一种具有腕部翻转自由度的假肢手支架及其应用的制作方法

1.本发明属于假肢技术领域，涉及一种具有腕部翻转自由度的假肢手支架及其应用，适用于现有的假肢手产品，是对其功能补充与扩展。


背景技术：

2.人体上肢是人体重要的组成部分，小臂及手在日常生活中作用很大，若因不可抗力失去这一肢体部分，需要假肢实现日常的运动功能和外观表现，主要的功能是对日常所常用的物品的夹取。
3.市场上现有的假肢手因成本或外形限制，往往仅具有抓取功能或单自由度的腕部旋转功能，无法复现人体上肢小臂及手部的真实运动情况。如果增加自由度，不仅需要增加设置电机导致成本上升，设备的重量也会增加，不利于使用者长期佩戴使用。且市场上现有的假肢手佩戴安装往往通过绑带或者定制型腔与残肢固定进行安装，对患者残肢的负担较重，佩戴体验较差，不利于长期使用。
4.因此，如何提供更多自由度，且减轻患者的使用负担，成为本领域的一个重要问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种具有腕部翻转自由度的假肢手支架及其应用，以克服现有技术中存在的假肢手自由度不足、假肢手佩戴体验差及使用者负担重等技术问题，能够改善使用者佩戴体验，减轻假肢手使用负担。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种具有腕部翻转自由度的假肢手支架，该假肢手支架包括依次连接的假肢手安装套、可翻转腕部、小臂部、大臂部及肩固定部，所述的可翻转腕部上设有小臂随动支撑，所述的大臂部上设有大臂随动支撑。
8.进一步地，所述的可翻转腕部包括与假肢手安装套的端部转动连接的传动支撑件、设置在传动支撑件上的腕部壳体、设置在腕部壳体上的平行四边形连杆机构、设置在腕部壳体端部的小臂连接件以及设置在腕部壳体内部的电机驱动机构，所述的假肢手安装套通过平行四边形连杆机构与电机驱动机构传动连接，所述的小臂随动支撑与小臂连接件相连。
9.进一步地，所述的平行四边形连杆机构包括终端连杆、一对平行设置的运动连杆以及与终端连杆平行设置的主动连杆，所述的终端连杆与假肢手安装套相适配，所述的主动连杆与电机驱动机构相适配。
10.进一步地，所述的电机驱动机构依次传动连接的驱动电机、主动齿轮、从动齿轮及传动轴，所述的主动齿轮及从动齿轮均为锥齿轮，并且所述的主动齿轮及从动齿轮的轴线相垂直，所述的主动连杆与传动轴相适配。
11.进一步地，所述的小臂随动支撑包括与小臂连接件相连的小臂支撑连接件及内嵌
于小臂支撑连接件中的小臂固定环。
12.进一步地，所述的小臂部包括小臂部件、第一臂长锁紧组件、第一臂长调整组件、小臂-肘连接件及第一单向阻尼转轴，所述的小臂部件的两端分别与小臂连接件、第一臂长锁紧组件相连，所述的第一臂长调整组件的一端内嵌在小臂部件中，另一端与小臂-肘连接件相连，所述的小臂-肘连接件与第一单向阻尼转轴相连。
13.进一步地，所述的大臂部包括肘-大臂连接件、大臂部件、第二臂长锁紧组件、第二臂长调整组件、肩部安装零件、第二单向阻尼转轴及大臂-肩连接件，所述的肘-大臂连接件的两端分别与第一单向阻尼转轴、大臂部件相连，所述的第二臂长锁紧组件与大臂部件的端部相连，所述的第二臂长调整组件的一端内嵌在大臂部件中，另一端与大臂-肩连接件相连，所述的大臂-肩连接件及肩部安装零件分别与第二单向阻尼转轴相连。
14.进一步地，所述的第一臂长调整组件、第二臂长调整组件均包括外套管及内嵌管，所述的内嵌管的一端位于外套管内，并可沿外套管轴向运动。
15.进一步地，所述的第一臂长锁紧组件、第二臂长锁紧组件均包括固定大轴件、夹紧块及锁紧螺钉，所述的内嵌管位于夹紧块与固定大轴件之间，所述的锁紧螺钉与固定大轴件及夹紧块相适配。
16.一种具有腕部翻转自由度的假肢手支架的应用，应用时，将需要安装的假肢手固定于假肢手安装套中，通过可翻转腕部带动假肢手安装套进行翻转运动，进而驱动假肢手翻转至预设的抓取位置。
17.本发明中，装夹现有假肢手并采用锥齿轮和平行四边形连杆机构传动实现腕部翻转。假肢通过肩部安装零件安装于肩部护具，对应肘、肩处设置单项阻尼转轴以抵消使用过程中负载及设备自重的力。通过臂长调整组件及臂长锁紧组件实现支架尺寸的调整，具由普适性。支架结构轻便，成本低，具备安全性，良好的人机交互，可大大减轻人体使用负担，利于长时间佩戴。
18.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
19.1)本发明中的假肢手支架采用巧妙的机械结构增加了腕部翻转的自由度，弥补了已有假肢手的自由度不足的缺陷。通过电机驱动、锥齿轮传动，使得外形美观，更贴近于人手臂形状。同时，传动布置方式将假肢手位置还原至同健康肢体相同的位置，与人体交互时，便于其产生肢体归属感。
20.2)腕部翻转自由度的限位设置除行程开关限位外，采用具有部分齿的畸形齿轮，在超过极限位置时脱开啮合，可靠地保护人体安全。
21.3)小臂支撑部设计一环形转动副，人体交互时，消除肢体扭转与单自由度假肢手支架固定部分的摩擦力，提高人体佩戴设备的舒适性与柔顺性。
22.4)小臂随动支撑与大臂随动支撑均可以调换方向，以适用于左手或右手。具有普适性。
23.5)小臂部和大臂部均设有臂长调整组件，能够根据人体尺寸需求调整单自由度假肢手支架的尺寸，具有普适性。
24.6)通过肩部固定零件与现有肩部护具进行连接，将载荷加载与肩部护具实现卸载，减轻人体使用负担，具有良好的人机交互。
25.7)采用第一单向阻尼转轴和第二单向阻尼转轴承担设备重力及可能受到的载荷
力，减轻假肢手负重时或因自重使人体产生使用负担，大臂连接部及小臂连接部仅在需要改变肘部或肩部角度时，人体对其产生使之改变角度的力，不改变角度时则不受力。人体使用假肢手设备时的舒适性得到提高，同时使用负担减小，利于假肢手长期佩戴。
附图说明
26.图1为本发明中假肢手支架的整体结构示意图；
27.图2为本发明中可翻转腕部的结构示意图；
28.图3为本发明中可翻转腕部的内部结构示意图；
29.图4为本发明中小臂部的结构示意图；
30.图5为本发明中大臂部的结构示意图；
31.图6为本发明中大臂-肩连接件的结构示意图；
32.图7为本发明中臂长调整组件的结构示意图；
33.图8为本发明中臂长锁紧组件的结构示意图；
34.图9、图10为本发明中腕部壳体不同角度的结构示意图；
35.图中标记说明：
36.1—假肢手安装套、2—小臂随动支撑、3—可翻转腕部、4—小臂部、5—大臂随动支撑、6—大臂部、7—肩固定部、8—终端连杆、9—运动连杆、10—主动连杆、11—腕部壳体、12—小臂连接件、13—传动支撑件、14—端盖、15—从动齿轮、16—传动轴、17—主动齿轮、18—行程开关、19—驱动电机、20—小臂固定环、21—小臂支撑连接件、22—小臂部件、23—第一臂长锁紧组件、24—第一臂长调整组件、25—小臂-肘连接件、26—第一单向阻尼转轴、27—肘-大臂连接件、28—大臂部件、29—第二臂长锁紧组件、30—第二臂长调整组件、31—肩部安装零件、32—第二单向阻尼转轴、33—大臂-肩连接件、34—固定大轴件、35—夹紧块、36—锁紧螺钉、37—外套管、38—内嵌管、39—轴孔、40—第一安装孔、41—电机安装孔、42—第二安装孔。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
38.在如下描述中，特别说明术语“上”、“下”、“内”、“外”、“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”、“四”、“五”、“六”、“七”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.实施例1：
40.如图1至图8所示，本发明提供了一种具有腕部翻转自由度的假肢手支架，包括假
肢手安装套1、可翻转腕部3、小臂随动支撑2、小臂部4、大臂随动支撑5、大臂部6和肩固定部7。假肢手安装套1与现有假肢手连接，特别地，可以根据不同的假肢手进行不同的假肢手安装套1设计，不局限于本发明所示形式。
41.可翻转腕部3由终端连杆8、一对运动连杆9、主动连杆10、腕部壳体11、小臂连接件12、传动支撑件13、从动齿轮15、传动轴16、主动齿轮17、行程开关18、驱动电机19组成。假肢手安装套1下部轴端安装在传动支撑件13细端的孔中且可在孔中转动，传动支撑件13粗端与腕部壳体11相连，假肢手安装套1上部花轴结构与终端连杆8上的花轴孔固连，通过端盖14锁紧；同时，终端连杆8、一对运动连杆9、主动连杆10相连接，构成平行四边形连杆机构；主动连杆10上的花轴孔与传动轴16上端的花轴部分固连，同时也通过端盖14锁紧。传动轴16安装在腕部壳体11上下贯穿的孔中且可在孔中转动，从动齿轮15与传动轴16的法兰盘固连，同时与主动齿轮17啮合，主动齿轮17固连于驱动电机19输出轴上，驱动电机19固连于腕部壳体11垂直于电机轴线的壁上，同时行程开关18固定于腕部壳体11的底面。小臂连接件12的大圆台面与腕部壳体11垂直于电机轴线的壁面固连。
42.小臂随动支撑2包括小臂固定环20和小臂连接支撑件21。小臂支撑连接件21与小臂连接件12径向相连，与小臂连接件12外部的圆弧结构配合固连；小臂固定环20内嵌于小臂支撑连接件21的圆环端且可以相对转动。
43.小臂部4包括小臂部件22、第一臂长锁紧组件23、第一臂长调整组件24、小臂-肘连接件25和第一单向阻尼转轴26，第一臂长锁紧组件23包括固定大轴件34、夹紧块35和锁紧螺钉36，第一臂长调整组件24包括外套管37和内嵌管38。小臂部件22法兰端与小臂连接件12小圆台端固连，方形平面与固定大轴件34相连，第一臂长调整组件24内嵌于小臂部件22中，且外套管37末端与其固连，内嵌管38内嵌于外套管37，且内嵌管38初始端被夹紧块35和固定大轴件34通过锁紧螺钉36锁紧，内嵌管38末端与小臂-肘连接件25圆柱形套固连，小臂-肘连接件25法兰盘与第一单向阻尼转轴26固连。
44.大臂部6包括肘-大臂连接件27、大臂部件28、第二臂长锁紧组件29、第二臂长调整组件30和肩部安装零件31，其中，第二臂长锁紧组件29与第一臂长锁紧组件23结构相同，第二臂长锁紧组件29包括固定大轴件34、夹紧块35和锁紧螺钉36，第二臂长调整组件30与第一臂长调整组件24结构相同，第二臂长调整组件30包括外套管37和内嵌管38。肘-大臂连接件27法兰盘与第一单向阻尼转轴26固连，方形端嵌入大臂部件28的方形槽中并与之固连，相对地，固定大轴件34与其另一端固连，外套管37内嵌于大臂部件28的圆形槽内并与之固连，同时穿过固定大轴件34的孔，内嵌管38内嵌于外套管37，且内嵌管38初始端被夹紧块35和固定大轴件34通过锁紧螺钉36锁紧，内嵌管38末端内嵌大臂-肩连接件33圆柱端并与之固连，大臂-肩连接件33法兰端与第二单向阻尼转轴32的第一法兰面1固连，肩部安装零件31与其第二法兰面固连。
45.如图2、图3、图8所示，终端连杆8、一对运动连杆9、主动连杆10在水平方向布置，构成平行四边形连杆机构，实现翻转自由度沿腕部轴线方向的传递；终端连杆8和主动连杆10分别设有花轴孔分别与假肢手安装套1的花轴部分和传动轴16的花轴部分相配合，实现扭矩的传递。平行于连杆机构，相对地在底部设有传动支撑件13，分别连接假肢手安装套1和腕部壳体11，提高假肢手支架刚度，使得假肢手支架运动平稳。
46.如图9、图10所示，腕部壳体11为一开口的六面体壳，其中上下平面设有贯穿轴孔
39，相对的垂直平面设有电机安装孔41及小臂连接件12的第二安装孔42。内部传动组件安装在腕部壳体11设置的第一安装孔40中且可在孔中转动，驱动电机19输出轴与传动组件输入端主动齿轮17相连，驱动电机19输出轴穿过电机安装孔41并固连与垂直于电机轴线的壁上。小臂连接件12大圆台面与腕部壳体11垂直于电机轴线的壁面通过第二安装孔42固连。在驱动电机19处设置一对轴线垂直啮合的锥齿轮，即主动齿轮17和从动齿轮15；驱动电机19沿腕部轴线方向布置，带动主动齿轮17转动，相应的带动啮合的从动齿轮15转动，从动齿轮15安装在从动轴16的法兰盘处，进一步带动从动轴16转动，继而将旋转扭矩传递至平行四边形连杆机构，最终传递至末端假肢手处。特别地，在腕部壳体11底部壳面处安装固定有两个叠放的行程开关18，通过从动齿轮15底部所带有的爪状结构触发，触发时电机断电以限制翻转自由度的极限角度。
47.如图2、图3所示，小臂随动支撑2与大臂随动支撑5均可以调换方向，以适用于左手或右手。其中，小臂随动支撑2中的小臂连接支撑件21可拆卸，安装固定于小臂连接件12圆弧状滑轨的左右两侧，实现左右调换调整；大臂随动支撑5仅需将其沿大臂部件28轴线旋转180度安装便可实现左右调换调整。与人体固定连接处应设有魔术绑带对人体进行固定。
48.如图4所示，小臂固定环20安装在小臂连接支撑件21中，小臂连接支撑件21固定于小臂连接件12上。小臂固定环20可以做腕部轴线方向的旋转运动，为一被动自由度。
49.如图4、图5所示，第一臂长锁紧组件23、第一臂长调整组件24分别同第二臂长锁紧组件29、第二臂长调整组件30结构相同，以下统称臂长锁紧组件及臂长调整组件。其中，臂长锁紧组件安装于臂长调整组件配合处，用于固定锁紧臂长调整组件的轴向尺寸。如图7、图8所示，为臂长锁紧组件与臂长调整组件结构，通过外套管37与内嵌管38的轴向运动，改变臂长尺寸，同时再通过锁紧螺钉36使夹紧块35与固定大轴件34夹紧内嵌管38，使得臂长尺寸固定。
50.如图4、图5所示，结构末端分别设有第一单向阻尼转轴26和第二单向阻尼转轴32，分别进行说明。第一臂长调整组件24的内嵌管38末端与小臂-肘连接件25固连，小臂-肘连接件25的法兰盘部分安装在第一单向阻尼转轴26转动副一侧，同时肘-大臂连接件27的法兰盘部分安装在第一单向阻尼转轴26转动副另一侧；二者可以单向有阻尼的相对转动，在肘部角度变大的方向产生阻尼，以抵抗设备产生的重力及加载后的载荷力。同样的，第二单向阻尼转轴32的设计同理，其转动副一侧与第二臂长调整组件30的内嵌管38末端上的大臂-肩连接件33的法兰盘固连，另一侧与肩部安装零件31固连，相对转动，在肩部下压的旋转方向产生阻尼，以抵抗设备产生的重力及加载后的载荷力。
51.其中，假肢手安装套1、终端连杆8、运动连杆9、主动连杆10、腕部壳体11、小臂连接件12、传动支撑件13、端盖14、从动齿轮15、传动轴16、主动齿轮17、小臂固定环20、小臂连接支撑件21、小臂部件22、第一臂长锁紧组件23、小臂-肘连接件25、肘-大臂连接件27、大臂部件28、第二臂长锁紧组件29、肩部安装零件31等均由3d打印制造，质量轻，成本低；且大臂随动支撑5与小臂随动支撑2的内部接触处设有海绵，外部由魔术绑带固定，提供良好的人机交互。
52.上述假肢手支架的使用过程包括如下步骤：
53.步骤一：将要安装的假肢手固定于假肢手安装套1中。
54.步骤二：根据穿戴的方向，确定小臂随动支撑2和大臂随动支撑5的安装方向并安
装固定。
55.步骤三：相对于人体肩部外展平行于上肢的位置布置假肢手支架，将现有肩部护具与肩部安装零件31固连，以将该假肢手支架安装在肩部护具上。
56.步骤四：将小臂穿过小臂随动支撑2的小臂固定环20中，通过魔术带进行固定。
57.步骤五：将大臂放置于大臂随动支撑5的环形面上，通过魔术带进行固定。
58.步骤六：通过大臂小臂带动支架调整假肢手末端的位姿。
59.步骤七：启动驱动电机19，带动主动齿轮17转动，与其啮合的从动齿轮15旋转，带动固连的传动轴16旋转，进一步带动平行四边形连杆机构作用，最终带动末端假肢手安装套1进行垂直面上的翻转运动，从而驱动假肢手进行翻转至合适的抓取位置。其中，从动齿轮15为一畸形齿轮，仅有半面齿，可以在机构超出行程时自动脱离啮合状态，假肢手翻转自由度不受力；同时齿轮底部设有两个爪状结构，在极限位置触发行程开关18，进行限位保护。
60.实施例2：
61.一种具有腕部翻转自由度的假肢手支架，包括依次连接的假肢手安装套1、可翻转腕部3、小臂部4、大臂部6及肩固定部7，可翻转腕部3上设有小臂随动支撑2，大臂部6上设有大臂随动支撑5。
62.其中，可翻转腕部3包括与假肢手安装套1的端部转动连接的传动支撑件13、设置在传动支撑件13上的腕部壳体11、设置在腕部壳体11上的平行四边形连杆机构、设置在腕部壳体11端部的小臂连接件12以及设置在腕部壳体11内部的电机驱动机构，假肢手安装套1通过平行四边形连杆机构与电机驱动机构传动连接，小臂随动支撑2与小臂连接件12相连。
63.平行四边形连杆机构包括终端连杆8、一对平行设置的运动连杆9以及与终端连杆8平行设置的主动连杆10，终端连杆8与假肢手安装套1相适配，主动连杆10与电机驱动机构相适配。
64.电机驱动机构依次传动连接的驱动电机19、主动齿轮17、从动齿轮15及传动轴16，主动齿轮17及从动齿轮15均为锥齿轮，并且主动齿轮17及从动齿轮15的轴线相垂直，主动连杆10与传动轴16相适配。
65.小臂随动支撑2包括与小臂连接件12相连的小臂支撑连接件21及内嵌于小臂支撑连接件21中的小臂固定环20。
66.小臂部4包括小臂部件22、第一臂长锁紧组件23、第一臂长调整组件24、小臂-肘连接件25及第一单向阻尼转轴26，小臂部件22的两端分别与小臂连接件12、第一臂长锁紧组件23相连，第一臂长调整组件24的一端内嵌在小臂部件22中，另一端与小臂-肘连接件25相连，小臂-肘连接件25与第一单向阻尼转轴26相连。
67.大臂部6包括肘-大臂连接件27、大臂部件28、第二臂长锁紧组件29、第二臂长调整组件30、肩部安装零件31、第二单向阻尼转轴32及大臂-肩连接件33，肘-大臂连接件27的两端分别与第一单向阻尼转轴26、大臂部件28相连，第二臂长锁紧组件29与大臂部件28的端部相连，第二臂长调整组件30的一端内嵌在大臂部件28中，另一端与大臂-肩连接件33相连，大臂-肩连接件33及肩部安装零件31分别与第二单向阻尼转轴32相连。
68.第一臂长调整组件24、第二臂长调整组件30均包括外套管37及内嵌管38，内嵌管
38的一端位于外套管37内，并可沿外套管37轴向运动。
69.第一臂长锁紧组件23、第二臂长锁紧组件29均包括固定大轴件34、夹紧块35及锁紧螺钉36，内嵌管38位于夹紧块35与固定大轴件34之间，锁紧螺钉36与固定大轴件34及夹紧块35相适配。
70.假肢手支架应用时，将需要安装的假肢手固定于假肢手安装套1中，通过可翻转腕部3带动假肢手安装套1进行翻转运动，进而驱动假肢手翻转至预设的抓取位置。
71.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。