CN111821074A - 仿生假手和其他假手的特短电动二自由度腕关节 - Google Patents

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Abstract

一种可用于各种假手，短而轻的电动屈腕、转腕组合关节，屈腕关节有蜗轮蜗杆和丝杆加连杆两种结构，屈腕电机安装在手掌内不占腕部空间。转腕关节有一个中轴管，通往手指电机和通往屈腕电机的软性电线，都在中轴管内通过，转腕时电线可在中轴管内扭转，省去了电刷结构所占的空间和重量。转腕关节的一种结构是转腕电机安装在不动的腕座上，另一种结构是转腕电机安装在腕转动部位，屈腕轴线与转腕轴残相交于一点，使腕部动作具有仿生效果。

Description

仿生假手和其他假手的特短电动二自由度腕关节
技术领域
本发明涉及假肢技术领域，特别涉及电动假肢技术领域，具体是指一种上肢假肢的屈腕、转腕组合关节。
背景技术
目前国内外的各种电动假手产品，例如肌电控制假手或每个手指都能独立活动的仿生假，腕部只有电动转腕关节或电动屈腕关节，而且大部份只有靠健侧手扳动的被动腕关节，没有同时具有电动转腕和电动屈腕的肌电控制假手和仿生假手，原因是长度太长，重量太重。
截肢者日常生活中，非常需要同时具有这两种功能的假手，双手截肢者更加迫切。为了克服现有技术的上述不足，满足残疾人的迫切要求，需要技术突破，研制成一种创新的结构，解决上述问题。
发明内容
一种可用于各种假手，短而轻，具有电动屈腕和电动转腕功能的组件结构，此结构包括二个模块：屈腕关节和转腕关节。屈腕关节的主要部件有屈腕电机、屈腕减速器、支架，转腕关节的主要部件有转板、转腕电机、转腕减速器、中轴管、腕壳、腕座。
屈腕电机安装在手掌内不占腕部空间，根据手掌内结构的不同，屈腕电机可选择安装在手背、虎口、手掌腹面或其他位置。
连接手掌内各个电机的软性电线，在靠近屈腕轴的附近弯曲，省去了电刷结构所占的空间和重量。
一种屈腕关节是蜗轮蜗杆结构，见图1。将蜗轮轴置于腕关节位置，蜗轮固定在支架上，不能转动，蜗杆在屈腕电机驱动下绕蜗轮转动，安装蜗杆和屈腕电机的手掌，便和蜗杆一起绕蜗轮转动，做屈腕和伸腕动作，蜗轮轴线就是腕关节转动轴线。
另一种屈腕关节是丝杆加连杆结构，见图2。屈腕电机和丝杆安装在手掌内，连杆上端轴装在丝杆的螺母上，连杆下端轴装在支撑屈腕轴的支架上，按常规丝杆减速器结构，螺母在导轨限制下不能转动，当屈腕电机驱动丝杆转动，带动螺母沿导轨上下运动，就会推拉连杆，使手掌绕屈腕轴转动，做腕关节伸屈动作。
转腕关节有一个中轴管，通往手指电机和通往屈腕电机的软性电线，都在中轴管内通过，连接到控制电路，转腕时这些电线可在中轴管内扭转，省去了电刷结构所占的空间和重量。
转腕电机在腕中轴管的外面，平行于中轴管放置，在中轴管和腕壳之间的柱形环状空间内，转腕电机输出齿轮和转腕齿轮，构成转腕减速器。
图1和图2中，转腕关节都是同一种结构，中轴管、转腕电机、腕壳、控制电路都安装在不动的腕座上，腕座固定在假肢前臂筒的端部。转板与转腕齿轮是固定在一起的，转腕电机的输出齿轮与中轴线上的转腕齿轮啮合，在转腕电机驱动下，转腕齿轮转动，使安装在转板上面的屈腕关节和手掌一起旋转，
另一种电动转腕关节见图3，也是将转腕电机安装在腕中轴管外面，在中轴管和腕壳之间的柱形环状空间内，平行于中轴管放置，但转腕电机和转板固定在一起，一起旋转，因此转腕电机尾部可伸到转板上面的可利用空间，缩短了转腕关节的长度。转腕齿轮与中轴管同轴线安装在中轴管上，转腕齿轮与转腕电机的输出齿轮啮合，构成转腕减速器。中轴管、转腕齿轮、腕壳、控制电路都安装在不动的腕座上，腕座固定在假肢前臂筒的端部。转腕电机输出齿轮转动时，只能绕转腕齿轮滚动，使转腕电机、转板、屈腕关节和手掌一同旋转。
图3的转腕关节可以分别与图1或图2中的电动屈腕关节组合，构成图1和图2以外的另外两种组合电动腕关节。
这两种转腕关节，如果需要更大减速比，可在上述柱形环状空间内增加减速级数。
上述各种组合电动腕关节，转腕齿轮的轴线就是转腕轴线，也是中轴管的轴线，屈腕和转腕的轴线都垂直相交于一点，使腕部动作具有仿生效果。腕关节旋转范围和屈腕范围，按人腕关节运动范围限位。
此假手电动屈腕和电动转腕关节可用于各种假手，例如用于一自由度肌电控制或电动假手，可以实现短而轻，具有抓握、屈腕、转腕功能的三自由度肌电控制或电动假手，用于掌部有6个自由度的仿生手，则成为腕部有电动二自由度的8自由度仿生手。
根据需要，可以只安装电动屈腕关节或电动转腕关节。现有具有电刷结构的各种转腕关节，可用电线从中轴通过的方法，省去电刷结构，可减少长度和重量。如果只安装转腕关节，转腕电机可以放在掌部减少假手长度，中轴管可缩短为一个中轴孔。
附图说明
图1为第一种组合电动腕关节原理图
图2为第二种组合电动腕关节原理图
图3为另一种电动旋腕关节原理图
为了使传动原理清楚，图1、图2和图3都省略了支撑和轴承结构。
图中标号说明如下：
1. 屈腕关节
2. 旋腕关节
3.屈腕电机
4.蜗杆
5.蜗轮
6.支架
7.转板
8.转腕齿轮
9.转腕电机输出齿轮
10. 转腕电机
11.中轴管
12. 腕壳
13.腕座
14.连接屈腕电机的电线
15.手指电机
16.连接手指电机的电线
17.手掌
18.连接转腕电机的电线
19.控制电路
20.丝杆
21.螺母
22.连杆
23. 连杆上端轴
24. 连杆下端轴
25.屈腕轴
26. 屈腕电机输出齿轮
27.丝杆齿轮
具体实施方式
一种电动屈腕关节见图1，是蜗轮蜗杆结构。屈腕关节（1）由屈腕电机（3）、蜗杆（4）、蜗轮（5）、支架（6）组成，屈腕电机（3）和蜗杆（4）安装在手掌（17）内，不占腕部空间，蜗轮（5）安装在支架（6）上，支架（6）安装在转板（7）上，蜗轮（5）、支架（6）、转板（7）都固定在一起，所以蜗轮（5）不能转动，蜗轮（5）处于腕关节位置，屈腕电机（3）驱动蜗杆（4）转动时，蜗杆（4）和整个手掌（17）一起绕蜗轮（5）滚动，做屈腕和伸腕动作。
另一种电动屈腕关节见图2，是丝杆加连杆结构。屈腕电机（3）和丝杆（20）安装在手掌（17）内，连杆上端轴（23）装在丝杆（20）的螺母（21）上，连杆下端轴（24）装在支撑屈腕轴（25）的支架（6）上，按常规丝杆结构，螺母（21）不能转动，当屈腕电机输出齿轮（26）驱动丝杆齿轮（27），使丝杆（20）转动，带动螺母（21）上下运动，就会推拉连杆（22），使手掌（17）绕屈腕轴（25）转动，做腕关节伸屈动作。
一种电动转腕关节见图1或见图2，由转板（7）、转腕齿轮（8）、输出齿轮（9）、转腕电机（10）、中轴管（11）、腕壳（12）、腕座（13）组成。连接屈腕电机的电线（14）和连接手指电机的电线（16）在中轴管（11）内通过，连接到控制电路（19），转腕时这些电线可在中轴管（11）内扭转，省去了电刷结构所占的空间长度和重量。转腕电机（10）在中轴管（11）的外面，外壳（12）和中轴管（11）之间的圆环状空间内，平行于中轴管（11）放置，中轴管（11）、腕壳（12）、转腕电机（10）、控制电路（19）都与腕座（13）固定在一起，腕座（13）固定在假肢前臂端部。转腕齿轮（8）与转板（7）固定在一起，转腕电机输出齿轮（9）与中轴线上的转腕齿轮（8）啮合，带动转腕齿轮（8）和固定在转腕齿轮（8）上的转板（7）一起转动，使装在转板（7）上的屈腕关节（1）和上面的手掌（17）旋转。
另一种电动转腕关节见图3，转腕电机（10）也是在腕中轴管（11）的外面，在中轴管（11）和腕壳（12）之间的柱形环状空间内，平行于中轴管（11）放置，但转腕电机（10）转板（7）固定在一起，一起旋转，因此转腕电机（10）尾部可伸到转板（7）上面的可利用空间，缩短了转腕关节（1）的长度，转腕齿轮（8）与中轴管（11）同轴线安装在中轴管（11）上，与转腕电机输出齿轮（9）啮合，构成转腕减速器，中轴管（11）、腕壳（12）、控制电路（19）都安装在不动的腕座（13）上，腕座（13）固定在假肢前臂筒的端部。转腕电机输出齿轮（9）绕旋腕齿轮（8）滚动，使转腕电机（10）、转板（7）、屈腕关节（1）和手掌（17）一同旋转。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换，并不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种仿生假手和其他假手的特短电动二自由度腕关节，其特征在于：屈腕关节的主要部件有屈腕电机、屈腕减速器、支架，转腕关节的主要部件有转腕电机、转板、转腕减速器、中轴管、腕壳、腕座，屈腕关节有蜗轮蜗杆和丝杆加连杆两种结构，屈腕电机安装在手掌内不占腕部空间，转腕关节有一个中轴管，通往手指电机和通往屈腕电机的软性电线，都在中轴管内通过，转腕时这些电线可在中轴管内扭转，省去了电刷结构所占的空间和重量，转腕电机在腕中轴管的外面，平行于中轴管放置，腕关节旋转范围和屈腕范围，按人腕关节运动范围限位，一种转腕关节的转腕电机固定在不动的腕座上，另一种转腕关节的转腕电机固定在转板上，与手掌一起旋转，屈腕轴线与旋腕轴残相交于一点，使腕部动作具有仿生效果。
2.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：一种屈腕减速器是蜗轮蜗杆结构，将蜗轮轴置于腕关节位置，蜗轮固定在支架上不能转动，蜗杆在屈腕电机驱动下和手掌一起绕蜗轮转动，做屈腕和伸腕动作，蜗轮轴线就是腕关节转动轴线。
3.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：另一种屈腕减速器是丝杆结构，屈腕电机和丝杆安装在手掌内，由装在丝杆上的螺母推拉连杆，带动腕关节伸屈。
4.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：一种转腕关节是转腕电机安装在不动的腕座上，转腕电机输出齿轮与中轴线上的转腕齿轮啮合，驱动转腕齿轮转动，转腕齿轮和转板是连为一体的，使装在转板上的屈腕关节和手掌与旋腕齿轮一起转动。
5.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：另一种转腕关节的转腕齿轮同样在中轴线上，与腕座固定在一起不动，转腕电机固定在转板上，转腕电机的输出齿轮与转腕齿轮啮合，转腕电机驱动输出齿轮绕转腕齿轮滚动，使转腕电机、转板、屈腕关节和手掌一起转动。
6.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：转腕减速器需要更大减速比，可在中轴管和腕壳之间圆柱形环状空间内增加减速级数。
7.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：连接手指电机和屈腕电机的软性电线在在屈腕时靠近屈腕轴的位置弯曲，省去了电刷结构所占的空间和重量。
8.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：上述两种屈腕关节和两种旋腕关节可以任意组合。
9.根据权利要求1的电动屈腕、转腕组合关节，其特征在于：此屈腕关节和转腕关节可用于仿生假手和各种假手，还可根据需要，只安装屈腕关节或转腕关节。
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