專利名稱：五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及康復醫(yī)學工程領域的機械仿真手，特別是涉及一種由使用者肌電 控制的機械仿真手。
背景技術：
手的動作十分靈巧并具有復雜的功能?，F(xiàn)有的康復醫(yī)學工程領域的機械仿真手， 雖然在重量和高把握力方面已經(jīng)具備了實用性，但是在實際使用時自由度很低。另外，還有 很多利用仿生學而實現(xiàn)的機械仿真手，它們?yōu)榱藢崿F(xiàn)高自由度，而忽略了滿足合適的重量 指標，且有把握力小的問題，使其不適合實際應用。例如現(xiàn)有廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，都分別存在 著如下缺點··· · · 現(xiàn)有的一至三個自由度的仿真手，它僅具有二至三個手指，且手腕是被動 旋轉(zhuǎn)的，需要在使用時進行調(diào)整，造成了殘疾人使用的不方便。另外，機械仿真手的重量大， 殘疾人長時間佩戴困難；· · · 有些科研院校研發(fā)了欠驅(qū)動擬人機械手，由于使用了過多的齒輪機構(gòu)，體 積大，質(zhì)量大，成本高，殘疾人難以實際使用。

實用新型內(nèi)容基于上述現(xiàn)有技術，本實用新型提出了一種五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，該機械 仿真手的五指與人手手指具有相似的關節(jié)結(jié)構(gòu)，由相應的電機帶動進行獨立地張開、閉合 運動；拇指可以側(cè)向轉(zhuǎn)動，從而使拇指可以向其余手指方向產(chǎn)生側(cè)向夾取運動。另外，該機 械仿真手的手腕處有三個轉(zhuǎn)動關節(jié)軸，使得機械仿真手可以產(chǎn)生內(nèi)外旋轉(zhuǎn)，上下翻轉(zhuǎn)，側(cè)向 左右轉(zhuǎn)動。本實用新型提出的一種五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，包括五個手指即一拇指、一 食指、一中指、一無名指和一小指和手腕所述手指和手腕共具有19個自由度其中，每根 手指分別具有三個關節(jié)即遠位指骨間關節(jié)、近位指間關節(jié)和掌指關節(jié)，所述每根手指的三 個關節(jié)通過第一線和第二線與驅(qū)動電機連接，以牽引每根手指的運動；所述手腕設置有三 個關節(jié)即圍繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)、圍繞χ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)以及設置兩者之間的一個圍繞y軸旋 轉(zhuǎn)的關節(jié)，所述手腕的關節(jié)設置有驅(qū)動電機的繞線帶動手腕轉(zhuǎn)動；所述驅(qū)動電機采用一部驅(qū)動電機；所述第一線和所述第二線分別與同一驅(qū)動電機相連接且同向運動，第一線的轉(zhuǎn)動 半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動半徑，第一線連接控制手指的掌指關節(jié)轉(zhuǎn)動，第二線連接控制手指 的遠位指骨間關節(jié)和近位指間關節(jié)；所述第一線和所述第二線分別與同一驅(qū)動電機相連接且同向運動，第一線的轉(zhuǎn)動 半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動半徑，第一線連接控制手指的遠位指骨間關節(jié)和近位指間關節(jié)，第 二線連接控制手指的掌指關節(jié)轉(zhuǎn)動；所述驅(qū)動電機采用兩部驅(qū)動電機；[0011]所述第一線與所述第二線分別在第一驅(qū)動電機和第二驅(qū)動電機的驅(qū)動下同向運動，其中，第一線連接控制手指的掌指關節(jié)轉(zhuǎn)動，第二線連接控制手指的遠位指骨間關節(jié)和 近位指間關節(jié)；所述手腕的關節(jié)設置有驅(qū)動電機的繞線為手腕繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)處的轉(zhuǎn)動軸和 所述拇指的繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)處的轉(zhuǎn)動軸上面分別固定有兩組不同繞向的線，通過相應電 機的正反轉(zhuǎn)分別實現(xiàn)手腕和拇指的垂直旋轉(zhuǎn)；所述驅(qū)動電機與機械仿真手分開設置。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型特別模擬人手的結(jié)構(gòu)特性，開發(fā)了一種新型的機械 仿真手，該機械仿真手的五指與人手手指具有相似的關節(jié)結(jié)構(gòu)，但是自由度更高，并且結(jié)構(gòu) 簡單，質(zhì)量輕，以及使用線拉動手進行運動柔性好，成本低，運動靈活，因此有利于殘疾人在 日常生活中使用；手指有三個活動關節(jié)，可以穩(wěn)定把握不同形狀的物體，便于殘疾人日常使用。

圖1為本實用新型的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的手指關節(jié)第一種驅(qū)動方式的 實施例示意圖；圖3為本實用新型的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的手指關節(jié)第二種驅(qū)動方式的 實施例示意圖；圖4為本實用新型的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的手指關節(jié)第三種驅(qū)動方式的 實施例示意圖；圖5為本實用新型的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的拇指和手腕垂直旋轉(zhuǎn)的繞線 方式示意圖；圖6為本實用新型的的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的手腕處三個轉(zhuǎn)動關節(jié)結(jié)構(gòu) 示意圖；圖7為本實用新型的的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的手腕側(cè)向左右轉(zhuǎn)動的繞線 方式示意圖；圖8為本實用新型的的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手的手腕上下翻轉(zhuǎn)運動的繞線 方式示意圖。
具體實施方式
本實用新型的方案設計思想是模擬人手關節(jié)結(jié)構(gòu)特性開發(fā)了一款具有19個自由 度的機械機械仿真手，如圖1所示，該機械仿真手有5個手指，如圖1中數(shù)字1-5所示，分別 為拇指、食指、中指、無名指、小指。每個手指都具有DIP關節(jié)(DIP，distal interphalangeal joint，遠位指骨間關節(jié))、PIP (PIP，Proximal interphalangeal joint，近位指間關節(jié))以 及 MP (MP, metacarpophalangeal joint 掌指關節(jié))拇指關節(jié)，除上述三個關節(jié)外，還具有一個轉(zhuǎn)動關節(jié)(如圖1中的“d”所示)，該關 節(jié)使得拇指向其余四指方向進行側(cè)向轉(zhuǎn)動，相應的運動方向如圖1中的箭頭所示。另外，該 機械仿真手的手腕處還有三個轉(zhuǎn)動關節(jié)，在圖1中分別標為“q”、“r”、“S”，相應的運動方向如圖1中的箭頭所示。轉(zhuǎn)動關節(jié)“q”使得機械仿真手繞Z軸內(nèi)外旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動關節(jié)“!·”使得 機械仿真手繞y軸上下翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動關節(jié)“S”使得機械仿真手繞Χ軸左右側(cè)向轉(zhuǎn)動。這些轉(zhuǎn) 動關節(jié)采用干涉驅(qū)動方式，使用電機帶動線牽引手部關節(jié)進行運動，使驅(qū)動電機部分與手 部分開，減輕了手部質(zhì)量，便于殘疾人佩戴使用。針對使用者的不同條件以及生理上的運動方式，在仿真手手指的不同關節(jié)部分采 取三種不同的干涉驅(qū)動方式，分別在圖2-4中進行介紹。在圖2中，線1和線2分別與同一 個電機相連接且同向運動，但是線1的轉(zhuǎn)動半徑大于線2的轉(zhuǎn)動半徑，線1控制手指的MP 關節(jié)轉(zhuǎn)動，線2控制手指的DIP關節(jié)和PIP關節(jié)轉(zhuǎn)動。在圖3中，線1和線2分別與同一個電機相連接且同向運動，但是線1的轉(zhuǎn)動半徑 大于線2的轉(zhuǎn)動半徑，線1控制手指的DIP關節(jié)和PIP關節(jié)轉(zhuǎn)動，線2控制手指的MP關節(jié)
轉(zhuǎn)動。 上述兩種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動半徑較大的電機帶動線1完成力量較大，運動范圍較大的 動作；轉(zhuǎn)動半徑較小的電機帶動線2完成力量較小，運動范圍較小的動作。在圖4中，線1與線2分別在電機1和電機2的驅(qū)動下同向運動，線1控制手指的 MP關節(jié)轉(zhuǎn)動，線2控制手指的DIP關節(jié)和PIP關節(jié)轉(zhuǎn)動，線1的轉(zhuǎn)動半徑與線2的轉(zhuǎn)動半徑 的相對大小可以根據(jù)需要進行調(diào)整。上述三種關節(jié)驅(qū)動設計所產(chǎn)生的把握力大，手指轉(zhuǎn)動速度快，但由于使用了兩個 電機，導致整個機械仿真手裝置的質(zhì)量有所增加。為了減少電機的使用，拇指繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)“d”與手腕繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)“q”處 的繞線方式如圖5所示。在設置于拇指繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)“d”處的轉(zhuǎn)動軸上與手腕繞ζ軸 旋轉(zhuǎn)的關節(jié)“q”處的轉(zhuǎn)動軸上，分別固定有兩組不同繞向的線，在相應電機的順時針轉(zhuǎn)動、 逆時針轉(zhuǎn)動下(參考圖中電機上的虛實線箭頭)，該轉(zhuǎn)動軸將分別產(chǎn)生圍繞ζ軸的逆時針轉(zhuǎn) 動和順時針轉(zhuǎn)動。另外，該機械仿真手的手腕處有三個轉(zhuǎn)動關節(jié)軸，使得機械仿真手可以產(chǎn)生內(nèi)外 旋轉(zhuǎn)，上下翻轉(zhuǎn)，側(cè)向左右轉(zhuǎn)動。機械仿真手手腕處三個轉(zhuǎn)動軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。 圖6中的“q”、“r”、“S”關節(jié)與圖1中的“q”、“r”、“s”關節(jié)相一致，“q”是圍繞2軸旋轉(zhuǎn)的 關節(jié)，“r”是圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)，“S”是圍繞χ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)?！皅”關節(jié)與“!·”關節(jié)之間 有一個過度關節(jié)，用以連接兩者；“r”關節(jié)與“S”關節(jié)之間也有一個過度關節(jié)，用以連接兩 者ο手腕繞χ軸旋轉(zhuǎn)的機理如圖7所示，將線連接“r”關節(jié)與“S”關節(jié)之間的過度關 節(jié)，當電機a順時針轉(zhuǎn)動時，手將向左側(cè)向轉(zhuǎn)動(圖7中的實箭頭線所示轉(zhuǎn)動方向)；當電 機a逆時針轉(zhuǎn)動時，手將向右側(cè)向轉(zhuǎn)動(圖7中的虛箭頭線所示轉(zhuǎn)動方向)。手腕繞y軸旋轉(zhuǎn)的機理如圖8所示，將線以兩種相反的繞向纏繞在“r”關節(jié)上，當 電機b順時針轉(zhuǎn)動時，手將向下翻轉(zhuǎn)(圖8中的實箭頭線所示轉(zhuǎn)動方向)；當電機b逆時針 轉(zhuǎn)動時，手將向上翻轉(zhuǎn)(圖8中的虛箭頭線所示轉(zhuǎn)動方向)。電機與電池等裝置與機械仿真手部分離，并集中固定在人的腰間，從而減輕手部 的質(zhì)量，便于殘疾人日常生活中實際使用。本實用新型的機械仿真手使用塑料或者合金等輕型材料制作，質(zhì)量輕，便于使用， 在設計時使驅(qū)動電機部分與手部分開，減輕了手部質(zhì)量，便于殘疾人佩戴使用；以上針對不同的使用者，在手指部分采取三種不同的干涉驅(qū)動方式，增加了機械假手的使用功能；手腕 部位安有3個轉(zhuǎn)動軸，使得假手可以轉(zhuǎn)動，使用方便；該假手的表面上可以安裝壓電傳感 器，以便向控制芯片反饋假手握住物體的狀況，從而控制假 手有效地把握物體。
權(quán)利要求一種五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，包括五個手指即一拇指、一食指、一中指、一無名指和一小指和手腕，其特征在于，所述手指和手腕共具有19個自由度其中，每根手指分別具有三個關節(jié)即遠位指骨間關節(jié)、近位指間關節(jié)和掌指關節(jié)，所述每根手指的三個關節(jié)通過第一線和第二線與驅(qū)動電機連接，以牽引每根手指的運動；所述手腕設置有三個關節(jié)即圍繞z軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)、圍繞x軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)以及設置兩者之間的一個圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)，所述手腕的關節(jié)設置有驅(qū)動電機的繞線帶動手腕轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，其特征在于，所述驅(qū)動電機采用 一部驅(qū)動電機。
3.如權(quán)利要求2所述的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，其特征在于，所述第一線和所述 第二線分別與同一驅(qū)動電機相連接且同向運動，第一線的轉(zhuǎn)動半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動半 徑，第一線連接控制手指的掌指關節(jié)轉(zhuǎn)動，第二線連接控制手指的遠位指骨間關節(jié)和近位 指間關節(jié)。
4.如權(quán)利要求2所述的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，其特征在于，所述第一線和所述 第二線分別與同一驅(qū)動電機相連接且同向運動，第一線的轉(zhuǎn)動半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動半 徑，第一線連接控制手指的遠位指骨間關節(jié)和近位指間關節(jié)，第二線連接控制手指的掌指 關節(jié)轉(zhuǎn)動。
5.如權(quán)利要求1所述的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，其特征在于，所述驅(qū)動電機采用 兩部驅(qū)動電機。
6.如權(quán)利要求4所述的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，其特征在于，所述第一線與所述 第二線分別在第一驅(qū)動電機和第二驅(qū)動電機的驅(qū)動下同向運動，其中，第一線連接控制手 指的掌指關節(jié)轉(zhuǎn)動，第二線連接控制手指的遠位指骨間關節(jié)和近位指間關節(jié)。
7.如權(quán)利要求1所述的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，所述手腕的關節(jié)設置有驅(qū)動電機 的繞線為手腕繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)處的轉(zhuǎn)動軸和所述拇指的繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)處的轉(zhuǎn)動軸 上面分別固定有兩組不同繞向的線，通過相應電機的正反轉(zhuǎn)分別實現(xiàn)手腕和拇指的垂直旋 轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求1所述的五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，所述驅(qū)動電機與機械仿真手分開設置。
專利摘要本實用新型公開了一種五指獨立驅(qū)動的機械仿真手，包括五手指和手腕，其特征在于，所述手指和手腕共具有19個自由度其中，每根手指分別具有三個關節(jié)即遠位指骨間關節(jié)、近位指間關節(jié)和掌指關節(jié)，所述每根手指的三個關節(jié)通過第一線和第二線與驅(qū)動電機連接，以牽引每根手指的運動；所述手腕設置有三個關節(jié)即圍繞z軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)、圍繞x軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)以及設置兩者之間的一個圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的關節(jié)，所述手腕的關節(jié)設置有驅(qū)動電機的繞線帶動手腕轉(zhuǎn)動。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的機械仿真手的五指與人手手指具有相似的關節(jié)結(jié)構(gòu)，但是自由度更高，并且結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，以及使用線拉動手進行運動柔性好，成本低，運動靈活，因此有利于殘疾人在日常生活中使用。
文檔編號A61F2/56GK201631428SQ201020154779
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者段宸, 段峰, 高琪 申請人:段峰