向单元总体示意图；

图5是图4所示换向单元B-B剖面示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的传动单元总体示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的仿生手拇指装置的位姿绳索走线示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的內掌子块总体结构示意图。

附图标记说明：

1000-拇指单元，1001-绕线滑轮，1002-第二压线轴承，1003-第三正线槽，1004-第二弹簧槽，1005-第二正线槽，1006-第一弹簧槽，1007-第一返线槽，1008-第一压线轴承，1009-第一正线槽，1010-掌骨关节，1011-拇指绳索，1012-中指关节，1013-线柱，1014-远指关节，1015-第三返线槽，1016-第二返线槽，1017-复位槽，1018-线端；

2000-换向单元，2001-转换体，2002-换向轮，2003-转动柱，2004-过度沟，2005-线钩，2006-弧形槽，2007-半月环，2008-复位弹簧，2009-顶孔，2010-通线孔，2011-线尾，2012-尾孔，2013-屈曲绳索，2014-第一滑轮，2015-线头；

3000-传动单元，3001-直角弹簧，3002-屈曲舵机，3003-屈曲舵轮，3004-屈曲舵盘，3005-位姿舵机，3006-位姿舵盘，3007-位姿舵轮，3008-连接件，3009-摆轮，3010-位姿绳索；

4000-内掌子块，4001-尾柱，4002-顶座，4003-第一支柱，4005-第二支柱，4004第三支柱，4006-挡块；

5000-外掌子块。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

图1所示是本发明的一种仿生手拇指装置，包括拇指单元1000、换向单元2000、传动单元3000、內掌子块4000，外掌子块5000、传动绳索；拇指单元1000端部与换向单元2000一端铰链连接，换向单元2000与內掌子块4000固定连接，传动单元3000与內掌子块4000和外掌子块5000固定连接，所述传动绳索贯穿于拇指单元1000、换向单元2000、传动单元3000以及內掌子块4000和外掌子块5000之间，以实现各模块之间的联动控制；內掌子块4000和外掌子块5000固定连接，用于整个所述仿生手拇指装置的固定安装。

可选地，拇指单元1000端部与换向单元2000一端也可以包括轴销的连接方式。

考虑到所述传动绳索联动拇指单元1000、换向单元2000、传动单元3000以及內掌子块4000和外掌子块5000时，各模块局部受力大小和受力方向不同，可选地，所述传动绳索分段设置，包括拇指绳索、屈曲绳索和位姿绳索；所述屈曲绳索与所述拇指绳索连接。

传动单元3000通过所述屈曲绳索与换向单元2000，联动所述拇指绳索，进而带动拇指单元1000进行屈曲运动；传动单元3000所述位姿绳索与换向单元2000，带动拇指单元1000进行对掌运动。

在一些实施例中，拇指单元1000具备至少两个关节，以实现多自由度。例如，如图2和图3所示(图3为图2所示的A-A方向阶梯剖面示意图)，拇指单元1000包括掌骨关节1010、中指关节1012、远指关节1014、绕线滑轮1001和平角弹簧；掌骨关节1010的第一端与换向单元2000铰链连接，中指关节1012第一端与掌骨关节1010第二端铰链连接，远指关节1014第一端与中指关节1012第二端铰链连接，绕线滑轮1001与中指关节1012铰链连接，并同轴安装平角弹簧；绕线滑轮1001用于改变拇指绳索1011在拇指单元1000中的走向；所述平角弹簧用于使拇指单元1000的屈曲复位。

在一些实施例中，如图2和图3所示，掌骨关节1010具有第一正线槽1009、第一压线轴承1008、第一返线槽1007，第一压线轴承1008安装在所述第一正线槽1009内。

中指关节1012包括第二正线槽1005、第二压线轴承1002、第二返线槽1016，第二压线轴承1002安装于第二正线槽1005内。

掌骨关节1010和中指关节1012之间还具有第一弹簧槽1006；第一弹簧槽1006用于限定所述平角弹簧一端的轴向位移，所述平角弹簧另一端安装于中指关节1012内。

远指关节1014包括第三正线槽1003、第三返线槽1015、第二弹簧槽1004、线柱1013；第二弹簧槽1004与第一弹簧槽1006作用相同；线柱1013用于缠绕拇指绳索1011，以承受拇指绳索1011的拉力。

如图2所示，拇指绳索1011经第一正线槽1009一端进入掌骨关节1010，从第一正线槽1009另一端穿出进入第二正线槽1005，经绕线滑轮1001一周从第二正线槽1005另一端穿出，再从第三正线槽1003一端进入远指关节1014并绕过线柱1013，依次经第三返线槽1015、第二返线槽1016、第一返线槽1007后穿出。拇指绳索1011的线端1018与所述屈曲绳索相连。

在一些实施例中，如图4和图5所示(图5为图4沿B-B方向的剖面图)，换向单元2000包括转换体2001、换向轮2002、转动柱2003、复位弹簧2008、第一滑轮2014；转换体2001与內掌子块4000铰链连接，换向轮2002与转换体2001铰链连接；复位弹簧2008与转动柱2003和换向轮2002同轴线铰链连接；转动柱2003两端与掌骨关节1010的第一端铰链连接；第一滑轮2014与內掌子块4000铰链连接，用于改变屈曲绳索2013的走向。

在一些实施例中，如图4和图5所示，转换体2001包括线钩2005、弧形槽2006、半月环2007、过度沟2004、顶孔2009、通线孔2010、尾孔2012；所述位姿绳索一端缠绕弧形槽2006后固定在线钩2005上；半月环2007用于阻挡直角弹簧3001的变形量，以实现拇指单元1000的位姿复位功能，顶孔2009与內掌子块4000铰链连接，尾孔2012用于将转动体2001安装在內掌子块4000上，实现转动体2001的位姿调节功能。

屈曲绳索2013从过度沟2004进入转换体2001，绕换向轮2002一周后经通线孔2010从第一滑轮2014穿出。

拇指绳索1011的线端1018的两端与屈曲绳索2013的线尾2011固定连接，屈曲绳索2013的线头2015与传动单元3000固定连接。

在一些实施例中，掌骨关节1010具有复位槽1017(见图2)；复位槽1017在掌骨关节1010的第一端的底部成对分布，以限定复位弹簧2008远离转换体2001一端的轴向位移；复位弹簧2008另一端安装于转换体2001内。

在一些实施例中，如图6所示，传动单元3000包括直角弹簧3001、屈曲舵机3002、屈曲舵轮3003、屈曲舵盘3004、位姿舵机3005、位姿舵盘3006、位姿舵轮3007、连接件3008、摆轮3009。其中，直角弹簧3001与內掌子块4000铰链连接；屈曲舵轮3003与屈曲舵盘3004固定连接，屈曲舵盘3004与屈曲舵机3002固定连接，屈曲舵机3002还与內掌子块4000固定连接；位姿舵轮3007与位姿舵盘3006固定连接，位姿舵盘3006与位姿舵机3005固定连接，位姿舵机3005还与內掌子块4000固定连接；摆轮3009与直角弹簧3001共轴线，与內掌子块4000铰链连接。连接件3008的上下两端分别与屈曲舵机3002和位姿舵机3005固定连接，使屈曲舵机3002和位姿舵机3005间接连接成一体，增加工作时的稳定性。

可选地，屈曲绳索2013的线头2015与屈曲舵轮3003固定连接。

如图7所示，位姿舵机3005通过位姿绳索3010和摆轮3009，进而调节换向单元2000。

在一些实施例中，如图8所示，內掌子块4000包括尾柱4001、顶座4002、第一支柱4003、第二支柱4005、第三支柱4004、挡块4006；尾柱4001与尾孔2012相配合，顶座4002与第一滑轮2014通过螺钉配合，第一支柱4003与屈曲舵机3002一端固定连接，第二支柱4005和第三支柱4004均与位姿舵机3005固定连接，挡块4006与直角弹簧3001和摆轮3009同轴线，以限定直角弹簧3001和摆轮3009的轴向位移。

在如图1至图8所示的一种仿生手拇指装置中，具体工作过程如下：

微调位姿舵机3005和屈曲舵机3002，使所述拇指装置处于伸展状态。

打开控制终端，通过正向程序控制屈曲舵机3002；屈曲舵机3002通电后将带动屈曲舵盘3004和屈曲舵轮3003正向转动，屈曲舵轮3003拉动固定在其上的屈曲绳索2013；屈曲绳索2013将带动所述拇指绳索1011，拇指绳索1011缠绕在线柱1013上，将拉动线柱1013使远指关节1014产生运动，从而带动拇指单元1000产生屈曲运动。通过控制终端发出反向指令，使屈曲舵机3002反向旋转，在所述平角弹簧的作用下，拇指单元1000完成复位动作，实现所述拇指装置的屈曲伸展功能。

打开控制终端，通过正向程序控制位姿舵机3005正向旋转，带动位姿舵盘3006和位姿舵轮3007，使位姿舵轮3007拉动固定在其上的位姿绳索3010；位姿绳索3010使转换体2001产生相应的动作，进而带动拇指单元1000进行对掌运动。通过控制终端发送反向指令，使位姿舵机3005反向旋转；在复位弹簧2008的作用下，转换体2001反方向运动，从而使拇指单元1000位置复位，实现所述拇指装置的对掌复位功能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种仿生手拇指装置，其特征在于，包括拇指单元、换向单元、传动单元、内掌子块、外掌子块、传动绳索；所述拇指单元与所述换向单元的第一端连接，所述换向单元的第二端与所述内掌子块固定连接，所述传动单元与所述内掌子块和所述外掌子块固定连接，所述内掌子块和所述外掌子块固定连接，所述传动绳索贯穿于所述拇指单元、所述换向单元、所述传动单元、所述内掌子块和所述外掌子块；

所述拇指单元包括掌骨关节、中指关节、远指关节、绕线滑轮和平角弹簧；所述掌骨关节的第一端与所述换向单元的第一端连接，所述掌骨关节的第二端与所述中指关节的第一端连接；所述中指关节的第二端与所述远指关节的第一端连接；所述绕线滑轮与所述中指关节铰链连接，所述平角弹簧与所述绕线滑轮同轴，且所述平角弹簧安装于所述绕线滑轮；所述绕线滑轮被配置为改变所述传动绳索在所述拇指单元的走向；

所述换向单元包括转换体、换向轮、转动柱、复位弹簧和第一滑轮；所述转换体与所述内掌子块连接，所述换向轮与所述转换体连接，所述转动柱与所述拇指单元连接，所述转动柱和所述换向轮同轴设置；所述复位弹簧与所述转动柱和所述换向轮同轴线地连接；所述第一滑轮与所述内掌子块铰链连接；所述第一滑轮被配置为改变所述传动绳索在所述换向单元的走向；

所述传动单元包括屈曲组件、位姿组件和连接件；所述屈曲组件被配置为通过所述传动绳索使所述拇指单元屈曲或屈曲复位；所述位姿组件被配置为通过所述传动绳索使所述拇指单元对掌或对掌复位；所述连接件连接所述屈曲组件和所述位姿组件；所述屈曲组件和所述位姿组件均与所述内掌子块固定连接；所述屈曲组件包括屈曲舵机、屈曲舵轮和屈曲舵盘；所述屈曲舵轮与所述屈曲舵盘固定连接，所述屈曲舵盘与所述屈曲舵机固定连接，所述屈曲舵机还与所述内掌子块固定连接；所述位姿组件包括位姿舵机、位姿舵盘、位姿舵轮；所述位姿舵轮与所述位姿舵盘固定连接，所述位姿舵盘与所述位姿舵机固定连接，所述位姿舵机与所述内掌子块固定连接。

2.如权利要求1所述的仿生手拇指装置，其特征在于，所述拇指单元与所述换向单元的第一端铰链连接。

3.如权利要求1所述的仿生手拇指装置，其特征在于，所述掌骨关节的第一端与所述换向单元的第一端通过铰链连接，所述掌骨关节的第二端与所述中指关节的第一端通过铰链连接；所述中指关节的第二端与所述远指关节的第一端通过铰链连接。

4.如权利要求1所述的仿生手拇指装置，其特征在于，所述转换体与所述内掌子块通过铰链连接，所述换向轮与所述转换体通过铰链连接，所述转动柱与所述拇指单元通过铰链连接。

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