基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢及使用方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910249990.5 (22)申请日 2019.03.29 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人 艾吉昆柴宇宸孙社稷杨斯乔 刘冲 (74)专利代理机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 代理人 刘晓岚 (51)Int.Cl. A61F 2/54(2006.01) A61F 2/58(2006.01) A61F 2/70(2006.01) B33Y 80/00(2015.01) (54)发明名称 基于。

2、3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢 及使用方法 (57)摘要 一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械 假肢及使用方法， 属于假肢技术领域。 所述基于 3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 包括依次 连接假肢手指部、 假肢手掌部、 假肢腕部、 假肢小 臂部和连接残肢部， 假肢手指部包括相对设置的 夹板一和夹板二， 所述夹板一和夹板二的内侧均 设有气囊， 所述夹板一与齿轮一固连， 所述夹板 二与齿轮二固连， 所述齿轮一和齿轮二啮合以带 动夹板一和夹板二开合， 假肢手掌部包括连接板 一、 连接板二、 控制夹板一和夹板二夹合的夹取 机构和控制夹板一和夹板二放松的连杆机构。 所 述基于3D打印的带气囊的。

3、棘轮止动机械假肢及 使用方法， 结构简单、 质量轻、 成本低， 通过机械 结构实现柔和的抓取手感。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 109893307 A 2019.06.18 CN 109893307 A 1.一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 包括依次连接假肢手 指部、 假肢手掌部、 假肢腕部、 假肢小臂部和连接残肢部； 所述假肢手指部包括相对设置的夹板一和夹板二， 所述夹板一和夹板二的内侧均设有 气囊， 所述夹板一与齿轮一固连， 所述夹板一与齿轮一均套设在连接轴一上， 所述夹板二与 齿轮二固连， 所述夹板二与齿轮二均套设在连接轴二上， 所述齿轮一和齿轮。

4、二啮合以带动 夹板一和夹板二开合； 所述假肢手掌部包括连接板一、 连接板二、 控制夹板一和夹板二夹合的夹取机构和控 制夹板一和夹板二放松的连杆机构， 所述连接板一和连接板二平行设置， 且均分别与所述 连接轴一和连接轴二固定连接； 所述夹取机构包括舵机一、 齿轮三、 齿轮四、 齿轮五和棘轮 止动机构， 所述棘轮止动机构包括棘轮和棘爪， 所述舵机一的输出端与齿轮三固连， 所述齿 轮三与齿轮一啮合， 所述齿轮四与夹板二远离齿轮二的一侧固连， 所述齿轮四与齿轮五啮 合， 所述齿轮五与棘轮固连， 所述棘轮与齿轮五均套设在连接轴三上， 所述连接轴三与连接 板二固连， 所述棘爪通过连杆机构与舵机二连接， 所。

5、述舵机二通过连杆机构推动棘爪远离 棘轮。 2.根据权利要求1所述的基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 连杆机构包括运动连杆一和运动连杆二， 所述运动连杆一的一端与所述棘爪远离棘轮的一 端连接， 所述运动连杆一的另一端设有滑槽一； 所述运动连杆二一端与舵机二的输出端固 连， 所述运动连杆二的另一端与转轴连接， 所述转轴设置在所述滑槽一内， 且沿滑槽一滑 动。 3.根据权利要求1所述的基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢还包括固定块， 所述固定块与夹板二固连， 所述 固定块设有滑槽二， 所述运动连杆一设置在所。

6、述滑槽二内， 且沿滑槽二运动； 所述固定块靠 近棘轮一侧的内壁设有倾斜壁， 所述倾斜壁位于棘爪的上方。 4.根据权利要求1所述的基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 连接板一位于齿轮二与夹板二之间， 所述连接板二位于夹板二与齿轮四之间； 所述夹板一 和连接板二之间设有齿轮六， 所述齿轮六与夹板一固连， 所述齿轮六与齿轮七啮合， 所述齿 轮七位于连接板二与夹板二之间， 且与夹板二固连。 5.根据权利要求4所述的基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 齿轮六套设在连接轴一上， 所述齿轮四和齿轮七均套设在所述连接轴二上。 6.根据权利要求1所述的基于3D。

7、打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 夹板一和夹板二的结构相同， 均为弧形结构。 7.根据权利要求1所述的基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 所述气囊与储气罐通过气管连接， 所述储气罐设置在假肢小臂部， 所述气管上设有二位三 通电磁阀。 8.根据权利要求1所述的基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 假肢腕部内设有电机， 所述电机通过联轴器与连接板一和连接板二靠近假肢腕部的一侧连 接。 9.根据权利要求4所述的基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 所述 假肢腕部、 假肢小臂部和和连接残肢部均采用3D打印制造完成；。

8、 所述连杆机构、 齿轮一、 齿 权利要求书 1/2 页 2 CN 109893307 A 2 轮二、 齿轮三、 齿轮四、 齿轮五、 齿轮六、 齿轮七、 棘轮和棘爪均采用3D打印制造完成。 10.一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢的使用方法， 采用权利要求1所述的 基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 其特征在于， 包括如下步骤： 步骤一、 启动假肢腕部的电机转动调整假肢手掌部的抓取角度； 步骤二、 启动舵机一使夹板一和夹板二夹合， 夹板一和夹板二分别距目标物体26mm 时， 关闭舵机一， 棘轮止动机构使夹板一和夹板二的位置锁定； 步骤三、 开启二位三通电磁阀给气囊充气， 充满夹板一。

9、和夹板二与目标物体间的缝隙， 夹取物体； 步骤四、 需要松开假肢手指部时， 通过二位三通电磁阀将气囊中的气体排出， 同时， 启 动舵机二通过连杆机构将棘爪弹出， 与棘轮分开， 舵机一反向转动实现假夹板一和夹板二 的放松。 权利要求书 2/2 页 3 CN 109893307 A 3 基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢及使用方法 技术领域 0001 本发明涉及假肢技术领域， 特别涉及一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假 肢及使用方法。 背景技术 0002 手和小臂是人体重要组成部分， 若因突发状况失去手和小臂， 就需要假肢来代替 手和小臂的外观及部分功能， 实现物体的夹取。 现有的假肢成。

10、本较高、 结构复杂， 只有少数 能实现夹取的功能。 机械手夹取力度的控制算法复杂， 难以实现柔和的夹取手感从而不能 达到正常夹取物体的目的。 如果增加过多传感器会使算法过为复杂， 反而会降低其稳定性， 增加其成本。 发明内容 0003 为了解决现有技术存在的机械手的控制算法复杂、 难以实现柔和手感的夹取、 成 本高等技术问题， 本发明提供了一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢及使用方 法， 结构简单、 质量轻、 成本低， 通过机械结构实现柔和的抓取手感。 0004 为了实现上述目的， 本发明的技术方案是： 0005 一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢， 包括依次连接假肢手指部、 。

11、假肢 手掌部、 假肢腕部、 假肢小臂部和连接残肢部； 0006 所述假肢手指部包括相对设置的夹板一和夹板二， 所述夹板一和夹板二的内侧均 设有气囊， 所述夹板一与齿轮一固连， 所述夹板一与齿轮一均套设在连接轴一上， 所述夹板 二与齿轮二固连， 所述夹板二与齿轮二均套设在连接轴二上， 所述齿轮一和齿轮二啮合以 带动夹板一和夹板二开合； 0007 所述假肢手掌部包括连接板一、 连接板二、 控制夹板一和夹板二夹合的夹取机构 和控制夹板一和夹板二放松的连杆机构， 所述连接板一和连接板二平行设置， 且均分别与 所述连接轴一和连接轴二固定连接； 所述夹取机构包括舵机一、 齿轮三、 齿轮四、 齿轮五和 棘轮。

12、止动机构， 所述棘轮止动机构包括棘轮和棘爪， 所述舵机一的输出端与齿轮三固连， 所 述齿轮三与齿轮一啮合， 所述齿轮四与夹板二远离齿轮二的一侧固连， 所述齿轮四与齿轮 五啮合， 所述齿轮五与棘轮固连， 所述棘轮与齿轮五均套设在连接轴三上， 所述连接轴三与 连接板二固连， 所述棘爪通过连杆机构与舵机二连接， 所述舵机二通过连杆机构推动棘爪 远离棘轮。 0008 所述连杆机构包括运动连杆一和运动连杆二， 所述运动连杆一的一端与所述棘爪 远离棘轮的一端连接， 所述运动连杆一的另一端设有滑槽一； 所述运动连杆二一端与舵机 二的输出端固连， 所述运动连杆二的另一端与转轴连接， 所述转轴设置在所述滑槽一内。

13、， 且 沿滑槽一滑动。 0009 所述基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢还包括固定块， 所述固定块与夹板 二固连， 所述固定块设有滑槽二， 所述运动连杆一设置在所述滑槽二内， 且沿滑槽二运动； 说明书 1/5 页 4 CN 109893307 A 4 所述固定块靠近棘轮一侧的内壁设有倾斜壁， 所述倾斜壁位于棘爪的上方。 0010 所述连接板一位于齿轮二与夹板二之间， 所述连接板二位于夹板二与齿轮四之 间； 所述夹板一和连接板二之间设有齿轮六， 所述齿轮六与夹板一固连， 所述齿轮六与齿轮 七啮合， 所述齿轮七位于连接板二与夹板二之间， 且与夹板二固连。 0011 所述齿轮六套设在连接轴一上，。

14、 所述齿轮四和齿轮七均套设在所述连接轴二上。 0012 所述夹板一和夹板二的结构相同， 均为弧形结构。 0013 所述气囊与储气罐通过气管连接， 所述储气罐设置在假肢小臂部， 所述气管上设 有二位三通电磁阀。 0014 所述假肢腕部内设有电机， 所述电机通过联轴器与连接板一和连接板二靠近假肢 腕部的一侧连接。 0015 所述假肢腕部、 假肢小臂部和和连接残肢部均采用3D打印制造完成； 所述连杆机 构、 齿轮一、 齿轮二、 齿轮三、 齿轮四、 齿轮五、 齿轮六、 齿轮七、 棘轮和棘爪均采用3D打印制 造完成。 0016 上述一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢的使用方法， 包括如下步骤： 。

15、0017 步骤一、 启动假肢腕部的电机转动调整假肢手掌部的抓取角度； 0018 步骤二、 启动舵机一使夹板一和夹板二夹合， 夹板一和夹板二分别距目标物体2 6mm时， 关闭舵机一， 棘轮止动机构使夹板一和夹板二的位置锁定； 0019 步骤三、 开启二位三通电磁阀给气囊充气， 充满夹板一和夹板二与目标物体间的 缝隙， 夹取物体； 0020 步骤四、 需要松开假肢手指部时， 通过二位三通电磁阀将气囊中的气体排出， 同 时， 启动舵机二通过连杆机构将棘爪弹出， 与棘轮分开， 舵机一反向转动实现假夹板一和夹 板二的放松。 0021 本发明的有益效果： 0022 本发明的一种基于3D打印的带气囊的棘轮止。

16、动机械假肢， 采用巧妙的机械结构和 抓取方式获得柔和的抓取手感， 从而简化控制算法、 降低成本， 结构简单、 具有良好的稳定 性。 通过假肢手指部夹合和气囊充气产生压力同时作用于夹取物体； 气囊充气产生的压力 能够提供柔和的抓取手感， 并且气囊能够填满手指与物体之间的缝隙， 提供更大的接触面 积， 获得良好的抓取效果； 棘轮机构止动机构限位使假肢手指部夹合位置固定， 释放舵机一 的压力。 附图说明 0023 图1是本发明提供的一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢的结构示意 图； 0024 图2是本发明提供的假肢手掌部的正视示意图； 0025 图3是本发明提供的假肢手掌部的后视示意图； 0。

17、026 图4是本发明提供的连杆机构的结构示意图； 0027 图5是本发明提供的固定块的结构示意图。 0028 其中， 1-假肢手掌部， 2-假肢腕部， 3-假肢小臂部， 4-连接残肢部， 5-假肢手指部， 6-气囊， 7-舵机一， 8-齿轮一， 9-齿轮二， 10-齿轮三， 11-齿轮四， 12-棘轮， 13-棘爪， 14-夹板 说明书 2/5 页 5 CN 109893307 A 5 一， 15-夹板二， 16-连接板一， 17-连接板二， 18-舵机二， 19-运动连杆二， 20-运动连杆一， 21-固定块， 22-转轴， 23-滑槽一， 24-倾斜壁。 具体实施方式 0029 下面将结合。

18、本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。 在 本发明的描述中， 需要说明的是， 术语 “上” 、“下” 、“内” 、“外” 、“一侧” 、“另一侧” 等指示的方 位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因 此不能理解为对本发明的限制。 此外， 术语 “一” 、“二” 、“三” 、“四” 、“五” 、“六” 、“七” 仅用于 描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要。

19、性。 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安 装” 、“设置有” 、“连接” 等， 应做广义理解， 例如 “连接” ， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连 接， 或一体地连接； 可以是机械连接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒 介间接相连， 可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况 理解上述术语在本发明中的具体含义。 0030 为了解决现有技术存在的问题， 如图1至图5所示， 本发明提供了一种基于3D打印 的带气囊的棘轮止动机械假肢， 包括依次连接假肢手指部5、 假肢手掌部1、 假肢腕部2、 假肢 小臂部3和连接残肢部4； 假肢手指部5包括。

20、相对设置的夹板一14和夹板二15， 夹板一14和夹 板二15的内侧均设有气囊6， 夹板一14与齿轮一8固连， 夹板一14与齿轮一8均套设在连接轴 一上， 夹板二15与齿轮二9固连， 夹板二15与齿轮二9均套设在连接轴二上， 齿轮一8和齿轮 二9啮合以带动夹板一14和夹板二15开合； 假肢手掌部1包括连接板一16、 连接板二17、 控制 夹板一14和夹板二15夹合的夹取机构和控制夹板一14和夹板二15放松的连杆机构， 连接板 一16和连接板二17平行设置， 且均分别与连接轴一和连接轴二固定连接； 夹取机构包括舵 机一7、 齿轮三10、 齿轮四11、 齿轮五和棘轮止动机构， 棘轮止动机构包括棘轮1。

21、2和棘爪13， 舵机一7的输出端与齿轮三10固连， 齿轮三10与齿轮一8啮合， 齿轮四11与夹板二15远离齿 轮二9的一侧固连， 齿轮四11与齿轮五啮合， 齿轮五与棘轮12固连， 棘轮12与齿轮五均套设 在连接轴三上， 连接轴三与连接板二17固连， 棘爪13通过连杆机构与舵机二18连接， 舵机二 18通过连杆机构推动棘爪13远离棘轮12， 连杆机构包括运动连杆一20和运动连杆二19， 运 动连杆一20的一端与棘爪13远离棘轮12的一端连接， 运动连杆一20的另一端设有滑槽一 23； 运动连杆二19一端与舵机二18的输出端固连， 运动连杆二19的另一端与转轴22连接， 转 轴22设置在滑槽一23。

22、内， 且沿滑槽一23滑动。 0031 本发明中， 夹板一14和夹板二15的结构相同， 均为弧形结构， 夹板一14和夹板二15 用于夹取物体， 同时也是气囊6的载体， 通过夹取机构实现夹板一14和夹板二15的开合， 夹 板一14和夹板二15弧形结构的内侧均设有气囊6， 气囊6与储气罐通过气管连接， 储气罐设 置在假肢小臂部3， 气管上设有二位三通电磁阀， 需要夹紧目标物体时， 储气罐通过二位三 通电磁阀向气囊6内充气， 当需要放开目标物体时气囊6通过二位三通电磁阀将气体排出； 夹板一14和夹板二15均分别由两块弧形的板构成， 使夹板一14和夹板二15具有一定的厚度 来夹取物体， 气囊6设置在夹板。

23、一14和夹板二15的内侧中部， 用于给待夹取物体提供柔和压 力。 需要夹板一14和夹板二15需要夹紧时， 由舵机一7驱动齿轮传动控制夹板一14和夹板二 说明书 3/5 页 6 CN 109893307 A 6 15的夹紧， 同时， 棘轮止动机构通过齿轮五与齿轮四11啮合控制齿轮组的单向转动， 实现手 指的反向锁定。 需要夹板一14和夹板二15需要松开时， 舵机二18通过连杆机构将棘爪13弹 出棘轮12， 实现齿轮的反向转动， 即实现假肢手指的松开。 0032 本发明中， 如图1和3所示， 齿轮一8位于夹板一14的侧面， 且与夹板一14固连， 齿轮 一8转动的时候就会带动夹板一14转动， 齿轮一。

24、8与齿轮二9啮合， 齿轮一8的转动的同时也 带动齿轮二9转动， 进而带动夹板二15转动， 实现夹板一14和夹板二15的开合运动。 0033 本发明中， 连接板一16位于齿轮二9与夹板二15之间， 连接板二17位于夹板二15与 齿轮四11之间； 夹板一14和连接板二17之间设有齿轮六， 齿轮六与夹板一14固连， 齿轮六与 齿轮七啮合， 齿轮七位于连接板二17与夹板二15之间， 且与夹板二15固连， 齿轮六套设在连 接轴一上， 齿轮四11和齿轮七均套设在连接轴二上， 齿轮六和齿轮七能够使基于3D打印的 带气囊的棘轮止动机械假肢工作的更加平稳。 0034 本实施例中， 如图2和4所示， 运动连杆一2。

25、0的一端与棘爪13远离棘轮12的一端连 接， 运动连杆一20的另一端与立方体结构连接， 滑槽一23设在该立方体结构上； 运动连杆一 20、 滑槽二、 连接轴一、 连接轴二和连接轴三的方向均平行， 且均与连接板一16和连接板二 17垂直设置。 滑槽一23为长圆形， 滑槽二为圆柱形与运动连杆一20配合。 固定块21能够保证 运动连杆一20稳定的沿滑槽二运动， 棘轮12棘爪13配合工作时， 能够支撑运动连杆一20， 保 证棘轮12棘爪13工作的稳定； 还能够控制棘爪13弹出时的转向， 固定块21靠近棘轮12一侧 的内壁设有倾斜壁24， 倾斜壁24位于棘爪13的上方， 用于在棘爪13弹出的过程中使棘爪。

26、13 向远离棘轮12的一侧旋转。 0035 本发明中， 基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢还包括固定块21， 固定块21 与夹板二15固连， 固定块21设有滑槽二， 运动连杆一20设置在滑槽二内， 且沿滑槽二运动； 固定块21靠近棘轮12一侧的内壁设有倾斜壁24， 倾斜壁24位于棘爪13的上方。 假肢腕部2内 设有电机， 电机通过联轴器与连接板一16和连接板二17靠近假肢腕部2的一侧连接， 用于驱 动手掌部转动。 电机通过联轴器与连接板一16和连接板二17连接时， 连接板一16和连接板 二17靠近假肢腕部2的一侧中部的位置设有平板， 联轴器与平板连接。 假肢腕部2、 假肢小臂 部3和和连接。

27、残肢部4均采用3D打印制造完成； 连杆机构、 齿轮一8、 齿轮二9、 齿轮三10、 齿轮 四11、 齿轮五、 齿轮六、 齿轮七、 棘轮12和棘爪13均采用3D打印制造完成。 假肢腕部2、 假肢小 臂部3和和连接残肢部4为现有技术， 且通过3D打印制造完成， 依靠3D打印拼接件拼接起来 通过螺栓连接在铝型材上， 质量轻且成本低。 连接残肢部4的内部设有海绵， 外部设有绑带， 可调节松紧， 能够进行良好的人机交互。 0036 上述一种基于3D打印的带气囊的棘轮止动机械假肢的使用方法， 包括如下步骤： 0037 步骤一、 启动假肢腕部2的电机转动调整假肢手掌部1的抓取角度； 0038 步骤二、 启动。

28、舵机一7使夹板一14和夹板二15夹合， 夹板一14和夹板二15分别距目 标物体26mm时， 关闭舵机一7， 棘轮止动机构使夹板一14和夹板二15的位置锁定； 0039 步骤三、 开启二位三通电磁阀给气囊6充气， 充满夹板一14和夹板二15与目标物体 间的缝隙， 夹取物体； 0040 步骤四、 需要松开假肢手指部5时， 通过二位三通电磁阀将气囊6中的气体排出， 同 时， 启动舵机二18通过连杆机构将棘爪13弹出， 与棘轮12分开， 舵机一7反向转动实现假夹 板一14和夹板二15的放松。 说明书 4/5 页 7 CN 109893307 A 7 0041 本发明中， 启动假肢腕部2的电机转动调整假。

29、肢手掌部1的抓取角度， 使假肢手掌 部1和假肢手指部5角度与目标物体的角度适合抓取， 开启二位三通电磁阀使储气罐给气囊 6充气， 充满夹板一14和夹板二15与目标物体间的缝隙， 并为抓取目标物体提供足够的夹取 力； 0042 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 109893307 A 8 图1 说明书附图 1/3 页 9 CN 109893307 A 9 图2 图3 说明书附图 2/3 页 10 CN 109893307 A 10 图4 图5 说明书附图 3/3 页 11 CN 109893307 A 11 。