专利名称：五指独立驱动的机械仿真手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及康复医学工程领域的机械仿真手，特别是涉及一种由使用者肌电 控制的机械仿真手。
背景技术：
手的动作十分灵巧并具有复杂的功能。现有的康复医学工程领域的机械仿真手， 虽然在重量和高把握力方面已经具备了实用性，但是在实际使用时自由度很低。另外，还有 很多利用仿生学而实现的机械仿真手，它们为了实现高自由度，而忽略了满足合适的重量 指标，且有把握力小的问题，使其不适合实际应用。例如现有厂家生产的产品，都分别存在 着如下缺点··· · · 现有的一至三个自由度的仿真手，它仅具有二至三个手指，且手腕是被动 旋转的，需要在使用时进行调整，造成了残疾人使用的不方便。另外，机械仿真手的重量大， 残疾人长时间佩戴困难；· · · 有些科研院校研发了欠驱动拟人机械手，由于使用了过多的齿轮机构，体 积大，质量大，成本高，残疾人难以实际使用。
实用新型内容基于上述现有技术，本实用新型提出了一种五指独立驱动的机械仿真手，该机械 仿真手的五指与人手手指具有相似的关节结构，由相应的电机带动进行独立地张开、闭合 运动；拇指可以侧向转动，从而使拇指可以向其余手指方向产生侧向夹取运动。另外，该机 械仿真手的手腕处有三个转动关节轴，使得机械仿真手可以产生内外旋转，上下翻转，侧向 左右转动。本实用新型提出的一种五指独立驱动的机械仿真手，包括五个手指即一拇指、一 食指、一中指、一无名指和一小指和手腕所述手指和手腕共具有19个自由度其中，每根 手指分别具有三个关节即远位指骨间关节、近位指间关节和掌指关节，所述每根手指的三 个关节通过第一线和第二线与驱动电机连接，以牵引每根手指的运动；所述手腕设置有三 个关节即围绕ζ轴旋转的关节、围绕χ轴旋转的关节以及设置两者之间的一个围绕y轴旋 转的关节，所述手腕的关节设置有驱动电机的绕线带动手腕转动；所述驱动电机采用一部驱动电机；所述第一线和所述第二线分别与同一驱动电机相连接且同向运动，第一线的转动 半径大于第二线的转动半径，第一线连接控制手指的掌指关节转动，第二线连接控制手指 的远位指骨间关节和近位指间关节；所述第一线和所述第二线分别与同一驱动电机相连接且同向运动，第一线的转动 半径大于第二线的转动半径，第一线连接控制手指的远位指骨间关节和近位指间关节，第 二线连接控制手指的掌指关节转动；所述驱动电机采用两部驱动电机；[0011]所述第一线与所述第二线分别在第一驱动电机和第二驱动电机的驱动下同向运动，其中，第一线连接控制手指的掌指关节转动，第二线连接控制手指的远位指骨间关节和 近位指间关节；所述手腕的关节设置有驱动电机的绕线为手腕绕ζ轴旋转的关节处的转动轴和 所述拇指的绕ζ轴旋转的关节处的转动轴上面分别固定有两组不同绕向的线，通过相应电 机的正反转分别实现手腕和拇指的垂直旋转；所述驱动电机与机械仿真手分开设置。与现有技术相比，本实用新型特别模拟人手的结构特性，开发了一种新型的机械 仿真手，该机械仿真手的五指与人手手指具有相似的关节结构，但是自由度更高，并且结构 简单，质量轻，以及使用线拉动手进行运动柔性好，成本低，运动灵活，因此有利于残疾人在 日常生活中使用；手指有三个活动关节，可以稳定把握不同形状的物体，便于残疾人日常使用。
图1为本实用新型的五指独立驱动的机械仿真手的结构示意图；图2为本实用新型的五指独立驱动的机械仿真手的手指关节第一种驱动方式的 实施例示意图；图3为本实用新型的五指独立驱动的机械仿真手的手指关节第二种驱动方式的 实施例示意图；图4为本实用新型的五指独立驱动的机械仿真手的手指关节第三种驱动方式的 实施例示意图；图5为本实用新型的五指独立驱动的机械仿真手的拇指和手腕垂直旋转的绕线 方式示意图；图6为本实用新型的的五指独立驱动的机械仿真手的手腕处三个转动关节结构 示意图；图7为本实用新型的的五指独立驱动的机械仿真手的手腕侧向左右转动的绕线 方式示意图；图8为本实用新型的的五指独立驱动的机械仿真手的手腕上下翻转运动的绕线 方式示意图。
具体实施方式
本实用新型的方案设计思想是模拟人手关节结构特性开发了一款具有19个自由 度的机械机械仿真手，如图1所示，该机械仿真手有5个手指，如图1中数字1-5所示，分别 为拇指、食指、中指、无名指、小指。每个手指都具有DIP关节(DIP，distal interphalangeal joint，远位指骨间关节)、PIP (PIP，Proximal interphalangeal joint，近位指间关节)以 及 MP (MP, metacarpophalangeal joint 掌指关节)拇指关节，除上述三个关节外，还具有一个转动关节(如图1中的“d”所示)，该关 节使得拇指向其余四指方向进行侧向转动，相应的运动方向如图1中的箭头所示。另外，该 机械仿真手的手腕处还有三个转动关节，在图1中分别标为“q”、“r”、“S”，相应的运动方向如图1中的箭头所示。转动关节“q”使得机械仿真手绕Z轴内外旋转，转动关节“!·”使得 机械仿真手绕y轴上下翻转，转动关节“S”使得机械仿真手绕Χ轴左右侧向转动。这些转 动关节采用干涉驱动方式，使用电机带动线牵引手部关节进行运动，使驱动电机部分与手 部分开，减轻了手部质量，便于残疾人佩戴使用。针对使用者的不同条件以及生理上的运动方式，在仿真手手指的不同关节部分采 取三种不同的干涉驱动方式，分别在图2-4中进行介绍。在图2中，线1和线2分别与同一 个电机相连接且同向运动，但是线1的转动半径大于线2的转动半径，线1控制手指的MP 关节转动，线2控制手指的DIP关节和PIP关节转动。在图3中，线1和线2分别与同一个电机相连接且同向运动，但是线1的转动半径 大于线2的转动半径，线1控制手指的DIP关节和PIP关节转动，线2控制手指的MP关节
转动。 上述两种结构中，转动半径较大的电机带动线1完成力量较大，运动范围较大的 动作；转动半径较小的电机带动线2完成力量较小，运动范围较小的动作。在图4中，线1与线2分别在电机1和电机2的驱动下同向运动，线1控制手指的 MP关节转动，线2控制手指的DIP关节和PIP关节转动，线1的转动半径与线2的转动半径 的相对大小可以根据需要进行调整。上述三种关节驱动设计所产生的把握力大，手指转动速度快，但由于使用了两个 电机，导致整个机械仿真手装置的质量有所增加。为了减少电机的使用，拇指绕ζ轴旋转的关节“d”与手腕绕ζ轴旋转的关节“q”处 的绕线方式如图5所示。在设置于拇指绕ζ轴旋转的关节“d”处的转动轴上与手腕绕ζ轴 旋转的关节“q”处的转动轴上，分别固定有两组不同绕向的线，在相应电机的顺时针转动、 逆时针转动下(参考图中电机上的虚实线箭头)，该转动轴将分别产生围绕ζ轴的逆时针转 动和顺时针转动。另外，该机械仿真手的手腕处有三个转动关节轴，使得机械仿真手可以产生内外 旋转，上下翻转，侧向左右转动。机械仿真手手腕处三个转动轴的结构示意图如图6所示。 图6中的“q”、“r”、“S”关节与图1中的“q”、“r”、“s”关节相一致，“q”是围绕2轴旋转的 关节，“r”是围绕y轴旋转的关节，“S”是围绕χ轴旋转的关节。“q”关节与“!·”关节之间 有一个过度关节，用以连接两者；“r”关节与“S”关节之间也有一个过度关节，用以连接两 者ο手腕绕χ轴旋转的机理如图7所示，将线连接“r”关节与“S”关节之间的过度关 节，当电机a顺时针转动时，手将向左侧向转动(图7中的实箭头线所示转动方向)；当电 机a逆时针转动时，手将向右侧向转动(图7中的虚箭头线所示转动方向)。手腕绕y轴旋转的机理如图8所示，将线以两种相反的绕向缠绕在“r”关节上，当 电机b顺时针转动时，手将向下翻转(图8中的实箭头线所示转动方向)；当电机b逆时针 转动时，手将向上翻转(图8中的虚箭头线所示转动方向)。电机与电池等装置与机械仿真手部分离，并集中固定在人的腰间，从而减轻手部 的质量，便于残疾人日常生活中实际使用。本实用新型的机械仿真手使用塑料或者合金等轻型材料制作，质量轻，便于使用， 在设计时使驱动电机部分与手部分开，减轻了手部质量，便于残疾人佩戴使用；以上针对不同的使用者，在手指部分采取三种不同的干涉驱动方式，增加了机械假手的使用功能；手腕 部位安有3个转动轴，使得假手可以转动，使用方便；该假手的表面上可以安装压电传感 器，以便向控制芯片反馈假手握住物体的状况，从而控制假 手有效地把握物体。
权利要求一种五指独立驱动的机械仿真手，包括五个手指即一拇指、一食指、一中指、一无名指和一小指和手腕，其特征在于，所述手指和手腕共具有19个自由度其中，每根手指分别具有三个关节即远位指骨间关节、近位指间关节和掌指关节，所述每根手指的三个关节通过第一线和第二线与驱动电机连接，以牵引每根手指的运动；所述手腕设置有三个关节即围绕z轴旋转的关节、围绕x轴旋转的关节以及设置两者之间的一个围绕y轴旋转的关节，所述手腕的关节设置有驱动电机的绕线带动手腕转动。
2.如权利要求1所述的五指独立驱动的机械仿真手，其特征在于，所述驱动电机采用 一部驱动电机。
3.如权利要求2所述的五指独立驱动的机械仿真手，其特征在于，所述第一线和所述 第二线分别与同一驱动电机相连接且同向运动，第一线的转动半径大于第二线的转动半 径，第一线连接控制手指的掌指关节转动，第二线连接控制手指的远位指骨间关节和近位 指间关节。
4.如权利要求2所述的五指独立驱动的机械仿真手，其特征在于，所述第一线和所述 第二线分别与同一驱动电机相连接且同向运动，第一线的转动半径大于第二线的转动半 径，第一线连接控制手指的远位指骨间关节和近位指间关节，第二线连接控制手指的掌指 关节转动。
5.如权利要求1所述的五指独立驱动的机械仿真手，其特征在于，所述驱动电机采用 两部驱动电机。
6.如权利要求4所述的五指独立驱动的机械仿真手，其特征在于，所述第一线与所述 第二线分别在第一驱动电机和第二驱动电机的驱动下同向运动，其中，第一线连接控制手 指的掌指关节转动，第二线连接控制手指的远位指骨间关节和近位指间关节。
7.如权利要求1所述的五指独立驱动的机械仿真手，所述手腕的关节设置有驱动电机 的绕线为手腕绕ζ轴旋转的关节处的转动轴和所述拇指的绕ζ轴旋转的关节处的转动轴 上面分别固定有两组不同绕向的线，通过相应电机的正反转分别实现手腕和拇指的垂直旋 转。
8.如权利要求1所述的五指独立驱动的机械仿真手，所述驱动电机与机械仿真手分开设置。
专利摘要本实用新型公开了一种五指独立驱动的机械仿真手，包括五手指和手腕，其特征在于，所述手指和手腕共具有19个自由度其中，每根手指分别具有三个关节即远位指骨间关节、近位指间关节和掌指关节，所述每根手指的三个关节通过第一线和第二线与驱动电机连接，以牵引每根手指的运动；所述手腕设置有三个关节即围绕z轴旋转的关节、围绕x轴旋转的关节以及设置两者之间的一个围绕y轴旋转的关节，所述手腕的关节设置有驱动电机的绕线带动手腕转动。与现有技术相比，本实用新型的机械仿真手的五指与人手手指具有相似的关节结构，但是自由度更高，并且结构简单，质量轻，以及使用线拉动手进行运动柔性好，成本低，运动灵活，因此有利于残疾人在日常生活中使用。
文档编号A61F2/56GK201631428SQ201020154779
公开日2010年11月17日 申请日期2010年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者段宸, 段峰, 高琪 申请人:段峰