一种用于模拟残肢深层肌运动的装置的制作方法

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种用于模拟残肢深层肌运动的装置。

背景技术：

传统的假肢通过将电极贴在截肢者皮肤表面或植入肌肉的方式，可以记录肌肉中由众多运动单元(motorunit)共同放电的肌电信号(electromyography，emg)，通过对emg进行信号处理和解码，就能生成控制假肢手的运动指令，从而可以用该假肢手来替代失去的手部进行操作。可是现有假肢手的使用体验与真实手掌差距过大，造成了神经假肢有很高的弃用率，截肢者宁可保持原来的生活习惯，也不愿意使用假肢手。

肌电控制假肢手，即肌电假手，亦称生物电假手，是利用残肢肌肉收缩时产生的肌电讯号，由皮肤电极引出，经生物电放大器放大后控制微型直流电机运转，驱动假手的开合。主要适用于前臂或上臂截肢，残肢肌肉收缩时可引出满意的肌电信号。肌电假手的优点是控制开手、闭手的模拟性高，可以高度模拟张手、闭手动作，通过残肢肌肉收缩产生的电信号就会随截肢者的意愿让假手张开、闭合。另外，肌电假手的优点是无需索控假手(功能假手)所必需的复杂肩带，便于上肢运动，在上肢前屈、后伸、上举等各种位置都能随意开手、闭手；肌电假手的缺点是假肢重量大、控制精度差、故障率高和价格高、不能精确的识别人体运动意图、且emg信号较弱、并且噪音大、很难完全根据人的意图来控制手，很难实现商业化。自2016年以来，北京积水潭医院开始采用mrt对多例上肢截肢进行治疗，均取得了良好的效果。mrt手术能够有效输出人体的运动意图，增加运动信号的数目、强度和准确率，有助于智能仿生手进行信号识别，为上肢截肢患者更好地控制智能仿生手提供了可行的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是填补市面上缺少一种模拟残肢深层肌运动装置的空白，提出了一种用于模拟残肢深层肌运动的装置。采用三个丝杠电机协同控制，电机驱动腱绳来改变硅胶拉板的凹陷程度，其中通过电机驱动来拉伸与之相连的腱绳模仿的是人体的肌腱运动，并通过控制板来控制电机。该装置拟人化程度高，仅用三个电机来驱动与之相连的三条腱绳就能模拟人体残肢不同部位的收缩，无需复杂的传感和控制系统；本发明还具有多种可变的残肢凹陷尺寸，可以模拟人体残肢不同程度的收缩。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种用于模拟残肢深层肌运动的装置，其特征在于，包括残肢模拟壳体、三个硅胶拉板、三根腱绳、三个丝杠电机和三个电机固定基座；其中，三个硅胶拉板均匀分布在残肢模拟壳体前端，各丝杠电机分别通过一个电机固定基座安装于所述残肢模拟壳体内部，且各丝杠电机在所述残肢模拟壳体内的分布与硅胶拉板相对应，各硅胶拉板分别通过一根所述腱绳与对应的丝杠电机输出端相连，由各丝杠电机内滑块的滑动来分别控制相应硅胶拉板的形变，以模拟人体残肢残层肌的运动；

三个所述电机固定基座与所述残肢模拟壳体一体成型，其中第一电机固定基座靠近残肢模拟壳体前端且位于残肢模拟壳体的中轴线处，剩余两个电机固定基座靠近残肢模拟壳体后端且对称位于残肢模拟壳体的中轴线左右两侧；

所述硅胶拉板局部嵌入所述残肢模拟壳体的前端；各硅胶拉板均分别由一体成型的头部和连接杆组成，在所述连接杆上开设用于固定所述腱绳一端的圆孔，当硅胶拉板在受到腱绳拉力的情况下能模拟人体残肢的收缩。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的一种用于模拟残肢深层肌运动的装置，利用丝杠电机、腱绳、硅胶拉板、模拟残肢壳体、模拟残肢壳体盖等组成，具有较高的拟人化程度；丝杠电机的导程由控制板来控制，这样提高了的丝杠电机导程的控制精度，且控制系统简单易操作；仅用三个丝杠电机驱动三条腱绳，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单、重量轻，加工、装配和维修成本低，拟人化程度高，适用于模拟人体残肢深层肌运动过程。

此外，本发明可为后续深入探索深层肌的运动情况提供了实验条件，且与压力传感器组合可测得多组残肢表面皮肤不同部位及不同收缩量的压力信号。该装置也可为假肢手移植在人体上实现更加精准的控制，提供手宝贵的实验数据。

附图说明

图1、图2是本发明提出的用于模拟残肢深层肌运动装置的一种实施例的整体结构原理图；

图3是本发明实施例用于模拟残肢深层肌运动装置的部分装配体的俯视图；

图4是图3的轴侧图；

图5所示是本发明实施例中硅胶拉板的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种用于模拟残肢深层肌运动的装置的应用实例。

本发明提出的用于模拟残肢深层肌运动的装置的一种实施例如图1～5所示，包括残肢(残肢仅限于模拟手臂)模拟壳体、三个硅胶拉板(3、4、5)、三根腱绳(9、10、11)、三个丝杠电机(6、7、8)和三个电机固定基座(12、13、14)；其中，三个硅胶拉板(3、4、5)均匀分布在残肢模拟壳体前端，各丝杠电机(6、7、8)分别通过一个电机固定基座(12、13、14)安装于残肢模拟壳体内部，且各丝杠电机在残肢模拟壳体内的分布与硅胶拉板相对应，各硅胶拉板(3、4、5)分别通过一根腱绳(9、10、11)与对应的丝杠电机(6、7、8)输出端相连，由各丝杠电机分别控制相应硅胶拉板(3、4、5)的形变，以模拟人体残肢残层肌的运动。

本实施例中各部件的具体实现方式及功能分别描述如下：

模拟残肢壳体通过3d打印成型，采用空心设计，既节省了材料，又缩短了加工时间。该模拟残肢壳体的形状与人体残肢相仿，由主体壳体1和顶盖2通过螺栓紧固组成，便于其内部电机固定基座和丝杠电机的安装。三个电机固定基座(12、13、14)与壳体主体1一体成型，其中电机固定基座14靠近壳体主体1前端且位于壳体主体1的中轴线处，电机固定基座12和13靠近壳体主体1后端且对称位于壳体主体1的中轴线左右两侧。设有硅胶拉板(3、4、5)的壳体主体1前端为类半圆形，与残肢末端相仿，硅胶拉板局部穿过壳体主体前端位于其外侧以嵌入壳体主体前端。各硅胶拉板(3、4、5)结构相同，参见图5，以硅胶拉板3为例，由头部31和连接杆32一体成型，在连接杆32上开设用于固定腱绳11一端的圆孔33，硅胶拉板(3、4、5)内部采用3d打印成型，外部涂上均匀无毒、无味的硅胶，柔性的硅胶在受到腱绳拉力的情况下可逼真地模拟人体残肢的收缩。

各丝杠电机(6、7、8)分别通过螺栓固定在相应电机固定基座(12、13、14)上，各丝杠电机(6、7、8)内的滑块(15、16、17)分别与相应腱绳(9、10、11)另一端固定，由滑块的滑动控制腱绳的松紧。各丝杠电极(6、7、8)的控制板通过螺栓固定在相应的电机固定基座上，用于控制相应丝杠电极的运动快慢及行程；控制板通过一驱动板与丝杠电机的电机接口相连接，以此控制丝杠电机。

本实施例模拟残肢深层肌运动装置的工作原理，结合附图叙述如下：

本实施例处于初始状态时，如图1和图2所示。丝杆电机(6、7、8)转动，腱绳(9、10、11)被拉紧，腱绳(9、10、11)一端与相应硅胶拉板(3、4、5)相连，另一端与相应丝杠电机(6、7、8)相连，当丝杠电机(6、7、8)顺时针转动时硅胶拉板(3、4、5)被拉伸，在与壳体主体1相接触的部分附近发生形变，可以较好的模拟人体残肢的收缩。三个丝杠电机可单独控制或同时控制，根据所需扭矩和力等参数选取电机型号。

本发明提出的模拟残肢深层肌运动装置，利用丝杠电机、腱绳、硅胶拉板、模拟残肢壳体、模拟残肢壳体盖等组成，具有较高的拟人化程度；丝杠电机的导程由各自控制板来控制，这样提高了的丝杠电机导程的控制精度，且控制简单易操作；仅用三个丝杠电机驱动三条腱绳，无需复杂的传感和控制系统；该装置结构简单、重量轻，加工、装配和维修成本低，拟人化程度高，适用于模拟人体残肢深层肌运动过程。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。