阅读说明：本技术 一种机械假肢手臂 (Mechanical artificial limb arm ) 是由 田和强 林喆 徐倩 李建永 郑晨玲 王坤黎 张弘斌 周海萍 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种机械假肢手臂,由手部、手腕、前臂、肘关节、上臂和肩关节组成,手部由手掌部分和手指部分组成,手腕前端通过手腕盘连接手部的手掌,手腕末端通过前臂驱动机构连接前臂,肘关节的一端与前臂连接,另一端与上臂连接,上臂通过肩关节安装在身体上,机械假肢手臂设置有手指驱动机构、手腕驱动机构、前臂驱动机构、肘关节驱动机构和上臂驱动机构,实手臂多自由度运动,纯机械结构,结构可靠；手指采用连杆机构结构可靠,抓握力度大,整个手臂为多自由度设计,可以整体实现灵活、快捷的响应效果。(The invention relates to a mechanical artificial limb arm, which consists of a hand, a wrist, a forearm, an elbow joint, an upper arm and a shoulder joint, wherein the hand consists of a palm part and a finger part, the front end of the wrist is connected with the palm of the hand through a wrist disc, the tail end of the wrist is connected with the forearm through a forearm driving mechanism, one end of the elbow joint is connected with the forearm, the other end of the elbow joint is connected with the upper arm, the upper arm is arranged on a body through the shoulder joint, and the mechanical artificial limb arm is provided with the finger driving mechanism, the wrist driving mechanism, the forearm driving mechanism, the elbow joint driving mechanism and the upper arm driving mechanism; the fingers adopt a link mechanism structure to be reliable, the gripping force is high, the whole arm is designed with multiple degrees of freedom, and the flexible and quick response effect can be integrally realized.)

一种机械假肢手臂

技术领域

本发明涉及一种机械假肢手臂，尤其涉及一种医疗机械假肢手臂。

背景技术

近年来，因为自然灾害、战争、疾病、人为暴力伤害等引起的肢残患者逐年增长。其中，又以上肢肢残患者生活最为艰辛，失去上肢后他们很难做到生活自理。因此，解决这 部分人的自理问题显得尤为迫切。

人类的单只手臂以机械学的形式分析，可以用大约27个自由度的连杆机构来表示。但其 中大约20个自由度集中在手部。假肢的手部设计尤为重要。机械手的机构设计也称机构综合, 主要包括型综合和尺寸综合。在机械人的研究领域,机械手的机构设计是一项很重要的工作, 机械手机构型式和结构尺寸,决定了机械手的操作性和末端执行器的位姿。

当前市面上的机械假肢，存在自由度低、可靠性差、抓握力度不足等缺点，针对当前现 状，本发明提出一种医疗机械假肢手臂，本发明更多采用机械结构类设计，并针对一些重要 部分进行了详细设计。仿照人的手臂运动，满足上肢肢残患者在佩戴时对他们生活活动的需 求。整个手臂为多自由度设计，可以整体实现灵活、快捷的响应效果。加之采用了机械类结 构设计，可保障高的可靠性和稳定性。

发明内容

针对目前机械假肢手臂自由度低、可靠性、抓握力度不足的缺点，本发明提供了一种机 械假肢手臂，能够产生多自由度的运动，并且抓握力度大，结构可靠，整体灵活。

一种机械假肢手臂，由手部、手腕、前臂、肘关节、上臂和肩关节组成，手部由手掌部分 和手指部分组成，手腕前端通过手腕盘与手掌部分连接，手腕末端通过内齿轮与前臂连接， 肘关节的一端与前臂连接，另一端与上臂连接，上臂通过肩关节安装在身体上，所述机械假 肢手臂设置有用于驱动手指弯曲伸展的手指驱动机构、用于驱动手腕左右和上下摆动的手腕 驱动机构、用于驱动手部旋转的前臂驱动机构、用于驱动前臂绕肘弯曲和伸展的肘关节驱动 机构和用于驱动手臂前后和左右摆动的上臂驱动机构，所述手指部分由五根手指组成，除拇 指之外的四根手指均采用连杆机构设置，食指、中指、无名指和小指每根手指具有三个自由 度，所述手指连杆机构由七个活节、五个连杆和两个弹簧组成，第一连杆的一端通过第一活 节与手掌铰接，另一端通过第六活节与第二连杆中部铰接，第四连杆一端与电机输出轴连接 并且通过第七活节与电机铰接，另一端通过第二活节和第三活节分别与第五连杆和第二连杆 的一端铰接，第五连杆的另一端通过第四活节与第三连杆的一端铰接，第二连杆的另一端通 过第五活节与第三连杆的中部铰接。

所述手掌部分由手指驱动机构、两个斜齿轮组、两个手掌轴、拇指直齿轮和三指连接轴 组成，所述手指驱动机构由三台电机组成，第一电机和第二电机分别设置在手掌背面的两个 电机槽口中，第三电机设置于手掌正面的电机槽中，拇指和食指分别由第一电机和第二电机 驱动，中指、无名指和小指通过三指连接轴连接由第三电机驱动，第一电机和第二电机分别 通过斜齿轮组带动手掌轴转动，为手指连杆机构提供动力，第三电机通过拇指直齿轮带动拇 指轴转动，实现拇指运动。

进一步的，所述的三台电机均为Maxon电机。

所述第五连杆和第六连杆为两段结构，连杆中间设置弹簧。

所述手腕由手腕盘、手腕驱动机构、万向节、球接头及支杆组成，所述手腕驱动机构为 两个直线电机，所述直线电机一端通过万向节与手腕板连接，另一端与内齿轮相连接，支杆 两端分别通过球接头与手腕板和内齿轮连接。

所述两个直线电机可以实现同步和异步工作。

所述前臂由前臂环、前臂板和前臂驱动机构组成，所述前臂驱动机构由前臂电机、内齿 轮、滚针轴承组成，前臂板上设置有前臂电机，前臂板与通过螺栓固定在前臂环上，前臂电 机输出轴连接正齿轮，正齿轮与内齿轮的啮合提供给腕部一个旋转运动，内齿轮与前臂环之 间设置有滚针轴承。

所述肘关节、上臂和肩关节由肘轴、肘关节驱动机构、上臂板、上臂驱动机构、两组同 步带机构和肩板组成，所述肘关节驱动机构由第一锥齿轮、第二锥齿轮和肘部电机组成，第 一锥齿轮通过键与肘轴连接，肘轴的两端通过轴承固定在两侧上臂板上，肘部电机带动第二 锥齿轮旋转，通过第一锥齿轮与第二锥齿轮的啮合为肘轴转动提供动力；所述上臂驱动机构 由第一上臂电机、第二上臂电机、第三锥齿轮和第四锥齿轮组成，第一上臂电机带动第一同 步带机构转动，第一同步带结构的大齿轮与固定连接在肩板上，与肩刚性连接为一体，第一 同步带轮机构的作用下，实现手臂的左右摆动，第二上臂电机带动第二同步带机构转动，第 二同步带机构带动第三锥齿轮转动，第三锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第四锥齿轮通过轴与身 体刚性连接，无相运动，手臂通过肩板与身体连接。

本发明的有益效果，本发明仿照人的手臂运动，满足上肢肢残患者在佩戴时对他们生活 活动的需求，多自由度运动机械假肢手臂，相较于其它此类假肢，本设计假肢能够产生多自 由度的运动，能够大体模拟正常人手臂的运动。纯机械结构，结构可靠。在一些使用较多的 地方如手指，采用了连杆设计，相较于市面上采用较多的拉绳设计或者弹簧回弹设计，连杆 机构更加可靠，并且能实现更大的抓握力度。硬铝合金材质臂身，质量轻、强度高、耐腐蚀； Maxon电机控制，整体尺寸小，不占空间，方便佩戴。成本低廉，性价比高。采用常见零部 件，成本低廉，性价比高。

附图说明

图1一种机械假肢手臂的整体示意图；

图2手部示意图；

图3手部下视图；

图4手指连杆机构原理图；

图5腕部及前臂示意图；

图6肘关节、上臂和肩关节示意图。

图中，1手部，2腕部，3前臂，4肘关节，5上臂，6肩关节，11第一Maxon电机，12 第一斜齿轮组，13第二斜齿轮组，14第一手掌轴，15第二Maxon电机，16拇指直齿轮，17 第三Maxon电机，18第二手掌轴，19三指连接轴，21手腕盘，22第一直线电机，23第二 直线电机Ⅱ，24第一万向节，25第二万向节Ⅱ，26内齿轮，27滚针轴承，28球接头，29正 齿轮，210支杆，31前臂环，32前臂板，33前臂电机，41肘轴，42第一锥齿轮，43第二锥 齿轮，44肘部电机，51上臂板，52第一上臂电机，53第二上臂电机，54第一同步带机构， 55第二同步带机构，56第三锥齿轮，61第四锥齿轮，62肩板,G1第一活节，G2第二活节， G3第三活节，G4第四活节，G5第五活节，G6第六活节，G7第七活节，L1第一连杆，L2 第二连杆，L3第三连杆，L4第四连杆，L5第五连杆，S1第一弹簧，S2第二弹簧，M1电 机，H1手掌。

具体实施方式

本发明提供了一种机械假肢手臂，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确， 以下对结合附图对本发明进一步详细说明。

一种机械假肢手臂由手部1、手腕2、前臂3、肘关节4、上臂5、肩关节6六部分组成，其每个组成部分的位置如图1所示。

如图2所示，手部分为手掌和手指两部分，手掌背面有两个电机槽口分别放置第一Maxon 电机11和第二Maxon电机15，手掌正面设置有一个电机槽口用于放置第三Maxon电机17， 第一Maxon电机11为中指、无名指、小指的驱动电机，中指、无名指、小指通过三指连接轴 19连接，通过第一Maxon电机11旋转带动斜齿轮组12进行转动，第一手掌轴14与第一斜齿轮组12采用键连接，使得第一手掌轴14可以转动提供给手指连杆机构动力，使得手指可以弯曲伸展运动。同样第二Maxon电机15通过第二斜齿轮组13带动第二手掌轴18旋转，带动食指中的手指连杆机构，实现食指的弯曲伸展运动。

如图3所示，拇指采用电机齿轮进行传动，考虑到拇指实际使用过程中，它虽然有2个 指关节，但是使用一个指关节的旋转就能满足日常所需。拇指直齿轮16通过键连接与拇指轴 上，通过第三Maxon电机17带动拇指直齿轮16实现拇指的运动。

如图4所示，手指连杆机构中，第一连杆L1一端通过第一活节G1与手掌连接，电机通 过第七活节G7与第四连杆L4连接，当第一电机M1顺时针转动一定角度时，第四连杆L4也绕电机轴顺时针转动一定角度，第四连杆L4在第二活节G2与第三活节G3处会对第二连杆L2和第五连杆L5施加一个垂直于第四连杆L4斜向右下方的力，通过第三活节G3施加在第二连杆L2上的力会使第二连杆L2绕第六活节G6逆时针转动一定角度，使得第二连杆L2通过第五活节G5给第三连杆L3施加一个向上的力，第三连杆L3可以实现整杆向上运动；通 过第二活节G2施加在第五连杆L5上的力会与第三连杆L3绕第五活节G5逆时针旋转施加 在第四活节G4进而施加在第五连杆L5上的力相对一起对第五连杆L5施加力，但由于连杆 都为刚性件，所以将第五连杆L5做成两部分，中间加第二弹簧S2缓冲，这样施加在第五连 杆L5上的这对相向的力作用时，第五连杆L5上第二弹簧S2受压变短，第五连杆L5整体长 度变短；同样，第四连杆L4上的第一弹簧S1也是起着相同的作用。第四连杆L4顺时针转 动一定角度后第三活节G3对第四连杆L4也会施加一个沿第四连杆L4指向电机轴心的分力， 因为第一连杆L1和第二连杆L2的长度和连接都已经固定，需要将连杆ⅥL4做成两部分，中 间加第一弹簧S1缓冲，第四连杆L4和第五连杆L5一样可以改变长度。整个手指就可以实 现一个伸展的动作。当电机逆时针转动一定角度后，手指就可以实现弯曲的动作。整根手指 一共有3个自由度，为3个指骨绕各自的指关节转动，与正常人的手指运动一样。

如图5所示，手腕机构也仿照正常人的手腕结构设计成2个自由度的结构，即左右摆动 和上下摆动，手腕部设置有两个直线电机和两个万向节，直线电机一端通过万向节连接在手 腕盘21上，支杆210两端通过球接头分别连接于手腕盘21和内齿轮26，为了实现手腕的左 右摆动，直线电机的运动是不同步的。当手腕向左方向摆动时，第二直线电机23不工作，第 一直线电机22工作，第一直线电机22推杆伸长，手腕在第一直线电机22推杆推力的作用下 向左摆动一定角度。随着推杆的继续伸长，当角度到达设计最大值时，第一直线电机22停止 工作。当第一直线电机22再次工作时，推杆长度将缩短，此时手腕将受到推杆的拉力，手腕 开始向右摆动。直至推杆缩短到最初状态，第一直线电机22停止工作，手腕回到最初状态， 至此，手腕完成左摆运动。当手腕向右方向摆动时，第一直线电机22不工作，第二直线电机23工作，同手腕左摆一样，手腕机构就实现了左摆、右摆的运动。手腕机构的上下摆动同样 是基于2个直线电机的运动决定的。不同于手腕机构的左右摆动，手腕机构的上下摆动是2 个直线电机同步运动的结果。当两个直线电机一起工作时，2个直线电机的推杆一起对手腕 施加一个向前方向的力，此时，由于支杆210的长度不可变，故手腕将绕着球接头28产生一 定角度的旋转运动。当此旋转角度达到设计的最大值时，两个直线电机停止工作，当两个直 线电机一起工作将推杆向回缩短，手腕受到2个推杆的拉力反向旋转，直到手腕回到最初位 置，至此，手腕机构完成了上摆运动。手腕的下摆运动又是与上摆运动相反的运动。手腕机 构就可以实现上摆、下摆的运动。

前臂只有1个自由度，就是绕前臂方向的旋转运动前臂的这一个旋转运动，目的是为了 改变手掌的状态。如图5所示，前臂机构3主要包括前臂环31、前臂板32、前臂电机33、内齿轮26、正齿轮29、滚针轴承27。前臂板32上放置有前臂电机33，前臂板32通过螺栓 固定在前臂环31上，前臂电机33末端连接正齿轮29，内齿轮26与前臂环31之间设置滚针 轴承27，内齿轮26前端连接两个直线电机和支杆210，通过正齿轮29与内齿轮26的啮合提 供给腕部一个旋转运动。

肘关节只有1个自由度，即前臂绕肘的弯曲和伸展，肘关节的这个自由度目的就是使手 掌接近或者远离人体，肘关节该处的设计依然采用电机齿轮传动来实现。如图6所示，轴关 节4包括肘轴41、第一锥齿轮42、第二锥齿轮43、肘部电机44。肘部电机44带动第二锥齿 轮43旋转，第一锥齿轮42通过键连接在肘轴41上，肘轴41两端通过轴承固定在上臂板51上，前臂板32利用键连接固定在肘轴41上，当肘部电机44工作时，通过第一锥齿轮42和 第二锥齿轮43的啮合提供给肘轴41一个旋转的动力，进而带动整个肘关节以下进行旋转运动，从而实现肘关节的弯曲动作。

上臂5包括上臂板51、第一上臂电机52、第二上臂电机53、第一同步带机构54、第二同步带机构55、第三锥齿轮56。当第二上臂电机53工作时，带动第二同步带机构55运动， 第二同步带机构55带动第三锥齿轮56转动，第三锥齿轮56与第四锥齿轮61啮合，第四锥 齿轮61通过轴与身体刚性连接，无相运动，第三锥齿轮56转动时由于第四锥齿轮61不动， 整个上臂结构就会通过肩上的轴承产生转动，即手臂的前后摆动。当第一上臂电机52工作时，电机将带第一同步带轮机构54转动，第一同步带轮机构54的大带轮固定连接在肩板62上，与肩刚性连接为一体，在第一同步带轮机构54的作用下，第一上臂电机52同整个手臂将产生的运动，即手臂的左右摆动。整个机械假肢手臂通过肩板62连接在身体上。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。