【技术实现步骤摘要】
个性化绳索驱动仿人假肢手装置及其设计、仿真与制作方法
[0001]本专利技术涉及上肢假肢及康复辅具
，具体为一种个性化绳索驱动仿人假肢手装置及其设计、仿真与制作方法。
技术介绍
[0002]假肢手是对残障人群的手部肢体障碍进行补偿、替代或者修复的一种康复辅助器具，它的主要作用是代替肢体残障患者失去的手部结构以及功能，使肢残患者恢复一定的生活自理和学习、工作等社会参与能力。
[0003]目前，假肢手的应用和普及所面临的主要问题是价格昂贵，结构复杂，外观机械化，运动生硬等。例如，公告号为CN110123495A的中国专利技术专利，公开了“一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统、方法及装置”，其通过3D扫描仪扫描截肢患者残肢、单臂截肢患者健侧手臂、双臂截肢患者选择的参考手臂生成原始3D模型。特别的，对于单臂截肢患者，通过对健侧手部3D模型的对称镜像，生成目标仿生假肢的所述原始3D模型。在对3D模型嵌入标准化的手指驱动装置和传动装置，并且根据生成的3D模型，利用三维重构算法建立接受腔内腔3D模型，并且进行有限元模拟分析...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种个性化绳索驱动仿人假肢手装置，其特征在于：包括假肢手多刚体模型、关节铰链、手臂接受腔、尼龙绳、舵机；所述关节铰链包括单自由度关节铰链和双自由度关节铰链；所述假肢手多刚体模型包括大多角骨（21）、第一掌骨（20）、第二掌骨（19）、第三掌骨（2）、第四掌骨（3）、第五掌骨（4）、拇指近节指骨（18）、拇指远节指骨（17）、食指近节指骨（16）、食指中节指骨（14）、食指远节指骨（13）、中指近节指骨（15）、中指中节指骨（12）、中指远节指骨（11）、无名指近节指骨（8）、无名指中节指骨（10）、无名指远节指骨（9）、小指近节指骨（5）、小指中节指骨（6）和小指远节指骨（7）；所述第一掌骨（20）与大多角骨（21）之间通过第一关节铰链（28）连接，所述拇指近节指骨（18）与第一掌骨（20）之间通过第六关节铰链（41）连接，所述拇指远节指骨（17）与拇指近节指骨（18）通过第七关节铰链（42）连接，所述第二掌骨（19）与大多角骨（21）固定连接，所述第二掌骨（19）与食指近节指骨（16）之间通过第二关节铰链（29）连接，所述食指近节指骨（16）与第二掌骨（19）通过第八关节铰链（40）连接，所述食指远节指骨（13）与食指中节指骨（14）通过第九关节铰链（39）连接，所述第三掌骨（2）与大多角骨（21）固定连接，所述第三掌骨（2）与中指近节指骨（15）通过第三关节铰链（30）连接，所述中指近节指骨（15）与中指中节指骨（12）通过第十关节铰链（37）连接，所述中指中节指骨（12）与中指远节指骨（11）通过第十一关节铰链（38）连接，所述第四掌骨（3）与大多角骨（21）固定连接，所述第四掌骨（3）与无名指近节指骨（8）通过第四关节铰链（31）连接，所述无名指近节指骨（8）与无名指中节指骨（10）通过第十二关节铰链（35）连接，所述无名指中节指骨（10）与无名指远节指骨（9）通过第十三关节铰链（36）连接，所述第五掌骨（4）与大多角骨（21）固定连接，所述第五掌骨（4）与小指近节指骨（5）通过第五关节铰链（32）连接，所述第五关节铰链（5）与小指中节指骨（6）通过第十四关节铰链（33）连接，所述小指中节指骨（6）与小指远节指骨（7）通过第十五关节铰链（34）连接；所述第二掌骨（19）、第三掌骨（2）、第四掌骨（3）、第五掌骨（4）还固定连接于同心圆弧拉伸体（51）；所述同心圆弧拉伸体（51）位于腕部；所述第六关节铰链（41）、第七关节铰链（42）依次到第十五关节铰链（34）为单自由度关节铰链，所述第一关节铰链（28）、第二关节铰链（29）、依次到第五关节铰链（32）为双自由度关节铰链；所述尼龙绳设置于手部三维几何模型的掌侧，背侧不添加绳索；在所有手指的远指节近端、中指节近端、近指节近端、手指掌指远端和腕部同心圆弧拉伸体（51）上均设置有绳索固定块，每根手指上设有一根控制手指活动的尼龙绳，每根尼龙绳的一端固定于远指节近端的绳索固定块，另一端依次穿过中指节近端、近指节近端、手指掌指远端和腕部同心圆弧拉伸体（51）上的绳索固定块，最后连接于舵机的舵机臂上；所述手臂接受腔包括掌侧壳体和背侧壳体（46），所述掌侧壳体和背侧壳体（46）通过两侧的连接带扣（45）连接为一体、截面为椭圆形，所述掌侧壳体包括呈分体结构的掌壳上（43）与掌壳下（44），所述背侧壳体（46）包括一体的背壳上（52）和背壳下（53）、且通过固定的隔板分隔开，所述掌壳上（43）与背壳上（52）正对匹配，形成上腔体，所述掌壳下（44）与背壳下（53）正对匹配，形成下腔体；所述背壳上（52）内还安装有舵机固定架（54），所述舵机固定架（54）为一个T形架，包括横杆部分与竖杆部分，所述竖杆部分开有用于安装舵机的
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凸”形槽，所述“凸”形槽的头部伸至横杆部分，所述横杆部分通过两个螺栓安装于背侧壳体（46）内的隔板上；所述同心圆弧拉伸体（51）固定于手腕固定支座（47）上，所述手腕固定支座（47）呈T形、其底面形状与背壳上（52）上端部的形状相匹配、且通过螺栓连接的方式安
装于背壳上（52）的上端部；所述舵机固定架（54）内安装有舵机，舵机上固有舵机臂，位于掌壳上（43）内且与舵机正对的位置设置有单片机控制板，尼龙绳、舵机、舵机臂、单片机控制板共同构成了绳索驱动系统；舵机的电源为充电电池；所述掌壳下（44）与背壳下（53）用于连接上肢残疾人的残臂；每根手指的指骨与掌骨外部通过胶带固定有导管、肌能效贴与乳胶条，整个假肢手多刚体模型外侧套有仿真皮肤手套，位于假肢手多刚体模型与仿真皮肤手套之间为填充物，所述背壳上（52）接近手腕固定支座（47）的位置开有若干有序排列的通孔（55），其中有两个相邻的通孔（55）内插有黄铜棒，所述乳胶条绑扎于黄铜棒上。2.根据权利要求1所述的一种个性化绳索驱动仿人假肢手装置，其特征在于：所述单自由度关节铰链包括凹入端（48）和凸出端（49），所述凹入端（48）和凸出端（49）铰接，所述凸出端（49）固定于所有手指远节指骨与中节指骨的近端，所述凹入端（48）固定于所有手指中节指骨与近节指骨的远端，所述双自由度关节铰链包括铰链块（50）与凹入端（48），所述近节指骨的近端与掌骨的远端设有凹入端（48），所述近节指骨近端与掌骨远端的凹入端（48）之间通过铰链块（50）连接；所述连接带扣为魔术贴，魔术贴包括钩面和毛面。3.一种个性化绳索驱动仿人假肢手装置的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：1）获取手部骨骼三维模型，通过获取健康人手的 CT 医学图像数据，将图像数据以 DICOM 格式导入到 Mimics 软件中，通过修改图像灰度参数，将人手部的骨骼轮廓分割出来，使用添涂工具，按照图像层数逐层修补手部骨骼孔洞，并删除多余的图像杂点；将手部骨骼几何模型建立好后，几何模型的指骨与掌骨之间还处于连接状态，使用删除工具对骨间多余部分逐层进行图像中各骨骼间的分割，将所有指骨与掌骨进行分割；2）处理模型：对手部骨骼三维模型进行分组处理，并赋予其不同的颜色属性，其中，其中手部八块腕骨定义为一组，包括分别是钩骨、大多角骨、小多角骨、手舟骨、头状骨、月骨、三角骨、豌豆骨，第一掌骨、第二掌骨、第三掌骨、第四掌骨、第五掌骨定义为一组，拇指近节指骨、食指近节指骨、中指近节指骨、无名指近节指骨、小指近节指骨定义为一组，食指中节指骨、中指中节指骨、无名指中节指骨、小指中节指骨定义为一组，拇指远节指骨、食指远节指骨、中指远节指骨、无名指远节指骨和小指远节指骨定义为一组；接着将模型整体复制并且粘贴到 3
‑
matic 软件界面中，依次对手部每一个指骨或掌骨的骨骼进行表面光滑处理；3）将处理好的手部骨骼三维模型导入到UG软件中；根据关节类型和关节运动自由度，在手部各指骨间设计单自由度关节铰链，在除拇指外其余四指各近节指骨与掌骨间、第一掌骨与大多角骨间设计双自由度关节铰链，其中单自由度关节铰链位于拇指掌指关节和指间关节处和其他四指的近指间关节和远指间关节处，命名方式依次从拇指到小指，且由各手指近端到远端，依次为第六关节铰链到第十五关节铰链；双自由度关节铰链分别为第一关节铰链、第二关节铰链、第三关节铰链、第四关节铰链和第五关节铰链，依次位于拇指腕掌关节处、食指掌指关节处、中指掌指关节处、无名指掌指关节处、小指掌指关节处；双自由度铰链内有单独的铰链块，安装在假肢手的除拇指外其余四指掌指关节处和拇指的腕掌关节处，作用是为了保证上述关节具有两个垂直方向上的转动自由度；4）考虑到拇指运动的特殊性以及第一掌骨与腕骨之间的解剖学结构，保留大多角骨，另外七块腕骨与手指掌骨间运动自由度较小而将另外七块腕骨删除，将四根手指掌骨近端和大多角骨固定在一起；在Solidworks软件中，将保存好的几何模型和矩形块模型逐个导
入装配体界面，对所有模型进行铰链铰接并组装各部分零件，完成假肢手模型的多刚体系统建模；5）构建手臂接受腔及剩余非标件模型，手臂接受腔的端面近似椭圆形，建模前先测量与缺失上肢前臂残疾人相似的健康人手或残疾人健侧手的前臂腕部和肘部的臂厚与臂宽尺寸，测量前臂臂长尺寸，进行个性化定制；在Solidworks软件中完成接受腔基础壳体的建模；6）将手臂接受腔的壳体分成上下两个腔体，上腔体用于放置电机、单片机和电气连接元件，并用于连接假肢手多刚体模型；下腔体用于和残疾人上肢残臂部分连接；手臂接受腔基础壳体分为背侧壳体和掌侧壳体，掌侧壳体...
【专利技术属性】
技术研发人员：张绪树，刘晓杰，郭媛，郭壮，何栋栋，武晓刚，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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