一種新型假肢的構(gòu)思

武曉雪 張飛航 昝鷺鷥 張晗

摘要：現(xiàn)在市場(chǎng)上假肢有很多，大概可以分為三種，即為肌電式假肢，索控式假肢，裝飾性假肢。所謂的裝飾性假肢就是只起到裝飾性作用，可以被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但是不可主動(dòng)運(yùn)動(dòng)；索控式假肢現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被肌電式假肢取代，這里本文章就不在加以介紹；肌電式假肢是先在應(yīng)用最廣的假肢，它是通過(guò)接收患者患肢的肌肉點(diǎn)信號(hào)來(lái)控制假肢運(yùn)動(dòng)的?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的肌電式假肢一般具有兩到三個(gè)自由度，其中以兩自由度的假肢為主，即可以實(shí)現(xiàn)人手的張開(kāi)閉合以及手肘的肘伸肘曲等運(yùn)動(dòng)。由于人的手臂時(shí)通過(guò)肌肉電信號(hào)，神經(jīng)電信號(hào)等共同控制的，也就是說(shuō)肌電式假肢所能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)相比于正常的人手臂具有一定的局限性。

關(guān)鍵字：假肢、語(yǔ)音控制、九自由度

正文：

針對(duì)現(xiàn)在假肢的不足之處，本文章給出了一個(gè)新型假肢的構(gòu)思，即九自由度語(yǔ)音控制上臂假肢。九自由度可以細(xì)分為手掌6個(gè)，手腕1個(gè)；手肘2個(gè)自由度。整體采用語(yǔ)音控制， 即只要人將想做的運(yùn)動(dòng)通過(guò)言語(yǔ)就可以實(shí)現(xiàn)，相比于肌電式假肢，它沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作上的局限性。

手掌具有6個(gè)自由度，即可以實(shí)現(xiàn)每根手指的彎曲、伸直以及可以實(shí)現(xiàn)虎口的內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)。具體的實(shí)現(xiàn)方式是手指的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)絲桿電機(jī)外加單自由度的連桿機(jī)構(gòu)或是采用三個(gè)桿件，它們之間通過(guò)鉸鏈鉸接，動(dòng)力源為舵機(jī)或是絲桿電機(jī)，連動(dòng)元件是鋼絲繩，鋼絲繩的一端連載指頭上，另一端連載動(dòng)力源的輸出元件上，動(dòng)力源的輸出元件通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的彎曲與伸直的運(yùn)動(dòng)?；⒖谖恢蒙?，可以才用舵機(jī)作為動(dòng)力源，舵機(jī)與虎口運(yùn)動(dòng)部件固連在一起，舵機(jī)臂與虎口固定部件固連。通過(guò)舵機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)虎口運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)虎口的內(nèi)外旋等運(yùn)動(dòng)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)手掌的6個(gè)自由度。

手腕部分具有一個(gè)自由度，即可以模擬人手腕的背伸背曲等運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)的方法有二：第一種實(shí)現(xiàn)方式就是通過(guò)雙軸數(shù)字舵機(jī)，一端與仿生小臂固連，它的輸出軸通過(guò)舵機(jī)臂與手掌固連，固連的方式采用螺栓連接。第二種方法是采用單軸模擬舵機(jī)，為了連接穩(wěn)定，需要在它的輸出軸背面打一個(gè)通孔，這個(gè)通孔的軸線要與舵機(jī)輸出軸軸線共線。除此之外還有設(shè)計(jì)一個(gè)C字形舵機(jī)臂，一端與舵機(jī)臂通過(guò)螺栓固連，另一端通過(guò)螺栓與舵機(jī)固連，要做到這個(gè)C字形舵機(jī)臂能繞舵機(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)的一端與仿生小臂固連，C字型舵機(jī)臂與仿生手掌通過(guò)螺栓固連。這種方式較第一種方法所具有的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，但是它需要額外的加工，而且對(duì)加工精度要求較高。這種方法中的C字形舵機(jī)臂的加工方式有三種，第一種是通過(guò)沖壓和轉(zhuǎn)孔的方式加工，第二種加工方式是通過(guò)數(shù)控銑床加工。第三種加工方式是通過(guò)3D打印加工。這三種加工方式的應(yīng)用場(chǎng)合不同。如果對(duì)假肢的負(fù)重能力的要求較高，可以采用第一種和第二種加工方式，這前兩種加工方式也各有利弊。第一種加工方式的加工費(fèi)較低，但是第一種加工方式的加工精度受加工人員的技術(shù)能力的影響較大。第二種加工方式的優(yōu)點(diǎn)是加工精度較高，但是第二種加工方式的加工費(fèi)用較高。如果對(duì)假肢的負(fù)重要求不大，但是有成本低的要求，這時(shí)可以采用第三種加工方式，這種加工方式對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)加工設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。

手肘部分具有兩個(gè)自由度，即可以實(shí)現(xiàn)人手軸的肘曲肘伸，內(nèi)外旋的運(yùn)動(dòng)。具體的實(shí)現(xiàn)方式如下：實(shí)現(xiàn)手肘的內(nèi)外旋的運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源是舵機(jī)，舵機(jī)的一端與仿生上臂相連，舵機(jī)的輸出軸與舵機(jī)臂鉸接，舵機(jī)臂仿生小臂固連。這樣通過(guò)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)舵機(jī)臂，就可以帶動(dòng)小臂相對(duì)于仿生大臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了模擬人手肘內(nèi)外旋的運(yùn)動(dòng)。而實(shí)現(xiàn)人手肘肘伸肘曲的運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源可以采用雙軸直流減速電機(jī)，雙軸直流減速電機(jī)的參數(shù)要根據(jù)負(fù)重的最大重量，假肢小臂的重量以及小臂的長(zhǎng)度等參數(shù)來(lái)確定。減速電機(jī)的輸出軸通過(guò)擺臂和仿生小臂固連，通過(guò)減速電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)擺臂帶動(dòng)仿生小臂的旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)仿生手臂的肘伸，肘曲等運(yùn)動(dòng)。

綜上一種新型假肢的構(gòu)思已經(jīng)全部介紹完畢。九自由度的假肢本體加上語(yǔ)音控制，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ钪谢拘枰?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1].朱健. 一種新型欠驅(qū)動(dòng)仿人假肢手的設(shè)計(jì)與研究[D]. 上海交通大學(xué)， 2006.

[2].吳波， 陳照波， 程明. 新型假肢膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與仿真研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2015（6）：5-8.

[3].喻洪流上海理工大學(xué)生物力學(xué)與康復(fù)工程研究所， 錢省三. 基于小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的步速跟隨智能膝上假肢[J]. 中國(guó)組織工程研究， 2007， 11（31）：6233-6235.