一种自适应抓握柔性假手的制作方法

本发明涉及医疗康复设备技术领域，尤其涉及一种自适应抓握柔性假手。

背景技术：

根据中国残疾人联合会调查结果数据显示，1987年我国各类残疾人数约为5164万人，到2010年末已达8502万人，预计到2020年我国残疾人数将突破1亿。在残疾人群中，肢体残疾约占30％。对于上肢截肢患者来说，假手对于他们的正常生活具有重要的作用，因此设计出适用于上肢截肢患者的自适应抓握柔性假手具有重要的社会价值和经济价值。

市面上适用于截肢患者的假手和假肢虽能完成一些简单动作，但是它们的体积一般过于庞大，价格通常十分昂贵，并不适用于患者的日常生活，至今尚未大规模普及。

此外，市场上的假手假肢绝大部分都由刚性构件组成，运动起来非常笨重。考虑到运动的安全性，设备的便携性，设计一款适用于截肢患者日常生活，辅助患者完成基本手势动作的柔性假手具有广阔前景。

因此，本领域的技术人员致力于设计一种自适应抓握柔性假手，以实现多抓握姿态，同时具有更好的柔度和更轻的重量，适合截肢患者的日常生活。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过控制拇指与其他手指的相互运动，实现假手多抓握姿态动作，以及如何提高假手的安全性，如何减轻假手的重量，并使其易于穿戴，更适应截肢患者的日常生活场景。

为实现上述目的，本发明提供了一种自适应抓握柔性假手，包括手指模块、拇指模块、手掌模块、驱动模块和绳索传动模块；

所述手指模块的数量为四个，被设置分别对应食指、中指、无名指和小指，每个所述手指模块的结构相似，尺寸不同；

所述拇指模块被设置为对应于大拇指；

所述手指模块位于所述手掌模块顶部，与所述手掌模块顶部的手指基座铰接；所述拇指模块位于所述手掌模块侧部，与所述手掌模块侧下角的拇指基座铰接；

所述驱动模块位于所述手掌模块内部，包括左右两个子驱动模块；所述子驱动模块包括电机与线轴；所述线轴包括上线轴和下线轴；所述线轴固定在所述电机顶部；所述电机固定在所述手掌模块内部的电机座中；所述左右两个子驱动模块上下颠倒布置在所述手掌模块内部的电机座中；

所述绳索传动机构模块包括手指驱动机构用绳索和拇指传动机构用绳索。

进一步地，所述手指模块包括指尖块、远节指骨块、变形补偿模块、中节指骨块、近节指骨块、柔性铰链和弹簧；

所述指尖块内设置有第一滑槽，所述指尖块与所述远节指骨块之间由螺钉、螺母连接，螺钉、螺母固定在所述第一滑槽中；

所述指尖块下端设有第一螺纹凸台，所述弹簧嵌于所述第一螺纹凸台上，与所述远节指骨块相接触；

所述变形补偿模块内设置有第二滑槽，所述远节指骨块与所述变形补偿模块之间由所述柔性铰链铰接，同时由螺钉、螺母固定，螺钉、螺母固定在所述第二滑槽中；

所述变形补偿模块下端设有第二螺纹凸台，所述弹簧嵌于所述第二螺纹凸台上，与所述中节指骨块相接触；

所述变形补偿模块内还设置有第三滑槽，所述变形补偿模块与所述中节指骨块之间由螺钉、螺母固定，螺钉、螺母固定在所述第三滑槽中；

所述近节指骨块内设置有第四滑槽，所述中节指骨块与所述近节指骨块之间由所述柔性铰链铰接，同时由螺钉、螺母固定，螺钉、螺母固定在所述第四滑槽中。

所述近节指骨块内还设置有第五滑槽，所述近节指骨块与所述手掌模块顶部的手指基座由所述柔性铰链铰接，同时由螺钉、螺母固定，螺钉、螺母固定在所述第五滑槽中。

进一步地，所述指尖块下部两侧设有第一引导孔，所述远节指骨块下部两侧设有第二引导孔，所述变形补偿模块下部两侧设有第三引导孔，所述中节指骨块下部两侧设有第四引导孔，所述近节指骨块下部两侧设有第五引导孔；所述手指驱动机构用绳索的两端分别依次穿过对应的所述手指模块两侧的所述第一引导孔、所述第二引导孔、所述第三引导孔、所述第四引导孔和所述第五引导孔后固定在所述驱动模块上。

进一步地，所述手指模块包括远端指间关节、近端指间关节、掌指关节、中节指骨指间关节和远节指骨指间关节；

所述远端指间关节由所述柔性铰链、所述变形补偿模块和所述弹簧构成，所述近端指间关节由所述柔性铰链构成，所述掌指关节由所述柔性铰链构成，所述中节指骨指间关节由所述柔性铰链构成，所述远节指骨指间关节由所述柔性铰链、所述变形补偿模块和所述弹簧构成；

所述中节指骨指间关节的刚度＝所述远节指骨指间关节的刚度<所述掌指关节的刚度<所述近端指间关节的刚度<所述远端指间关节的刚度。

进一步地，所述拇指模块包括拇指指尖块、拇指基座块和柔性铰链，所述拇指指尖块与所述拇指基座块之间通过所述柔性铰链铰接；所述拇指基座块与所述手掌模块侧下角的拇指基座通过螺钉、螺母连接，所述螺钉、螺母固定于所述拇指基座上的滑槽结构中；所述拇指基座块右侧设有拇指基座块凹槽；所述拇指基座块与所述手掌模块固定在手掌上滑槽和手掌下滑槽中，所述手掌上滑槽和所述手掌下滑槽的位置与水平面平行。

进一步地，所述拇指指尖块下部设有相互垂直的拇指第一引导孔和拇指第二引导孔；所述拇指基座块内部设有一个弯曲形状的拇指第三引导孔，所述拇指基座外侧设有拇指第四引导孔；所述拇指传动机构用绳索依次穿过所述拇指第四引导孔、所述拇指第三引导孔、所述拇指第二引导孔、所述拇指第一引导孔、所述拇指第三引导孔、所述拇指第四引导孔后固定在所述驱动模块上。

进一步地，所述手掌模块包括手掌顶部构件、手掌底部构件、手掌框架、手背上盖板、手背下盖板和电机座。

进一步地，所述手掌模块顶部的手指基座前方设有四个手掌第一引导孔；所述手掌模块内壁上端设有三个手掌第二引导孔；所述手掌模块内壁下端设有七个手掌第三引导孔；所述驱动模块内的上线轴的顶部设有二十个驱动第一引导孔；所述手指驱动机构用绳索在穿过所述手指模块上的所述第一引导孔、所述第二引导孔、所述第三引导孔、所述第四引导孔和所述第五引导孔后，通过所述手掌第一引导孔、所述手掌第二引导孔后固定在所述驱动第一引导孔处；所述拇指传动机构用绳索在穿过拇指模块上的所述拇指第四引导孔、所述拇指第三引导孔、所述拇指第二引导孔和所述拇指第一引导孔后，通过所述手掌第三引导孔，固定在所述驱动第一引导孔处。

进一步地，所述手掌模块底部有掌腕接口，以与腕部设备连接；所述拇指传动机构用绳索被固定在左侧的所述驱动单元，与食指所对应的所述手指模块上的所述手指驱动机构用绳索被固定在左侧的所述驱动单元，分别与中指、无名指和小拇指所对应的所述手指模块上的所述手指驱动机构用绳索被固定在右侧的所述驱动单元。

进一步地，所述自适应抓握柔性假手采用3d打印技术制造而成。

与现有技术相比，本发明所提技术方案具有以下有益的技术效果：

1.手指模块采用5转动副模型设计，由五段指节组成；其中指尖块和远节指骨块模拟手指的远节指骨，变形补偿模块和中节指骨块模拟手指的中节指骨，近节指骨块模拟手指的近节指骨。

2.手指模块中采用了柔性铰链连接，弹簧连接，以及螺钉螺母连接，其中螺钉螺母可以在连接结构处的滑槽中滑动。柔性连接和刚性连接相结合，使手指具有柔性，提高了假手手指的柔度，也使假手的运动轨迹更符合健康人手的运动轨迹，能更好地贴合不同表面状况的物体。柔性铰链与弹簧的刚度不同，在受到绳索拉力的作用下，关节按设计顺序弯曲，模拟人手抓握物体时的动作，对于不同大小的物体，假手实行不同的弯曲策略，完成自适应抓握动作。

3.拇指模块中采用了柔性铰链连接，以及螺钉螺母连接。其中螺钉螺母可以在连接结构处的滑槽中滑动，使得拇指实现屈曲伸展、外展内收的耦合运动，能够完成“对掌”动作，增加了假手能够实现的抓握姿态数目，丰富了假手的适用场景。同时与手指模块配合，可以实现捏取动作。

4.手指模块、拇指模块、手掌模块、驱动模块上均设有多个引导孔，方便走线。同时采用两电机驱动的配置，一个电机驱动中指、无名指、小拇指三个手指模块，另一个电机驱动拇指、食指两个模块；两个电机独立驱动，相互配合，使得假手可以完成更多的抓握姿态。

5.驱动模块集成与手掌模块内部，结构紧凑小巧；整体由3d打印技术加工，成本低廉，方便个性化定制。

6.手掌模块底部有腕掌接口，方便与后续的手腕机构相互配合。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的部分结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的手指模块示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的指尖块结构图；

图4是本发明的一个较佳实施例的远节指骨模块和远端指尖关节模块示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的中节指骨模块和近端指尖关节模块示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的近节指骨模块和掌指关节模块示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的拇指模块示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的驱动模块示意图；

图9是本发明的一个较佳实施例的手掌模块示意图；

其中，1-手指模块；2-拇指模块；3-手掌模块；4-驱动模块；5-绳索；6-指尖块；7-远节指骨块；8-变形补偿模块；9-中节指骨块；10-近节指骨块；11-柔性铰链；12-螺钉；13-螺母；14-弹簧；15-第一螺纹凸台；16-第一引导孔；17-第一滑槽；18-第二引导孔；19-第三引导孔；20-第四引导孔；21-第五引导孔；22-第五滑槽；23-第四滑槽；24-第二螺纹凸台；25-第三滑槽；26-拇指指尖块；27-拇指第一引导孔；28-拇指第三引导孔；29-拇指基座块凹槽；30-拇指第四引导孔；31-拇指基座块；32-上线轴；33-驱动第一引导孔；34-下线轴；35-电机；36-手指基座；37-手掌第一引导孔；38-手掌第二引导孔；39-手掌顶部构件；40-电机座右凹槽；41-手掌框架；42-手掌框架侧边孔；43-手掌底部构件；44-手掌上滑槽；45-手掌下滑槽；46-手掌第三引导孔；47-腕掌接口；48-手背下盖板；49-手背上盖板；50-电机座左凹槽；51-电机座。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

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，本发明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。

如图1所示，是本发明的一个实施例中的部分结构示意图。本实施例中，自适应抓握柔性假手包括手指模块1、拇指模块2、手掌模块3、驱动模块4和绳索5。

图2-6是本发明的实施例中手指模块结构示意图。其中四个手指模块1分别对应食指、中指、无名指、小拇指。因为各手指结构的组成部分及连接方式是一样的，所不同之处仅在于尺寸的差别。应注意的是，手指模块的设置不仅限于图1所示的配置方式，可以根据患者具体情况选择。

如图2-6所示，手指模块包括指尖块6、远节指骨块7、变形补偿模块8、中节指骨块9、近节指骨块10、柔性铰链11、螺钉12、螺母13、弹簧14。指尖块6与远节指骨块7之间由螺钉12、螺母13连接；螺钉12，螺母13固定在第一滑槽17中。指尖块6下端设有第一螺纹凸台15，弹簧14嵌于第一螺纹凸台15上，与远节指骨块7相接触。远节指骨块7与变形补偿模块8之间由柔性铰链11铰接，同时由螺钉12、螺母13固定，螺钉12，螺母13固定在第二滑槽(图中未示出)中。变形补偿模块8下端设有第二螺纹凸台24结构，弹簧14嵌于第二螺纹凸台24上，与中节指骨块9相接触。变形补偿模块8与中节指骨块9之间由螺钉12、螺母13固定；螺钉12，螺母13固定在第三滑槽25中。中节指骨块9与近节指骨块10之间由柔性铰链11铰接，同时由螺钉12、螺母13固定，螺钉12，螺母13固定在第四滑槽23中。近节指骨块10与手掌模块顶部手指基座36由柔性铰链11铰接，同时由螺钉12、螺母13固定，螺钉12，螺母13固定在第五滑槽22中。手指模块1在柔性铰链11、弹簧14以及位于滑槽中的螺钉12、螺母13的作用下可以完成关节弯曲的动作。三个指骨模块与三个柔性仿生关节模块组成柔性手指模块1，使假手有更好的柔性与运动顺应性，能更好地贴合被抓物体表面。

图7是本发明的实施例中拇指模块结构示意图。

如图7所示，拇指模块由拇指指尖块26、拇指基座块31和柔性铰链11构成。拇指指尖块26与拇指基座块31由柔性铰链11相铰接，由螺钉12、螺母13相固定。拇指基座块31右侧设有拇指基座块凹槽29结构。拇指基座块31与手掌模块3之间由柔性铰链11铰接，由螺钉12、螺母13固定；螺钉12、螺母13固定于手掌上滑槽44、手掌下滑槽45中。

图8是本发明的实施例中驱动模块结构示意图。

如图8所示，驱动模块由上线轴32、下线轴34、电机35构成；上线轴32、下线轴34上下组合，固定于电机轴上(图中未示出)。电机35通过旋转带动上线轴32、下线轴34做旋转运动。

图9是本发明的实施例中手掌模块结构示意图。

如图9所示，手掌模块3由手掌顶部构件39、手掌底部构件43、手掌框架41、手背上盖板49、手背下盖板48、电机座51组成。手掌顶部构件39上端设有结构手指基座36，用来与手指模块连接。手掌底部构件43右侧设有结构手掌上滑槽44、手掌下滑槽45，用来与拇指模块连接。手背下盖板48下端设有结构腕掌接口47，用来与后续腕部机构连接。手掌框架41与电机座51由螺钉12、螺母13相固定；螺钉12、螺母13位于手掌框架侧边孔中。

如图1所示，电机座51左右分别设有结构：电机座左凹槽50与电机座右凹槽40；驱动模块4与电机座固定在电机座左凹槽50与电机座右凹槽40中。左右两个驱动模块上下颠倒，其中左侧的驱动模块4中，上线轴32与下线轴34位于电机35下方；右侧的驱动模块4中，上线轴32与下线轴34位于电机35上方。

如图2-9所示，本发明的技术方案在手指模块1；拇指模块2；手掌模块3；驱动模块4上均开有引导孔，其中在指尖块6下端开有第一引导孔16，在远节指骨块7下端开有第二引导孔18，在变形补偿模块8下端开有第三引导孔19、在中节指骨块9下端开有第四引孔20，在近节指骨块10下端开有第五引导孔21。在手掌顶部构件39内壁设有手掌第一引导孔37，在手掌顶部构件39顶端的手指基座36前方开有手掌第二引导孔38，在手掌底部构件43内壁设有手掌第三引导孔46。在上线轴32顶部开有驱动第一引导孔33。在拇指指尖块26下部设有两个垂直的引导孔，分别为拇指第一引导孔27、拇指第二引导孔(图中未示出)，在拇指基座块31内部开有一个弯曲形状的拇指第三引导孔28，在拇指基座块外侧开有拇指第四引导孔30。上述引导孔中除了拇指模块内的引导孔外，其数量均大于等于两个，为绳索的走线提供了多种选择。

如图1-7所示，绳索5连接驱动模块4、手掌模块3、手指模块1。下面介绍一种具体的手指绳索布线路径，其走线路径如下：绳索5一端固定在驱动第一引导孔33上，然后通过手掌第一引导孔37、手掌第二引导孔38与手掌模块相连；接着按顺序通过手指模块一侧的第五引导孔21、第四引导孔20、第三引导孔19、第二引导孔18、第一引导孔16，再从另一侧的第一引导孔16、第二引导孔18、第三引导孔19、第四引导孔20、第五引导孔21穿出；接着通过手掌第二引导孔38、手掌第一引导孔37；最后回到驱动模块4处，再次固定在驱动第一引导孔33上。绳索5由固定在电机座右凹槽40上的右侧的驱动模块4驱动。绳索布置方式不唯一，可根据需求选择其他适合的路径。

如图1、图7、图8、图9所示，下面介绍一种具体的拇指绳索布线路径，其走线路径如下：绳索5一端固定在驱动第一引导孔33上，然后通过手掌第三引导孔46，接着依次穿过拇指第四引导孔30、拇指第三引导孔28、拇指第二引导孔(图中未示出)、拇指第一引导孔27、拇指第三引导孔28、拇指第四引导孔30，完成对拇指模块的连接；接着再次通过手掌第三引导孔46，最后回到驱动模块4处，再次固定在驱动第一引导孔33上。绳索5由固定在电机座左凹槽50上的左侧的驱动模块4驱动。绳索布置方式不唯一，可根据需求选择其他适合的路径。

如图1所示，驱动模块集成在手掌模块中，使假手整体体积缩小，更为轻便。同时假手主体由3d打印技术加工得到，成本低廉，方便个性化定制。

本发明的一种自适应抓握柔性假手的捏取动作在空载情况下的工作流程如下：首先，进行捏取动作时两个电机中只有右侧的电机35运转。电机35运转，固接在右侧的驱动模块4上的拇指绳索5收缩。拇指基座块31在绳索5的收缩下，沿着手掌上滑槽44、手掌下滑槽45滑动，实现了拇指模块2的掌指关节的内收旋转运动；随着绳索5的继续收缩，拇指指尖块26和拇指基座块31之间的近端指间关节发生弯曲运动。同时，固接在右侧的驱动模块4上的手指绳索5收缩，此手指绳索为食指拇指绳索。食指拇指绳索5收缩带动食指手指各关节弯曲，弯曲顺序如下：首先变形补偿模块8与中节指骨块9之间的中节指骨间关节先弯曲，然后指尖块6和远节指骨块7之间的近节指骨间关节弯曲，接着近节指骨块10与手指基座36间的掌指关节弯曲，然后第一关结块9和近节指骨块10之间的近端指间关节弯曲，最后远节指骨块7与变形补偿模块8之间的远端指间关节弯曲。拇指的弯曲、旋转运动和食指的弯曲运动耦合，实现捏取的姿态实现。此时中指、无名指、小拇指保持伸展状态。

本发明的一种自适应抓握柔性假手的自适应抓握动作在空载情况下的工作流程如下：首先驱动手指模块1进行弯曲运动的左侧的电机35旋转，绳索5收缩；变形补偿模块8与中节指骨块9之间的中节指骨间关节先弯曲，然后指尖块6和远节指骨块7之间的远节指骨间关节弯曲，接着近节指骨块10与手指基座36间的掌指关节弯曲，然后第一关结块9和近节指骨块10之间的近端指间关节弯曲，最后远节指骨块7与变形补偿模块8之间的远端指间关节弯曲。左侧的电机35同时带动中指、无名指、小拇指的弯曲。同时驱动拇指模块1进行弯曲运动的右侧的电机35旋转，绳索5收缩。对于连接在右侧的电机35上的食指手指模块1来说，其运动过程和受左侧的电机35驱动而进行弯曲运动的中指模块1相似。对于连接在右侧的电机35上的拇指绳索5来说，拇指基座块31在绳索5的收缩下，沿着手掌上滑槽44、手掌下滑槽45滑动，实现了拇指模块2的掌指关节的内收运动；随着绳索5的继续收缩，拇指指尖块26和拇指基座块31之间的近端指间关节发生弯曲运动。右侧的电机35同时带动食指的弯曲和拇指的弯曲、旋转。

下面解释为何本发明能适应抓握不同外形的物体，实现自适应抓握与捏取的动作。

首先，本发明的假手手指模块相较于传统的假手，在手指结构上采用5r(r-转动副)模型设计，构成三个柔性仿生关节，即柔性仿生掌指关节，柔性仿生近端指间关节，柔性仿生远端指间关节，其中远端指间关节由柔性铰链、变形补偿模块和弹簧储能元件构成，是一种复合仿生关节，近端指间关节由柔性铰链构成，是一种普通仿生关节，掌指关节由柔性铰链构成，是一种普通仿生关节。这种设计优化了加持点的位置，使得假手在实现捏取动作的时候，更能贴合实际情况，改善抓握的效果。每根手指模块均可在柔性铰链、滑槽、弹簧和绳索作用下实现手指关节的屈曲伸展。其中柔性铰链和弹簧作为弯曲单元，在绳索拉力的作用下弯曲变形，从而实现手指屈曲功能，当绳索释放时，利用柔性铰链和弹簧在弯曲过程中的储能提供回弹力，实现手指的伸展功能。弹簧与柔性铰链起到仿生的效果。弹簧的刚度小于柔性铰链的刚度，在绳索拉力作用下，弹簧率先弯曲；在绳索释放时，柔性铰链率先伸展。弹簧与柔性铰链交替布置在远节指骨块、中节指骨块和近节指骨块之间，与绳索一起完成手指屈曲伸展动作。

其次，假手具有自适应的抓握功能：当假手与所抓物体接触时，在绳索提供的拉力的作用下，由于中节指骨间关节和远节指骨间关节均由刚度较小的弹簧连接，所以率先弯曲，直到中节指骨间关节和远节指骨间关节间的弹簧接触到螺纹凸台，停止弯曲；此时掌指关节成为刚度最小的关节，如果所抓物品较小，可以在此位置和拇指配合抓握物品。若物品较大，绳索继续拉伸，此时近节指骨接触到物品，掌指关节间的柔性铰链达到弯曲极限，掌指关节停止弯曲，近端指间关节成为刚度最小的关节，随绳索的拉伸弯曲。但是如果所抓物品尺寸过大，需要所有手指进行抓握动作，此时中节指骨接触到物品，近端指间关节间的柔性铰链达到弯曲极限，近端指间关节停止弯曲，远端指间关节成为刚度最小的关节，随绳索的拉伸弯曲，直到远节指骨接触到物品。假手各关节的弯曲动作完全取决于所抓物品的尺寸大小，不同刚度的弹簧和柔性铰链在弯曲过程中可以提供自适应的抓握动作。

再次，拇指模块在柔性铰链、滑槽、绳索作用下实现手指关节的屈曲伸展，外展内收。拇指基座块与手掌模块固定在手掌上滑槽和手掌下滑槽中，手掌上滑槽和手掌下滑槽的位置与水平面平行，当绳索拉动拇指弯曲时，连接拇指基座块和手掌模块的柔性铰链在绳索拉力的作用下弯曲变形，从而实现拇指的屈曲动作；同时由于手掌上滑槽和手掌下滑槽水平布置，拇指在绳索拉力的作用下沿滑槽水平运动，实现内收动作，并完成弯曲动作与内收动作的运动耦合；当绳索释放时，利用柔性铰链在弯曲过程中的储能提供回弹力，同时利用拇指在滑槽中回退的运动轨迹，实现拇指伸展和外展的运动耦合。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。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发明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发明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。