CN109259906A - 一种模块化多模态假手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多模态假手，包括腕部驱动模块、手掌模块、手指结构、大拇指模块、绳索、转动绞盘、模态转换模块和可调节固定杆，通过患者手腕的掌屈拉动绳索，实现手指结构的弯曲，并利用柔性铰链的回弹实现伸展；利用模态转换模块的凸轮调节绳索的拉伸量，从而实现假手的工作手势转换，工作手势有抓握、对指和V形三种手势，可以满足患者日常生活的需求；通过转换绞盘，实现驱动部分绳索和手指部分绳索的不同长度变化，从事提升了抓取的效果和力度；通过设置大拇指旋转结构，增加了大拇指的自由度，提高了假手的实用性和适用场景。本发明采用3D打印制造，易于加工，结构简单轻便，穿戴压力小，成本低廉，易于推广。

Description

一种模块化多模态假手

技术领域

本发明涉及医疗康复设备技术领域，尤其涉及一种模块化多模态假手。

背景技术

随着全球人口的增加以及自然灾害和意外事故数量的不断增长，我国的肢体残疾人数也在不断上涨。根据第六次全国人口普查我国总人口数，及第二次全国残疾人抽样调查我国残疾人占全国总人口的比例和各类残疾人占残疾人总人数的比例，推算2010年末我国残疾人总人数8502万人，其中肢体残疾人数为2472万。因此用于肢体截肢患者的假手的需求性也在不断增加，设计适用于截肢患者的假手具有重要的社会意义和经济价值。

但是目前国内外科研机构和企业设计研发的假手大都采用电机进行驱动，对患者手臂的肌肉电信号进行采集识别从而控制假手实现相应的动作。这类假手虽然功能丰富，控制方案多样，但是存在结构复杂、体积庞大等问题，同时，该类假手价格昂贵，市场推广较难，不能适用于普通家庭的患者。

此外，通过对穿戴假手的人群进行调研，患者日常生活中假手主要用于力量抓握、对指捏取以及伸、钩状抓握等，因此设计一款具有轻便性、低成本以及可以满足日常基本生活手势需求的假手具有较强的社会意义。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种模块化多模态假手，利用患者手腕驱动假手，实现日常生活中基本手势的转换，同时具有更好的抓握力及增加了大拇指的自由度，丰富了假手的适用场景。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在利用手腕驱动假手时，简单方便实现不同手势的转换，并提高抓取力和抓取效率，同时使假手结构轻便、易于加工、方便穿戴。

为实现上述目的，本发明提供了一种模块化多模态假手，包括手掌模块、腕部驱动模块、手指结构、大拇指模块、绳索、转换绞盘、模态转换模块、可调节固定杆；

所述手指结构对应除大拇指外的其他手指，所述绳索包括手指部分绳索、驱动部分绳索、大拇指绳索；

所述手掌模块的一端固定有数个所述手指结构，另一端与所述腕部驱动模块转动过连接；所述大拇指模块设置在所述手掌模块的侧面并靠近所述手指结构处，通过旋转卡位结构与所述手掌模块连接；

所述转换绞盘固定在所述手掌上并靠近所述手指结构，所述可调节固定杆固定在所述腕部驱动模块上，所述模态转换模块位于所述转换绞盘和所述可调节固定杆之间，可固定在所述手掌模块或所述腕部驱动模块上；

所述转换绞盘包括同轴双层设置的大绞盘和小绞盘，所述大绞盘直径大于所述小绞盘直径，所述大绞盘上设有用于固定所述手指部分绳索的第一通孔，所述小绞盘上设有用于固定所述驱动部分绳索的第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔的轴心线相互垂直；每一个所述手指结构对应一个所述转换绞盘；

所述模态转换模块包括与五个手指一一对应的不同形状的凸轮和旋转轴，所述旋转轴固定在所述手掌模块或所述腕部驱动模块上；所述凸轮固定在所述旋转轴上，并随所述旋转轴转动；所述凸轮上设有用于引导所述绳索的凹槽；

所述手指部分绳索的一端固定在所述手指结构上，另一端固定所述大绞盘的第一通孔处；所述大拇指绳索的一端固定在所述大拇指模块上，另一端穿过所述凸轮结构上的凹槽后固定在所述可调节固定杆上；

所述驱动部分绳索一端固定在所述可调节固定杆上，另一端穿过对应的所述凸轮结构上的凹槽后，缠绕在所述小绞盘上，并穿过所述小绞盘的第二通孔后进行固定；

所述手指部分绳索在所述大绞盘上的缠绕方向与所述驱动部分绳索在所述小绞盘上的缠绕方向相反。

进一步地，所述手指结构包括指尖、第一关节块、第二关结块和柔性铰链，所述指尖与所述第一关节块之间、所述第一关节块与所述第二关节块之间、所述第二关结块与所述手掌基座之间均通过所述柔性铰链连接。

进一步地，所述第一关节块的下部设有第一引导孔，所述第二关结块的下部设有第二引导孔，所述指尖的下部设有第三通孔，所述手指部分绳索的一端穿过所述第一引导孔和所述第二引导孔后固定所述第三通孔处。

进一步地，所述手指结构的数量为4个，分别对应食指、中指、无名指和小拇指，所述转换绞盘的数量、所述手指部分绳索的数量以及所述驱动部分绳索的数量与所述手指结构的数量相同。

进一步地，所述可调节固定杆上设有5个用于调节所述绳索张力的螺栓，所述驱动部分绳索和所述大拇指绳索的一端分别固定在所述螺栓上。

进一步地，所述大绞盘与所述小绞盘的直径比为2:1。

进一步地，所述大拇指模块包括大拇指结构和大拇指旋转结构；所述大拇指结构包括通过柔性铰链连接的大拇指指尖和大拇指关节块；所述大拇指旋转结构包括旋转手柄、弹簧和大拇指旋转块；所述手掌模块上设有大拇指安装通孔，所述大拇指安装通孔的周向设有角度卡槽；所述大拇指旋转块上设有大拇指安装轴，所述大拇指安装轴的周向设有与所述角度卡槽配合的卡位凸块，所述大拇指安装轴穿过所述大拇指安装通孔后，将所述弹簧设置在所述大拇指安装轴上，将所述旋转手柄卡入所述大拇指安装轴，使所述大拇指模块与所述手掌模块连接；所述大拇指旋转块固定在所述大拇指关节块的一端。

进一步地，所述大拇指关节块上设有第三引导孔，所述大拇指指尖下部设有第四通孔，所述手掌基座的角度卡槽附近设置有第四引导孔，所述大拇指绳索的一端固定在所述第四通孔处，另一端穿过所述第三引导孔和第四引导孔。

进一步地，所述模态转换模块具有抓握、对指和V形三种模态；所述凸轮形状由抓握、对指和V形三种手势下的所述绳索拉伸量决定。

进一步地，所述假手整体采用3D打印技术加工而成。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的技术效果：

1.利用腕关节掌屈驱动假手，无电机结构，整体采用3D打印技术加工，结构简单轻便，穿戴压力小，成本低廉，易于推广。

2.采用凸轮设计实现手势的转换，满足日常基本生活的需要，转换方式简单灵活。

3.手掌部分的同轴双层绞盘，结构紧凑，实现了驱动部分和手指部分拉伸长度的转换，提高了抓握的效果和抓握力。

4.采用旋转卡位结构增加了大拇指的自由度，丰富了假手的适用场景。

5.利用柔性铰链代***手指关节运动，仿生特性更好，假手抓握过程中贴合度更高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的转换绞盘结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的模态转换模块结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的手指结构的示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的大拇指旋转结构的示意图。

其中，1-手掌模块；2-腕部驱动模块；3-大拇指模块；4-食指结构；5-中指结构；6-无名指结构；7-小拇指结构；8-转换绞盘；9-模态转换模块；10-可调节固定杆；11-驱动部分绳索；12-手指部分绳索；13-大拇指绳索；14-魔术贴结构；15-指尖；16-第一关节块；17-第二关结块；18-柔性铰链；19-第三通孔；20-第一引导孔；21-第二引导孔；22-大拇指关节块；23-大拇指旋转块；24-卡位凸块；25-大拇指安装轴；26-大拇指安装通孔；27-弹簧；28-旋转手柄；29-角度卡槽；30-第三引导孔；31-第四引导孔；32-第五引导孔；81-大绞盘；82-小绞盘；83-第一通孔；84-第二通孔；91-大拇指凸轮；92-食指凸轮；93-中指凸轮；94-无名指凸轮；95-小拇指凸轮；96-旋转轴。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本实施例中，模块化多模态假手包括手掌模块1、腕部驱动模块2、手指结构、大拇指模块3、绳索、转换绞盘8、模态转换模块9、可调节定位杆10、穿戴结构。手掌模块1通过穿戴结构固定在患者残掌处，腕部驱动模块12通过穿戴结构固定在患者腕部，腕部驱动模块2通过铰接方式连接在手掌模块1的一端。穿戴结构14可选用魔术贴结构、表带结构等。本实施例的穿戴结构选择为魔术贴结构14。

在手掌模块1的另一个端面上固定有4个手指结构，分别为食指结构4、中指结构5、无名指结构6和小拇指结构7。大拇指模块3设置在手掌模块的侧面并靠近手指结构的位置，与手指结构形成类似人手的手指分布。大拇指模块3通过旋转卡位结构与手掌模块1连接。应注意的是，食指结构4、中指结构5、无名指结构6、小拇指结构7和大拇指模块3的设置不仅限于本实施例中的情形，在实际使用中，可以根据患者残掌的手指情况，选择不同的手指结构或大拇指模块3进行组装，以满足不同患者的需求。

转换绞盘8固定在手掌模块1上，并且靠近手指结构。可调节固定杆10固定在腕部驱动模块2上，模态转换模块9位于转换绞盘1与可调节固定杆10之间，可以固定在手掌模块1上，也可以固定在腕部驱动模块2上。在本实施例中，将模态转换模块9固定在腕部驱动模块2上。一个转换绞盘8对应一个手指结构。

绳索包括驱动部分绳索11、手指部分绳索12和大拇指绳索13。手指部分绳索12的一端固定在手指结构上，另一端固定在转换绞盘8上；驱动部分绳索11的一端固定在可调节固定杆10上，另一端穿过模态转换模块9后固定在转换绞盘8上。大拇指绳索13的一端固定在大拇指模块3上，另一端穿过模态转换模块9后固定可调节固定杆10上。

为了保证绳索有序且互不干扰，还可以在手掌基座上设置各种穿线孔，用于引导绳索从中穿过。优选地，本实施例在转换绞盘8和手指结构之间固定设置了第一凸台34，在转换绞盘8和模态转换模块9之间固定设置了第二凸台35，在大拇指模块3的连接处上方固定设置了第三凸台36，第一凸台34、第二凸台35、大拇指凸台36均位于手掌模块1上。第一凸台34上设置有与手指部分绳索12一一对应的穿线孔，第二凸台35上设置与驱动部分绳索11和大拇指绳索13一一对应的穿线孔。

如图2所示，转换绞盘8包括同轴双层设置的大绞盘81和小绞盘82，大绞盘81的直径大于小绞盘82的直径，大绞盘81上设有用于固定手指部分绳索12的第一通孔83，小绞盘82上设有用于固定驱动部分绳索11的第二通孔84，第一通孔83和第二通孔84的轴心线相互垂直。手指部分绳索12的一端固定第一通孔83上，驱动部分绳索的一端固定在第二通孔84上，两根绳索在绞盘上的缠绕方向相反。通过将大绞盘81和小绞盘82设置为不等径的，在假手使用时，手指部分绳索12和驱动部分绳索11的长度变化不相等，从而避免因掌屈角度限制导致的驱动部分绳索11变化量不足无法实现手指弯曲的情况。大绞盘81和小绞盘82的直径比例可根据患者残掌的大小及弯曲程度等综合考虑后进行设置，本实施例中，优选地将大绞盘81和小绞盘82的直径比设置为2:1。

如图3所示，模态转换模块9包括旋转轴96和与五个手指一一对应的五个凸轮，分别为大拇指凸轮91、食指凸轮92、中指凸轮93、无名指凸轮94和小拇指凸轮95。凸轮尺寸由不同手势下各个手指的转态和绳索拉伸的变化量决定。每个凸轮上设有凹槽，用于引导驱动部分绳索11及大拇指绳索13。五个凸轮固定在旋转轴96上，当模态手势转换时，旋转旋转轴96，带动凸轮转动从而调节绳索长度，以实现手指不同手势的变化。在本实施例中，优选地设置了三种手势模态：抓握、对指和V形。当需要变化手势模态时，将旋转轴96转动120°，可调节至下一模态。

图4显示了一个手指结构的结构示意图。手指结构虽然分别包括食指结构4、中指结构5、无名指结构6和小拇指结构7，但是各手指结构的组成部件及连接方式是一样的，所不同之处仅在于尺寸的差别。手指结构包括指尖15、第一关节块16、第二关结块17和柔性铰链18，指尖15与第一关节块16之间、第一关节块16与第二关节块17之间、第二关结块17与手掌基座1之间均通过柔性铰链18连接。利用柔性铰链模拟手指关节运动，实现手指伸展，具有更好的仿生特性。

第一关节块16下部设有第一引导孔20，第二关结块17下部设有第二引导孔21，指尖15下部设有第三通孔19，手指部分绳索12的一端穿过第一引导孔20和第二引导孔21后固定第三通孔19处，另一端穿过第一凸台34上的穿线孔后，固定大绞盘81的第一通孔83上。

如图1所示，大拇指模块包括大拇指结构和大拇指旋转结构。大拇指结构包括大拇指指尖和大拇指关节块22，两者之间通过柔性铰链连接。大拇指指尖下部设有安装大拇指绳索的通孔(图中未示出)。大拇指关节块22与手掌模块1通过大拇指旋转结构连接。

如图5所示，大拇指旋转结构是一个具有卡合功能的旋转结构，当大拇指旋转一定角度后可以通过卡合结构将其固定住。大拇指旋转结构包括旋转手柄28、弹簧27和大拇指旋转块23；手掌模块1上设有大拇指安装通孔26，在大拇指安装通孔26的周向设有角度卡槽29；大拇指旋转块23上设有大拇指安装轴25，在大拇指安装轴25的周向设有与角度卡槽29配合的卡位凸块24，大拇指安装轴25穿过大拇指安装通孔26后，将弹簧27设置在大拇指安装轴25上，然后将旋转手柄28安装在大拇指安装轴25上，使大拇指模块3与手掌模块1连接；大拇指旋转块23固定在大拇指关节块22的一端。在使用时，通过按压旋转手柄28，使卡位凸块24与角度卡槽29相分离，然后将旋转手柄28调节至相应角度后，在弹簧27的作用下，卡位凸块24与角度卡槽29再次配合，实现大拇指模块3的角度固定。在本实施例中，大拇指模块3的最小调节角度为24°。

在大拇指关节块22上设置有用于穿线的第四引导孔31，在角度卡槽29附近设置有第五引导孔30，为了更好地引导大拇指绳索13，在大拇指安装通孔26的上方还可设置大拇指凸块36，大拇指凸块36上设有第五引导孔32。大拇指绳索的一端固定在大拇指指尖的通孔处，另一端依次穿过第四引导孔31、第三引导孔30、第五引导孔32、第二凸台35上的穿线孔、大拇指凸轮91的凹槽后固定在可调节固定杆10处。

在可调节固定杆10上设置有用于调节绳索拉紧力的螺栓。驱动部分绳索11和大拇指绳索13分别固定在螺栓上。

为了提高使本发明提供的假手轻便，以及适应不同患者的使用，模块化多模态假手整体采用3D打印技术加工完成。

本发明的模块化多模态假手的工作过程如下：使用时，患者穿戴本发明的假手，调节好魔术贴结构14，使得假手与残肢末端贴合，保证模态转换模块9处于抓握模态下，调节可调节固定杆10的螺栓，使得驱动部分绳索11有一定的张紧力，同时保证小绞盘82上缠绕有足够的绳索长度，在柔性铰链20的作用下，由于手指部分绳索12与驱动部分绳索11缠绕方向相反，所以两者此时均处在张紧状态；患者可以通过旋转模态转换模块9的旋转轴96，调节至所需的模态；患者掌屈，带动驱动部分绳索11拉伸，从而驱动转换绞盘8旋转，由于手指部分绳索12和驱动部分绳索11缠绕方向相反，所以可以带动手指部分绳索12的的拉伸，实现手指结构的屈曲，产生相应的动作手势；患者背曲，在柔性铰链20的作用下，手指实现伸展，转换绞盘8反向旋转；患者需要进行模态转换时，每旋转旋转轴96至120°即可调节至下一模态；同时，患者需要旋转大拇指角度时，按下旋转手柄28，大拇指旋转块23上的卡位凸块24与角度卡槽29分离，将旋转手柄28调节至相应角度，在弹簧27作用下卡位凸块24通过角度卡槽29配合实现大拇指的角度固定，其最小调节角度为24°。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模块化多模态假手，其特征在于，包括手掌模块、腕部驱动模块、手指结构、大拇指模块、绳索、转换绞盘、模态转换模块、可调节固定杆；

所述手指结构对应除大拇指外的其他手指，所述绳索包括手指部分绳索、驱动部分绳索、大拇指绳索；

所述手掌模块的一端固定有数个所述手指结构，另一端与所述腕部驱动模块转动过连接；所述大拇指模块设置在所述手掌模块的侧面并靠近所述手指结构处，通过旋转卡位结构与所述手掌模块连接；

所述转换绞盘固定在所述手掌上并靠近所述手指结构，所述可调节固定杆固定在所述腕部驱动模块上，所述模态转换模块位于所述转换绞盘和所述可调节固定杆之间，可固定在所述手掌模块或所述腕部驱动模块上；

所述转换绞盘包括同轴双层设置的大绞盘和小绞盘，所述大绞盘直径大于所述小绞盘直径，所述大绞盘上设有用于固定所述手指部分绳索的第一通孔，所述小绞盘上设有用于固定所述驱动部分绳索的第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔的轴心线相互垂直；每一个所述手指结构对应一个所述转换绞盘；

所述模态转换模块包括与五个手指一一对应的不同形状的凸轮和旋转轴，所述旋转轴固定在所述手掌模块或所述腕部驱动模块上；所述凸轮固定在所述旋转轴上，并随所述旋转轴转动；所述凸轮上设有用于引导所述绳索的凹槽；

所述手指部分绳索的一端固定在所述手指结构上，另一端固定所述大绞盘的第一通孔处；所述大拇指绳索的一端固定在所述大拇指模块上，另一端穿过所述凸轮结构上的凹槽后固定在所述可调节固定杆上；

所述驱动部分绳索一端固定在所述可调节固定杆上，另一端穿过对应的所述凸轮结构上的凹槽后，缠绕在所述小绞盘上，并穿过所述小绞盘的第二通孔后进行固定；

所述手指部分绳索在所述大绞盘上的缠绕方向与所述驱动部分绳索在所述小绞盘上的缠绕方向相反。

2.如权利要求1所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述手指结构包括指尖、第一关节块、第二关结块和柔性铰链，所述指尖与所述第一关节块之间、所述第一关节块与所述第二关节块之间、所述第二关结块与所述手掌基座之间均通过所述柔性铰链连接。

3.如权利要求2所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述第一关节块的下部设有第一引导孔，所述第二关结块的下部设有第二引导孔，所述指尖的下部设有第三通孔，所述手指部分绳索的一端穿过所述第一引导孔和所述第二引导孔后固定所述第三通孔处。

4.如权利要求1-3任一项所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述手指结构的数量为4个，分别对应食指、中指、无名指和小拇指，所述转换绞盘的数量、所述手指部分绳索的数量以及所述驱动部分绳索的数量与所述手指结构的数量相同。

5.如权利要求1所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述可调节固定杆上设有5个用于调节所述绳索张力的螺栓，所述驱动部分绳索和所述大拇指绳索的一端分别固定在所述螺栓上。

6.如权利要求1所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述大绞盘与所述小绞盘的直径比为2:1。

7.如权利要求1所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述大拇指模块包括大拇指结构和大拇指旋转结构；所述大拇指结构包括通过柔性铰链连接的大拇指指尖和大拇指关节块；所述大拇指旋转结构包括旋转手柄、弹簧和大拇指旋转块；所述手掌模块上设有大拇指安装通孔，所述大拇指安装通孔的周向设有角度卡槽；所述大拇指旋转块上设有大拇指安装轴，所述大拇指安装轴的周向设有与所述角度卡槽配合的卡位凸块，所述大拇指安装轴穿过所述大拇指安装通孔后，将所述弹簧设置在所述大拇指安装轴上，将所述旋转手柄卡入所述大拇指安装轴，使所述大拇指模块与所述手掌模块连接；所述大拇指旋转块固定在所述大拇指关节块的一端。

8.如权利要求7所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述大拇指关节块上设有第三引导孔，所述大拇指指尖下部设有第四通孔，所述手掌基座的角度卡槽附近设置有第四引导孔，所述大拇指绳索的一端固定在所述第四通孔处，另一端穿过所述第三引导孔和第四引导孔。

9.如权利要求1所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述模态转换模块具有抓握、对指和V形三种模态；所述凸轮形状由抓握、对指和V形三种手势下的所述绳索拉伸量决定。

10.如权利要求1所述的模块化多模态假手，其特征在于，所述假手整体采用3D打印技术加工而成。