[发明专利]基于连续体传动机构的欠驱动假肢手

说明书

技术领域

本发明涉及医用器械技术领域，特别涉及医用假肢手系统。

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

针对现有技术的上述缺点，本发明目的在于：采用较少的输入以控制假肢手多自由度的输出；同时避免使用铰链、连杆等结构复杂的运动副以减轻假肢手的重量并降低成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种新型的欠驱动假肢手，采用较少的电机作为驱动输入，特别设计了一种柔性的传动机构，将驱动输入与驱动输出组成各部分完整相连的可连续变弹性变形的连续体，在合适的驱动输入情况下，连续体机构通过其整体的连续变形，可以输出较多的（多于驱动输入数量）运动输出。使用连续体机构传动所产生的各路运动输出各不相同，但相互之间具有合理的数学关系。使用各路运动输出实现假肢手各个关节的转动，从而使仿人形的假肢手实现灵活而协调的动作。由于机构中不使用铰链、连杆等传统的刚性的运动副，从而消除了系统的回差。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。系统采用较少的驱动输入，实现较多的运动输出，结构简单，成本明显降低。同时各路运动相互协调，使手指各个关节具有协调运动关系，假肢手从而可以完成更协调、与人手更为相近的运动。

本发明的技术方案如下：

本发明主要由三个部分组成，包括电机驱动单元，连续体传动机构和具有仿人外形的自适应假肢手，以下对各部分进行详细的阐述。电机驱动单元：电机驱动单元由相似的两个部分组成，固定在同一个底座上。其中每一部分包含有一个电机固定在基板上，电机输出轴上固定有一个输出齿轮。同时有两根齿条在输出齿轮的两侧，分别通过线性导轨连接在基板上，齿条都与中间的齿轮啮合，当齿轮转动时两根齿条分别向不同方向运动。每根齿条上分别固定有一根弹性合金丝，当电机转动时，弹性合金丝就会做直线的推拉运动，同一个电机所驱动的两根弹性合金丝运动方向相反，但是运动距离相同。两个电机并排方式，驱动四根弹性合金丝，弹性合金丝穿过固定的金属管连接到连续体机构，作为连续体机构的运动输入。用于运动协同的连续体传动机构：此机构用于实现假肢手的欠驱动运动，将两对弹性合金丝的独立的运动输入转化为六根弹性合金丝相互协调的运动输出。机构由基座、间隔盘、锁紧盘、弹簧和弹性合金丝组成。基座、间隔盘上的相同位置有通孔，分别可供驱动丝和被驱动丝穿过，然后用锁紧盘将所有弹性合金丝锁紧固定，在基座、间隔盘和锁紧盘指间均有弹簧，穿在弹性合金丝上，用于保持各盘之间的间隔。在初始状态，连续体机构形状呈直线。当两路驱动输入推拉四根驱动丝时，连续体机构形成圆弧状的弯曲，输出丝也被动地形成相应形状，由于各个输出丝固定在锁紧盘上的不同位置，所以输出丝伸长缩短的长度各不相同。用输出丝驱动假肢手的各个关节，就可以形成各个手指不同程度的弯曲。具有仿人外形的自适应假肢手：此假肢手仿照人手尺寸构建，具有与人手相近的外观与尺寸，可以实现与人手相近的运动。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。与人手类似的，拇指具有四个自由度，由两根弹性合金丝驱动，一根固定在拇指指尖，穿过拇指第二指节、拇指第三指节后延伸到外部，用以实现大拇指的弯曲。另一根弹性合金丝固定在第四指节，穿过拇指固定基座和手掌，延伸到假肢手之外，用以实现拇指的侧摆。根据人手的特征，食指、中指、无名指和小指在尺寸上有一些不同，但具有相同的结构形式，均具有三个自由度。每根手指分别由一根弹性金属丝驱动，金属丝的一端固定在指尖，另一端穿过第二、三指节、手指基座及手掌，然后延伸到假肢手外。在外部推或者拉动弹性合金丝，即可实现对应手指的收紧或者展开。为了更贴近地实现与人手相似的运动功能，各关节指间均安装有扭簧，使手指各关节保持展开状态。