一种基于行星齿轮系的欠驱动假肢手系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于行星齿轮系的欠驱动假肢手系统以实现连续的手部运动。该系统包括驱动系统，传动系统以及机械手三部分，其中驱动系统包括步进电机和行星齿轮系，传动系统包括软轴和蜗轮蜗杆等传动机构，机械手包括手掌和五根手指，每个手指具有多个可转动的关节。驱动系统中的行星齿轮系能够将两个步进电机的输入通过协同作用的方式转化为十三根输出软轴的转动，从而协同控制机械手上各个关节的运动，使其能够实现一些日常生活中的抓取动作和旋转康复训练球的运动。本发明专利技术通过仅仅两个输入的方式实现了复杂的抓取动作，使得缺少手部的残疾人能够通过少而精确的肌肉电信号来控制机械手的运动，具有灵活度高、使用方便的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于行星齿轮系的欠驱动假肢手系统
本专利技术涉及医用器械
，特别涉及医用假肢手系统。
技术介绍
尝试重建丧失一只手的残疾人的运动功能时，一个特别具有挑战性的任务是建立一个有拟人化形态，并可以正确地复现原有精致运动的假肢手。为了实现这一目标，这个假肢手需要能够适合各种日常动作，可以被截肢者的生物信号接口控制，如肌电信号和脑电信号。当今世界上有许多先进的完全驱动拟人化的机器人手，它们大都使用了较多的输入来控制手的各个自由度，但由于现有的肌电信号分析和获取能力有限，许多现有的仿生手的设计采用了一种欠驱动方法，即驱动输入的数量小于输出的数量。神经学最新进展表明，中枢神经系统控制手的肌肉协调方式被称为对姿势的协同效应。每个位置的协同对应手部肌肉的弯曲/伸展驱动状。中枢神经系统运用了姿势的协同效应，通过调整每个协同的比重(或称为系数)，以实现不同的手部动作。其中，结合两个主要位置的协同效应约占了几十种抓取姿势中的84%。这些发现使得用较少的输入有效地控制机器手成为可能，通过机械结构来实现姿势的协同作用并最大地减少输入轴的数量，将大大降低假肢手的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是使假肢手通过行星齿轮系以欠驱动的方式将两组输入转化为协同的十三组输出从而驱动机械手完成不同的抓取动作。为实现上述目的，本专利技术提供了基于行星齿轮系的假肢手系统，该系统能够通过多组行星齿轮系不同的传动比和不同的输入输出方式实现对两个输入的不同的运动合成，从而协同的控制每一组输出，再通过传动系统将这些输出的效果传递到机械手上，由于每个输出对应着机械手上的各个关节，从而能够使`机械手完成不同的抓取动作。本发基于行星齿轮系的假肢手系统由驱动系统，传动系统以及机械手三部分构成。驱动系统包括两个步进电机和包括八组齿轮系的齿轮箱。步进电机由相对简易的集成板卡和对应的控制程序控制，程序中可以通过修改其转动方向、角度和速度来达到精确控制的目的。齿轮箱是此专利技术中最为关键的一环，它包括两个输入轴和十三根输出轴，两根输入轴分别由两个步进电机控制，十三根输出轴则由七组行星齿轮系和一组普通的齿轮系控制。七组行星齿轮系通过太阳轮，行星轮和周轮的不同齿轮减速比和不同的输入输出方式(即三种齿轮中的两种作为输入，剩下一种作为输出)，将两个输入合成并转化为对应的十一个输出，即一组行星齿轮系可以对应多个输出。剩下的一组普通齿轮系的作用是将单独的输入通过齿轮减速比转化为两组单独的输出。传动系统包括软轴以及与软轴对应的蜗轮蜗杆输出轴通过联轴器连接到对应的软轴上，在软轴的另一端同样用联轴器将软轴和蜗杆固定，再由蜗杆带动涡轮，以驱动手指级手掌相应关节的运动。因此传动系统将输出轴的转动通过蜗轮蜗杆的减速比转化为了涡轮的转动，因为软轴具有很好的扭矩，再加上蜗轮蜗杆1:20的减速比，所以软轴上的传动误差在体现在涡轮上之后只有原有的二十分之一，因此这个传动链存在着可以忽略的传动误差。传动系统还包括滑杆和连杆等传动机构。机械手包括手掌，五根手指，驱动系统的十三根输出轴分别对应五个手指的十三个关节，包括食指、中指、无名指和小指各自的掌指关节和近端指间关节和一个共同的外展关节，以及大拇指的指间关节，掌指关节，末端旋转关节和外展关节，食指、中指、无名指和小指还包括远端指间关节，一组远端指间关节和近端指间关节由一根输出轴控制。手掌部分包括了上下盖板以及固定五个手指所需的轴孔，螺丝孔。在手掌的内部有一套通过滑杆驱动的四个手指的外展的驱动机构，这组机构同样由一跟软轴控制。对于五根手指，食指、中指、无名指和小指的构型类似，差异只体现在每个指节的长度上。这四个手指的传动链以连杆机构为基础，由装在掌指关节处的涡轮带动连杆的运动，从而控制指间关节和近端指间关节的转动。对于大拇指，考虑到其结构的相对复杂性，使用了齿轮链作为传动方式，考虑到软轴的转动角度，在大拇指末端旋转关节处使用了一组较小的行星齿轮减速器来实现合适的减速比。 一种基于行星齿轮系的欠驱动假肢手系统，该假肢手系统包括驱动系统、传动系统和机械手，该驱动系统包括步进电机及行星齿轮箱，行星齿轮箱包括输入轴与输出轴，步进电机与行星齿轮箱的输入轴相连；机械手包括手掌和五个手指，手指上设有可活动的关节；以及传动系统包括软轴和传动机构，软轴一端与输出轴相连，软轴的另一端经由传动机构与机械手的各个关节相连；其中，行星齿轮箱能够将步进电机的输入通过协同作用的方式转化为输出轴的转动并通过传动系统传递给机械手从而协同控制机械手上各个关节的运动。优选地，行星齿轮箱还包括行星齿轮系、普通齿轮系、惰轮轴和隔板，每组齿轮系均包括输入齿轮和输出齿轮，部分齿轮系还包括惰轮，每组齿轮系位于相邻的两块隔板之间，输入轴、输出轴和惰轮轴均贯穿隔板且通过紧定装置分别与各组齿轮系的输入齿轮、输出齿轮和惰轮固定连接。优选地，行星齿轮系包括太阳轮、周轮、行星轮、惰轮和驱动齿轮，太阳轮、周轮、行星轮中的两种齿轮的转动由两根输入轴控制，另一种齿轮与这两种齿轮配合而发生的转动传递给输出轴；普通齿轮系将每根输入轴的独立转动输入转化为独立的转动输出。优选地，行星齿轮箱包括七组行星齿轮系、一组普通齿轮系、两根输入轴、十三根输出轴、六根惰轮轴和九块隔板，七组行星齿轮系将两根输入轴的转动输入共合成并转化为十一种转动输出，一组普通齿轮系将两个输入轴的独立转动输入转化为两个独立的转动输出，从而使得驱动系统共有十三种输出；传动系统包括十三根软轴，每根软轴的一端通过联轴器与驱动系统的一根输出轴固定连接。优选地，传动机构包括蜗轮蜗杆和连杆，机械手的五个手指包含大拇指，大拇指包括第一指节、第二指节和第三指节，相邻指节之间可以相互转动而具有指间关节和掌指关节，大拇指的根部还具有末端旋转关节和外展关节，其中，末端旋转关节与一根软轴相连；外展关节处连接有蜗轮，与蜗轮配合的蜗杆通过联轴器与一根软轴相连；掌指关节通过蜗轮蜗杆与一根软轴相连；以及指间关节通过连杆以及蜗轮蜗杆与一根软轴相连。优选地，大拇指的末端旋转关节处连接有小型减速齿轮器，小型减速齿轮器通过联轴器与一根软轴固定连接。优选地，掌指关节处还设有一组与相应的蜗轮啮合的数个相互啮合的齿轮，其中一个齿轮与大拇指第二指节固定相连，蜗轮可旋转地连接于大拇指第三指节，相应的蜗杆与该蜗轮啮合并通过联轴器与一根软轴固定连接；连杆的一端与大拇指第一指节固定连接，在大拇指的第三指节上可旋转地连接有数个相互啮合的齿轮和蜗轮，其中一个齿轮与大拇指第二指节及连杆的另一端固定相连，与蜗轮啮合的蜗杆通过联轴器与另一根软轴固定连接，连杆直接控制指间关节的转动。优选地，传动机构包括蜗轮蜗杆和连杆，机械手的除了大拇指之外的四根手指包括食指、中指、无名指和小拇指，这四根手指具有相似的尺寸且均通过手指基座与手掌连接，每根手指均包括第一指节、第二指节、第三指节以及近端指间关节、远端指间关节和掌指关节，相邻指节之间可以相互转动，每个手指的第三指节与手指基座可旋转地连接，其中一个蜗轮与第三指节固定连接，与该蜗轮啮合的蜗杆通过联轴器与一根软轴固定连接；另一个蜗轮与手指基座可旋转地连接，第一根连杆的两端分别与该蜗轮和第二指节可转动相连，第二根连杆的两端分别与食指第二指节和第一指节可转动相连，与该蜗轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于行星齿轮系的欠驱动假肢手系统，其特征在于，所述假肢手系统包括驱动系统、传动系统和机械手，其中所述驱动系统包括步进电机及行星齿轮箱，所述行星齿轮箱包括输入轴与输出轴，所述步进电机与所述行星齿轮箱的输入轴相连；所述机械手包括手掌和五个手指，所述手指上设有可活动的关节；以及所述传动系统包括软轴和传动机构，所述软轴一端与所述输出轴相连，所述软轴的另一端经由所述传动机构与所述机械手的各个关节相连；其中，所述行星齿轮箱能够将所述步进电机的输入通过协同作用的方式转化为所述输出轴的转动并通过所述传动系统传递给所述机械手从而协同控制所述机械手上各个关节的运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于行星齿轮系的欠驱动假肢手系统，其特征在于，所述假肢手系统包括驱动系统、传动系统和机械手，其中 所述驱动系统包括步进电机及行星齿轮箱，所述行星齿轮箱包括输入轴与输出轴，所述步进电机与所述行星齿轮箱的输入轴相连； 所述机械手包括手掌和五个手指，所述手指上设有可活动的关节；以及 所述传动系统包括软轴和传动机构，所述软轴一端与所述输出轴相连，所述软轴的另一端经由所述传动机构与所述机械手的各个关节相连；其中， 所述行星齿轮箱能够将所述步进电机的输入通过协同作用的方式转化为所述输出轴的转动并通过所述传动系统传递给所述机械手从而协同控制所述机械手上各个关节的运动。2.如权利要求1所述的假肢手系统，其特征在于，所述行星齿轮箱还包括行星齿轮系、普通齿轮系、惰轮轴和隔板,每组齿轮系均包括输入齿轮和输出齿轮,部分齿轮系还包括惰轮，每组齿轮系位于相邻的两块隔板之间，所述输入轴、输出轴和惰轮轴均贯穿隔板且通过紧定装置分别与各组齿轮系的输入齿轮、输出齿轮和惰轮固定连接。3.如权利要求2所述的假肢手系统，其特征在于，所述行星齿轮系包括太阳轮、周轮、行星轮、惰轮和驱动齿轮，所述太阳轮、周轮、行星轮中的两种齿轮的转动由两根输入轴控制，另一种齿轮与这两种齿轮配合而发生的转动传递给输出轴；所述普通齿轮系将每根输入轴的独立转动输入转化为独立的转动输出。4.如权利要求3所述的假肢手系统，其特征在于，所述行星齿轮箱包括七组行星齿轮系、一组普通齿轮系、两根输入轴、十三根输出轴、六根惰轮轴和九块隔板，所述七组行星齿轮系将所述两根输入轴的转动输入共合成并转化为十一种转动输出，一组普通齿轮系将两个输入轴的独立转动输入转化为两个独立的转动输出，从而使得所述驱动系统共有十三种输出；所述传动系统包括十三根软轴，每根软轴的一端通过联轴器与所述驱动系统的一根输出轴固定连接。5.如权利要求4所述的假肢手系统，其特征在于，所述传动机构包括蜗轮蜗杆和连杆，所述机械手的五个手指包含大拇指，所述大拇指包括第一指节、第二指节和第三指节，相邻指节之间可以相互转动而具有指间关节和掌指关节，大拇指的根部还具有末端旋转关节和外展关节，其中， 所述末端旋转关节与一根软轴相连； 所述外展关节处连接有蜗轮，与所述蜗轮配合的蜗杆通过联轴器与一根软轴相连； 所述掌指关节通过蜗轮蜗杆与一根软轴相连；以及 所述指间关节通...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐凯，刘欢，杜宇恒，赵江然，刘国庆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：