CN103284821A - 一种假肢手的拇指机构 - Google Patents

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Abstract

一种假肢手的拇指机构，属于医疗器械领域，解决现有的假肢手拇指机构驱动数过多、重量过重、灵活性不够的问题。本发明包括手掌底板、伺服电机、减速器、传动机构、近指节、中指节和远指节；所述伺服电机和减速器固定在手掌底板上，伺服电机和减速器连接，减速器和传动机构连接，传动机构和近指节连接，所述近指节、中指节和远指节依次转动连接。本发明采用一个伺服电机同时实现驱动拇指的弯曲和侧摆运动，本发明具有三个自由度，在外型和运动方式上和人的拇指极其相似，更加美观、仿人、实用。实验表明，本发明在抓握时和其他手指配合，具有很强的自适应能力，能够实现对复杂物体的包络、精确抓握、力量抓握和侧捏。

Description

一种假肢手的拇指机构
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种假肢手的拇指机构。
背景技术
目前，韩国的KNU假肢手采用了外槽轮机构，它的手指是连杆驱动的，连杆手指存在结构不紧凑的缺陷(见Jun-Uk Chu，Dong-Hyun Jung andYun-Jung Lee，Design and Control of a Multifunction Myoelectric Handwith New Adaptive Grasping and Self-locking Mechanisms，in2008IEEEInternational Conference on Robotics and Automation.2008：Pasadena，CA，USA)；MANUS假肢手中也应用了槽轮机构，但是传递电机动力的驱动路径太过复杂，传动链的能量损耗过大(见J.L.PONS，E.ROCON and R.CERES.The MANUS-HAND Dextrous robotics upper limb prosthesis：Mechanical and manipulation aspects.Autonomous Robots，2004，16：143-163)。
发明内容
本发明提供一种假肢手的拇指机构，解决现有的假肢手拇指机构驱动数过多、重量过重、灵活性不够的问题。
本发明所提供的一种假肢手的拇指机构，包括手掌底板、伺服电机、减速器、传动机构、近指节、中指节和远指节；所述伺服电机和减速器固定在手掌底板上，伺服电机和减速器连接，减速器和传动机构连接，传动机构和近指节连接，所述近指节、中指节和远指节依次转动连接，其特征在于：
A、所述传动机构包括电机支撑板、槽轮支撑板、拇指基座、从动齿轮、圆头螺钉、第一圆珠滚子轴承、第二圆珠滚子轴承、主动拨盘、紧定螺钉、导向轮、曲柄、圆销、销轴、连杆、滑块凸台、滑块、直线轴承、直线导轨、钢丝绳、左支撑座、右支撑座、从动槽轮、第一轴、第三圆珠滚子轴承、主动齿轮、第四圆珠滚子轴承、第一空心钢球、第二空心钢球；
电机支撑板和槽轮支撑板底部通过螺钉固定在手掌底板上，电机支撑板和槽轮支撑板上部分别开有减速器轴孔，下部分别开有第一轴轴孔；拇指基座由一体的圆筒和折板与拇指底板连接构成，拇指底板和折板通过螺钉连接，圆筒位于电机支撑板和槽轮支撑板之间，圆筒上套有从动齿轮并通过圆头螺钉连接，圆筒两端分别通过第一圆珠滚子轴承和第二圆珠滚子轴承与槽轮支撑板、电机支撑板转动配合；主动拨盘为中部具有环形凸台的圆筒，环形凸台具有圆弧形缺口，环形凸台一侧圆筒伸入拇指基座的圆筒的内孔，所述减速器输出轴通过电机支撑板的减速器轴孔穿入主动拨盘的圆筒内，并通过均匀分布的紧定螺钉与主动拨盘的圆筒连接；拇指基座的折板端部固定有导向轮；
所述曲柄上具有中心孔及其左右两侧的左端孔、右端孔，曲柄的中心孔套于主动拨盘环形凸台另一侧圆筒并和主动拨盘环形凸台固连，曲柄的右端孔和圆销螺纹连接，曲柄的左端孔通过销轴与连杆一端转动连接，连杆另一端通过圆珠滚子轴承转动连接滑块凸台，滑块凸台和滑块固连；滑块通过直线轴承和直线导轨滑动配合，滑块上具有用于穿过钢丝绳的通孔，直线导轨两端分别通过左支撑座和右支撑座固定在拇指基座的拇指底板上；
所述从动槽轮具有轴孔和开口的径向直槽，从动槽轮上相应轴孔位置具有圆筒形凸台，从动槽轮边缘分别具有关于径向直槽对称的左锁止弧和右锁止弧，所述圆销位于所述从动槽轮径向直槽内；
所述第一轴的一端通过嵌入电机支撑板第一轴轴孔的第三圆珠滚子轴承和电机支撑板转动配合，第一轴另一端依次穿过主动齿轮中心孔和从动槽轮的轴孔，并通过多个紧定螺钉将后两者固定于第一轴上，所述主动齿轮和从动齿轮通过齿轮啮合，从动槽轮的圆筒形凸台通过嵌入槽轮支撑板第一轴轴孔的第四圆珠滚子轴承和槽轮支撑板转动配合；
B、所述近指节包括近指节左盖板、近指节右盖板、第一滑轮、第一扭簧和第一旋转轴，第一滑轮和第一扭簧套在第一旋转轴上，第一旋转轴固定于近指节左盖板和近指节右盖板之间，近指节左盖板和近指节右盖板下端固定于所述拇指基座的折板上；
所述中指节包括中指节左盖板、中指节右盖板、第二滑轮、第二扭簧和第二旋转轴，第二滑轮和第二扭簧套在第二旋转轴上，第二旋转轴固定于中指节左盖板和中指节右盖板之间，中指节左盖板和中指节右盖板下端***近指节左盖板和近指节右盖板之间、套在第一旋转轴上；
所述远指节包括远指套、左支撑板和右支撑板，左支撑板和右支撑板分别固接于远指套下端左右两侧，左支撑板和右支撑板下端***中指节左盖板和中指节右盖板之间、套在第二旋转轴上；
钢丝绳两端分别固定有第一空心钢球和第二空心钢球，第一空心钢球位于所述滑块的通孔一侧，钢丝绳穿过滑块的通孔，经导向轮导向后依次缠绕第一滑轮和第二滑轮，由第二空心钢球固定在远指套内。
本发明中，主动拨盘作等速连续转动时，当主动拨盘上圆销未进入从动槽轮的径向槽时，从动槽轮因其内凹的左锁止弧锁住而静止；当圆销进入径向直槽时，左锁止弧和主动拨盘的凸台脱开，减速器的动力，通过紧定螺钉传给主动拨盘，从动槽轮在圆销的驱动下转动，随后传给与其同轴的主动齿轮，通过齿轮啮合传递给从动齿轮，最后输出给通过圆头螺钉和从动齿轮固连的拇指基座。
连杆两端分别和曲柄和滑块凸台形成转动副，转动轴分别是销轴和滑块凸台；曲柄连杆机构把电机经过减速器产生的主动拨盘的旋转运动转化为滑块沿直线导轨的直线运动，滑块通过第一空心钢球将动力传递给钢丝绳，钢丝绳将动力传递给中指节和远指节，近指节左盖板和近指节右盖板是固定在拇指基座上的，所以近指节是不能弯曲的，中指节和远指节可分别绕第一旋转轴和第二旋转轴弯曲。
当从动槽轮被锁住的时候，电机输出轴的旋转运动通过曲柄滑块机构转变为往复的直线运动，然后滑块的直线运动拉动拇指产生弯曲动作。
当从动槽轮没有被锁住的时候，圆销进入径向直槽之后开始驱动从动槽轮旋转，然后第一轴随主动拨盘旋转，当主动拨盘顺时针旋转90°之后，从动槽轮也逆时针旋转了90°，与此同时从动齿轮和拇指基座也顺时针旋转了90°。在这种情况下，拇指实现了侧摆运动。
为了尽量减少驱动器的数量，重量和体积，本发明采用一个电机同时驱动拇指的弯曲和伸展、内收和外展运动，本发明具有三个自由度：近指节具有侧摆自由度，近指节和中指节之间一个旋转自由度，中指节和远指节之间一个旋转自由度，内收和外展是通过一组外槽轮机构来实现的；这使得本发明在外型和运动方式上和人的拇指极其相似，更加美观、仿人、实用。实验表明，本发明在抓握时和其他手指配合，具有很强的自适应能力，能够实现对复杂物体的包络、精确抓握、力量抓握和侧捏。
附图说明
图1为本发明的整体示意图(左手拇指，手心朝上)；
图2为本发明传动机构2的主视图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为图2的B-B剖视图；
图5从动槽轮结构示意图；
图6从动槽轮机构原理图；
图7整个拇指机构沿拇指对称面剖视图；
图8为图7的C向视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例包括手掌底板1、伺服电机2、减速器3、传动机构4、近指节5、中指节6和远指节7；所述伺服电机2和减速器3固定在手掌底板1上，伺服电机2和减速器3连接，减速器3和传动机构4连接，传动机构4和近指节5连接，所述近指节5、中指节6和远指节7依次转动连接。
如图2、图3、图4所示，所述传动机构4包括电机支撑板4-1、槽轮支撑板4-2、拇指基座4-3、从动齿轮4-4、圆头螺钉4-5、第一圆珠滚子轴承4-6、第二圆珠滚子轴承4-7、主动拨盘4-8、紧定螺钉4-9、导向轮4-10、曲柄4-11、圆销4-12、销轴4-13、连杆4-14、滑块凸台4-15、滑块4-16、直线轴承4-17、直线导轨4-18、钢丝绳4-19、左支撑座4-20、右支撑座4-21、从动槽轮4-22、第一轴4-23、第三圆珠滚子轴承4-24、主动齿轮4-25、第四圆珠滚子轴承4-26、第一空心钢球4-27、第二空心钢球4-28；
电机支撑板4-1和槽轮支撑板4-2底部通过螺钉固定在手掌底板1上，电机支撑板4-1和槽轮支撑板4-2上部分别开有减速器轴孔，下部分别开有第一轴轴孔；拇指基座4-3由一体的圆筒4-3A和折板4-3B与拇指底板4-3C连接构成，拇指底板4-3C和折板4-3B通过螺钉连接，圆筒4-3A位于电机支撑板4-1和槽轮支撑板4-2之间，圆筒4-3A上套有从动齿轮4-4并通过圆头螺钉4-5连接，圆筒4-3A两端分别通过第一圆珠滚子轴承4-6和第二圆珠滚子轴承4-7与槽轮支撑板4-2、电机支撑板4-1转动配合；主动拨盘4-8为中部具有环形凸台4-8A的圆筒，环形凸台4-8A具有圆弧形缺口，环形凸台4-8A一侧圆筒伸入拇指基座4-3的圆筒4-3A的内孔，所述减速器3输出轴通过电机支撑板4-1的减速器轴孔穿入主动拨盘4-8的圆筒内，并通过均匀分布的紧定螺钉4-9与主动拨盘4-8的圆筒连接；拇指基座4-3的折板4-3B端部固定有导向轮4-10；
如图2、图4所示，所述曲柄4-11上具有中心孔4-11A及其左右两侧的左端孔4-11B、右端孔4-11C，曲柄4-11的中心孔4-11A套于主动拨盘4-8环形凸台4-8A另一侧圆筒并和主动拨盘4-8环形凸台4-8A固连，曲柄4-11的右端孔4-11C和圆销4-12螺纹连接，曲柄4-11的左端孔4-11B通过销轴4-13与连杆4-14一端转动连接，连杆4-14另一端通过圆珠滚子轴承转动连接滑块凸台4-15，滑块凸台4-15和滑块4-16固连；滑块4-16通过直线轴承4-17和直线导轨4-18滑动配合，滑块4-16上具有用于穿过钢丝绳4-19的通孔，直线导轨4-18两端分别通过左支撑座4-20和右支撑座4-21固定在拇指基座4-3的拇指底板4-3C上；
连杆4-14两端分别和曲柄4-11和滑块凸台4-15形成转动副，转动轴分别是销轴4-13和滑块凸台4-15；曲柄连杆机构把电机经过减速器3产生的主动拨盘4-8的旋转运动转化为滑块4-16沿直线导轨的直线运动；
如图5所示，所述从动槽轮4-22具有轴孔4-22A和开口的径向直槽4-22B，从动槽轮4-22上相应轴孔4-22A位置具有圆筒形凸台4-22C，从动槽轮4-22边缘分别具有关于径向直槽4-22B对称的左锁止弧4-22D和右锁止弧4-22E，所述圆销4-12位于所述从动槽轮4-22径向直槽内；
所述第一轴4-23的一端通过嵌入电机支撑板4-1第一轴轴孔的第三圆珠滚子轴承4-24和电机支撑板4-1转动配合，第一轴4-23另一端依次穿过主动齿轮4-25中心孔和从动槽轮4-22的轴孔4-22A，并通过多个紧定螺钉将后两者固定于第一轴4-23上，所述主动齿轮4-25和从动齿轮4-4通过齿轮啮合，从动槽轮4-22的圆筒形凸台4-22C通过嵌入槽轮支撑板4-2第一轴轴孔的第四圆珠滚子轴承4-26和槽轮支撑板4-2转动配合；
如图6所示，主动拨盘4-8作等速连续转动时，当主动拨盘上圆销4-12未进入从动槽轮4-22的直槽4-22B时，从动槽轮4-22因其内凹的左锁止弧4-22D锁住而静止；当圆销4-12进入径向直槽4-22B时，左锁止弧和主动拨盘4-8的凸台6-1脱开，减速器3的动力，通过紧定螺钉4-9传给主动拨盘4-8，从动槽轮4-22在圆销4-12的驱动下转动，随后传给与其同轴的主动齿轮4-25，通过齿轮啮合传递给从动齿轮4-4，最后输出给通过圆头螺钉4-5和从动齿轮4-4固连的拇指基座4-3。
综上，当圆销4-12进入径向槽时，减速器3的动力，通过紧定螺钉4-9传给主动拨盘4-8，然后通过圆销4-12传给从动槽轮4-22，随后传给同轴上的主动齿轮4-25，通过齿轮啮合传递给从动齿轮4-4，最后输出给拇指基座4-3；
如图7、图8所示，所述近指节5包括近指节左盖板5-1、近指节右盖板5-2、第一滑轮5-3、第一扭簧5-4和第一旋转轴5-5，第一滑轮5-3和第一扭簧5-4套在第一旋转轴5-5上，第一旋转轴5-5固定于近指节左盖板5-1和近指节右盖板5-2之间，近指节左盖板5-1和近指节右盖板5-2下端固定于所述拇指基座4-3的折板4-3B上；
所述中指节6包括中指节左盖板6-1、中指节右盖板6-2、第二滑轮6-3、第二扭簧6-4和第二旋转轴6-5，第二滑轮6-3和第二扭簧6-4套在第二旋转轴6-5上，第二旋转轴6-5固定于中指节左盖板6-1和中指节右盖板6-2之间，中指节左盖板6-1和中指节右盖板6-2下端***近指节左盖板5-1和近指节右盖板5-2之间、套在第一旋转轴5-5上；
所述远指节7包括远指套7-1、左支撑板7-2和右支撑板7-3，左支撑板7-2和右支撑板7-3分别固接于远指套7-1下端左右两侧，左支撑板7-2和右支撑板7-3下端***中指节左盖板6-1和中指节右盖板6-2之间、套在第二旋转轴6-5上；
钢丝绳4-19两端分别固定有第一空心钢球4-27和第二空心钢球4-28，第一空心钢球4-27位于所述滑块4-16的通孔一侧，钢丝绳4-19穿过滑块4-16的通孔，经导向轮4-10导向后依次缠绕第一滑轮5-3和第二滑轮6-3，由第二空心钢球4-28固定在远指套7-1内。
本实施例中，用钢丝绳4-19来传递滑块4-16的动力给拇指，滑块4-16向右沿着直线导轨4-18做直线运动，通过第一空心钢球4-27将动力传递给钢丝绳4-19，然后通过钢丝绳4-19将动力传递给中指节6和远指节7，近指节左盖板5-1和近指节右盖板5-2是固定在拇指基座4-3上的，所以近指节5是不能弯曲的，中指节6和远指节7可分别绕第一旋转轴5-5和第二旋转轴6-5弯曲。第一扭簧5-4和第二扭簧6-4用来恢复拇指的初始位置。
本实施例中的电机选用冯哈勃公司的直流有刷伺服电机。
本发明不仅局限于这一个实施例，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种假肢手的拇指机构，包括手掌底板(1)、伺服电机(2)、减速器(3)、传动机构(4)、近指节(5)、中指节(6)和远指节(7)；所述伺服电机(2)和减速器(3)固定在手掌底板(1)上，伺服电机(2)和减速器(3)连接，减速器(3)和传动机构(4)连接，传动机构(4)和近指节(5)连接，所述近指节(5)、中指节(6)和远指节(7)依次转动连接，其特征在于：
A、所述传动机构(4)包括电机支撑板(4-1)、槽轮支撑板(4-2)、拇指基座(4-3)、从动齿轮(4-4)、圆头螺钉(4-5)、第一圆珠滚子轴承(4-6)、第二圆珠滚子轴承(4-7)、主动拨盘(4-8)、紧定螺钉(4-9)、导向轮(4-10)、曲柄(4-11)、圆销(4-12)、销轴(4-13)、连杆(4-14)、滑块凸台(4-15)、滑块(4-16)、直线轴承(4-17)、直线导轨(4-18)、钢丝绳(4-19)、左支撑座(4-20)、右支撑座(4-21)、从动槽轮(4-22)、第一轴(4-23)、第三圆珠滚子轴承(4-24)、主动齿轮(4-25)、第四圆珠滚子轴承(4-26)、第一空心钢球(4-27)、第二空心钢球(4-28)；
电机支撑板(4-1)和槽轮支撑板(4-2)底部通过螺钉固定在手掌底板(1)上，电机支撑板(4-1)和槽轮支撑板(4-2)上部分别开有减速器轴孔，下部分别开有第一轴轴孔；拇指基座(4-3)由一体的圆筒(4-3A)和折板(4-3B)与拇指底板(4-3C)连接构成，拇指底板(4-3C)和折板(4-3B)通过螺钉连接，圆筒(4-3A)位于电机支撑板(4-1)和槽轮支撑板(4-2)之间，圆筒(4-3A)上套有从动齿轮(4-4)并通过圆头螺钉(4-5)连接，圆筒(4-3A)两端分别通过第一圆珠滚子轴承(4-6)和第二圆珠滚子轴承(4-7)与槽轮支撑板(4-2)、电机支撑板(4-1)转动配合；主动拨盘(4-8)为中部具有环形凸台(4-8A)的圆筒，环形凸台(4-8A)具有圆弧形缺口，环形凸台(4-8A)一侧圆筒伸入拇指基座(4-3)的圆筒(4-3A)的内孔，所述减速器(3)输出轴通过电机支撑板(4-1)的减速器轴孔穿入主动拨盘(4-8)的圆筒内，并通过均匀分布的紧定螺钉(4-9)与主动拨盘(4-8)的圆筒连接；拇指基座(4-3)的折板(4-3B)端部固定有导向轮(4-10)；
所述曲柄(4-11)上具有中心孔(4-11A)及其左右两侧的左端孔(4-11B)、右端孔(4-11C)，曲柄(4-11)的中心孔(4-11A)套于主动拨盘(4-8)环形凸台(4-8A)另一侧圆筒并和主动拨盘(4-8)环形凸台(4-8A)固连，曲柄(4-11)的右端孔(4-11C)和圆销(4-12)螺纹连接，曲柄(4-11)的左端孔(4-11B)通过销轴(4-13)与连杆(4-14)一端转动连接，连杆(4-14)另一端通过圆珠滚子轴承转动连接滑块凸台(4-15)，滑块凸台(4-15)和滑块(4-16)固连；滑块(4-16)通过直线轴承(4-17)和直线导轨(4-18)滑动配合，滑块(4-16)上具有用于穿过钢丝绳(4-19)的通孔，直线导轨(4-18)两端分别通过左支撑座(4-20)和右支撑座(4-21)固定在拇指基座(4-3)的拇指底板(4-3C)上；
所述从动槽轮(4-22)具有轴孔(4-22A)和开口的径向直槽(4-22B)，从动槽轮(4-22)上相应轴孔(4-22A)位置具有圆筒形凸台(4-22C)，从动槽轮(4-22)边缘分别具有关于径向直槽(4-22B)对称的左锁止弧(4-22D)和右锁止弧(4-22E)，所述圆销(4-12)位于所述从动槽轮(4-22)径向直槽内；
所述第一轴(4-23)的一端通过嵌入电机支撑板(4-1)第一轴轴孔的第三圆珠滚子轴承(4-24)和电机支撑板(4-1)转动配合，第一轴(4-23)另一端依次穿过主动齿轮(4-25)中心孔和从动槽轮(4-22)的轴孔(4-22A)，并通过多个紧定螺钉将后两者固定于第一轴(4-23)上，所述主动齿轮(4-25)和从动齿轮(4-4)通过齿轮啮合，从动槽轮(4-22)的圆筒形凸台(4-22C)通过嵌入槽轮支撑板(4-2)第一轴轴孔的第四圆珠滚子轴承(4-26)和槽轮支撑板(4-2)转动配合；
B、所述近指节(5)包括近指节左盖板(5-1)、近指节右盖板(5-2)、第一滑轮(5-3)、第一扭簧(5-4)和第一旋转轴(5-5)，第一滑轮(5-3)和第一扭簧(5-4)套在第一旋转轴(5-5)上，第一旋转轴(5-5)固定于近指节左盖板(5-1)和近指节右盖板(5-2)之间，近指节左盖板(5-1)和近指节右盖板(5-2)下端固定于所述拇指基座(4-3)的折板(4-3B)上；
所述中指节(6)包括中指节左盖板(6-1)、中指节右盖板(6-2)、第二滑轮(6-3)、第二扭簧(6-4)和第二旋转轴(6-5)，第二滑轮(6-3)和第二扭簧(6-4)套在第二旋转轴(6-5)上，第二旋转轴(6-5)固定于中指节左盖板(6-1)和中指节右盖板(6-2)之间，中指节左盖板(6-1)和中指节右盖板(6-2)下端***近指节左盖板(5-1)和近指节右盖板(5-2)之间、套在第一旋转轴(5-5)上；
所述远指节(7)包括远指套(7-1)、左支撑板(7-2)和右支撑板(7-3)，左支撑板(7-2)和右支撑板(7-3)分别固接于远指套(7-1)下端左右两侧，左支撑板(7-2)和右支撑板(7-3)下端***中指节左盖板(6-1)和中指节右盖板(6-2)之间、套在第二旋转轴(6-5)上；
钢丝绳(4-19)两端分别固定有第一空心钢球(4-27)和第二空心钢球(4-28)，第一空心钢球(4-27)位于所述滑块(4-16)的通孔一侧，钢丝绳(4-19)穿过滑块(4-16)的通孔，经导向轮(4-10)导向后依次缠绕第一滑轮(5-3)和第二滑轮(6-3)，由第二空心钢球(4-28)固定在远指套(7-1)内。
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