CN201861802U - 五自由度假肢手 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种五自由度假肢手，旨在提供一种结构简单，多自由度，尺寸小，重量轻，价格适中的五自由度假肢手。由腕部、手掌部和手指部组成。手指部由五个手指组成，每个手指由基关节、空心的基指节、近指节、远指节组成。基关节支架内有微型蜗杆，微型蜗杆的一端安装有同轴的从动锥齿轮，微型蜗杆与微型蜗轮啮合，微型蜗轮的传动轴安装在基关节支架上，基指节的空腔内装有微型直流电机，微型直流电机与微型减速机连接，微型减速机的输出轴上有主动锥齿轮；基指节与基关节支架固定连接，复位弹簧一端与基指节固定连接，另一端与近指节固定连接；微型蜗轮与基关节外罩固定连接，并与牵引索一端连接，牵引索另一端与近指节固定连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种五自由度假肢手。
背景技术
仿人假肢手安装于断手残疾人残肢上，实现人手的某些功能。目前，世界上运作最成功，应用最广泛的电动型假肢手为德国OttoBock公司出品的OttoBock SUVA手。此型假肢手拾取表面肌点信号(EMG)，由微处理器处理后形成指令，驱动微型电动机。经微型直齿圆柱齿轮减速，通过连杆，实现假肢手的开合运动。此种假肢手只有1个自由度，不能实现对被抓取物体很好的包络和更多的动作。
与其相关的研究领域机器人多指灵巧手虽然不能直接作为假肢手使用，但对假肢手的研究起到了巨大的技术推动作用。世界上上很多研究机构都致力于EMG控制假肢手的研究并力图应用于残疾人。英国南安普顿大学研制了Remedi手，此手有1个拇指和4个手指，每个手指有3个关节。末端两个关节的运动是耦合的。每个手指由1台微电机驱动，只有拇指由两台微电机驱动。采用压阻传感器和动态压电传感器来检测抓取力。意大利研制了MARCUS假肢手。该手有拇指，食指和中指。有两台微电机，一台用于驱动拇指，另一台用于驱动食指和中指。手内装有位置、力、滑动传感器以保证稳定的抓取。加拿大多伦多大学研制了从动自适应控制式假肢手TBM。TBM手的五个手指通过一套弹性杆的差分机构分配动力，从而把一个驱动源的动力分配到五个手指。国内哈尔滨工业大学研制HIT手。此手有17个自由度，由13台微电机驱动，并用压力传感器反馈控制抓取压力。上海交通大学研制了弹性杆欠驱动假肢手，五个手指由三台微电机驱动。
虽然基于EMG的假肢手技术得到了发展，但尚存在很多问题影响了其广泛使用。
最主要的问题包括：
1、尺寸大，重量重：一般所研制的假肢手其尺寸为人手的1.5倍，重量为人手重量的2倍或以上。绝大部分假肢手采用轻质合金材料制造，其密度远大于人手密度。机构复杂，用了为数众多的微电机导致尺寸增大。
2、价格昂贵：由于采用了众多的微电机，微型传感器，微型机构。有的为了减轻重量，采用了特殊材料，如环氧碳纤维。使材料和制造成本增加。现代假肢手价格一般都在人民币三十万元或以上。有的假肢手制造成本就达人民币六十万元。一般的残疾人很难支付。
3、可靠性低：绝大部分假肢手的研究还是原理性的。由于结构复杂，元器件众多，导线杂乱，距实际应用尚有较大差距。
实用新型内容
本实用新型是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单，多自由度，尺寸小，重量轻，价格适中的五自由度假肢手。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种五自由度假肢手，其特征在于，由腕部、手掌部和手指部组成，所述手指部由拇指、食指、中指、无名指和小指五个手指组成；每个手指由基关节、空心的基指节、近指节、远指节组成；所述远指节与近指节固定连接；所述近指节通过销轴与所述基指节连接，所述基关节包括基关节支架、罩在基关节支架外的基关节外罩，所述基关节支架上安装有微型蜗杆，所述微型蜗杆的一端安装有同轴的从动锥齿轮，所述微型蜗杆与微型蜗轮啮合，所述微型蜗轮的传动轴安装在基关节支架上，所述基指节的空腔内安装有微型直流电机，所述微型直流电机与微型减速机连接，所述微型减速机的输出轴上安装有与所述从动锥齿轮啮合的主动锥齿轮；所述基指节与所述基关节支架固定连接，复位弹簧一端与所述基指节固定连接，所述复位弹簧的另一端与近指节固定连接；所述微型蜗轮与所述基关节外罩固定连接，所述微型蜗轮与牵引索一端连接，所述牵引索另一端与近指节内部固定连接；五个手指中的拇指安装在拇指支架上，所述拇指支架的两端分别安装有转动轴，所述拇指支架一端的转动轴通过回转轴承安装在腕部，所述拇指支架另一端的转动轴安装在滑块的轴孔内，所述滑块与安装在手掌部的滑道滑动连接；每个手指基关节外罩与手掌通过螺钉连接。
两个表面肌电信号传感器安放于残疾人残肢的肌肉表皮上，每个表面肌电信号传感器分别依次通过差动放大电路、滤波电路与微控制器的A/D变换排序器的输入端连接，五个微型直流电机驱动电路的输入端分别通过各自的电平变换电路与微控制器的GPIOA端口连接，五个微型直流电机驱动电路分别通过各自的阻容网络电路分流后与微控制器的A/D变换顺序器的输入端连接。
所述基关节支架为航空铝合金材料，手掌部、腕部以及每个手指的远指节、近指节、基指节均为材料密度为1.2-1.4g/cm3的高强度聚合物材料。
所述主动锥齿轮的轴径通过第一深沟球轴承与基关节支架连接。
所述蜗杆的两端分别通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴承与基关节支架连接。
所述微型蜗轮的传动轴为空心轴。
本实用新型具有下述技术效果：
1、本实用新型的假肢手中，每个手指由基关节、基指节、近指节、远指节组成，每个手指由一台微型直流电机驱动，蜗杆连同基指节、近指节、远指节一起可绕蜗轮中心正逆方向回转，形成了基关节的转动，近指节传动的合手运动采用牵引索拉动，而张手运动由复位弹簧复位运动实现，减少了微电机、传感器、微型机构等的数量，从而简化了假肢手的结构，可靠性高，成本低。
2、本实用新型的假肢手中的拇指采用手动实现上摆、下摆、内旋和外旋动作，具有多个自由度，扩展了拇指的功能，增强了拇指的灵活性，而且简化了拇指结构，造价低。
3、本实用新型的假肢手的手掌部、腕部以及每个手指的远指节、近指节、基指节均为高强度聚合物材料，是轻质合金材料密度的一半，重量更轻。
4、本实用新型的假肢手锥齿轮副、蜗轮蜗杆副都采用滚动轴承类型中的深沟轴承作为支承，可以承受径向力、轴向力，摩擦力小，可以采用输出力矩小的电机，可以减少假肢手的外形尺寸。
5、本实用新型的假肢手采用蜗轮蜗杆传动机构，具有机械自锁功能，即使电机失电也不会使抓牢的物体掉落，可靠性高。
6、本实用新型的假肢手的电路中，取电机驱动电路驱动电流的分流来间接测取电机力矩，实现力控制，省去了必需的表面压力传感器，简化了***。
附图说明
图1为本实用新型五自由度假肢手的示意图；
图2为本实用新型五自由度假肢手的手指结构示意图；
图3为本实用新型五自由度假肢手的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
本实用新型五自由度假肢手的示意图如图1和图2所示，由腕部23、手掌部29和手指部组成。所述手指部由拇指、食指、中指、无名指和小指五个手指组成，每个手指由基关节、空心的基指节7、近指节2、远指节1组成，所述远指节1与近指节2固定连接，所述近指节2通过销轴22与所述基指节7连接，所述基关节包括基关节支架10、罩在基关节支架外的基关节外罩17，所述基关节支架10上安装有微型蜗杆15，所述微型蜗杆15的一端安装有同轴的从动锥齿轮13，所述微型蜗杆15与微型蜗轮20啮合，所述微型蜗轮的传动轴19安装在基关节支架10上，其中，所述微型蜗轮的传动轴19最好为空心轴。所述基指节7的空腔内安装有微型直流电机8，所述微型直流电机8与微型减速机9连接，所述微型减速机9的输出轴上安装有与所述从动锥齿轮13啮合的主动锥齿轮12。所述基指节7与所述基关节支架10固定连接，复位弹簧5一端通过销钉6与所述基指节7固定连接，所述复位弹簧5的另一端通过销钉4与近指节2固定连接。所述微型蜗轮20通过销钉18与基关节外罩17固定连接，所述微型蜗轮20与牵引索21一端连接，所述牵引索21另一端与近指节2内部通过紧定螺钉3固定连接。五个手指中的拇指26安装在拇指支架25上，所述拇指支架25的两端分别安装有转动轴，所述拇指支架一端的转动轴通过回转轴承24安装在腕部23，所述拇指支架25另一端的转动轴安装在滑块27的轴孔内，所述滑块27与安装在手掌部的滑道28滑动连接。每个手指的基关节外罩与手掌通过螺钉连接。
本实施例中的电路原理图如图3所示，假肢手使用两个表面肌电信号传感器，安放于残疾人残肢的肌肉表皮上。一个表面肌电信号传感器(EMG传感器1)通过差动放大电路1、滤波电路1与微控制器A/D变换排序器的通道0连接，一个表面肌电信号传感器(EMG传感器2)通过差动放大电路2、滤波电路2与微控制器A/D变换排序器的通道1连接。五个微型直流电机驱动电路的输入端分别通过各自的电平变换电路与微控制器的GPI0A端口连接，五个微型直流电机驱动电路分别通过各自的阻容网络电路分流后与微控制器的A/D变换排序器的输入端连接。
电路板可以制作成手掌形状，以嵌入手掌空腔内。微控制器可以选用信号处理器系列DSPF2810。
为了减轻重量，所述基关节支架为航空铝合金材料，可以选用航空铝LC4，手掌部、腕部以及每个手指的远指节、近指节、基指节均为材料密度为1.2-1.4g/cm3的高强度聚合物材料，可以选用PA6060，使整手的重量为600克，与人手相当。
为了减少摩擦，所述主动锥齿轮的轴径通过第一深沟球轴承11与基关节支架连接。所述蜗杆的两端分别通过第二深沟球轴承14和第三深沟球轴承16与基关节支架连接。
表面肌电信号传感器发出的信号经过放大和滤波处理后送到微处理器，对表面肌电信号进行解析，如果为合手指令则调用合手运动子程序，如果为开手指令则调用开手运动子程序。并通过GPIOA端口输出合手或开手指令给微型直流电机驱动电路驱动微型直流电机。微型直流电机通过微型减速机、主动锥齿轮、从动锥齿轮带动微型蜗杆转动，微型蜗杆带动微型蜗轮相对于基关节支架转动。当微型蜗轮相对于基关节支架逆时针转动时，微型蜗轮拉动牵引索，从而带动近指节，使其绕基指节的销轴相对顺时针回转，同时复位弹簧则被拉伸。当蜗轮相对于基关节支架顺时针回转时，牵索引被放松。近指节在复位弹簧的弹力作用下，绕基指节上的销轴逆时针回转。因而，近指节相对于基指节的回转运动是被动的。基关节运动与近指关节运动是耦合的，由一台微型直流电机驱动，为欠驱动机构。
Claims (6)
1.一种五自由度假肢手，其特征在于，由腕部、手掌部和手指部组成，所述手指部由拇指、食指、中指、无名指和小指五个手指组成；每个手指由基关节、空心的基指节、近指节、远指节组成；所述远指节与近指节固定连接；所述近指节通过销轴与所述基指节连接，所述基关节包括基关节支架、罩在基关节支架外的基关节外罩，所述基关节支架上安装有微型蜗杆，所述微型蜗杆的一端安装有同轴的从动锥齿轮，所述微型蜗杆与微型蜗轮啮合，所述微型蜗轮的传动轴安装在基关节支架上，所述基指节的空腔内安装有微型直流电机，所述微型直流电机与微型减速机连接，所述微型减速机的输出轴上安装有与所述从动锥齿轮啮合的主动锥齿轮；所述基指节与所述基关节支架固定连接，复位弹簧一端与所述基指节固定连接，所述复位弹簧的另一端与近指节固定连接；所述微型蜗轮与所述基关节外罩固定连接，所述微型蜗轮与牵引索一端连接，所述牵引索另一端与近指节内部固定连接；五个手指中的拇指安装在拇指支架上，所述拇指支架的两端分别安装有转动轴，所述拇指支架一端的转动轴通过回转轴承安装在腕部，所述拇指支架另一端的转动轴安装在滑块的轴孔内，所述滑块与安装在手掌部的滑道滑动连接；每个手指基关节外罩与手掌通过螺钉连接。
2.根据权利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，两个表面肌电信号传感器安放于残疾人残肢的肌肉表皮上，每个表面肌电信号传感器分别依次通过差动放大电路、滤波电路与微控制器的A/D变换排序器的输入端连接，五个微型直流电机驱动电路的输入端分别通过各自的电平变换电路与微控制器的GPIOA端口连接，五个微型直流电机驱动电路分别通过各自的阻容网络电路分流后与微控制器的A/D变换排序器的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，所述基关节支架为航空铝合金材料，手掌部、腕部以及每个手指的远指节、近指节、基指节均为材料密度为1.2-1.4g/cm3的高强度聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，所述主动锥齿轮的轴径通过第一深沟球轴承与基关节支架连接。
5.根据权利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，听述蜗杆的两端分别通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴承与基关节支架连接。
6.根据权利要求1所述的五自由度假肢手，其特征在于，所述微型蜗轮的传动轴为空心轴。
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