基于3D打印的仿生假肢手和装置的制作方法

本发明涉及假肢技术领域，尤其是涉及基于3d打印的仿生假肢手和装置。

背景技术：

对于手部残缺的肢体残疾人来说，佩戴手部假肢是一种常见的解决办法。根据2006年全国残疾人口普查，中国有大约2400万肢体残疾人，假肢的市场需求巨大。但是，由于假肢产品需要根据不同人的情况一对一定制，导致在传统的开模工艺下，假肢生产的成本高昂，对于能够实现若干手势控制的电子假肢，定制成本往往达到数十万人民币以上，这是一般家庭难以承受的。3d打印技术，是一种无需开模便能够快速制造复杂外形零件的制造技术。使用熔融沉积(fuseddepositionmodeling，fdm)等成熟的3d打印技术制造假肢，能够大大降低假肢的生产成本。

现有的功能性手部假肢，大都具有功能性受限，价格昂贵的特点。这是因为功能性假肢往往机械结构复杂，特别是对于电子假肢，由于电子元器件和电池等占用空间大。即使是借助3d打印的方式进行假肢零件的制造，若仅仅使用硬质材料，仍然需要打印若干零件再进行拼装，降低了假肢定制的效率。对于通过外部开关控制运动的假肢，其功能性非常局限，往往只能实现基本抓握功能。

综上所述，现有仿生假肢手的技术缺点在于：结构复杂，制造过程繁琐，从而功能受限，成本高昂，无法满足残疾人们的实际需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于3d打印的仿生假肢手和装置，可以高效地实现手指的弯曲运动和姿态保持，自主实现多种手势动作，结构简单，操作方便，有效满足残疾人的假肢需求。

第一方面，本发明实施例提供了基于3d打印的仿生假肢手，包括：肌肉电信号传感器、单片机、伺服电机、传动结构和执行机构；

所述肌肉电信号传感器，与所述单片机相连接，用于采集原始肌肉电信号，并向所述单片机发送脉冲信号；

所述单片机，与所述伺服电机相连接，用于根据所述脉冲信号对应地向所述伺服电机发送驱动信号；

所述伺服电机，与所述传动结构相连接，用于根据所述驱动信号牵动与所述执行机构相连接的所述传动机构，以通过所述传动机构控制所述执行机构中柔性或弹性手的活动姿态。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述肌肉电信号传感器包括电极贴片、信号采集模块和放大/整流模块；

所述电极贴片，与所述信号采集模块相连接，用于将所述原始肌肉电信号发送至所述信号采集模块；

所述信号采集模块，与所述放大/整流模块相连接，用于将所述原始肌肉电信号发送至所述放大/整流模块；

所述放大/整流模块，与所述单片机相连接，用于将所述原始肌肉电信号进行电流波形调整，以得到放大的原始肌肉电信号。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述肌肉电信号传感器通过有线传输或无线传输的方式将所述原始肌肉电信号发送至所述单片机，其中，所述无线传输方式包括蓝牙传输。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述单片机还用于接收肌肉电信号传感器和扩展设备形成的组合波形信号以使所述执行机构完成多种组合动作，其中，所述扩展设备包括压力传感器、终端、外界按钮、声控输入和振动装置。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述传动机构包括牵引绳，所述伺服电机，还用于通过直线运动或转动运动对所述牵引绳进行牵引，以控制所述的柔性或弹性手的手指弯曲姿态。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述柔性或弹性手通过3d打印方式制作，并且在断电后可恢复手指自然状态，其中，所述柔性为材料在打印成型后可变形，所述弹性为材料在打印成型后具有弹性。

第二方面，本发明实施例提供了基于3d打印的仿生假肢装置，包括如上所述的基于3d打印的仿生假肢手，还包括手臂套筒、手背盖板、支撑板和电池；

所述电池设置于所述手臂套筒的外侧，所述手臂套筒与柔性或弹性手相连接，所述柔性或弹性手内部设置有多个伺服电机，用于为所述伺服电机和单片机提供支撑力的支撑板设置于所述柔性或弹性手内部，用于保护内部构件的所述手背盖板与执行机构相连接。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述柔性或弹性手设置有多个指骨，多个所述指骨通过弯曲带相连接。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述弯曲带的厚度为1-3mm。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述伺服电机为直线伺服电机、转动伺服电机或转动伺服电机与刚性结构组成的机构。

本发明提供了基于3d打印的仿生假肢手和装置包括：肌肉电信号传感器、单片机、伺服电机、传动结构和执行机构；肌肉电信号传感器与单片机相连，用于采集原始肌肉电信号，并向单片机发送脉冲信号；单片机与伺服电机30相连接，用于根据原始肌肉电信号或脉冲信号对应地向伺服电机30发送驱动信号；伺服电机30与传动结构相连接，用于根据驱动信号牵动与执行机构相连接的传动机构，以通过传动机构控制执行机构中柔性或弹性手的活动姿态。本发明实现了以简单的结构实现手指的弯曲运动和姿态保持，可完成多种手势动作，具有制作简便，成本低，自由度高的特点。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢手结构示意图；

图3为本发明实施例提供的肌肉电信号传感器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢装置的手指运动示意图；

图5为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢装置的另一结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢手的另一结构示意图。

图标：

1-手臂套筒；2-手背盖板；3-支撑板；4-电池；5-柔性或弹性手；6-指骨；7-手掌上的一根手指；8-牵引绳；10-肌肉电信号传感器；20-单片机；30-伺服电机；40-传动结构；50-执行机构；11-电极贴片；12-信号采集模块；13-放大/整流模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，现有的功能性手部假肢，大都具有功能性受限，价格昂贵的特点。这是因为功能性假肢往往机械结构复杂，特别是对于电子假肢，由于电子元器件和电池等占用空间大。即使是借助3d打印的方式进行假肢零件的制造，若仅仅使用硬质材料，仍然需要打印若干零件再进行拼装，降低了假肢定制的效率。对于通过外部开关控制运动的假肢，其功能性非常局限，往往只能实现基本抓握功能。因此，现有技术的缺点在于缺少一种适合于残疾人使用的仿生假肢手。基于此，本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢手和装置，实现了以简单的结构实现手指的弯曲运动和姿态保持，可完成多种手势动作，具有制作简便，成本低，自由度高的特点。

实施例一：

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的基于3d打印的仿生假肢手进行详细介绍。

图2为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢手结构示意图。

参照图2，基于3d打印的仿生假肢手包括：肌肉电信号传感器10、单片机20、伺服电机30、传动结构40和执行机构50；

肌肉电信号传感器10，与单片机20相连接，用于采集原始肌肉电信号，并向单片机20发送脉冲信号；

单片机20，与伺服电机30相连接，用于根据脉冲信号对应地向伺服电机30发送驱动信号；

伺服电机30，与传动结构40相连接，用于根据驱动信号牵动与执行机构50相连接的传动机构40，以通过传动机构40控制执行机构50中柔性或弹性手的活动姿态。

根据本发明的示例性实施例，如图3所示，肌肉电信号传感器10包括电极贴片11、信号采集模块12和放大/整流模块13；

电极贴片11，与信号采集模块12相连接，用于将原始肌肉电信号发送至信号采集模块12；

信号采集模块12，与放大/整流模块13相连接，用于将原始肌肉电信号发送至放大/整流模块13；

放大/整流模块13，与单片机20相连接，用于将原始肌肉电信号进行电流波形调整，以得到放大的原始肌肉电信号。

具体地，信号采集模块12与放大/整流模块13集成到一块pcb板上，电极贴片11将接受到的原始肌肉电信号传输到信号采集模块12中，信号采集模块12接收该原始肌肉电信号，并将其传输到放大/整流模块13进行信号的放大和整流。这里，信号的放大，即对采集到的微弱的原始肌肉电流信号进行放大，以方便进行信号处理和信号输出；放大/整流模块13，即对信号采集模块12所传输来的原始肌肉电信号进行电流波形调整，以使其能够被输出端的其他设备所识别。

根据本发明的示例性实施例，肌肉电信号传感器10通过有线传输或无线传输的方式将原始肌肉电信号发送至单片机20，其中，无线传输方式包括蓝牙传输。

根据本发明的示例性实施例，单片机20还用于接收肌肉电信号传感器10和扩展设备形成的组合波形信号以使执行机构50完成多种组合动作，其中，扩展设备包括压力传感器、终端、外界按钮、声控输入和振动装置。

具体地，当肌肉电信号对手部姿态的控制与其他扩展设备形成的控制方式组合时，其组合控制方式的原理在于实现多种组合波形信号并输出至单片机20。对于单片机20的编程，更多种的组合输入信号能够使其输出更多种的组合信号至假肢手的执行设备上，即实现更多手势的控制。

这里，当与外界压力传感器组合时：通过设置单个或多个压力传感器，在采集肌肉电流信号同时，采集肌肉在运动时对假肢受腔表面产生的不同压力信号。由于两种信号各自的波形不同，因此，在不同组合下，能够形成不同组合波形的输出信号。另外，与外界压力传感器组合时，压力与肌肉电信号可以同时采集自残疾人残余肢体上。

这里，当与终端app组合时：由于app能够通过编程，产生与肌肉电流信号不同的输出信号，因此，在两种信号的不同组合下，能够形成不同组合波形的输出信号。

这里，当与外界按钮组合时：由于外界按钮产生的信号波形与肌肉电流信号不同，因此，在两种信号的不同组合下，能够形成不同组合波形的输出信号。

这里，当与声控输入组合时：由于所接收的声音信号与肌肉电流信号不同，因此，在两种信号的不同组合下，能够形成不同组合波形的输出信号。

由此可以看出，可以通过与扩展设备的组合使执行机构50完成多种组合动作，本发明实施例的保护范围并不局限于这几种扩展设备，通过扩展设备完成组合动作的方案均应在本发明的保护范围内。

根据本发明的示例性实施例，传动机构40包括牵引绳，伺服电机30还用于通过直线运动或转动运动对牵引绳进行牵引，以控制的柔性或弹性手的手指弯曲姿态。

根据本发明的示例性实施例，柔性或弹性手通过3d打印方式制作，并且在断电后可恢复手指自然状态，其中，柔性为材料在打印成型后可变形，弹性为材料在打印成型后具有弹性。

具体地，所使用的同时具有弹性和塑性的材料可以包括，但不限于，例如tpu(thermoplasticpolyurethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶)或tpe(thermoplasticelastomer，热塑性弹性体)，还包括其他工业橡胶类材料。

图1为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢装置结构示意图。

参照图1，基于3d打印的仿生假肢装置，包括如上所述的基于3d打印的仿生假肢手，还包括手臂套筒1、手背盖板2、支撑板3和电池4；

电池4设置于手臂套筒1的外侧，手臂套筒1与柔性或弹性手5相连接，柔性或弹性手5内部设置有多个伺服电机30，用于为伺服电机30和单片机20提供支撑力的支撑板3设置于柔性或弹性手5内部，用于保护内部构件的手背盖板2与执行机构50相连接。

根据本发明的示例性实施例，柔性或弹性手5设置有多个指骨6，多个指骨6通过弯曲带相连接。

具体地，一根手指上的指骨数为2-3个。

根据本发明的示例性实施例，弯曲带的厚度为1-3mm。

具体地，弯曲带结构较薄，柔韧性强，可以保证手指实现弯曲、握拳等缩紧动作，需要说明的是，所使用的tpu/tpe等同时具有弹性和塑性的材料可以使用于整根手指的3d打印制造中，也可仅使用在关节处的弯曲带的3d打印制造中。

根据本发明的示例性实施例，伺服电机30为直线伺服电机、转动伺服电机或转动伺服电机与刚性结构组成的机构。

具体地，牵引绳8驱动的方式可以是多样的，如：使用直线伺服电机直接拉扯牵引绳8，使用普通转动伺服电机连接一个绕线轮，使用普通转动伺服电机通过丝杠螺母等刚性机构拉扯牵引绳。需要说明的是，使用直线伺服电机直接拉扯牵引绳8，使用普通转动伺服电机连接一个绕线轮，使用普通转动伺服电机通过丝杠螺母等刚性机构拉扯牵引绳8等，这些机械结构拉扯牵引绳8的运动方式输出结果是相同的，如图4所示，都是通过牵引绳8的直线拉扯运动，实现手指向内的弯曲姿态控制。其不同点在于牵引绳8本身的驱动方式不同。

这里，直线伺服电机直接拉扯牵引绳8，其特点在于，直线伺服电机的运动也是直线运动，即牵引线受到的驱动运动为直线运动；

这里，使用普通转动伺服电机连接一个绕线轮，其特点在于，普通转动伺服电机的运动是转动运动，需要一机构将其转化成拉扯牵引绳8所需的直线运动，该机构为一绕线轮；

这里，普通转动伺服电机通过丝杠螺母等刚性机构拉扯牵引绳8，其特点在于，普通转动伺服电机的运动是转动运动，需要一机构将其转化成拉扯牵引绳所需的直线运动，该机构为丝杠螺母等刚性机构，所述丝杠螺母等刚性机构，即一种将转动运动转化成直线运动的刚性机构。

本发明提供了基于3d打印的仿生假肢手和装置，包括：肌肉电信号传感器、单片机、伺服电机、传动结构和执行机构；肌肉电信号传感器与单片机相连，用于采集原始肌肉电信号，并向单片机发送脉冲信号；单片机与伺服电机相连接，用于根据原始肌肉电信号或脉冲信号对应地向伺服电机发送驱动信号；伺服电机与传动结构相连接，用于根据驱动信号牵动与执行机构相连接的传动机构，以通过传动机构控制执行机构中柔性或弹性手的活动姿态。本发明实现了以简单的结构实现手指的弯曲运动和姿态保持，可完成多种手势动作，具有制作简便，成本低，自由度高的特点。

实施例二：

图6为本发明实施例提供的基于3d打印的仿生假肢手的另一结构示意图。

参照图6，基于3d打印的仿生假肢手的结构组成关系为：肌肉电信号传感器10将采集到的肌肉电信号传输给单片机20，单片机20依据程序，将其转化成所需的电机运动信号，进一步，伺服电机30通过传动结构40带动运动执行结构50实现假肢的运动。这里，传动结构40包括牵引绳。电源可直接为单片机20等各电子元件供电，也可仅为单片机20供电，由单片机20再向各电子元件供电；

柔性结构的柔性是指，材料在打印成形后能够变形；

弹性结构的弹性是指，材料在打印成形后是具有弹性的；

柔性或弹性手5使用tpu/tpe等同时具有柔性和弹性的材料，通过3d打印的方式制作；

肌肉电信号传感器10和电池4置于手臂套筒1内部；

单片机20、支撑板3、伺服电机30和牵引绳8置于柔性或弹性手5的内部；

肌肉电信号传感器10包括电极贴片11，信号采集模块12，放大/整流模块13，肌肉电信号传感器10能够采集肌肉电的原始信号，可输出原始信号或放大/整流后的脉冲信号；

肌肉电信号传感器10的电极贴片11贴在残疾人手部截断部位的肌肉上，用于采集该处肌肉运动产生的电信号；

肌肉电信号传感器10的输出脉冲信号，可以在不同的肌肉运动下，输出不同的信号；

肌肉电信号传感器10的输出脉冲信号可以有多种传递形式，如有线传递或无线传递，当使用有线传递时，可以由单片机20供电或电池4供电，当使用无线传递时，可以由肌肉电信号传感器10内部自带电池供电；

肌肉电信号传感器10对手部姿态的控制可以与其他控制手段进行组合，如：外接压力传感器，手机app，外接按钮，声控等；

电池4的参数根据单片机20的具体需求选择或定制，向单片机20等电子元件供电，电池4的安放位置图5所示；

单片机20具有若干输入/输出端口(input/output，i/o)端口，能够连接若干肌肉电信号传感器、信号接收器或伺服电机等i/o设备，通过外接电源供电，并可向i/o端口连接的设备供电；

单片机20的i/o端口可以连接更多的扩展设备，如：压力传感器，蓝牙接收器，外接按钮，声控输入，蜂鸣器，振动装置等，扩展设备可以根据需求置于假肢手不同的部位，组成更多的扩展功能，如：通过在假肢手手掌或手指内侧设置压力传感器，反馈实时压力至单片机，当压力过大时，单片机控制置于手臂套筒内侧的振动装置发生振动，提醒佩戴者抓握力度过大，实现一种反馈调节功能；

单片机20可以通过编程，对肌肉电信号传感器10所输入的不同信号对应地输出电机运动所需的不同信号；

伺服电机30可以是伺服转动电机、伺服舵机或伺服直线电机，通过单片机供电，并依据从单片机接受的指令运动，其数量可根据残疾人的需求定制，一般为五个；

牵引绳8，连接电机运动与假肢的手指末端，在电机的带动下拉动手指弯曲；

基于3d打印的仿生假肢装置的单指运动原理，如图4所示，对于手掌上的一根手指7而言，由于使用tpu/tpe等同时具有弹性和塑性的材料通过3d打印的方法成形，因此具有保持手指初始姿态的功能，即在伺服电机30通电时，由于其柔性特征，牵引绳8能够拉扯带动其弯曲，在伺服电机断电时，由于其弹性特征，能够直接牵引手指姿态回复原貌，完成手指从弯曲到重新张开的过程；

手掌上的一根手指7，其可运动关节可以根据需求设置为2个或3个；

手掌上的一根手指7上指骨6间的弯曲带为可运动关节，其结构较薄，一般为1-3mm厚，因此能够保证手指在所需的关节处弯曲；

综上所述，由于单片机20能够接收到肌电传感器10所输入的不同信号，并通过编程输出对应的不同信号至伺服电机30，使若干伺服电机30实现预定的组合运动，在牵引绳的带动下，即能够实现假肢手的若干多指配合的手势运动。

本发明实施例二提供的基于3d打印的仿生假肢手和装置，与上述实施例一提供的基于3d打印的仿生假肢手和装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。本发明实施例中的使用tpu/tpe橡胶等同时具有柔性、弹性的材料，一体化制作手掌部位零件，所制作的手掌能够高度模仿人手外观及触感，手掌具有的柔性可以令牵引绳带动其弯曲，手掌具有的弹性能够直接保持手部姿态，如此以一种简单的结构高效地实现手指的弯曲运动和姿态保持，同时又避免了繁琐的装配过程；并且，本发明实施例使用3d打印的方法一体化制造手部零件，定制过程简单、高效，成本低；不仅如此，本发明实施例通过使用肌肉电信号传感器驱动，通过采集残疾人残缺肢体部分不同的肌肉运动信号，实现不同的信号输出，进一步配合电机控制，实现不同的假肢运动，动作可靠安全，其中，本发明实施例中的电机数量可以根据残疾人需要的手势动作控制数量而具体定制，灵活度高。

本发明实施例所提供的基于3d打印的仿生假肢手和装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。