残疾人人体仿真机械手 【技术领域】
本发明涉及一种纯机械结构的仿真机械手，尤其涉及一种有臂残疾人仿真机械手。
背景技术
目前残疾人的仿真机械手分为有臂和无臂两种，无臂机械手需要依靠脚部、胸部等肌肉来运作，完成简单的生活动作。对于有臂机械手，大部分都采用双指或多指钳住的方式来完成取物品和持有物品的动作。如专利号为CN200720071414.9所申请的肌电手机械手头结构及附件，包括组成手头的食指和中指、拇指、手架板、连杆、食指-拇指轴组合件等组成，该种设计只单独采用了单轴转动，完成食指和拇指间的夹紧和放开，这种方式虽然简单，但是对保持物品的能力不高，与真实人手相差太大，由于该结构只能让手指的两个支点与物品接触，一方面接触点少就不容易拿住东西，另外接触面少而引发的大压强很容易把目标物体捏坏，从而无法拿取较小，易碎的物品，如陶瓷物品、甚至鸡蛋等。再一方面夹持方式的机械手张开程度有限，一般难以大于120度的范围，从而大大限制了该类机械手无法拿取大型体积的物品，如大直径的矿泉水，只有将手指设计的尽量长一些才能面前完成大物品的拿取，然而这比必将导致机械手过大，影响日常生活，在捏取小物品时候反而变得不方便。在普通的机械手的功能中是无法完成写字、烹调、用叉子和调羹进食的功能，对于这些人体仿真现有的机械手还是无法到达。针对以上所讲述的现有机械手的各种缺点，如拿捏物品的体积、易碎程度限制，对物品的拿持的牢固程度不够、对人体仿真距离过远，功能单一的缺点，本发明能提供有效克服上述问题的技术方案。
【发明内容】
为解决现有机械手的各种缺点，如拿捏物品的体积、易碎程度限制，对物品的拿持的牢固程度不够、对人体仿真距离过远，功能单一技术难题，本发明提供一种残疾人人体仿真机械手，该机械手具有极高的人体仿真程度，能够拿捏不同体积，易碎的物品，能够稳定、牢固的保持物品，同时具有其他如写字等人体高仿真的功能。
本发明为一种残疾人人体仿真机械手，包括手体、机械臂，手体和机械臂可通过锁扣装置实现结合和分离。所述的手体前侧设有若干手指，前侧手指由上指段、中指段、下指段依次活动连接，上指段下部与中指段上端部通过上指轴活动连接，中指段下部与下指段上端部通过中指轴活动连接，下指段下部与手指根上端部通过下指轴活动连接，所述的手体后侧设有一个或若干个拇指，拇指下部与拇指根通过拇指轴活动连接，所述的手体由拇指根与若干手指根固定连接而成，手体与传动体中部通过传动体轴活动连接，传动体上端部与拇指下端部通过拇指传动韧带活动连接，传动体中部与下指段下端部通过下指传动韧带活动连接，中指段下端部与指根的中部通过中指传动韧带活动连接，上指段下端部与下指段上部通过上指传动韧带活动连接，传动体另一端活动连接连杆，该连杆的另一端连接固定装置。该残疾人人体仿真机械手，模仿人体手指结构，拥有三个手指段，分别是上指段、中指段和下指段，而每两个手指段之间通过上指轴、中指轴活动连接，下指段与手体也通过下指轴活动连接，与人体手指不一样的是，传动各个手指段的传动韧带并非一体，而是在两个相隔指段之间通过一个金属做的传动韧带活动连接，如上指段与下指段之间，中指段与指根之间，都通过传动韧带活动连接，特别重要的是，上述所说的上部与上端部之间的位置关系，这里的上端部比上部更加靠近指段的端部，只有这样才能通过指关节的运动迫使相邻指段在传动韧带的驱动下，完成弯转和伸直动作，起始驱动是通过活动连接在指根处的传动体完成，该传动体转动到一个极限角度的时候，机械手便完成握紧或者伸直的动作，因为传动体也通过传动韧带与拇指和和下指段活动连接，而传动体的转动是依靠连接在传动体后端部的连杆推动完成的，而连杆的推动则是通过手臂的弯曲和伸直的不同状态引起的拉动和推动作用，因为当连杆和人体小臂、大臂之间构成三角形的时候，小臂和大臂形成一直线上的时候，所形成的三角形的另一边就要求变长，而连杆是刚性的，所以连杆只能通过拉动传动体的方式满足长边三角形的形成，此时传动体也通过传动韧带的作用，让机械手成伸开状态，反之，当形成小边三角形的时候，机械手就形成握紧状态，如此一来，依靠手臂的弯曲和张开两种方式就能完成了机械手的两种工作状态，这种模拟人手的机械手具有对物体多触点方式，能够更好的紧紧握住物体，把物体进行圆周式的包围，更节省力气，弯曲的手指也不会造成行动不便，将近180度的手指伸展角度能够握住大体积的物体，受力平均也让机械手不容易损坏，延长实用寿命。
作为优选，所述的手体和机械臂可通过锁扣装置实现结合和分离，所述锁扣装置包括手体下端部设有若干个连接凹形口，机械臂上端部设有若干个连接凸出端，且所述的连接凹形口和连接凸出端相互配合。这样可方便残疾人佩戴以及维修等。
作为优选，所述的手指为中指、食指和无名指三个手指或适当增减手指数量，所述的拇指为两个或适当增减拇指数量。按照人体仿真学，单侧具有三个手指的机械手已经能够很有效、很稳定的握住物体了，多增加手指的效果不明显，但却增加了成本，和增加了重量，因而手指的最优选数量为三个，而拇指的最优选数量为两个。
作为优选，所述的若干手指之间的空隙与拇指相对。由于无法像人体拇指那样做上下运动，因而要刻意让该机械手的拇指对准对面手指之间的空隙位置，一般是食指和中指之间的空隙位置，只有这样才能充分的握紧机械手，形成紧密的拳头，从而拿捏细小如笔等小体积物品。
作为优选，所述的拇指为两个。采用两个拇指能够更加稳定的将物体夹持住，此时两拇指分别对准食指与中指之间和中指与无名指之间的空隙。
作为优选，所述的拇指只要适当的改变下结构和安装位置，亦可使手体在张开的时候，拇指与其他手指处在同一平面，犹如真人手掌的张开形式，但这种结构有可能会影响握力的大小。
作为优选，所述的手体的手指根侧部设有工具接口，该工具接口为沿着手指根方向的圆柱管。在该工具接口内可以安装特殊的菜刀等生活工具，让残疾人也能独自完成烹饪等事情。
作为优选，所述的下指段侧部设有工具接口，该工具接口为垂直与下指段的固定夹。在该工具接口内刻意安装普通汤匙、餐叉等生活物品，完成该手的辅助进食动作。
作为优选，所述的下指段下部的垂直方向上设有圆柱管的工具接口。在该工具接口内刻意安装笔等书写工具，让残疾人也能通过残疾的手书写较为大型的字体。
作为优选，所述的圆柱管、固定夹和笔管，可适当的增减其数量和改变安装位置，与各种特制的工具相连接。
作为优选，所述的手指内侧设有防滑橡胶层。防滑橡胶层的使用让机械手更加容易握住物体，而不会因为金属表面过于光滑而滑落物品。
作为优选，所述的手体内外侧可覆盖一层人体皮肤色的橡胶皮，以增加美观性。
作为优选，所述的机械臂上设有若干凹下的绑定口。该绑定口用于将机械臂绑定在人体小臂上。
作为优选，所述的残疾人人体仿真机械手采用轻质的强化铝材料或其他合适的材料制成。运用轻质的强化铝材料或其他合适的材料能够让该机械手更加轻便，也增加强度，实用寿命更长。
作为优选，所述的机械臂后端连接大机械臂，大机械臂上设有固定装置，大机械臂上设有的L形连杆连接机械臂上的连杆二，而连杆二活动套接在机械臂上的活动固定筒，连杆二的另一端通过万向球装置与所述的连杆连接，该万向球装置滑动固定在机械臂的端部的活动槽内。附加了大机械臂结构，让连杆推动传动体有了大机械臂的支撑，结构巧妙，使用起来更加舒适，更能发挥出大臂的力量，避免连杆或固定装置直接对大臂施加压力，引起大臂的疲劳感，甚至酸痛，此更改方案的最大优点也在于机械臂可完全被包裹到衣袖里去。
作为优选，所述的机械臂后端连接大机械臂，大机械臂通过连杆与传动体连接，大机械臂上设有固定装置，机械臂上设有的“7”形连杆连接背部固定装置，背部固定装置和人体相互固定。通过人体肩部和背部的肌肉进行调节控制，同样能简单、方便的完成对机械手的控制。
总之，本发明突破了以往一般有臂机械手的技术，克服了各种缺点，如拿捏物品的体积、易碎程度限制，对物品的拿持的牢固程度不够、对人体仿真距离过远，功能单一，操作和佩戴不方便等，本机械手具有极高的人体仿真程度，能够拿捏不同体积，易碎的物品，能够稳定、牢固的保持物品，同时具有其他如写字、烹饪等人体高仿真的功能。
【附图说明】
附图1是本发明的一种侧视图；
附图2是附图1的运动示意图；
附图3是本发明的另一种结构示意图；
附图4是附图3的运动示意图；
附图5是本发明的另一种结构示意图；
附图6是附图5的运动示意图。
附图标记说明：手体1，机械臂2，上指段3、中指段4，下指段5，上指轴30，中指轴40，下指轴50，拇指6，拇指根7，拇指轴60，手指根13，传动体8，传动体轴80，连杆10，固定装置11，锁扣装置12，圆柱管14，固定夹15，笔管16，橡胶层17，绑定口18，上指传动韧带19，中指传动韧带20，下指传动韧带21，拇指传动韧带22，连接凹形口23，连接凸出端24，大机械臂34，固定装置33，L形连杆31，连杆二28，活动固定筒29，万向球装置27，活动槽26，连接关节35，“7”形连杆38，背部固定装置37，大臂残肢42，人体41。
【具体实施方式】
本发明提供如下优选的实施方案。
实施例1：
本发明为一种残疾人人体仿真机械手，如附图1，包括手体1、机械臂2，手体和机械臂可通过锁扣装置12实现结合和分离，手体前侧设有三手指，前侧手指由上指段3、中指段4、下指段5依次活动连接，上指段下部与中指段上端部通过上指轴30活动连接，中指段下部与下指段上端部通过中指轴40活动连接，下指段下部与手指根上端部通过下指轴50活动连接，所述的手体后侧设有一个拇指6，拇指下部与拇指根7通过拇指轴60活动连接，所述的手体由拇指根7与该三根手指根13固定连接而成，手体与传动体8中部通过传动体轴80活动连接，传动体上端部与拇指下端部通过拇指传动韧带22活动连接，传动体中部与下指段下端部通过下指传动韧带21活动连接，中指段下端部与指根的中部通过中指传动韧带20活动连接，上指段下端部与下指段上部通过上指传动韧带19活动连接，传动体另一端活动连接连杆10，该连杆的另一端连接固定装置11，该固定装置为绑定带，在手体的手指根侧部设有工具接口，该工具接口为沿着手指根方向的圆柱管14，在下指段侧部设有工具接口，该工具接口为垂直与下指段的固定夹15，在下指段下部的垂直方向上设有笔管16的工具接口，手指内侧设有防滑橡胶层17，在该机械臂上具有两个绑定口18，用于固定带将人体手臂绑定在机械臂上。
操作方法如下，如附图2，将残疾人的残疾手臂伸入该机械臂当中，通过固定带将机械手绑定在人体手臂上，通过锁扣装置将手体和机械臂连接在一起，注意的是连杆的端部通过固定装置必须固定在大臂上位置，当人体手臂伸直的时候，大臂就拉动固定在上面的连杆，而连杆在另一端拉动传动体，传动体的前端通过拇指传动韧带22拉动拇指下端部，迫使拇指头向外展开，同时，传动体的中部通过下指传动韧带21拉动下指段的下端部，在下指轴的作用下，下指段向后转动，连接在指根与中指段下端部的中指传动韧带20在下指段转动的压力下，被迫拉动中指段，使得中指段也向后转动，同样，连接在上指下端部与下指段的上指传动韧带19在中指段转动的压力下，被迫拉动上指段，使得上指段也向后转动，从而通过人体手臂的伸直完成机械手伸开的过程，如果人体手臂进行弯曲动作的时候，同样机械手就相反的完成握紧的动作，从而完成高人体仿真的机械手功能。本实施例结构为肘部以下小臂残缺，但仍保留部分小臂的残疾人设计，通过人体手臂肘部关节的伸曲进行调节控制，能简单、方便的完成对机械手的控制。
实施例2：
本实施例为在上述实施例中添加大机械臂结构，并附加一些优秀的关节、连杆设置，让整个机械手更加完善，使用更加方便。结构如图3所示，在机械臂后端连接一大机械臂34，大机械臂和前面所述的机械臂之间通过连接关节35转动连接，大机械臂上设有固定装置33，固定装置同样为绑定带，大机械臂上设有的L形连杆31连接机械臂上的连杆二28，其中L形连杆的短杆朝下，短杆和长杆成一定角度，并短杆的长度控制大臂伸缩引起的连杆的移动范围，并最终控制机械手的运动幅度，而连杆二活动套接在机械臂上的活动固定筒29，连杆二的另一端通过万向球装置27与所述的连杆10连接，该万向球装置滑动固定在机械臂的端部的活动槽26内。
操作方法如下，如附图4，将残疾人的残疾手臂伸入该机械臂当中，通过大臂固定装置将机械手绑定在人体上，当人体手臂弯曲的时候，大臂就推动固定在上面的L形连杆，而L形连杆在另一端推动连杆二，连杆二的前端通过万向球装置推动连杆一，连杆一在另一端推动传动体，从而迫使手体握紧，如果人体手臂进行伸直动作的时候，同样机械手就相反的完成张开的动作。
实施例3：
本实施例为在上实施例1中添加大机械臂、背部固定装置和“7”形连杆结构等。同样本实施例中连杆和转动体部分也可按照实施例2的设计，结构如图5所示，在机械臂2后端连接一大机械臂34，大机械臂和机械臂之间通过连接关节35转动连接，大机械臂上设有固定装置33，固定装置同样为绑定带。机械臂上设有的“7”形连杆38连接背部固定装置37，其中“7”形连杆的短杆与机械臂万向活动连接，“7”形连杆的长杆与背部固定装置也万向活动连接，从而保障大臂与肩膀关节的运动自如，短杆与长杆之间成一定角度，并短杆的长度控制大臂运动引起的连杆的移动范围，并最终控制机械手的运动幅度，而背部固定装置固定在残疾人人体41的背部。
操作方法如下，如附图6，将残疾人的大臂残肢42伸入大机械臂当中，通过大臂固定装置和背部固定装置将机械手绑定在人体上，当人体大臂向前运动的时候，大臂就拉动固定在背部固定装置上面的“7”形连杆，而“7”形连杆在另一端拉动机械臂，通过连接关节迫使整条机械臂伸直，从而拉动连杆，连杆在另一端拉动传动体，从而迫使手体张开，如果人体大臂进行向后运动的时候，同样机械手就相反的完成紧握的动作。本实施例结构为肘部和小臂都残缺只保留部分大臂的残疾人设计，通过人体肩部和背部的肌肉进行调节控制，同样能简单、方便的完成对机械手的控制。