基于连续体传动机构的欠驱动假肢手的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于连续体传动机构的欠驱动假肢手，该假肢手包括电机驱动单元、连续体传动机构和机械手，其中连续体传动机构包括固定板、多根固定管、多根导向管、基座、多根从动丝、间隔盘以及锁紧盘；电机驱动单元包括电机、输出机构和多根驱动丝；以及机械手包括手掌和五个手指,每个手指具有多个指节；电机的转动可通过输出机构转化为驱动丝的直线运动，驱动丝的直线运动可驱动连续体传动机构发生变形，使得一端与锁紧盘固定的从动丝运动，从而驱动机械手各个手指完成相应的动作。本发明不使用铰链、连杆等传统的刚性的运动副有效消除了系统的回差并减轻了假肢手的重量，大量弹性合金丝的使用使假肢手具有很强的自适应能力。
【专利说明】基于连续体传动机构的欠驱动假肢手
【技术领域】
[0001]本发明涉及医用器械【技术领域】，特别涉及医用假肢手系统。
【背景技术】
[0002]由于意外事故、工伤、疾病等原因，世界上产生了大量截肢患者，其中多半是手部截肢患者，他们无法独立完成日常的生活需求，因而生活质量显著降低。为了提高手部截肢残疾人的生活质量，相关公司和科研机构开发出了各种各样的假肢，包括取得广泛应用的单自由度假肢手以及具有仿人形的多自由度假肢手。
[0003]单自由度假肢手可以通过简单的手指开合来完成有限的抓握动作，功能单一，实用性较差，且不具有仿人外形，穿戴以后与人体不和谐，易受到患者排斥；多自由度假肢手具有人手外观，易被患者接受，且设有与人手相近的关节数从而具有更好的灵活性，可以实现多种多样的动作，但是这种多自由度假肢手由于使用较多铰链、连杆或其他的传统传动方式，结构复杂、成本高，目前还没有得到广泛的应用。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的上述缺点，本发明目的在于:采用较少的输入以控制假肢手多自由度的输出；同时避免使用铰链、连杆等结构复杂的运动副以减轻假肢手的重量并降低成本。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种新型的欠驱动假肢手，采用较少的电机作为驱动输入，特别设计了一种柔性的传动机构，将驱动输入与驱动输出组成各部分完整相连的可连续变弹性变形的连续体，在合适的驱动输入情况下，连续体机构通过其整体的连续变形，可以输出较多的(多于驱动输入数量)运动输出。使用连续体机构传动所产生的各路运动输出各不相同，但相互之间具有合理的数学关系。使用各路运动输出实现假肢手各个关节的转动，从而使仿人形的假肢手实现灵活而协调的动作。由于机构中不使用铰链、连杆等传统的刚性的运动副，从而消除了系统的回差。大量使用弹性合金丝作为驱动与传递元件，使假肢手具有很强的自适应能力，同时明显减轻了假肢手的重量。系统采用较少的驱动输入，实现较多的运动输出，结构简单，成本明显降低。同时各路运动相互协调，使手指各个关节具有协调运动关系，假肢手从而可以完成更协调、与人手更为相近的运动。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]本发明主要由三个部分组成，包括电机驱动单元，连续体传动机构和具有仿人外形的自适应假肢手，以下对各部分进行详细的阐述。电机驱动单元:电机驱动单元由相似的两个部分组成，固定在同一个底座上。其中每一部分包含有一个电机固定在基板上，电机输出轴上固定有一个输出齿轮。同时有两根齿条在输出齿轮的两侧，分别通过线性导轨连接在基板上，齿条都与中间的齿轮啮合，当齿轮转动时两根齿条分别向不同方向运动。每根齿条上分别固定有一根弹性合金丝，当电机转动时，弹性合金丝就会做直线的推拉运动，同一个电机所驱动的两根弹性合金丝运动方向相反，但是运动距离相同。两个电机并排方式，驱动四根弹性合金丝，弹性合金丝穿过固定的金属管连接到连续体机构，作为连续体机构的运动输入。用于运动协同的连续体传动机构:此机构用于实现假肢手的欠驱动运动，将两对弹性合金丝的独立的运动输入转化为六根弹性合金丝相互协调的运动输出。机构由基座、间隔盘、锁紧盘、弹簧和弹性合金丝组成。基座、间隔盘上的相同位置有通孔，分别可供驱动丝和被驱动丝穿过，然后用锁紧盘将所有弹性合金丝锁紧固定，在基座、间隔盘和锁紧盘指间均有弹簧，穿在弹性合金丝上，用于保持各盘之间的间隔。在初始状态，连续体机构形状呈直线。当两路驱动输入推拉四根驱动丝时，连续体机构形成圆弧状的弯曲，输出丝也被动地形成相应形状，由于各个输出丝固定在锁紧盘上的不同位置，所以输出丝伸长缩短的长度各不相同。用输出丝驱动假肢手的各个关节，就可以形成各个手指不同程度的弯曲。具有仿人外形的自适应假肢手:此假肢手仿照人手尺寸构建，具有与人手相近的外观与尺寸，可以实现与人手相近的运动。主要由手掌和五根手指组成，五根手指分别固定在手掌上对应位置。与人手类似的，拇指具有四个自由度，由两根弹性合金丝驱动，一根固定在拇指指尖，穿过拇指第二指节、拇指第三指节后延伸到外部，用以实现大拇指的弯曲。另一根弹性合金丝固定在第四指节，穿过拇指固定基座和手掌，延伸到假肢手之外，用以实现拇指的侧摆。根据人手的特征，食指、中指、无名指和小指在尺寸上有一些不同，但具有相同的结构形式，均具有三个自由度。每根手指分别由一根弹性金属丝驱动，金属丝的一端固定在指尖，另一端穿过第二、三指节、手指基座及手掌，然后延伸到假肢手外。在外部推或者拉动弹性合金丝，即可实现对应手指的收紧或者展开。为了更贴近地实现与人手相似的运动功能，各关节指间均安装有扭簧，使手指各关节保持展开状态。
[0008]本发明的整体工作原理如下，当程序控制电机转动不同角度时，通过齿轮齿条传动，使同一电机驱动的一对弹性合金丝做方向相反、距离相等的前后推拉。两对弹性合金丝延伸到连续体机构，作为连续体传动机构的驱动输入。由于两对驱动弹性合金的推拉运动使连续体向某一方向弯曲成圆弧状，固定在锁紧盘上的与驱动丝平行的从动丝被动地弯曲成相应形状，从而使从动丝也产生推拉运动。六根从动丝延伸到连续体外，用于驱动仿人形假肢手的五根手指，从而使假肢手各个手指弯曲或展开，从而实现抓取或操作物体的功能。
[0009]一种基于连续体传动机构的欠驱动假肢手，该假肢手包括电机驱动单元、连续体传动机构和机械手，其中，该连续体传动机构包括固定板、多根固定管、多根导向管、基座、多根从动丝、间隔盘以及锁紧盘，该固定管和导向管一端连接于基座，固定管的另一端连接于固定板，从动丝的一端固定在锁紧盘上，另一端依次穿过间隔盘、基座、导向管以及固定板并最终连接于机械手的手指；电机驱动单元包括电机、输出机构和多根驱动丝，驱动丝的一端固定于输出机构上，另一端依次穿过固定板、固定管、基座以及间隔盘，并紧固于锁紧盘；以及机械手包括手掌和五个手指，每个手指具有多个指节，相邻的两个指节之间可转动地连接；其中，电机驱动单元的电机的转动可通过输出机构转化为驱动丝的直线运动，驱动丝的直线运动可驱动连续体传动机构发生变形，使得一端与连续体传动机构的锁紧盘固定的从动丝运动，从而驱动机械手的各个手指完成相应的动作。
[0010]优选地，输出机构包括基板、输出齿轮、齿条、导轨和滑槽，该输出齿轮固定连接在电机的输出轴上，两根齿条平行地哨合于每个输出齿轮的两侧，每根齿条固定在导轨上，导轨尺寸与固定在基板上的滑槽的尺寸相匹配且可沿滑槽滑动，驱动丝与齿条固定连接。
[0011]优选地，电机驱动单元包括两个电机和两个输出齿轮，两个电机经由两个输出齿轮和齿条共驱动四根驱动丝。
[0012]优选地，基座、固定板、间隔盘和锁紧盘都具有供驱动丝和从动丝穿过的小孔，小孔的分布根据所要实现的机械手动作来设定。
[0013]优选地，固定管设置在固定板和基座上相对应的供驱动丝穿过的小孔之间，导向管一端固定基座的小孔上，另一端穿过固定板延伸至机械手。
[0014]优选地，在相邻的基座、间隔盘和锁紧盘之间穿过的数根驱动丝和/或从动丝上套有弹簧，使得基座、间隔盘和锁紧盘之间保持一定的距离。
[0015]优选地，五个手指包含大拇指，大拇指包括指尖、第二指节、第三指节、第四指节和固定基座，固定基座通过螺钉固定在手掌上，连续体传动机构的一根从动丝穿过大拇指的第四指节、第三指节和第二指节并固定在大拇指的指尖，这条从动丝的推拉运动能够实现大拇指的弯曲或伸展；连续体传动机构的另一根从动丝穿过手掌和固定基座并固定在大拇指的第四指节，这条从动丝的推拉运动能够实现大拇指的外展或内收。
[0016]优选地，五个手指包含食指、中指、无名指和小拇指，食指、中指、无名指和小拇指具有相似的结构，其中每根手指包括指尖、第二指节、第三指节和手指基座，手指基座通过螺钉固定在手掌上，连续体传动机构的四根从动丝分别穿过手掌及相应手指的手指基座、第三指节、第二指节并固定于相应手指的指尖，每条从动丝的推拉运动能够分别实现食指、中指、无名指和小拇指的弯曲或伸展。
[0017]优选地,相邻的两个指节之间通过旋转销连接形成可转动的关节，关节处设有扭簧，使得从动丝未拉动手指运动时，手指能够保持展开伸直的状态。
[0018] 优选地，驱动丝和从动丝由高弹性镍钛合金丝制成，固定管由金属材料制成，导向管由聚四氟乙烯材料制成。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的基于连续体传动机构的欠驱动假肢手的立体结构示意图；
[0020]图2为图1中假肢手的电机驱动单元的立体结构示意图；
[0021]图3A为图1中假肢手的连续体传动机构的示意图；
[0022]图3B为图3A中连续体传动机构的连续体部分向某一方向弯曲形成圆弧的示意图；
[0023]图4A为图1中假肢手的机械手的示意图；
[0024]图4B为图4A中机械手的拇指结构的示意图；以及
[0025]图4C为图4A中机械手的食指结构的示意图。
【具体实施方式】
[0026]以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
[0027]图1为本发明的基于连续体传动机构的欠驱动假肢手的立体结构示意图。应注意，图1中所示的假肢手结构仅为了便于描述本发明的结构以及工作原理，不应理解为限制本发明。另外，需要指出的是，虽然图1中未示出，但本发明的假肢手还包括与人类手的形状相似的外壳。如图1所示，本发明的基于连续体传动机构的欠驱动假肢手包括电机驱动单元100、连续体传动机构200、机械手300和底座400，其中电机驱动单元100、连续体传动机构200和机械手300均固定在底座400上，电机驱动单元100驱动连续体传动机构200发生的变形，使得连续体传动机构200向机械手300传递输出从而控制机械手完成不同的动作。
[0028]图2示出了假肢手的电机驱动单元100的立体结构示意图。如图2所示，电机驱动单兀100包括固定在同一基板I上的相似的两部分101、102,其中第一电机驱动部分101包含一个电机2、输出齿轮3以及两根齿条4、5。电机2固定在基板I上，输出齿轮3固定连接在电机2的输出轴上，两根齿条4、5平行地啮合于输出齿轮3的两侧，每个齿条例如齿条4通过转接板6固定在导轨7上，或者齿条也可与导轨形成为一体。导轨7的尺寸与固定在基板I上的滑槽8的尺寸相匹配且可沿滑槽8滑动，从而输出齿轮3的转动可带动两个齿条分别沿不同方向运动，但运动距离相同。在齿条4、5上分别固定有驱动丝9、10，利用固定压块11和12压紧。当电机2转动时，驱动丝9、10就会做直线的推拉运动。
[0029]第二电机驱动部分102与第一电机驱动部分101具有类似的结构，在此不再详述。第二电机驱动部分102的两根齿条也固定连接有两根驱动丝13、14。当两个并排的电机驱动各自的输出齿轮转动时，两对齿条连同各自的导轨在滑槽中沿直线滑动，从而带动相应的两对驱动丝9、10、13、14做直线推拉运动。同一个电机所驱动的一对驱动丝运动速度相同，运动方向相反。各驱动丝的另一端连接至连续体传动机构200，从而各驱动丝的推拉运动能够带动连续体传动机构弯曲成不同形状，下文将进一步阐述。
[0030]较佳地，驱动丝9、10、13、14由高弹性镍钛合金丝制成。
[0031]图3A假肢手的连续体传动机构200的示意图。如图3A所示，连续体传动机构200包括固定板36、固定管15，16，17，18、导向管23、基座19、从动丝24，25，26，27，28，29、间隔盘20以及锁紧盘22。其中，从动`丝的一端固定在锁紧盘22上，另一端依次穿过间隔盘20、基座19、导向管23以及固定板36并最终连接于机械手300。
[0032]具体地，在连续体传动机构200中，基座19和固定板36固定在底座400上，基座
19、固定板36、间隔盘20和锁紧盘22都具有供驱动丝和从动丝穿过的小孔，所述小孔的分布根据所要实现的机械手动作来设定。图中示出有两个间隔盘20，然而应理解的是间隔盘的数量也可根据实际需求而改变。固定管设置在固定板和基座上相对应的供驱动丝穿过的小孔之间，来自电机驱动单元的两对驱动丝9、10、13、14穿过固定板36并分别由固定管15、
16、17、18导向基座19，随后依次穿过基座19、间隔盘20，最后固定在锁紧盘22上。
[0033]在相邻的基座19、间隔盘20和锁紧盘22之间的驱动丝上套有弹簧21，从而可使各盘保持一定的距离。导向管一端固定基座的小孔上，另一端穿过固定板延伸至机械手，六根从动丝24、25、26、27、28、29的一端均紧固在锁紧盘22上，另一端依次穿过间隔盘20和基座19并由六根导向管23导向至固定板36,从固定板36穿出后与机械手相连。
[0034]较佳地，从动丝24、25、26、27、28、29由高弹性镍钛合金丝制成，固定管由金属材料制成，导向管由聚四氟乙烯材料制成。下面，为方便描述，将基座19后侧的驱动丝与从动丝部分以及间隔盘、弹簧和锁紧盘形成的结构称作连续体38。
[0035]连续体38初始呈平直姿态。当电机驱动两对驱动丝做推拉运动时，每根驱动丝在连续体38中所处位置不同，驱动丝的运动带动连续体38做弯曲运动，从而导致一端紧固在锁紧盘上的从动丝做相应的拉伸运动。图3B示出了连续体38向下弯曲形成弧形的示意图，六根从动丝分别固定在锁紧盘上的不同位置，不同的从动丝随着连续体的弯曲运动发生的拉伸运动也各不相同，因此延伸到机械手的六根从动丝可驱动各个手指作出不同的动作。通过改变电机的转动方向或速度，可以得到不同的驱动丝输出，从而获得不同的连续体弯曲运动，并通过从动丝控制机械手呈不同的姿态。
[0036]图4A示出了机械手300的示意图。如图4所示，机械手300具有与人手相似的外形及关节结构，机械手300包括手掌30、大拇指31、食指32、中指33、无名指34和小拇指35，各个手指具有多个指节，相邻的两个指节之间可以相互转动，手指根部固定在手掌的合适位置，六根末端固定在连续体传动机构的锁紧盘22上的从动丝24、25、26、27、28、29穿过导向管23进入手掌并连接于各个手指，下文将详细描述。 [0037]图4B示出了大拇指的结构及其与手掌的连接关系；图4C示出了分离的食指的结构。如图4B所示，大拇指包括指尖41、第二指节42、第三指节43、第四指节44和固定基座45，固定基座45通过螺钉46固定在手掌上，第四指节和固定基座之间、第三指节和第四指节之间、第二指节和第三指节之间以及指尖和第二指节之间通过旋转销连接因而具有可旋转的关节。大拇指由两根从动丝24、25控制，其中，从动丝24固定在大拇指的指尖41并穿过大拇指的第二指节42、第三指节43和第四指节44而延伸到外部,推拉从动丝24实现大拇指31的弯曲或伸展；从动丝25固定在第四指节44，并穿过固定基座45和手掌延伸到假肢手之外，推拉从动丝25可实现大拇指31的外展或内收。
[0038]食指32、中指33、无名指34和小拇指35长度各不相同，但具有相似的结构，分别由弹性合金丝26、27、28、29驱动。以食指为例，如图4C所示，食指32包括指尖47、第二指节48、第三指节49、食指基座50，其中食指基座50通过螺钉46固定在手掌上，第三指节和食指基座之间、第二指节和第三指节之间、指尖和第二指节之间均通过旋转销连接因而具有可旋转的关节。食指由从动丝26控制，从动丝26固定在食指指尖47并穿过食指的第二指节48、第三指节49以及食指基座50延伸到外部，推拉从动丝26可以实现食指32的弯曲或伸展。
[0039]由于从动丝24、26、27、28、29分别控制大拇指、食指、中指、无名指和小拇指的三个关节，手指在外力作用下，可以自适应所接触物体的形状。此外，各个关节处安装有扭簧37，可以在从动丝未被推拉时使手指保持展开伸直的状态。
[0040]本发明的基于连续体传动机构的欠驱动假肢手，当程序控制电机转动不同角度时，通过齿轮齿条传动，使同一电机驱动的一对驱动丝做方向相反、距离相等的前后推拉。两对驱动丝延伸到连续体传动机构，作为连续体传动机构的驱动输入。两对驱动丝的推拉运动使连续体向某一方向弯曲成圆弧状，固定在锁紧盘上的从动丝随之发生弯曲，从而使从动丝也产生推拉运动。六根从动丝延伸到连续体外，用于驱动仿人形假肢手的五根手指，使假肢手各个手指弯曲或展开，从而实现抓取或操作物体的功能。
[0041]以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种基于连续体传动机构的欠驱动假肢手，其特征在于，所述假肢手包括电机驱动单元、连续体传动机构和机械手，其中， 所述连续体传动机构包括固定板、多根固定管、多根导向管、基座、多根从动丝、间隔盘以及锁紧盘，所述固定管和所述导向管一端连接于所述基座，所述固定管的另一端连接于所述固定板，所述从动丝的一端固定在所述锁紧盘上，另一端依次穿过所述间隔盘、所述基座、所述导向管以及所述固定板并最终连接于所述机械手的手指； 所述电机驱动单元包括电机、输出机构和多根驱动丝，所述驱动丝的一端固定于所述输出机构上，另一端依次穿过所述固定板、所述固定管、所述基座以及所述间隔盘，并紧固于所述锁紧盘；以及 所述机械手包括手掌和五个手指，每个手指具有多个指节，相邻的两个指节之间可转动地连接；其中， 所述电机驱动单元的电机的转动可通过所述输出机构转化为所述驱动丝的直线运动，所述驱动丝的直线运动可驱动所述连续体传动机构发生变形，使得一端与所述连续体传动机构的锁紧盘固定的所述从动丝运动，从而驱动所述机械手的各个手指完成相应的动作。
2.如权利要求1所述的欠驱动假肢手，其特征在于，所述输出机构包括基板、输出齿轮、齿条、导轨和滑槽，所述输出齿轮固定连接在电机的输出轴上，两根齿条平行地啮合于每个输出齿轮的两侧，每根齿条固定在导轨上，导轨尺寸与固定在基板上的滑槽的尺寸相匹配且可沿滑槽滑动，所述驱动丝与所述齿条固定连接。
3.如权利要求2所述的欠驱动假肢手，其特征在于，所述电机驱动单元包括两个电机和两个输出齿轮，所述两个电机经由所述两个输出齿轮和所述齿条共驱动四根驱动丝。
4.如权利要求1所述的欠驱动假肢手，其特征在于，所述基座、固定板、间隔盘和锁紧盘都具有供所述驱动丝和所述从动丝穿过的小孔，所述小孔的分布根据所要实现的机械手动作来设定。
5.如权利要求4所述的欠驱动假肢手，其特征在于，所述固定管设置在所述固定板和所述基座上相对应的供驱动丝穿过的小孔之间，所述导向管一端固定基座的小孔上，另一端穿过所述固定板延伸至所述机械手。
6.如权利要求1所述的欠驱动假肢手，其特征在于，在相邻的基座、间隔盘和锁紧盘之间穿过的数根驱动丝和/或从动丝上套有弹簧，使得所述基座、间隔盘和锁紧盘之间保持一定的距离。
7.如权利要求1所述的欠驱动假肢手，其特征在于，所述五个手指包含大拇指，所述大拇指包括指尖、第二指节、第三指节、第四指节和固定基座，所述固定基座通过螺钉固定在手掌上，所述连续体传动机构的一根从动丝穿过大拇指的第四指节、第三指节和第二指节并固定在大拇指的指尖，这条从动丝的推拉运动能够实现大拇指的弯曲或伸展；所述连续体传动机构的另一根从动丝穿过所述手掌和所述固定基座并固定在大拇指的第四指节，这条从动丝的推拉运动能够实现大拇指的外展或内收。
8.如权利要求1所述的欠驱动假肢手，其特征在于，所述五个手指包含食指、中指、无名指和小姆指，所述食指、中指、无名指和小姆指具有相似的结构，其中每根手指包括指尖、第二指节、第三指节和手指基座，所述手指基座通过螺钉固定在手掌上，所述连续体传动机构的四根从动丝分别穿过手掌及相应手指的手指基座、第三指节、第二指节并固定于相应手指的指尖，所述每条从动丝的推拉运动能够分别实现所述食指、中指、无名指和小姆指的弯曲或伸展。
9.如权利要求7或8所述的欠驱动假肢手，其特征在于，相邻的两个指节之间通过旋转销连接形成可转动的关节，所述关节处设有扭簧，使得所述从动丝未拉动手指运动时，手指能够保持展开伸直的状态。
10.如权利要求1所述的欠驱动假肢手，其特征在于，所述驱动丝和所述从动丝由高弹性镍钛合金丝制成，所述固`定管由金属材料制成，所述导向管由聚四氟乙烯材料制成。
【文档编号】A61F2/54GK103690280SQ201310687094
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】徐凯, 刘欢, 杜宇恒, 赵江然, 刘国庆 申请人:上海交通大学