[發(fā)明專利]一種基于行星齒輪系的欠驅(qū)動假肢手系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310643657.5
• 申請日: 2013-12-03
• 公開（公告）號: CN103690279A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐凱;劉歡;杜宇恒;趙江然;劉國慶
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: A61F2/54
• 分類號: A61F2/54
• 代理公司: 上海一平知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31266
• 代理人: 蔡繼清;翁霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及醫(yī)用器械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及醫(yī)用假肢手系統(tǒng)。

背景技術(shù)

嘗試重建喪失一只手的殘疾人的運動功能時，一個特別具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)是建立一個有擬人化形態(tài)，并可以正確地復(fù)現(xiàn)原有精致運動的假肢手。為了實現(xiàn)這一目標，這個假肢手需要能夠適合各種日常動作，可以被截肢者的生物信號接口控制，如肌電信號和腦電信號。當今世界上有許多先進的完全驅(qū)動擬人化的機器人手，它們大都使用了較多的輸入來控制手的各個自由度，但由于現(xiàn)有的肌電信號分析和獲取能力有限，許多現(xiàn)有的仿生手的設(shè)計采用了一種欠驅(qū)動方法，即驅(qū)動輸入的數(shù)量小于輸出的數(shù)量。神經(jīng)學(xué)最新進展表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制手的肌肉協(xié)調(diào)方式被稱為對姿勢的協(xié)同效應(yīng)。每個位置的協(xié)同對應(yīng)手部肌肉的彎曲/伸展驅(qū)動狀。中樞神經(jīng)系統(tǒng)運用了姿勢的協(xié)同效應(yīng)，通過調(diào)整每個協(xié)同的比重(或稱為系數(shù))，以實現(xiàn)不同的手部動作。其中，結(jié)合兩個主要位置的協(xié)同效應(yīng)約占了幾十種抓取姿勢中的84%。

這些發(fā)現(xiàn)使得用較少的輸入有效地控制機器手成為可能，通過機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)姿勢的協(xié)同作用并最大地減少輸入軸的數(shù)量，將大大降低假肢手的成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是使假肢手通過行星齒輪系以欠驅(qū)動的方式將兩組輸入轉(zhuǎn)化為協(xié)同的十三組輸出從而驅(qū)動機械手完成不同的抓取動作。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了基于行星齒輪系的假肢手系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過多組行星齒輪系不同的傳動比和不同的輸入輸出方式實現(xiàn)對兩個輸入的不同的運動合成，從而協(xié)同的控制每一組輸出，再通過傳動系統(tǒng)將這些輸出的效果傳遞到機械手上，由于每個輸出對應(yīng)著機械手上的各個關(guān)節(jié)，從而能夠使機械手完成不同的抓取動作。

本發(fā)基于行星齒輪系的假肢手系統(tǒng)由驅(qū)動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)以及機械手三部分構(gòu)成。驅(qū)動系統(tǒng)包括兩個步進電機和包括八組齒輪系的齒輪箱。步進電機由相對簡易的集成板卡和對應(yīng)的控制程序控制，程序中可以通過修改其轉(zhuǎn)動方向、角度和速度來達到精確控制的目的。齒輪箱是此發(fā)明中最為關(guān)鍵的一環(huán)，它包括兩個輸入軸和十三根輸出軸，兩根輸入軸分別由兩個步進電機控制，十三根輸出軸則由七組行星齒輪系和一組普通的齒輪系控制。七組行星齒輪系通過太陽輪，行星輪和周輪的不同齒輪減速比和不同的輸入輸出方式（即三種齒輪中的兩種作為輸入，剩下一種作為輸出），將兩個輸入合成并轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的十一個輸出，即一組行星齒輪系可以對應(yīng)多個輸出。剩下的一組普通齒輪系的作用是將單獨的輸入通過齒輪減速比轉(zhuǎn)化為兩組單獨的輸出。

傳動系統(tǒng)包括軟軸以及與軟軸對應(yīng)的蝸輪蝸桿輸出軸通過聯(lián)軸器連接到對應(yīng)的軟軸上，在軟軸的另一端同樣用聯(lián)軸器將軟軸和蝸桿固定，再由蝸桿帶動渦輪，以驅(qū)動手指級手掌相應(yīng)關(guān)節(jié)的運動。因此傳動系統(tǒng)將輸出軸的轉(zhuǎn)動通過蝸輪蝸桿的減速比轉(zhuǎn)化為了渦輪的轉(zhuǎn)動，因為軟軸具有很好的扭矩，再加上蝸輪蝸桿1:20的減速比，所以軟軸上的傳動誤差在體現(xiàn)在渦輪上之后只有原有的二十分之一，因此這個傳動鏈存在著可以忽略的傳動誤差。傳動系統(tǒng)還包括滑桿和連桿等傳動機構(gòu)。

機械手包括手掌，五根手指，驅(qū)動系統(tǒng)的十三根輸出軸分別對應(yīng)五個手指的十三個關(guān)節(jié)，包括食指、中指、無名指和小指各自的掌指關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)和一個共同的外展關(guān)節(jié)，以及大拇指的指間關(guān)節(jié)，掌指關(guān)節(jié)，末端旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和外展關(guān)節(jié)，食指、中指、無名指和小指還包括遠端指間關(guān)節(jié)，一組遠端指間關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)由一根輸出軸控制。手掌部分包括了上下蓋板以及固定五個手指所需的軸孔，螺絲孔。在手掌的內(nèi)部有一套通過滑桿驅(qū)動的四個手指的外展的驅(qū)動機構(gòu)，這組機構(gòu)同樣由一跟軟軸控制。對于五根手指，食指、中指、無名指和小指的構(gòu)型類似，差異只體現(xiàn)在每個指節(jié)的長度上。這四個手指的傳動鏈以連桿機構(gòu)為基礎(chǔ)，由裝在掌指關(guān)節(jié)處的渦輪帶動連桿的運動，從而控制指間關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。對于大拇指，考慮到其結(jié)構(gòu)的相對復(fù)雜性，使用了齒輪鏈作為傳動方式，考慮到軟軸的轉(zhuǎn)動角度，在大拇指末端旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處使用了一組較小的行星齒輪減速器來實現(xiàn)合適的減速比。

一種基于行星齒輪系的欠驅(qū)動假肢手系統(tǒng)，該假肢手系統(tǒng)包括驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和機械手，該驅(qū)動系統(tǒng)包括步進電機及行星齒輪箱，行星齒輪箱包括輸入軸與輸出軸，步進電機與行星齒輪箱的輸入軸相連；機械手包括手掌和五個手指，手指上設(shè)有可活動的關(guān)節(jié)；以及傳動系統(tǒng)包括軟軸和傳動機構(gòu)，軟軸一端與輸出軸相連，軟軸的另一端經(jīng)由傳動機構(gòu)與機械手的各個關(guān)節(jié)相連；其中，行星齒輪箱能夠?qū)⒉竭M電機的輸入通過協(xié)同作用的方式轉(zhuǎn)化為輸出軸的轉(zhuǎn)動并通過傳動系統(tǒng)傳遞給機械手從而協(xié)同控制機械手上各個關(guān)節(jié)的運動。