CN104799982B - 基于连续体差动机构的单电机欠驱动假肢手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种假肢手，该假肢手包括手掌、电机驱动单元和连续体差动机构，其中电机驱动单元和连续体差动机构固定于手掌上。连续体差动机构能够将一路输出转换为多路输出，从而分别控制各个手指的运动，且该在假肢手抓持物件时，连续体差动机构能够弯曲变形。本发明的假肢手中，由于采用了连续体差动机构，因此结构相对简单，且当其中某根或某几根手指接触到物体时，未接触物体的手指所对应的合金丝上承受负载较小因而可以继续运动，可使得连续体差动机构内部的连续体结构继续变形，使对应的手指仍可以继续弯曲，直到这些手指也完全接触到物体，使得四根手指都接触被抓取物体的外表面轮廓，从而很好地实现抓取或操作物体的功能。

Description

基于连续体差动机构的单电机欠驱动假肢手

技术领域

本发明涉及一种仿人形的欠驱动假肢手，具体地说是一种基于连续体差动机构的仅使用一个电机驱动的欠驱动假肢手，应用于康复医疗器械领域，特别适用于手部截肢患者。

背景技术

由于意外事故、工伤、疾病等原因，世界上产生了大量截肢患者，其中多半是手部截肢患者，他们无法独立完成日常的生活需求，因而生活质量显著降低。为了提高手部截肢残疾人的生活质量，相关公司和科研机构开发出了各种各样的假肢，包括取得广泛应用的单自由度假肢手以及具有仿人形的多自由度假肢手。

单自由度假肢手可以通过简单的手指开合来完成有限的抓握动作，功能单一，实用性较差，且不具有仿人外形，穿戴以后与人体不和谐，易受到患者排斥。多自由度假肢手具有人手外观，易被患者接受，且设有与人手相近的关节数从而具有更好的灵活性，可以实现多种多样的动作，但是这种多自由度假肢手由于使用较多铰链、连杆或其他的传统传动方式，结构复杂、成本高，目前还没有得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能适应不同的物体形状，从而可以完成更协调、与人手更为相近的运动的假肢手。

为实现上述目的，本发明提出了一种新型的欠驱动假肢手，仅采用一个电机作为驱动输入，将电机的驱动输入分配到五个驱动输出，继而传递到五个手指的各个关节上，以完成假肢手的顺应抓取动作；特别设计了一种连续体差动机构，其驱动输入与驱动输出各部分完整相连并可连续变形。在电机的驱动下，连续体差动机构不仅可以整体地移动，同时，在抓取不同的物体时，连续体差动机构还可以产生对应的变形，使得各路运动输出具有不同的输出量，从而使假肢手对不同的抓取物体具有适应性。

由于连续体差动机构中不使用铰链、连杆等传统运动副，从而消除了传动系统的回差。大量使用弹性合金丝作为驱动与传递元件，使假肢手具有很强的自适应能力，同时明显减轻了假肢手的重量。

系统仅采用一个电机作为驱动输入，实现较多的运动输出，结构简单，成本明显降低。同时各个手指之间的运动通过连续体差动机构相互关联，使手指各个关节具有协调的运动关系，并且能适应不同的物体形状，假肢手从而可以完成更协调、与人手更为相近的运动。

本发明的假肢手主要由手掌和手指，电机驱动单元，连续体差动机构以及电池组成。本发明的假肢手仿照人手尺寸构建，具有与人手相近的外观与尺寸。

假肢手主要由手掌和五根手指组成，五根手指分别固定在手掌上对应位置。其中拇指由一根传动轴直接驱动，实现手指的弯曲和展开，其余四个手指由连续体差动机构将一路运动输入转化为4路运动输出，从而驱动除拇指外的四根手指。拇指的翻转指节为被动，外力可调整拇指的翻转状态，拇指翻转关节在关节内摩擦力作用下可保持在任意翻转状态，从而使得假肢手适合于不同物体的抓取。

电机驱动单元：电机驱动单元固定在手掌内部。电机通过一个支架固定在基座上，基座上同时固定中空轴，中空轴内布置有线性轴承，线性轴承内有一根传动轴在其中滑动，传动轴上固定有一个齿条，与电机上的齿轮啮合，电机的转动通过齿轮齿条带动传动轴在线性轴承内前后运动。传动轴的末端连接到拇指的驱动连杆上，带动拇指弯曲和伸展。同时，齿条上还固定有一个用于夹持合金丝的夹持结构，从而驱动连续体差动机构的输入合金丝也同时前后运动。

连续体差动机构：连续体差动机构是指驱动输入与驱动输出通过弹性元件连接，组成各部分完整相连的可连续变形的传动机构。连续体差动机构的输入合金丝的一端与传动轴固定在一起，通过电机驱动可前后移动；输入合金丝穿过固定盘，另一端固定在一个末端盘的中部，末端盘的两端分别固定有一根第一输出合金丝，这样就形成了一个连续体差动机构的基本单元，将一路运动输入分成了两路运动输出。一个运动输入不仅可以带动两个运动输出同时运动，在两路运动输出的负载力不均衡的情况下，三根合金丝会朝向同一个方向弯曲，使得两根第一输出合金丝具有不同的输出量。进一步地，两根第一输出合金丝分别穿过固定盘，固定在另外两个末端盘的中部，每个末端盘同样地固定有两根第二输出合金丝，这样就将一路运动输入分配给了四路运动输出。四路运动输出的合金丝分别固定在四根手指的连杆上，就可以带动四根手指实现弯曲、伸展运动。

手掌内同时嵌入有电池以及控制电路，构成一个完成的假肢手系统。该假肢手系统可以通过接收腔装在患者的残肢上，就能够通过肌电信号等方式控制假肢手实现各种抓取动作。

根据本发明的一方面，提供了一种假肢手，其特征在于，所述假肢手包括：

电机驱动单元，所述电机驱动单元设有基座和电机，其中所述电机固定于所述基座上且电机的输出轴上设有齿轮，所述基座上同时固定有中空轴，该中空轴内设有一根传动轴在其中滑动，该传动轴上固定有一个齿条，该齿条与电机上的齿轮啮合，从而电机的转动通过齿轮齿条啮合而带动所述传动轴在中空轴内直线运动；该传动轴的末端连接到拇指的驱动连杆上，用于带动拇指弯曲和伸展；以及齿条上还固定有一个用于夹持合金丝的夹持结构；

连续体差动机构，所述连续体差动机构设有固定盘、多个末端盘、输入合金丝、第一输出合金丝和第二输出合金丝，所述固定盘上设有供所述输入合金丝和输出合金丝穿过的多个孔，所述输入合金丝的一端与所述夹持结构固定连接，从而通过电机的驱动实现直线移动，而另一端固定于一个末端盘的中部；该末端盘的两端分别固定有一根第一输出合金丝的一端，该两根第一输出合金丝的另一端分别穿过所述固定盘并固定在另外两个末端盘的中部，所述另外两个末端盘中的每个的两端分别固定有一根第二输出合金丝，从而四根所述第二输出合金丝穿过所述固定盘并分别与所述假肢手的对应手指连接，从而带动除了拇指之外的四根手指运动；以及

手掌，用于固定所述电机驱动单元和所述连续体差动机构以及手指。

较佳地，所述假肢手还包括电池和控制器，所述电池为所述电机和所述控制器供电，所述控制器用于接收肌电信号或外部信号来驱动电机转动。

较佳地，所述电机驱动单元的所述基座上同时固定有两个环形支架，所述中空轴的两端分别连接于所述两个环形支架，且拇指固定于所述中空轴上，其中所述两个环形支架中一个为开口环并设有螺钉，用来调整该环形支架和中空轴之间的摩擦力，使得拇指的翻转能够被调整，同时保持调整后的姿态。

一优选实施例中，所述拇指从根部到末端依次设有翻转指节、第二指节和第三指节，它们之间分别通过销钉连接，构成三个旋转关节，其中翻转指节固定于所述中空轴上，所述第二指节经由连杆与所述传动轴的一端连接。

上述实施例中，优选地，所述传动轴上固定有第一连杆，第一连杆与第二连杆的一端通过第一销钉连接，第二连杆的另一端与第三连杆通过第二销钉连接，第二连杆同时通过第二销钉连接在第二指节上，第二连杆还通过第三销钉连接有第三连杆，第三连杆穿过第二指节连接到第四销钉上，第四销钉连接在拇指的第三指节上。

一优选实施例中，除了拇指之外的每个手指包括底座、第一指节和第二指节，底座固定于手掌上，第一指节与底座通过第一销钉和第一连杆连接，第一指节和第二指节之间通过第二销钉连接，从而形成了两个旋转关节，所述第二输出合金丝之一与所述第一连杆的一端连接，从而带动该手指运动。

上述实施例中，优选地，在第二销钉上还设有一个扭簧，使关节保持展开状态，且第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端通过第二销钉与第二指节铰接。

一优选实施例中，所述连续体差动机构包括一个固定盘、3个末端盘、一根输入合金丝、两根第一输出合金丝和四根第二输出合金丝，所述固定盘固定于所述基座上。

本发明的整体工作原理如下：根据所要抓取的物体的形状的不同，可以预先调整大拇指的翻转指节的位置，使大拇指保持在合适抓取该物体的位置。然后，通过开关或肌电信号控制电机转动，带动齿条和传动轴移动，通过连杆带动拇指实现弯曲。与此同时，通过固定在齿条上的夹持结构带动连续体差动机构的输入合金丝前后移动。连续体差动机构将一根输入合金丝的运动分成为四根输出合金丝的运动，分别连接到食指、中指、无名指和小指，这四根手指同时弯曲，向内抓紧物体。当其中某根或某几根手指接触到物体时，由于连续体差动机构内部的连续体会产生弯曲变形，承受负载小的合金丝仍可以运动，使对应的手指仍可以弯曲，直到这些手指也完全接触到物体，使得四根手指都接触被抓取物体的外表面轮廓，对物体实现良好的抓取。

附图说明

图1为本发明的基于连续体差动机构的单电机欠驱动假肢手的立体结构示意图；

图2为假肢手的电机驱动单元的立体结构示意图；

图3为假肢手的连续体差动机构的立体结构示意图；

图4为连续体差动机构在输出端负载不均衡时连续体弯曲变形的示意图；

图5为假肢手的拇指结构的立体示意图；以及

图6为假肢手的食指结构的立体示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

如图1所示，本实施例的假肢手1000主要包括电机驱动单元100、连续体差动机构200、拇指300、食指400、中指500、无名指600、小指700和电池800以及手掌900，各部件都固定在手掌900上。以下分别对各个部分的构造和功能进行详细说明。

图2示出了假肢手的电机驱动单元100的立体结构示意图。如图2所示，电机1通过电机支架2固定在基座3上。电机的输出轴(图未示)上固定有一个齿轮4，与齿条5啮合。在基座3上同时固定有两个环形支架6和7，两个支架上固定有一个中空轴8，拇指固定于该中空轴8上。其中，环形支架7为开口环，在开口环上设有螺钉9，用来调整环形支架7和中空轴8之间的摩擦力(通过调整它们之间的间隙来完成)，使固定在中空轴8上的拇指300的翻转指节(如图5所示)可以被调整，同时保持调整后的姿态。

中空轴8内固定有线性轴承10，线性轴承10内有一根传动轴11穿过。传动轴11的一端与齿条5固定，齿条5与固定于电机1的输出轴上的齿轮4啮合，从而传动轴11在电机1的带动下可以前后移动。传动轴11的另一端固定有一个连杆12，连杆12连接到拇指300上的连杆33(如图5所示)，从而驱动拇指300实现弯曲或展开运动。同时，齿条5上还固定有一个夹持结构13，其上有一个孔可供合金丝14穿过，通过拧紧螺钉15可将合金丝14锁紧。

图3示出了假肢手的连续体差动机构200的立体结构示意图。如图3所示，固定盘16固定在基座3上，其上设有供各弹性合金丝穿过的多个孔。具体地，弹性合金丝(输入合金丝)14穿过其中一个孔，弹性合金丝14的一端固定在末端盘17内，通过螺钉18锁紧。末端盘17的两端分别固定有合金丝(第一输出合金丝)19和20的始端。同样地，合金丝19和20也分别通过螺钉21和22锁紧在末端盘17上，这样就形成了一个连续体差动机构的基本单元。该连续体差动机构可以将弹性合金丝14上的一路运动输入分成了弹性合金丝19和20上的两路运动输出。

合金丝19穿过固定盘16上的孔，末端固定在末端盘23上。同样的，末端盘23上固定有合金丝24和25。这样，将弹性合金丝19上的一路运动输入分成了弹性合金丝24和25上的两路运动输出。

合金丝20穿过固定盘16上的另一个孔，末端固定在末端盘50上。同样的，末端盘50上固定有合金丝26和27。将弹性合金丝20上的一路运动输入分成了弹性合金丝26和27上的两路运动输出。

通过这样一个连续体差动机构，将弹性合金丝14的运动转变成弹性合金丝24～27的运动。

图4示出了假肢手的连续体差动机构200的在合金丝24～27承受不同载荷的情况下，连续体弯曲变形的示意图。当驱动弹性合金丝14前后运动时，连续体差动机构不仅可以整体地前后移动，根据施加在弹性合金丝24～27上的负载的不同，连续体会产生相应的变形，以适应外界的负载，如图4所示。

图5示出了假肢手的拇指300的立体结构示意图。如图5所示，拇指的第一指节(翻转指节)28固定在中空轴8上，从而拇指300及中空轴8整体可绕中空轴的轴线转动。同时，通过调整螺钉9来调整中空轴8和环形支架7之间的摩擦力，使拇指翻转指节可以方便地调整，同时在假肢手的使用过程中可以保持预先调整的姿态。

第一指节28、第二指节29和第三指节30之间分别通过销钉31和销钉32连接，构成三个旋转关节。套在传动轴11上的连杆12与连杆33通过销钉34连接。连杆33的另一端与连杆35同样通过销钉36连接。连杆35同时通过销钉31连接在第二指节29上。连杆35的另一侧通过销钉37连接有连杆38。拇指第二指节29内部有一个可供连杆38通过的孔，连杆38的另一端穿过这个孔连接到销钉39上，销钉39连接在拇指第三指节30上。当电机1通过齿轮4带动齿条5及传动轴11前后移动，通过连杆12、33带动连杆35及第二指节29转动，同时通过连杆38也带动第三指节30同时转动，从而实现拇指的弯曲和展开。

图6示出了假肢手的食指400的立体结构示意图。如图6所示，食指400通过食指底座39(例如经由螺丝)固定在手掌900上。食指的第一指节40与食指底座39通过销钉41连接且它们之间连接有连杆46，食指第一指节40和食指第二指节42同样通过另一销钉43连接，这样食指就形成了两个旋转关节。同时销钉43上还穿有一个扭簧44，使关节保持展开状态。连续体差动机构200的四路运动输出的其中的一根弹性合金丝24通过销钉45连接到连杆46上。连杆46的另一端通过销钉47连接有另一根连杆48。连杆48通过销钉49连接食指第二指节42。

当电机1通过齿轮4带动齿条5以及夹持结构13向后移动时，带动连续体差动机构200的弹性合金丝14同时向后移动。连续体差动机构200将一根弹性合金丝14的运动转化为四根弹性合金丝24～27的运动，其中食指所对应的弹性合金丝24拉动连杆46及第一指节40转动，此时第二指节42与第一指节40之间相对保持不动；当第一指节40接触到物体时，第二指节42开始转动直到它也接触到物体。

中指500、无名指600和小指700与食指400具有相似的结构和工作原理，并分别有弹性合金丝25、26和27驱动，在此不再详述。此外，手掌内同时还嵌入有电池以及控制电路，构成一个完成的假肢手系统。

本实施例的假肢手整体工作原理如下：根据所要抓取的物体的形状的不同，可以预先调整大拇指的翻转指节的位置，使大拇指保持在合适抓取该物体的位置。然后，通过开关或肌电信号控制电机1转动，固定在电机1上的齿轮3带动齿条4和传动轴11向后移动，通过连杆12、31带动拇指实现弯曲。另一方面，通过固定在齿条4上的夹持结构13带动连续体差动机构200的弹性合金丝14移动。连续体差动机构200将一根弹性合金丝14的运动转化为四根弹性合金丝24～27的运动，分别连接到食指、中指、无名指和小指，这四根手指同时弯曲，向内抓紧物体。当其中某根或某几根手指接触到物体时，由于连续体差动机构200内部的连续体弯曲变形，承受负载小的合金丝仍可以运动，使对应的手指仍可以弯曲，直到这些手指也完全接触到物体，使得四根手指都接触被抓取物体的外表面轮廓，从而很好地实现抓取或操作物体的功能。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种假肢手，其特征在于，所述假肢手包括：

电机驱动单元，所述电机驱动单元设有基座和电机，其中所述电机固定于所述基座上且电机的输出轴上设有齿轮，所述基座上同时固定有中空轴，该中空轴内设有一根传动轴在其中滑动，该传动轴上固定有一个齿条，该齿条与电机上的齿轮啮合，从而电机的转动通过齿轮齿条啮合而带动所述传动轴在中空轴内直线运动；该传动轴的末端连接到拇指的驱动连杆上，用于带动拇指弯曲和伸展；以及齿条上还固定有一个用于夹持合金丝的夹持结构；

连续体差动机构，所述连续体差动机构设有固定盘、多个末端盘、输入合金丝、第一输出合金丝和第二输出合金丝，所述固定盘上设有供所述输入合金丝和输出合金丝穿过的多个孔，所述输入合金丝的一端与所述夹持结构固定连接，从而通过电机的驱动实现直线移动，而另一端固定于一个末端盘的中部；该末端盘的两端分别固定有一根第一输出合金丝的一端，该两根第一输出合金丝的另一端分别穿过所述固定盘并固定在另外两个末端盘的中部，所述另外两个末端盘中的每个的两端分别固定有一根第二输出合金丝，从而四根所述第二输出合金丝穿过所述固定盘并分别与所述假肢手的对应手指连接，从而带动除了拇指之外的四根手指运动；以及

手掌，用于固定所述电机驱动单元和所述连续体差动机构以及手指。

2.根据权利要求1所述的假肢手，其特征在于，所述假肢手还包括电池和控制器，所述电池为所述电机和所述控制器供电，所述控制器用于接收肌电信号或外部信号来驱动电机转动。

3.根据权利要求1所述的假肢手，其特征在于，所述电机驱动单元的所述基座上同时固定有两个环形支架，所述中空轴的两端分别连接于所述两个环形支架，且拇指固定于所述中空轴上，其中所述两个环形支架中一个为开口环并设有螺钉，用来调整该环形支架和中空轴之间的摩擦力，使得拇指的翻转能够被调整，同时保持调整后的姿态。

4.根据权利要求1所述的假肢手，其特征在于，所述拇指从根部到末端依次设有翻转指节、第二指节和第三指节，它们之间分别通过销钉连接，构成三个旋转关节，其中翻转指节固定于所述中空轴上，所述第二指节经由连杆与所述传动轴的一端连接。

5.根据权利要求4所述的假肢手，其特征在于，所述传动轴上固定有第一连杆，第一连杆与第二连杆的一端通过第一销钉连接，第二连杆的另一端与第三连杆通过第二销钉连接，第二连杆同时通过第二销钉连接在第二指节上，第二连杆还通过第三销钉连接有第三连杆，第三连杆穿过第二指节连接到第四销钉上，第四销钉连接在拇指的第三指节上。

6.根据权利要求1所述的假肢手，其特征在于，除了拇指之外的每个手指包括底座、第一指节和第二指节，底座固定于手掌上，第一指节与底座通过第一销钉和第一连杆连接，第一指节和第二指节之间通过第二销钉连接，从而形成了两个旋转关节，所述第二输出合金丝之一与所述第一连杆的一端连接，从而带动该手指运动。

7.根据权利要求6所述的假肢手，其特征在于，在第二销钉上还设有一个扭簧，使关节保持展开状态，且第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端通过第二销钉与第二指节铰接。

8.根据权利要求1所述的假肢手，其特征在于，所述连续体差动机构包括一个固定盘、3个末端盘、一根输入合金丝、两根第一输出合金丝和四根第二输出合金丝，所述固定盘固定于所述基座上。