CN109758275B - 一种驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指。本发明手指本体部分包括手指机架、第一指节、拉伸弹簧、第二指节、指节联接件、第三指节；手指机械传动链包括微型电机微型减速器组件、微型蜗杆蜗轮副、驱动绳索组件、连杆；第一指节、第二指节、连杆及手指机架组成四连杆机构，第一指节的屈指及展指运动使第二指节从动地实现屈指及展指运动，形成欠驱动运动方式。本发明手指为模块式结构设计，便于整个手指的装配及拆除，手指结构简单，重量轻，手指的设计导致掌部厚度尺寸减小。

Description

一种驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指

技术领域

本发明属于医疗康复器械领域，特别涉及一种驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指。

背景技术

假肢手安装于残疾人残肢端部，用于实现人手的某些功能。2008年以前，市场上销售较多的假肢手为德国OttoBock公司的Suva单自由度假肢手，该种假肢手能实现的动作模式有限，只具简单的开合功能，手指只具有一个运动关节。2008年以后，多自由度假肢手开始面世，比较有代表性的为英国的Blatchford&son公司生产的ilimb假肢手和冰岛Steeper公司生产的Bebionic假肢手。这两款假肢手均具有五个手指，其中食指、中指、无名指和小指机械结构相同，统称为手指，每个手指有两个关节，第一关节为主动关节，第二关节为从动关节，两个关节的运动是耦合的，每个手指由一台微型电机驱动，业内称这种驱动方式为欠驱动。ilimb假肢手的手指第一关节由蜗杆蜗轮驱动，微型电机微型减速器组件置于手指第一指节的空腔内，微型减速器输出轴通过锥齿轮副驱动蜗杆回转，蜗轮联接于手掌部，相对于手掌固定不动，当电机回转时，蜗杆连同微型电机微型减速器及第一指节绕蜗轮回转，实现手指的屈伸，第二关节由联接于蜗轮的绳索驱动。该型假肢手手指的主要缺陷为，微型电机微型减速器组件置于手指第一指节空腔内，虽然可以节省手掌的空间，却受微型电机微型减速器长度的限制，手指第一指节的长度长于人手指节长度，且微型电机微型减速器也作为微型电机的负荷，浪费了电机的有效功率，第一指节的回转中心即是蜗轮的中心，位于第一指节手掌心部，当佩戴仿人手皮时，手皮关节处变形很大，极大地浪费了电机的有效功率。手指能用于抓取的有效功率很小。Bebionic假肢手的手指第一关节由滑块连杆机构驱动，第二关节由四连杆机构驱动，四连杆的主动运动杆件即为第一指节，微型电机微型减速器组件置于手掌内。此型假肢手的主要缺陷为，手指第一关节传动链布置为两层，这虽然缩减了传动链的长度，却使手掌比较肥厚，影响了假肢手的外形美观。

另外，通过对现有的文献资料检索发现：

中国发明专利公开号：CN 103565562 A,名称：一种欠驱动假肢手。使用三台电机控制五个手指的运动，其中食指及中指由一台电机控制，无名指及小指由一台电机控制，拇指由一台电机控制，不能实现每个手指的独立运动。其机械传动链为，电机驱动丝杆螺母机构，再通过滑块导轨机构将电机的回转运动转化为滑块的线性运动，滑块拉动绳索驱动手指各指节，传动链较长，使手掌尺寸也较长；每个手指使用了三根绳索和多个导轮，比较复杂。拇指的外旋及拇指的曲伸运动不是独立的。

中国发明专利公开号：CN 1418765,名称：机器人灵巧手机构。每个手指的两个关节分由两台电机分别控制，虽然增加了灵活性，由于重量等原因不适用于假肢手。

中国发明专利公开号：CN 1365877,名称：机器人拟人多指手装置。食指、中指、无名指、小指四个手指用一台电机控制；拇指用一台电机控制。仅能实现五指抓取操作模式，其它的运动模式如两指捏取、鼠标双击等操作模式无法实现。

中国发明专利公开号：CN 103538077 A,名称：一种多自由度机器仿生手。使用六台电机控制假肢手，其中食指、中指、无名指、小指各用一台电机；拇指用两台电机，一台用于拇指外旋，一台用于拇指屈伸。电机都固定在手掌上，机械传动链为蜗杆蜗轮机构。手指和拇指电机顺次摆放，使手掌很长，拇指的第二指节不能作屈伸运动。

发明内容

本发明的目的在于克服目前假肢手产品及专利技术中的不足，提供一种结构简单、控制灵活、功能强大的模块式欠驱动仿人假肢手指结构。

本发明通过下述技术方案实现：

一种驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指，手指由手指本体及手指机械传动链构成；手指本体由近及远包括手指机架、第一指节、拉伸弹簧、第二指节、指节联接件、第三指节；第一指节通过第一关节销轴联接于手指机架远端，并可绕第一关节销轴作回转运动，形成手指第一关节；第二指节通过第二关节销轴联接于第一指节远端，并可绕第二关节销轴作回转运动，形成手指第二关节；指节联接件的两端各有一凸缘结构，指节联接件近端的凸缘插入于第二指节远端的空腔内，指节联接件远端的凸缘插入于第三指节近端的空腔内，由于两者的联接均为过盈联接，第三指节相对于第二指节不能运动，把第二指节、指节联接件及第三指节设计为三个零件是出于注塑工艺的考虑，便于拔模及减小缩坑；一拉伸弹簧的近端套环端套装在第一弹簧销钉上，而第一弹簧销钉固定于第一指节远端，拉伸弹簧的远端套环套装在第二弹簧销钉上，而第二弹簧销钉固定于第二指节近端；

手指运动传动链包括微型电机微型减速器组件、蜗杆蜗轮副、拉力绳索组件及连杆；微型电机微型减速器组件通过过盈联接方式联接于手指机架，并位于手掌掌心位置；微型蜗杆置于手指机架空腔内，微型蜗杆的D形截面中心孔的一部分套装在微型减速器的D形截面输出轴径上，微型蜗杆的D形截面中心孔的另一部分套装于D形截面延长轴上，延长轴插入于延长轴铜套内，延长轴铜套通过其外表面与手指机架的铜套孔内表面的过盈配合实现固定联接；微型蜗轮套装于蜗轮空心轴上，蜗轮空心轴与手指机架紧固联接，微型蜗轮与微型蜗杆相啮合；微型蜗轮两侧具有凸缘结构，并在轮辐上加工有一通孔，驱动绳索穿过微型蜗轮轮辐的通孔，并可在蜗轮两侧凸缘外表面缠绕或解缠绕，驱动绳索销轴固结于手指第一指节近端，驱动绳索的两个端部以锁扣形式联接于驱动绳索销轴上；一连杆置于手指第一指节的空腔内，连杆近端的销轴孔套装在第一连杆销轴上，第一连杆销轴固定联接于手指机架远端，连杆远端的销轴孔套装在第二连杆销轴上，第二连杆销轴固定联接于手指第二指节的近端；

当手指作屈指运动时的机械传动过程为：微型电机顺时针方向回转，通过微型减速器减速，微型减速器的输出轴径带动微型蜗杆绕其轴线顺时针回转，微型蜗杆驱动微型蜗轮绕蜗轮空心轴顺时针回转，驱动绳索则由微型蜗轮轮辐上的孔拉动在微型蜗轮两侧的凸缘上缠绕，驱动绳索端部拉动手指第一指节作屈指运动，第一指节、手指机架、连杆及第二指节组成四连杆机构，第一指节的屈指运动使第二指节也做屈指运动，拉伸弹簧处于拉伸状态；

当手指作展指运动时的机械传动过程为，微型电机反时针方向回转，通过微型减速器减速，

微型减速器的输出轴颈带动微型蜗杆绕其轴线逆时针回转，微型蜗杆驱动微型蜗轮绕蜗轮空心轴逆时针回转，驱动绳索由微型蜗轮两侧的凸缘解缠绕，拉伸弹簧收缩，第一指节在拉伸弹簧恢复力的作用下作展指运动，第一指节、手指机架、连杆及第二指节组成四连杆机构，第一指节的展指运动使第二指节也做展指运动。

本发明的技术优点及技术效果体现在：

假肢手指为模块化结构，假肢手指通过手指机架安装于假肢手掌部或从假肢手掌部拆下，这给假肢手的制造及维护都带来极大方便。

通过驱动绳索在微型蜗轮凸缘的缠绕及解缠绕来驱动第一指节作屈指及展指运动，简化了机构，缩减了传动链长度。本设计使假肢手掌部的长度及厚度都与人手接近。

第一指节、手指第二指节、连杆及手指机架组成四连杆机构，第二指节相对于第一指节的运动是确定的，成为欠驱动方式，每个手指只需一台微型电机驱动。

当手指处于展指状态，如手指背部受到外力，由于第一指节与手指机架之间只有驱动绳索的柔性连接，第二指节与第一指节之间为拉伸弹簧的弹性连接，手指会作屈指运动，以防手指的损坏，起到了安全防护作用。

由于第一指节内无微型电机及微型减速器置放其内，手指指节长度无实际限制，手指第一指节可根据要求设计为男士，女士或孩童的指节长度。

附图说明

图1手指展指状态示意图；

图2手指屈指状态示意图。

其中：

1.第三指节 2.指节联接件 3.第二指节 4.第二拉伸弹簧销钉

5.拉伸弹簧 6.第一拉伸弹簧销钉 7.连杆 8.第一连杆销轴

9.第一关节销轴 10.延长轴铜套 11.延长轴

12.微型蜗杆 13.微型减速器 14.微型电机 15.手指机架

16.蜗轮空心轴 17.微型蜗轮 18.驱动绳索 19.驱动绳索销轴

20.第一指节 21.第二关节销轴 22.第二连杆销轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的一种驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指，以下描述以手指机架15为基准，每个部件距离手指机架近的一端为近端，距离手指机架远的一端为远端如图1所示，第一指节20近端通过第一关节销轴9联接于手指机架15的远端，第一指节20可以相对于第一关节销轴9作回转运动；第二指节3近端通过第二指节销轴21联接于第一指节20远端，第二指节3可以相对于第二指节销轴21作回转运动；指节联接件2的近端凸缘插入第二指节3远端的空腔内，两者的联接为过盈联接，指节联接件2的远端凸缘插入于第三指节1近端的空腔内，两者的联接为过盈联接，因而，第三指节1相对于第二指节3不能运动；拉伸弹簧5的近端套环联接于第一拉伸弹簧销钉6的外圆上，而第一拉伸弹簧销钉6固定联接于第一指节20远端，拉伸弹簧5的远端套环联接于第二拉伸弹簧销钉4的外圆上，而第二拉伸弹簧销钉4固定联接于第二指节3的近端；连杆7置于第一指节20的空腔内，连杆7近端的销轴孔套装在第一连杆销轴8上，第一连杆销轴8固定联接于手指机架15的远端，连杆7远端的销轴孔套装在第二连杆销轴22上，第二连杆销轴22固定联接于第二指节3的近端。

微型电机14与微型减速器13组成一个组件，该组件通过手指机架15的安装孔安装于手指机架15，该轴孔配合为过盈配合，微型电机14及微型减速器13组成的组件相对于手指机架15为固定联接，两者之间无相对运动；微型蜗杆12置于手指机架15的空腔内，微型蜗杆12的D形截面中心孔的一部分套装在微型减速器13的D形截面输出轴颈上，由于微型蜗杆12的轴向长度长于微型减速器13的输出轴颈，微型减速器13的D形截面延长轴11的一部分与微型蜗杆12的D形截面中心孔联接，微型减速器13的D形截面延长轴11的另一部分置于延长轴铜套10的中心孔内，而延长轴铜套10的外柱面过盈联接于手指机架15的一个孔内；微型蜗轮17套装在蜗轮空心轴16的外表面，微型蜗轮17可以相对于蜗轮空心轴16作回转运动，蜗轮空心轴16与手指机架15固定联接；微型蜗轮17两侧各有一个凸缘，微型蜗轮17的轮辐上加工有一个通孔，驱动绳索18穿过微型蜗轮17轮辐上的通孔，并可在微型蜗轮17两侧的凸缘上缠绕及解缠绕，驱动绳索18的两个端部通过锁扣方式固定联接于驱动绳索销轴19上，驱动绳索销轴19固定联接于第一指节20的近端下方。

当手指作屈指运动时的机械传动过程为：微型电机14的输出轴作顺时针方向回转，通过微型减速器13减速，微型减速器13的输出轴径带动微型蜗杆12绕其轴线顺时针回转，微型蜗杆12驱动微型蜗轮17绕蜗轮空心轴16顺时针回转，驱动绳索19则由微型蜗轮17轮辐上的孔拉动在微型蜗轮17两侧的凸缘上缠绕，驱动绳索19端部拉动第一指节20作屈指运动，第一指节20、手指机架15、连杆7及第二指节3组成四连杆机构，第一指节20的运动使第二指节3也做屈指运动，拉伸弹簧5处于拉伸状态，图2为手指处于屈指状态的示意图。

当手指作展指运动时的机械传动过程为，微型电机14的输出轴作反时针方向回转，通过微型减速器13减速，微型减速器13的输出轴颈带动微型蜗杆12绕其轴线逆时针回转，微型蜗杆12驱动微型蜗轮17绕蜗轮空心轴16逆时针回转，驱动绳索19由微型蜗轮17两侧的凸缘解缠绕，拉伸弹簧5收缩，第一指节20在拉伸弹簧5恢复力的作用下作展指运动，第一指节20、手指机架15、连杆7及第二指节3组成四连杆机构，第一指节20的展指运动使第二指节3也做展指运动，图1为手指处于展指状态的示意图。

Claims (2)

1.一种驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指，假肢手指由手指本体及手指机械传动链构成，其特征在于：手指本体由近及远包括手指机架、第一指节、拉伸弹簧、第二指节、指节联接件、第三指节；第一指节通过第一关节销轴联接于手指机架远端；第二指节通过第二关节销轴联接于第一指节远端；指节联接件用于联接第二指节及第三指节；拉伸弹簧的近端套环端套装在第一弹簧销钉上，第一弹簧销钉固定于第一指节远端，拉伸弹簧的远端套环套装在第二弹簧销钉上，第二弹簧销钉固定于第二指节近端；手指运动传动链包括微型电机和微型减速器构成的组件、蜗杆蜗轮副、驱动绳索及连杆；微型电机和微型减速器构成的组件通过过盈联接方式联接于手指机架，并位于手掌掌心位置；微型蜗杆置于手指机架空腔内，微型蜗杆的D形截面中心孔的一部分套装在微型减速器的D形截面输出轴上，微型蜗杆的D形截面中心孔的另一部分套装于微型减速器的D形截面延长轴上，微型减速器的D形截面延长轴插入于延长轴铜套内，延长轴铜套通过其外表面与手指机架的铜套孔内表面的过盈配合实现固定联接；微型蜗轮套装于蜗轮空心轴上，蜗轮空心轴与手指机架紧固联接，微型蜗轮与微型蜗杆相啮合；微型蜗轮两侧设置凸缘结构，并在轮辐上加工有一通孔，驱动绳索穿过微型蜗轮轮辐的通孔，并在微型蜗轮凸缘外表面缠绕或解缠绕，驱动绳索销轴固结于第一指节近端，驱动绳索的两个端部以锁扣形式固定联接于驱动绳索销轴上；连杆置于第一指节的空腔内，连杆近端的销轴孔套装在第一连杆销轴上，第一连杆销轴固定联接于手指机架远端，连杆远端的销轴孔套装在第二连杆销轴上，第二连杆销轴固定联接于第二指节的近端。

2.根据权利要求1所述驱动绳索与四连杆机构组合式欠驱动仿生假肢手指，其特征在于，指节联接件的两端各有一凸缘结构，指节联接件近端的凸缘插入于第二指节远端的空腔内，指节联接件远端的凸缘插入于第三指节近端的空腔内。