專利名稱：五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及康復(fù)醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的機(jī)械仿真手，特別是涉及一種由使用者肌電控制的機(jī)械仿真手。
背景技術(shù)：
手的動(dòng)作十分靈巧并具有復(fù)雜的功能?，F(xiàn)有的康復(fù)醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的機(jī)械仿真手， 雖然在重量和高把握力方面已經(jīng)具備了實(shí)用性，但是在實(shí)際使用時(shí)自由度很低。另外，還有 很多利用仿生學(xué)而實(shí)現(xiàn)的機(jī)械仿真手，它們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)高自由度，而忽略了滿足合適的重量 指標(biāo)，且有把握力小的問(wèn)題，使其不適合實(shí)際應(yīng)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(diǎn)1.現(xiàn)有的一至三個(gè)自由度的仿真手，它僅具有二至三個(gè)手指，且手腕是被動(dòng)旋轉(zhuǎn) 的，需要在使用時(shí)進(jìn)行調(diào)整，造成了殘疾人使用的不方便。另外，機(jī)械仿真手的重量大，殘疾 人長(zhǎng)時(shí)間佩戴困難；2.有些科研院校研發(fā)了欠驅(qū)動(dòng)擬人機(jī)械手，由于使用了過(guò)多的齒輪機(jī)構(gòu)，體積大， 質(zhì)量大，成本高，殘疾人難以實(shí)際使用。
發(fā)明內(nèi)容
基于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手，該機(jī)械仿真 手的五指與人手手指具有相似的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，由相應(yīng)的電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立地張開、閉合運(yùn)動(dòng)； 拇指可以側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使拇指可以向其余手指方向產(chǎn)生側(cè)向夾取運(yùn)動(dòng)。另外，該機(jī)械仿真 手的手腕處有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸，使得機(jī)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(dòng)。本發(fā)明提出的一種五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手，包括五個(gè)手指即一拇指、一食指、 一中指、一無(wú)名指和一小指和手腕所述手指和手腕共具有19個(gè)自由度其中，每根手指分 別具有三個(gè)關(guān)節(jié)即遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)、近位指間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)，所述每根手指的三個(gè)關(guān)節(jié) 通過(guò)第一線和第二線與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，以牽引每根手指的運(yùn)動(dòng)；所述手腕設(shè)置有三個(gè)關(guān)節(jié) 即圍繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)、圍繞χ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)以及設(shè)置兩者之間的一個(gè)圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的關(guān) 節(jié)，所述手腕的關(guān)節(jié)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞線帶動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用一部驅(qū)動(dòng)電機(jī)；所述第一線和所述第二線分別與同一驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接且同向運(yùn)動(dòng)，第一線的轉(zhuǎn)動(dòng) 半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，第一線連接控制手指的掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，第二線連接控制手指 的遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)和近位指間關(guān)節(jié)；所述第一線和所述第二線分別與同一驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接且同向運(yùn)動(dòng)，第一線的轉(zhuǎn)動(dòng) 半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，第一線連接控制手指的遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)和近位指間關(guān)節(jié)，第 二線連接控制手指的掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用兩部驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
所述第一線與所述第二線分別在第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下同向運(yùn) 動(dòng)，其中，第一線連接控制手指的掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，第二線連接控制手指的遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)和 近位指間關(guān)節(jié)； 所述手腕的關(guān)節(jié)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞線為手腕繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和 所述拇指的繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上面分別固定有兩組不同繞向的線，通過(guò)相應(yīng)電 機(jī)的正反轉(zhuǎn)分別實(shí)現(xiàn)手腕和拇指的垂直旋轉(zhuǎn)；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與機(jī)械仿真手分開設(shè)置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明特別模擬人手的結(jié)構(gòu)特性，開發(fā)了一種新型的機(jī)械仿真 手，該機(jī)械仿真手的五指與人手手指具有相似的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，但是自由度更高，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，質(zhì)量輕，以及使用線拉動(dòng)手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)柔性好，成本低，運(yùn)動(dòng)靈活，因此有利于殘疾人在日 常生活中使用；手指有三個(gè)活動(dòng)關(guān)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為本發(fā)明的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的手指關(guān)節(jié)第一種驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)施 例示意圖；圖3為本發(fā)明的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的手指關(guān)節(jié)第二種驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)施 例示意圖；圖4為本發(fā)明的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的手指關(guān)節(jié)第三種驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)施 例示意圖；圖5為本發(fā)明的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)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為本發(fā)明的的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的手腕處三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意 圖；圖7為本發(fā)明的的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的手腕側(cè)向左右轉(zhuǎn)動(dòng)的繞線方式 示意圖；圖8為本發(fā)明的的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手的手腕上下翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的繞線方式 示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的方案設(shè)計(jì)思想是模擬人手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性開發(fā)了一款具有19個(gè)自由度的 機(jī)械機(jī)械仿真手，如圖1所示，該機(jī)械仿真手有5個(gè)手指，如圖1中數(shù)字1-5所示，分別為 拇指、食指、中指、無(wú)名指、小指。每個(gè)手指都具有DIP關(guān)節(jié)(DIP，distal interphalangeal joint，遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié))、PIP(PIP，Proximal interphalangeal joint，近位指間關(guān)節(jié))以 及 MP (MP, metacarpophalangeal joint 掌指關(guān)節(jié))拇指關(guān)節(jié)，除上述三個(gè)關(guān)節(jié)外，還具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(如圖1中的“d”所示)，該關(guān) 節(jié)使得拇指向其余四指方向進(jìn)行側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向如圖1中的箭頭所示。另外，該 機(jī)械仿真手的手腕處還有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在圖1中分別標(biāo)為“q”、“r”、“S”，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向如圖1中的箭頭所示。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)“q”使得機(jī)械仿真手繞Z軸內(nèi)外旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)“!·”使得 機(jī)械仿真手繞y軸上下翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)“S”使得機(jī)械仿真手繞Χ軸左右側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)。這些轉(zhuǎn) 動(dòng)關(guān)節(jié)采用干涉驅(qū)動(dòng)方式，使用電機(jī)帶動(dòng)線牽引手部關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(duì)使用者的不同條件以及生理上的運(yùn)動(dòng)方式，在仿真手手指的不同關(guān)節(jié)部分采 取三種不同的干涉驅(qū)動(dòng)方式，分別在圖2-4中進(jìn)行介紹。在圖2中，線1和線2分別與同一 個(gè)電機(jī)相連接且同向運(yùn)動(dòng)，但是線1的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大于線2的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，線1控制手指的MP 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，線2控制手指的DIP關(guān)節(jié)和PIP關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖3中，線1和線2分別與同一個(gè)電機(jī)相連接且同向運(yùn)動(dòng)，但是線1的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑 大于線2的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，線1控制手指的DIP關(guān)節(jié)和PIP關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，線2控制手指的MP關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。
上述兩種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較大的電機(jī)帶動(dòng)線1完成力量較大，運(yùn)動(dòng)范圍較大的 動(dòng)作；轉(zhuǎn)動(dòng)半徑較小的電機(jī)帶動(dòng)線2完成力量較小，運(yùn)動(dòng)范圍較小的動(dòng)作。在圖4中，線1與線2分別在電機(jī)1和電機(jī)2的驅(qū)動(dòng)下同向運(yùn)動(dòng)，線1控制手指的 MP關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，線2控制手指的DIP關(guān)節(jié)和PIP關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，線1的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑與線2的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑 的相對(duì)大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。上述三種關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的把握力大，手指轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，但由于使用了兩個(gè) 電機(jī)，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械仿真手裝置的質(zhì)量有所增加。為了減少電機(jī)的使用，拇指繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)“d”與手腕繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)“q”處 的繞線方式如圖5所示。在設(shè)置于拇指繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)“d”處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上與手腕繞ζ軸 旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)“q”處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，分別固定有兩組不同繞向的線，在相應(yīng)電機(jī)的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)下(參考圖中電機(jī)上的虛實(shí)線箭頭)，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸將分別產(chǎn)生圍繞ζ軸的逆時(shí)針轉(zhuǎn) 動(dòng)和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，該機(jī)械仿真手的手腕處有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸，使得機(jī)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(dòng)。機(jī)械仿真手手腕處三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。 圖6中的“q”、“r”、“S”關(guān)節(jié)與圖1中的“q”、“r”、“s”關(guān)節(jié)相一致，“q”是圍繞2軸旋轉(zhuǎn)的 關(guān)節(jié)，“r”是圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，“S”是圍繞χ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)?！皅”關(guān)節(jié)與“!·”關(guān)節(jié)之間 有一個(gè)過(guò)度關(guān)節(jié)，用以連接兩者；“r”關(guān)節(jié)與“S”關(guān)節(jié)之間也有一個(gè)過(guò)度關(guān)節(jié)，用以連接兩 者ο手腕繞χ軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)理如圖7所示，將線連接“r”關(guān)節(jié)與“S”關(guān)節(jié)之間的過(guò)度關(guān) 節(jié)，當(dāng)電機(jī)a順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，手將向左側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)(圖7中的實(shí)箭頭線所示轉(zhuǎn)動(dòng)方向)；當(dāng)電 機(jī)a逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，手將向右側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)(圖7中的虛箭頭線所示轉(zhuǎn)動(dòng)方向)。手腕繞y軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)理如圖8所示，將線以兩種相反的繞向纏繞在“r”關(guān)節(jié)上，當(dāng) 電機(jī)b順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，手將向下翻轉(zhuǎn)(圖8中的實(shí)箭頭線所示轉(zhuǎn)動(dòng)方向)；當(dāng)電機(jī)b逆時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，手將向上翻轉(zhuǎn)(圖8中的虛箭頭線所示轉(zhuǎn)動(dòng)方向)。電機(jī)與電池等裝置與機(jī)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(shí)際使用。本發(fā)明的機(jī)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(shè) 計(jì)時(shí)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(duì)不同的使用者，在手指部分采取三種不同的干涉驅(qū)動(dòng)方式，增加了機(jī)械假手的使用功能；手腕部位安有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使得假手可以轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手，包括五個(gè)手指即一拇指、一食指、一中指、一無(wú)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(gè)自由度其中，每根手指分別具有三個(gè)關(guān)節(jié)即遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)、近位指間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)，所述每根手指的三個(gè)關(guān)節(jié)通過(guò)第一線和第二線與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，以牽引每根手指的運(yùn)動(dòng)；所述手腕設(shè)置有三個(gè)關(guān)節(jié)即圍繞z軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)、圍繞x軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)以及設(shè)置兩者之間的一個(gè)圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，所述手腕的關(guān)節(jié)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞線帶動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用 一部驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)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(dòng)電機(jī)相連接且同向運(yùn)動(dòng)，第一線的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動(dòng)半 徑，第一線連接控制手指的掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，第二線連接控制手指的遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)和近位 指間關(guān)節(jié)。
4.如權(quán)利要求2所述的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)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(dòng)電機(jī)相連接且同向運(yùn)動(dòng)，第一線的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑大于第二線的轉(zhuǎn)動(dòng)半 徑，第一線連接控制手指的遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)和近位指間關(guān)節(jié)，第二線連接控制手指的掌指 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。4.如權(quán)利要求1所述的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用 兩部驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
5.如權(quán)利要求4所述的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)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(dòng)電機(jī)和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下同向運(yùn)動(dòng)，其中，第一線連接控制手 指的掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，第二線連接控制手指的遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)和近位指間關(guān)節(jié)。
6.如權(quán)利要求1所述的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手，所述手腕的關(guān)節(jié)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的繞線為手腕繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和所述拇指的繞ζ軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸 上面分別固定有兩組不同繞向的線，通過(guò)相應(yīng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)分別實(shí)現(xiàn)手腕和拇指的垂直旋 轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求1所述的五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)械仿真手，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與機(jī)械仿真手分開設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的機(jī)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(gè)自由度其中，每根手指分別具有三個(gè)關(guān)節(jié)即遠(yuǎn)位指骨間關(guān)節(jié)、近位指間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)，所述每根手指的三個(gè)關(guān)節(jié)通過(guò)第一線和第二線與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，以牽引每根手指的運(yùn)動(dòng)；所述手腕設(shè)置有三個(gè)關(guān)節(jié)即圍繞z軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)、圍繞x軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)以及設(shè)置兩者之間的一個(gè)圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，所述手腕的關(guān)節(jié)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的繞線帶動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的機(jī)械仿真手的五指與人手手指具有相似的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，但是自由度更高，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，以及使用線拉動(dòng)手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)柔性好，成本低，運(yùn)動(dòng)靈活，因此有利于殘疾人在日常生活中使用。
文檔編號(hào)B25J9/08GK101811302SQ20101014380
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:段峰