一种四自由度智能假肢手的制作方法

1.本实用新型涉及假肢领域，尤其涉及一种四自由度智能假肢手。


背景技术：

2.肢残患者是社会上具有特殊困难的弱势群体。由于工伤事故、交通事故、自然灾害、疾病病变和先天性缺陷等各种因素，不可避免产生数量不少的上肢缺失者。失去手部使他们工作和生活能力极大降低，他们对重建人手功能、具备基本自理有着迫切的渴望和需求。提高这些肢残患者的生活质量和工作质量，是全社会的责任。但人类尚无法通过生物学的方法实现缺失肢体的再造，目前仿人假肢手是截肢患者手部功能实现的唯一工具。
3.近几十年来，为了模拟人手的功能，国内外许多研究机构和公司在假肢手的研究方面做出了很多努力和贡献。目前，一些新型五指仿人假肢已被研制出来，这些假肢具有五指仿人外型，每个手指具有独立的驱动单元，能模拟人手进行日常抓取工作，但是5
‑
6个独立驱动使假肢的重量和成本增加，售价高达几十万元，患者难以承担高额费用，这导致国内市场上的商业假肢仍以三指假手为主，功能单一，极大影响了截肢患者的生活质量。因此，研制驱动少、性价比高、功能丰富的仿人假肢手具有重大的现实意义和社会需求。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种四自由度智能假肢手，结构简单、可靠，易于控制，可以完成抓捏、两指捏、侧捏等多种动作模式，在具有人手主要运动功能的同时大大降低了成本，减轻了整个手的重量。


技术实现要素：

5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种四自由度智能假肢手，包括：
6.手掌基座；
7.连接至所述手掌基座的拇指、食指、中指、无名指和小指，所述拇指、所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指依次排列在所述手掌基座上；
8.设置在所述手掌基座上的三个直线电机，其中，第一个所述直线电机与所述拇指连接，第二个所述直线电机与所述食指连接，第三个所述直线电机通过三联驱动机构与所述中指、所述无名指和所述小指连接；
9.电路板，设置在所述手掌基座上，且与所述三个直线电机电连接；
10.其中，所述拇指和所述食指被配置为在对应的所述直线电机驱动下实现弯曲或伸展运动；所述中指、所述无名指和所述小指被配置为在所述直线电机的驱动下，通过所述三联驱动机构实现同时弯曲或伸展运动。
11.进一步地，所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指均包括：手指基座、近指关节、远指关节、第一手指销轴、手指驱动杆、第二手指销轴、手指连杆、第三手指销轴、第四手指销轴、第五手指销轴和第六手指销轴；所述手指基座上设有手指固定孔和基座滑槽；所述第六手指销轴和所述第五手指销轴套固在所述手指基座上，所述近指关节套设在所述第六手指销轴上，所述第五手指销轴位于所述近指关节的弧形槽内；所述第二手指销轴和所述
第四手指销轴套固在所述近指关节上，所述远指关节套固在所述第四手指销轴上，所述第三手指销轴套固在所述远指关节上；所述手指驱动杆的一端套设在所述第一手指销轴上，另一端套设在所述第二手指销轴上；所述手指连杆的一端套设在所述第五手指销轴上，另一端套设在所述第三手指销轴上。
12.进一步地，所述食指还包括食指驱动块，所述食指驱动块设置在所述食指的所述手指基座的所述基座滑槽内，所述食指驱动块与对应的所述直线电机的输出轴连接。
13.进一步地，所述中指还包括位于所述中指的所述基座滑槽内的中指滑块，所述无名指还包括位于所述无名指的所述基座滑槽内的无名指驱动块，所述小指还包括位于所述小指的所述基座滑槽内的小指滑块；所述中指滑块、所述无名指驱动块和所述小指滑块分别设置在所述三联驱动机构的三个输出端上，所述中指滑块的导向凸柱套设在所述无名指驱动块的弧形槽内，所述小指滑块的导向凸柱套设在所述无名指驱动块的另一个弧形槽内。
14.进一步地，所述拇指包括拇指关节、拇指基座、第一拇指销轴、第二拇指销轴、第三拇指销轴、拇指连杆和拇指驱动块；所述拇指基座上设置有拇指关节固定孔，所述拇指关节通过所述拇指关节固定孔连接至所述拇指基座；所述拇指驱动块与对应的所述直线电机的输出轴连接，所述第一拇指销轴与所述拇指连杆固结并被配置为能在所述拇指基座的弧形槽内滑动；所述第三拇指销轴套固在所述拇指驱动块上并贯穿于所述拇指连杆的滑槽中；所述第二拇指销轴套设在所述拇指连杆上。
15.进一步地，还包括电机夹板，所述电机夹板设置在所述手掌基座上，与所述拇指连接的所述直线电机固定在所述电机夹板上，所述电机夹板包括第一拇指连接孔，所述拇指的所述第二拇指销轴套固在所述第一拇指连接孔。
16.进一步地，所述拇指还包括直流电机、第一锥齿轮、轴承、蜗杆、第二锥齿轮、蜗轮和卡簧；所述拇指基座上还设有直流电机安装孔、锥齿轮安装孔、轴承安装孔和卡簧安装孔；所述直流电机通过所述直流电机安装孔固定在所述拇指基座上；所述第一锥齿轮套固在所述直流电机的输出轴上，所述第二锥齿轮嵌设在所述拇指基座的所述锥齿轮安装孔中并与所述第一锥齿轮啮合；所述蜗杆的一端与所述第二锥齿轮固结，另一端套设在所述轴承上；所述轴承的外圈套固在所述拇指基座的所述轴承安装孔中，所述卡簧嵌入所述拇指基座的所述卡簧安装孔中；所述蜗轮与所述拇指连杆固结并共同套设于插入在所述拇指基座的第二拇指连接孔的螺钉，所述蜗轮与所述蜗杆啮合。
17.进一步地，所述手掌基座包括三联驱动滑槽、第二电机安装孔、第一电机安装孔、手指安装孔、电路板安装孔、电机出线孔；所述三个直线电机中的两个通过所述第一电机安装孔和所述第二电机安装孔固定在所述手掌基座上；所述三联驱动机构设置于所述三联驱动滑槽中；所述食指、所述中指、所述无名指和所述小指安装在对应的所述手指安装孔处；所述电路板通过所述电路板安装孔固定在所述手掌基座上，所述三个直线电机的电线通过所述手掌基座上的所述电机出线孔连接至所述电路板。
18.进一步地，还包括外壳，所述外壳包括掌心外壳和掌背外壳，所述掌心外壳和所述掌背外壳相对设置形成容纳所述手掌基座的容纳空间。
19.进一步地，还包括拇指软胶，所述拇指软胶套设在所述拇指与所述手掌基座的连接处，其一端连接至所述拇指，另一端连接至所述手掌基座。
20.本实用新型提供的四自由度智能假肢手具有以下有益的技术效果：仅采用三个直线电机驱动，结构简单、可靠，易于控制；通过一个直流电机，结合三个直线电机，仅使用了四个电机即可实现自然状态、两指捏、抓握、侧捏等多种动作模式，使得该假肢手具有人手的主要运动功能，同时很大程度上降低了成本，减轻了整个手的重量。
21.以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
附图说明
22.图1是本实用新型的一个较佳实施例的四自由度智能假肢手内部结构正面示意图；
23.图2是图1的背面示意图；
24.图3是食指的结构示意图；
25.图4是食指的内部结构示意图；
26.图5是三联驱动机构的结构示意图；
27.图6是拇指的结构示意图；
28.图7是拇指的分解示意图；
29.图8是拇指驱动块的结构示意图；
30.图9是图8在另一个视角下的示意图；
31.图10是手掌基座的结构示意图；
32.图11是图10在另一个视角下的示意图；
33.图12是电机夹板的结构示意图；
34.图13是四自由度智能假肢手的整体结构正面示意图；
35.图14是图13的背面示意图。
36.其中，1
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拇指，2
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食指，3
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中指，4
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无名指，5
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小指，6
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三联驱动机构，7
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手掌基座，71
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梯形滑槽，72
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掌心外壳固定孔，73
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三联驱动滑槽，74
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第二电机安装孔， 75
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法兰安装孔，76
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电机夹板安装孔，77
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第一电机安装孔，78
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手指安装孔，79
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电路板安装孔，710
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掌背外壳安装孔，711
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拇指软胶安装孔，712
‑
电机出线孔，713
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掌背外壳固定孔，8
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电机夹板，81
‑
夹板固定孔，82
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第三电机安装孔，83
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第一拇指连接孔， 9
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直线电机，10
‑
法兰，11
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电路板，12
‑
掌心外壳，13
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拇指软胶，14
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掌背外壳，15
‑ꢀ
食指驱动块，151
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第一电机轴连接孔，16
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手指基座，161
‑
手指固定孔，162
‑
基座滑槽， 17
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近指关节，18
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远指关节，19
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第一手指销轴，20
‑
手指驱动杆，21
‑
第二手指销轴， 22
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手指连杆，23
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第三手指销轴，24
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第四手指销轴，25
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第五手指销轴，26
‑
第六手指销轴，27
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中指滑块，271
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导向凸柱，28
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无名指驱动块，281
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导向梯形块，282
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第二电机轴连接孔，29
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小指滑块，30
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拇指关节，31
‑
拇指基座，311
‑
直流电机安装孔，312
‑ꢀ
拇指关节固定孔，313
‑
锥齿轮安装孔，314
‑
第二拇指连接孔，315
‑
轴承安装孔，316
‑ꢀ
卡簧安装孔，32
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直流电机，33
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第一锥齿轮，34
‑
轴承，35
‑
蜗杆，36
‑
第二锥齿轮，37
‑ꢀ
第一拇指销轴，38
‑
蜗轮，39
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拇指连杆，40
‑
第二拇指销轴，41
‑
拇指驱动块，411
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第三电机轴连接孔，42
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第三拇指销轴，43
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卡簧。
具体实施方式
37.以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
38.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
39.如图1和图2所示，本实用新型提供了一种四自由度智能假肢手，包括拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5、手掌基座7、直线电机9、电路板11和外壳。拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5依次连接至手掌基座7，拇指1、食指2、中指3、无名指4、小指5在连接至手掌基座7之后所形成的形状与人的手的形状大致相同。直线电机9设置在手掌基座7上，其数量为三个，第一个直线电机9的输出轴与拇指1连接，第二个直线电机9的输出轴与食指2连接，第三个直线电机9的输出轴通过三联驱动机构6连接至中指3、无名指4和小指5。拇指1、食指2、中指3、无名指4和小指5在对应的直线电机9的驱动下能够实现弯曲或伸展运动。其中，中指 3、无名指4和小指5在三联驱动机构6的作用下能够实现同时弯曲或伸展运动。电路板11设置在手掌基座7上，并通过导线与直线电机9连接，用于控制直线电机的启动和停止。外壳包覆在手掌基座7外，起到保护的作用。
40.如图3和图4所示，食指2、中指3、无名指4和小指5除了末端驱动件以及长度不同外，结构完全相同。食指2、中指3、无名指4和小指5均包括手指基座16、近指关节17、远指关节18、第一手指销轴19、手指驱动杆20、第二手指销轴21、手指连杆22、第三手指销轴23、第四手指销轴24、第五手指销轴25和第六手指销轴26。其中，手指基座16上设有手指固定孔161和基座滑槽162。第六手指销轴26和第五手指销轴25套固在手指基座16上，近指关节17套设在第六手指销轴26上，第五手指销轴25位于近指关节17的弧形槽内。第二手指销轴21和第四手指销轴24套固在近指关节17上，远指关节18套固在第四手指销轴24上，第三手指销轴23套固在远指关节18上；手指驱动杆20一端套设在第一手指销轴19上，另一端套设在第二手指销轴21上。手指连杆22一端套设在第五手指销轴25上，另一端套设在第三手指销轴 23上。
41.如图3、图4和图5所示，食指2、中指3、无名指4和小指5的末端驱动件不同，具体地，食指2包括食指驱动块15，食指驱动块15设置在食指2的手指基座16的基座滑槽162中；中指3的末端驱动件为中指滑块27，无名指4的末端驱动件为无名指驱动块28，小指5的末端驱动件为小指滑块29，其中，中指滑块27、无名指驱动块 28、小指滑块29分别是三联驱动机构6的三个输出端，且中指滑块27设置在中指3 的基座滑槽162中，无名指驱动块28设置在无名指4的基座滑槽162中，小指滑块 29设置在小指5的基座滑槽162中。食指2、中指3、无名指4和小指5的四个第一手指销轴19分别套固在各末端驱动件上(食指驱动块15、中指滑块27、无名指驱动块28和小指滑块29)。如图5所示，中指滑块27上的导向凸柱271套设在无名指驱动块28的弧形槽内，小指滑块29与中指滑块27结构相同，其上的导向凸柱套设在无名指驱动块28的另一个弧形槽内，三者共同组成三联驱动机构6。
42.如图6和图7所示，拇指1包括拇指关节30、拇指基座31、第一拇指销轴37、第二拇指销轴40、第三拇指销轴42、拇指连杆39和拇指驱动块41。如图8和图9所示，拇指基座31上设
置有拇指关节固定孔312，拇指关节30通过拇指关节固定孔312 连接至拇指基座31。拇指驱动块41与对应的直线电机9的输出轴连接，第一拇指销轴37与拇指连杆39固结，可在拇指基座31的弧形槽内滑动。第三拇指销轴42套固在拇指驱动块41上并贯穿于拇指连杆39的滑槽中。第二拇指销轴40套设在拇指连杆 39上。当拇指驱动块41对应的直线电机9的输出轴轴向移动时，第三拇指销轴42会沿着拇指连杆39上的滑槽滑移，同时拇指连杆39带动拇指1转动，从而实现拇指1 弯曲或伸展。
43.拇指1除了在直线电机的驱动下实现弯曲和伸展运动外，还可以将拇指1配置为能够实现侧翻或侧捏。具体地，参见图7，拇指1还包括直流电机32、第一锥齿轮33、轴承34、蜗杆35、第二锥齿轮36、蜗轮38和卡簧43。其中，参见图8和图9，拇指基座31上设有直流电机安装孔311、锥齿轮安装孔313、轴承安装孔315和卡簧安装孔316。直流电机32通过直流电机安装孔311固定在拇指基座31上。第一锥齿轮33 套固在直流电机32输出轴上，第二锥齿轮36嵌设在拇指基座31的锥齿轮安装孔313 中并与第一锥齿轮33啮合。蜗杆35一端与第二锥齿轮36固结，另一端套设在轴承 34上。轴承34外圈套固在拇指基座31的轴承安装孔313中，卡簧43嵌入拇指基座 31的卡簧安装孔316中，限制轴承34的轴向位移。蜗轮38与拇指连杆39固结并共同套设于插入在拇指基座31的第二拇指连接孔314的螺钉，蜗轮38与蜗杆35啮合。直流电机32通过电线连接至电路板，由电路板控制。
44.如图10和图11所示，手掌基座7是主要的支撑部件，包括梯形滑槽71、三联驱动滑槽73、第二电机安装孔74、第一电机安装孔77、手指安装孔78、电路板安装孔 79、电机出线孔712。两个直线电机9通过手掌基座7上的第一电机安装孔77和第二电机安装孔74固定在手掌基座7上，分别驱动食指2和中指3、无名指4、小指5联动。三联驱动机构6设置于三联驱动滑槽73中，无名指驱动块28的导向梯形块281 设置于梯形滑槽71中。食指驱动块15上的第一电机轴连接孔151和无名指驱动块28 上的第二电机轴连接孔282分别与两个直线电机9的输出轴连接，食指2、中指3、无名指4和小指5通过手指基座16上的手指固定孔161和手掌基座7上的手指安装孔 78固定在手掌基座7上。拇指1通过拇指驱动块41上的第三电机轴连接孔411与直线电机9的输出轴连接；电路板11通过手掌基座7上的电路板安装孔79固定在手掌基座7上，三个直线电机9的电机线通过手掌基座7上的三个电机出线孔712连接至手掌基座7背面的电路板11。
45.外壳被包覆在手掌基座7外，起到保护作用。如图13和图14所示，外壳可以包括掌心外壳12和掌背外壳掌14。掌心外壳12和掌背外壳14相对设置形成容纳空间，从而将手掌基座7包覆其中。掌心外壳12通过手掌基座7上的掌心外壳固定孔72(参见图10)固结在手掌基座7上，掌背外壳14通过手掌基座7上的掌背外壳安装孔710 和掌背外壳定位孔713固结在手掌基座7上。
46.整个四自由度智能假肢手可以通过法兰10与假肢手腕配合并安装到接受腔上以作为假肢使用。法兰10设置在假肢手上朝向假肢的一侧，法兰10通过手掌基座7上的法兰安装孔75固结在手掌基座7上。
47.与拇指1连接的直线电机9可以通过电机夹板8固定在手掌基座上。具体地，电机夹板8通过手掌基座的夹板固定孔81和手掌基座7上的电机夹板安装孔76固定在手掌基座7上。直线电机9通过手掌基座7上的第三电机安装孔82固定在电机夹板8 上。拇指1的第二拇指销轴40套固在电机夹板8上的第一拇指连接孔83(参见图12) 中。
48.在拇指和手掌基座之间还可以设置拇指软胶，套设在拇指和手掌基座的连接处的外部，起到保护作用。拇指软胶13通过手掌基座7上的拇指软胶安装孔711固结在手掌基座7上。
49.本实用新型提供的四自由度智能假肢手的工作原理如下：
50.当电路板11控制直线电机9的电机轴伸长或缩短时，直线电机9的输出轴分别驱动与它们固结的食指驱动块15、无名指驱动块28和拇指驱动块41。在直线电机的作用下，食指驱动块15驱动食指2运动，中指滑块27、无名指驱动块28和小指滑块29 构成三联驱动机构6驱动中指3、无名指4和小指5同步运动，拇指驱动块41驱动拇指1运动。
51.食指驱动块15、手指基座16、近指关节17和手指驱动杆20组成四杆滑块机构，当食指驱动块15沿驱动食指的直线电机9的输出轴轴向移动时，近指关节17会绕着第六手指销轴26(手指基座16)转动，第五手指销轴25在近指关节17的弧形槽进行限位运动。手指基座16、近指关节17、远指关节18和手指连杆22组成交叉四杆机构，当近指关节17绕着第六手指销轴26(手指基座16)转动时，远指关节18会同时绕着第四手指销轴24(近指关节17)转动，从而实现食指的弯曲或伸展运动。
52.当无名指驱动块28在手掌基座7上的三联驱动滑槽73中沿驱动三指联动的直线电机9的输出轴轴向移动时，无名指驱动块28上的导向梯形块281沿手掌基座7上的梯形滑槽71滑移，通过带动中指滑块27上的导向凸柱271，同时驱动中指滑块27和小指滑块29沿驱动三指联动的直线电机9的输出轴轴向移动，从而实现中指3、无名指4和小指5的弯曲或伸展运动。
53.拇指驱动块41、电机夹板8、拇指连杆39和第三拇指销轴42组成双滑块连杆机构，当拇指驱动块41沿电机夹板8上安装的驱动拇指1的直线电机9的输出轴轴向移动时，第三拇指销轴42会沿着拇指连杆39上的滑槽滑移，同时拇指连杆39带动拇指 1绕电机夹板8上的第一拇指连接孔83转动，从而实现拇指弯曲或伸展。
54.当电路板11控制直流电机32正转或反转时，直流电机32带动第一锥齿轮33旋转，同时与其啮合的第二锥齿轮36带动蜗杆35转动，从而使拇指指节30、直流电机 32、第一锥齿轮33、第二锥齿轮36、蜗杆35、轴承34、拇指基座31一起绕着蜗轮 38(拇指连杆39)转动，与拇指连杆39固结的第一拇指销轴37在拇指基座31的弧形槽内限位运动，从而实现拇指侧翻或侧捏。
55.当假肢手收到侧捏指令时，直流电机32转动，手掌基座7上安装的两个直线电机 9驱动食指、中指、无名指、小指实现弯曲运动，即四指会同步弯曲运动，然后电机夹板8上安装的直线电机9驱动拇指1运动至与食指2的远指关节18侧面接触，从而实现侧捏动作；当第二手指销轴收到抓握指令时，直流电机32不转动，三个直线电机 9带动五指弯曲运动，至抓住物体，从而实现抓握动作；同理，当只驱动拇指1和食指2的直线电机9，至拇指1与食指2接触，可以完成两指捏动作；反之，当假肢手收到恢复自然状态指令时，相应电机反向运动直到假肢手达到如图9所示状态。
56.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。