一種對上臂式假肢改進的方法

付彬　王濤　王浩帆　王泳宏

摘 要：上臂式假肢的種類有很多。按控制方法分類，上臂式假肢可以分為裝飾性假肢、索控式假肢、肌電式假肢、語音控制假肢、腦電波控制假肢等等。按假肢運動的主動與被動的形式分類，上臂式假肢可以分為裝飾性假肢和非裝飾假肢。按假肢的自由度分類，上臂式假肢可以分為兩自由度上臂式假肢、三自由度上臂式假肢、四自由度上臂式假肢等等。肌電式假肢是先在應(yīng)用最廣的假肢，它是通過接收患者患肢的肌肉點信號來控制假肢運動的?，F(xiàn)在市場上的肌電式假肢一般具有兩到三個自由度，其中以兩自由度的假肢為主，即可以實現(xiàn)人手的張開閉合以及手肘的肘伸肘曲等運動。由于人的手臂時通過肌肉電信號，神經(jīng)電信號等共同控制的，也就是說肌電式假肢所能實現(xiàn)的運動相比于正常的人手臂具有一定的局限性。

關(guān)鍵詞：假肢、改進方法

針對現(xiàn)在假肢的不足之處，本文章給出了一個新型假肢的構(gòu)思，即九自由度語音控制上臂假肢。九自由度可以細分為手掌6個，手腕1個；手肘2個自由度。整體采用語音控制， 即只要人將想做的運動通過言語就可以實現(xiàn)，相比于肌電式假肢，它沒有實現(xiàn)的動作上的局限性。

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

手腕部分具有一個自由度，即可以模擬人手腕的背伸背曲等運動。實現(xiàn)的方法有二：第一種實現(xiàn)方式就是通過雙軸數(shù)字舵機，一端與仿生小臂固連，它的輸出軸通過舵機臂與手掌固連，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，為了連接穩(wěn)定，需要在它的輸出軸背面打一個通孔，這個通孔的軸線要與舵機輸出軸軸線共線。除此之外還有設(shè)計一個C字形舵機臂，一端與舵機臂通過螺栓固連，另一端通過螺栓與舵機固連，要做到這個C字形舵機臂能繞舵機的輸出軸旋轉(zhuǎn)。舵機的一端與仿生小臂固連，C字型舵機臂與仿生手掌通過螺栓固連。這種方式較第一種方法所具有的優(yōu)點是成本較低，但是它需要額外的加工，而且對加工精度要求較高。這種方法中的C字形舵機臂的加工方式有三種，第一種是通過沖壓和轉(zhuǎn)孔的方式加工，第二種加工方式是通過數(shù)控銑床加工。第三種加工方式是通過3D打印加工。這三種加工方式的應(yīng)用場合不同。如果對假肢的負重能力的要求較高，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)點是加工精度較高，但是第二種加工方式的加工費用較高。如果對假肢的負重要求不大，但是有成本低的要求，這時可以采用第三種加工方式，這種加工方式對設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗和相應(yīng)加工設(shè)備的使用經(jīng)驗有較高的要求。

手肘部分具有兩個自由度，即可以實現(xiàn)人手軸的肘曲肘伸，內(nèi)外旋的運動。具體的實現(xiàn)方式如下：實現(xiàn)手肘的內(nèi)外旋的運動的動力源是舵機，舵機的一端與仿生上臂相連，舵機的輸出軸與舵機臂鉸接，舵機臂仿生小臂固連。這樣通過舵機的旋轉(zhuǎn)，通過舵機臂，就可以帶動小臂相對于仿生大臂做旋轉(zhuǎn)運動，這樣就實現(xiàn)了模擬人手肘內(nèi)外旋的運動。而實現(xiàn)人手肘肘伸肘曲的運動的動力源可以采用雙軸直流減速電機，雙軸直流減速電機的參數(shù)要根據(jù)負重的最大重量，假肢小臂的重量以及小臂的長度等參數(shù)來確定。減速電機的輸出軸通過擺臂和仿生小臂固連，通過減速電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)，通過擺臂帶動仿生小臂的旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)仿生手臂的肘伸，肘曲等運動。

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音控制，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ钪谢拘枰?/p>

參考文獻：

[1]劉洋. 主動式踝關(guān)節(jié)假肢運動實現(xiàn)與步態(tài)信息獲取的研究[D]. 武漢理工大學， 2009.

[2]李博. 淺析LN-4仿生手假肢的原理結(jié)構(gòu)及改進想法[J]. 延邊醫(yī)學， 2015（6）：228-230.