CN104400792B - 一种关节间柔性耦合的欠驱动手指 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节间柔性耦合的欠驱动手指，其中手指以滑轮为主要部件，手指内传动机构采用张紧绳和防松绳依次缠绕于手指的各滑轮上，以及指节间的两个耦合弹簧及拉绳，由此实现一个输入完成手指多个自由度的运动。通过本发明，手指本体以及手指内传动机构配合形成一个欠驱动手指，能够精确实现抓取时的自适应能力，同时其内嵌入式的柔顺性使该手指适用于在各类复杂应用环境的假肢手器械。

Description

一种关节间柔性耦合的欠驱动手指

技术领域

本发明属于医疗器械设备技术领域，更具体地，涉及一种关节间柔性耦合的欠驱动手指。

背景技术

手指是假肢手的基本组成部分，手指设计的优劣直接决定的假肢手的功能能否实现。手指设计除了要能完成各种抓取任务外，还应使假肢手的外观和体积尽量与人手接近，并且能用目前能获取的较少的生理信号控制实现丰富的抓取和操作功能。这就为假肢手指的设计提出了基本要求：少驱动源驱动与人手相当的多关节手指，实现拟人的外观与抓取操作功能。

对此，现有技术中已经提出了一些解决方案。例如，西班牙的MANUS-HAND假肢手指采用一个驱动器驱动三个关节耦合运动，该手指虽然减少了驱动数，但手指不具有顺应性，不能在抓取过程中顺应物体形状实现拟人抓取。加拿大Gosselin研究团队研制的连杆欠驱动手指具有良好的顺应能力和足够大的抓取力，但该手指机构太大，无法嵌入到假肢中，而且该手指在抓取中会出现奇异姿态。此外，国内哈尔滨工业大学和德国宇航中心最新研制了集成于五指仿人手中的手指只需要一个驱动源，但是其抓取模式单一，不能完成自适应的抓取，这种方法会带来使得其控制难度增加，和传感器多且控制电路复杂的特点，因而难以满足假肢手轻便和操控方便等方面的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种关节间柔性耦合的欠驱动手指，其中通过对其关键组件如各个手指的内部构造以及手指内传动机构和的结构及设置方式进行改进，相应能够仅采用一个输入便能控制手指三个自由度，复现人手动态协调规律，精确实现抓取时的自适应能力，同时其内嵌入式的柔顺性使该手指适用于在各类复杂应用环境的假肢手器械。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种关节间柔性耦合的欠驱动手指，这些手指为具备相同结构的拇指、食指、中指、无名指和小指，将靠近手掌的方向定义为近端，而远离手掌的方向定义为远端，则各个手指由近及远分别包括掌指关节组件、近指节组件、远指节组件和中指节，其特征在于：

所述掌指关节组件包括掌指关节、横向设置在该掌指关节近端处的掌指关节连接轴、沿着手指轴向方向居中设置在该掌指关节连接轴上的第一滑轮、横向设置在该掌指关节远端处的第一旋转轴，以及沿着手指轴向方向居中设置在所述第一旋转轴上的第二滑轮；所述近指节组件包括与所述掌指关节远端相连的近指节、横向设置在该近指节远端处的第二旋转轴，以及沿着手指轴向方向居中设置在所述第二旋转轴上的第三滑轮；所述远指节组件包括远指节、横向设置在该远指节近端处的第三旋转轴、沿着手指轴向方向居中设置在所述第三旋转轴上的第四滑轮，以及套设在远指节远端处的远指端；所述中指节呈一体的圆柱体结构，并在其两端分别与所述近指节和远指节可相对弯折地相连；

此外，在上述五个手指的内部，分别对应设置有手指内传动机构，该手指内传动机构各自包括与所述第一滑轮相连的驱动绳、依次缠绕在所述第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮上的张紧绳、与所述张紧绳对称布置并与之共同模拟手指肌腱的放松绳、设置在所述第二滑轮与第三滑轮之间的近指节耦合弹簧，以及设置在所述第三滑轮与第四滑轮之间的中指节耦合弹簧，其中，该近指节耦合弹簧的一端采用第一近指节弹簧张紧绳相连，且该第一近指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述掌指关节，该近指节耦合弹簧的另外一端采用第二近指节弹簧张紧绳相连，且该第二近指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述中指节；此外，该中指节耦合弹簧的一端采用第一中指节弹簧张紧绳相连，且该第一中指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述近指节，该中指节耦合弹簧的另外一端采用第二中指节弹簧张紧绳相连，且该第二中指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述远指节。

作为进一步优选地，各个手指的指节处优选还设置有机械限位机构，其中掌指关节、近指节、中指节和远指节位于手背一面的呈凸台结构，而位于手心一面的呈弧面结构，由此确保各个指节可向手心弯曲90度。

作为进一步优选地，各个手指的内部优选设置有两套所述手指内传动机构，这两套手指内传动机构分别对应安装在手指的两侧，由此共同完成手指的自适应功能。

所述手指内传动机构共同包含有四个传动组，其中各自由近指节耦合弹簧和中指节耦合弹簧所构成的第一传动组和第四传动组共同用于手指的自适应能力，而分别由放松绳和张紧绳构成的第二传动组和第三传动组分别用于手指的弯曲和伸直。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过滑轮与钢丝绳的配合，由主动驱动来完成手指的弯曲与伸直，从而达到欠驱动的目的，完成一个输入源实现三个自由度的控制，以此方式便可以实现一个电机实现一个手指的运动，并有效复现人手动态协调规律；

2、通过两组耦合弹簧的变形，实现手指在碰触物体之后的自适应能力，手指多余的行程被弹簧的变形所吸收，因而能完成对各种物体形状的自适应，并有助于进一步提高抓握运动的准确性；

3、通过两组弹簧将三个关节柔性耦合，采用最少的弹性约束来限制手指的***，使手指在接触物体之前的***状态不会引起弹簧变形，这种弹簧布置使手指的能耗最小；

4、按照本发明所构建的假肢手手指与现有技术相比能够在不增加电机数量的同时实现手指的自适应运动，并具备体积小，结构紧凑容易控制，仿人程度高等特点，因而尤其适用于假肢手手指医疗器械的领域。

附图说明

图1是按照本发明的手指本体的结构示意图；

图2是按照本发明优选实施例的两组耦合弹簧及其传动***的结构示意图；

图3是用于显示放松绳及其传动***的结构剖视图；

图4是用于显示张紧绳及其传动***的结构剖视图；

图5是用于与图2相配合使用的另外两组耦合弹簧及其传动***的结构示意图；

图6是用于显示按照本发明的手指驱动绳的结构示意图；

图7是用于显示按照本发明的欠驱动手指执行弯曲动作的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的欠驱动假肢手指的整体结构示意图。该欠驱动手指包括拇指、食指、中指、无名指和小指，如图1中所示，该欠驱动假肢手手指本体由近及远依次包括手指掌指关节、手指近指节、手指中指节、手指远指节和手指远指端，根据人体解剖学定义我们将靠近手掌方向称为近端，远离手掌方向称为远端。

具体而言，对于掌指关节组件而言，它包括掌指关节1、横向设置在该掌指关节1近端处的掌指关节连接轴2、沿着手指轴向方向居中设置在该掌指关节连接轴2上的第一滑轮3、横向设置在该掌指关节1远端处的第一旋转轴4，以及沿着手指轴向方向居中设置在第一旋转轴4上的第二滑轮5；掌指关节连接轴2、第一旋转轴4与掌指关节1譬如由轴承固定，由此能相对旋转并在掌指关节1处发生弯折。

近指节组件包括与掌指关节1远端相连的近指节6、横向设置在该近指节6远端处的第二旋转轴7，以及沿着手指轴向方向居中设置在第二旋转轴7上的第三滑轮8；其中第二旋转轴7与指近指节1譬如由轴承固定，由此可相对发生旋转；远指节组件包括远指节10、横向设置在该远指节10近端处的第三旋转轴11、沿着手指轴向方向居中设置在第三旋转轴11上的第四滑轮12，以及套设在远指节10远端处的远指端13；中指节9譬如呈圆柱体结构，并在其两端分别与所述近指节6和远指节10可相对弯折地相连。

上述手指掌指关节、手指近指节、手指中指节、手指远指节指间均有转轴固定，保证某个指节相对其他指节能够旋转，此外各关节处滑轮均居中对称布置。

作为本发明的关键改进之一，如图2中所示，在上述五个手指的内部，分别对应设置有手指内传动机构。该手指内传动机构各自包括与所述第一滑轮3相连的驱动绳37、依次缠绕在第一滑轮3、第二滑轮5、第三滑轮8和第四滑轮12上的张紧绳26、与所述张紧绳26对称布置并与之共同模拟手指肌腱的放松绳24、设置在第二滑轮5与第三滑轮8之间的近指节耦合弹簧16，以及设置在第三滑轮8与第四滑轮12之间的中指节耦合弹簧；以此方式，为各个手指构成了第一传动组。

更具体地，第一传动组包含第一固定钢珠14、第一耦合弹簧拉紧绳15、第一耦合弹簧16、第二耦合弹簧拉紧绳17、第二固定钢珠18、第三固定钢珠19、第三耦合弹簧拉紧绳20、第二耦合弹簧21、第四耦合弹簧拉紧绳22、第四固定钢珠23；其中第一耦合弹簧拉紧绳15近端譬如由第一固定钢珠14固定在掌指关节1上，然后绕过掌指关节1上的圆弧，另一端与第一耦合弹簧16近端相连，第一耦合弹簧16远端与第二耦合弹簧拉紧绳17相连，第二耦合弹簧拉紧绳17绕过手指近指节6上的圆弧后譬如由第二固定钢珠18固定在手指中指节9上；与此类似地，第三耦合弹簧拉紧绳20近端譬如由第三固定钢珠19固定在手指近指节6上，绕过手指近指节6上的圆弧后与第二耦合弹簧21近端相连，第二耦合弹簧21远端与第四耦合弹簧拉紧绳22近端相连，第四耦合弹簧拉紧绳22在绕过手指远指节10上的圆弧后，譬如由第四固定钢珠23固定在手指远指节10上。

此外，为防止手指在复位时过度伸展，在每个指节处设置了机械限位结构，其中掌指关节、近指节、中指节、远指节的接触部位在手背一面全为凸台，而在手心一面为圆弧，保证了各个指节能向手心弯曲90°，而不能反向弯曲。

如图3中所示，显示了放松绳及其传动***的结构剖视图，其构成了各个手指内部的第二传动组。具体而言，第二传动组包含放松绳24、第五固定钢珠25，其中放松绳24近端由螺钉固定在第一滑轮3内，在绕过第一滑轮3三个槽中的一个后依次缠绕在第二滑轮5、第三滑轮8、第四滑轮12上，最后譬如由第五固定钢珠25固定在手指远指节10上。

如图4中所示，显示了张紧绳及其传动***的结构剖视图，其构成了各个手指内部的第三传动组。具体而言，该第三传动组包含张紧绳26、第六固定钢珠27，其中张紧绳26由螺钉固定在第一滑轮3内，在绕过第一滑轮3三个槽中居中一个槽后依次缠绕在第二滑轮5、第三滑轮8、第四滑轮12上最后譬如由第六固定钢珠27固定在手指远指节10上，其中第二滑轮5、第三滑轮8、第四滑轮12分别有两个线槽分别为放松绳24、张紧绳26所用。

按照本发明的优选实施方式，各个手指的内部优选设置有两套所述手指内传动机构，这两套手指内传动机构分别对应安装在手指的两侧，由此共同完成手指的自适应功能。该另外一套手指内传动机构的结构及其设置方式与图2相同，并构成了各个手指内部的第四传动组。

具体而成，如图5中所示，第四传动组包含第七固定钢珠(图中未能标出)、第五耦合弹簧拉紧绳28、第三耦合弹簧29、第六耦合弹簧拉紧绳30、第八固定钢珠31、第九固定钢珠32、第七耦合弹簧拉紧绳33、第四耦合弹簧34、第八耦合弹簧拉紧绳35、第十固定钢珠36，其中第四传动组的布置与第一传动组相同，与第一传动组分别安装在手指两侧，共同完成手指的自适应功能。

此外，如图6中所示，手指内的驱动绳37，一端从驱动源出发，另一端固定在第一滑轮2的线槽中用以提供手指动力。

下面将具体解释按照本发明的欠驱动手指执行弯曲动作时的过程。

参见图7，各个手指动作的具体过程如下：驱动绳37驱动第一滑轮3旋转，使张紧绳26张紧和防松绳24伸展，使得近指节、中指节和远指节分别绕第一旋转轴4、第二旋转轴7与第三旋转轴11旋转并压缩弹簧，完成抓取动作，当手指碰触物体后，手指内的耦合弹簧开始拉伸吸收多余行程完成手指的自适应功能；另外手指伸直时，由于缺少驱动力使得被压缩的弹簧开始复位带动近指节、中指节和远指节反向旋转，完成复位动作。绳索譬如可选用CarlStahl的钢丝绳，末端用配套的固定零件进行固定。

综上所述，通过滑轮来驱动手指进行弯曲和伸展，这样可以通过一个输入完成多个自由度的运动，再加上两组耦合弹簧的对称布置，以此完成欠驱动手指的自适应功能。因此本发明所提供的欠驱动假肢手手指，能在体积重量上与人手接近，并且形状相似，仿人程度高同时能实现手指对物体的抓取，便于控制，因而尤其适用于医疗机械领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种关节间柔性耦合的欠驱动手指，这些手指为具备相同结构的拇指、食指、中指、无名指和小指，将靠近手掌的方向定义为近端，而远离手掌的方向定义为远端，则各个手指由近及远分别包括掌指关节组件、近指节组件、远指节组件和中指节，其特征在于：

所述掌指关节组件包括掌指关节、横向设置在该掌指关节近端处的掌指关节连接轴、沿着手指轴向方向居中设置在该掌指关节连接轴上的第一滑轮、横向设置在该掌指关节远端处的第一旋转轴，以及沿着手指轴向方向居中设置在所述第一旋转轴上的第二滑轮；所述近指节组件包括与所述掌指关节远端相连的近指节、横向设置在该近指节远端处的第二旋转轴，以及沿着手指轴向方向居中设置在所述第二旋转轴上的第三滑轮；所述远指节组件包括远指节、横向设置在该远指节近端处的第三旋转轴、沿着手指轴向方向居中设置在所述第三旋转轴上的第四滑轮，以及套设在远指节远端处的远指端；所述中指节呈一体的圆柱体结构，并在其两端分别与所述近指节和远指节可相对弯折地相连；

此外，在上述五个手指的内部，分别对应设置有手指内传动机构，该手指内传动机构各自包括与所述第一滑轮相连的驱动绳、依次缠绕在所述第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮上的张紧绳、与所述张紧绳对称布置并与之共同模拟手指肌腱的放松绳、设置在所述第二滑轮与第三滑轮之间的近指节耦合弹簧，以及设置在所述第三滑轮与第四滑轮之间的中指节耦合弹簧，其中，该近指节耦合弹簧的一端采用第一近指节弹簧张紧绳相连，且该第一近指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述掌指关节，该近指节耦合弹簧的另外一端采用第二近指节弹簧张紧绳相连，且该第二近指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述中指节；此外，该中指节耦合弹簧的一端采用第一中指节弹簧张紧绳相连，且该第一中指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述近指节，该中指节耦合弹簧的另外一端采用第二中指节弹簧张紧绳相连，且该第二中指节弹簧张紧绳的另外一端固定于所述远指节。

2.如权利要求1所述的关节间柔性耦合的欠驱动手指，其特征在于，各个手指的指节处还设置有机械限位机构，其中掌指关节、近指节、中指节和远指节位于手背一面的呈凸台结构，而位于手心一面的呈弧面结构，由此确保各个指节可向手心弯曲90度。

3.如权利要求1或2所述的关节间柔性耦合的欠驱动手指，其特征在于各个手指的内部设置有两套所述手指内传动机构，这两套手指内传动机构分别对应安装在手指的两侧，由此共同完成手指的自适应功能。

4.如权利要求1或2所述的关节间柔性耦合的欠驱动手指，其特征在于，所述手指内传动机构共同包含有四个传动组，其中各自由近指节耦合弹簧和中指节耦合弹簧所构成的第一传动组和第四传动组共同用于手指的自适应能力，而分别由放松绳和张紧绳构成的第二传动组和第三传动组分别用于手指的弯曲和伸直。