一种功能型手指假肢，属于医学技术领域。其结构包括牵引机构(1)和主体结构(2)。牵引机构(1)具有将残缺手指的相邻手指作为动力源，牵引假肢进行屈伸运动的功能；主体结构(2)具有执行假肢屈伸运动的功能。本发明采用耦合性自适应欠驱动手指机构，在抓取物体时，根据物体的表面形状调整各指节间的位置关系，使得各指节均能与物体紧密贴合，提高了抓取物体的稳定性，避免了现有手指假肢在抓取物体过程中只能指尖捏抓的缺陷。
1.一种功能性手指假肢，包括牵引机构(1)和主体结构(2)；主体结构(2)固定于残指节上，牵引机构(1)固定于相邻的手指上，牵引机构(1)通过与主体结构(2)相互连接的连杆，带动主体结构运动；其特征在于：牵引机构(1)主要由牵引指套一号(3)、牵引指套二号(4)、牵引连杆一号(5)、牵引连杆二号(7)、牵引连杆三号(6)组成；指套一号(3)、牵引指套二号(4)分别与牵引连杆二号(7)和牵引连杆一号(5)的端点铰接；牵引连杆二号(7)的另一端和牵引连杆一号(5)的另一端，以及牵引连杆三号(6)的一个端点相互铰接在一起，使牵引连杆一号(5)、牵引连杆二号(7)与牵引指套一号(3)、牵引指套二号(4)形成四连杆结构；牵引连杆三号(6)的另一个端点与主体结构中的主体连杆一号(8)的中间部位铰接；
主体结构(2)主要包括固定套(14)、假肢中指节(13)、假肢远指节(10)、主体连杆一号(8)、主体连杆二号(9)、主体连杆三号(11)、扭转弹簧(15)、弹性连杆(12)、前联轴器(16)和后联轴器(17)；假肢远指节(10)和假肢中指节(13)为仿真指节的块体，假肢中指节(13)的一端与假肢远指节(10)铰接；假肢中指节(13)的另一端与固定套(14)通过后联轴器(17)相互铰接；前联轴器(16)和后联轴器(17)分别位于假肢中指节(13)的前端和后端；后联轴器(17)在靠近牵引机构(1)一端与主体连杆一号(8)的一端铰接；
前联轴器远离牵引机构(1)一端与主体连杆三号(11)的一端铰接，前联轴器靠近牵引机构(1)一端与主体连杆二号(9)的一端铰接；
固定套(14)在远离牵引机构(1)的一端与弹性连杆(12)的一端铰接，其铰接运动的轴线与后联轴器(17)的轴线不共线；
弹性连杆(12)的另一端与主体连杆三号(11)的另一端铰接；主体连杆一号(8)的另一端与主体连杆二号(9)的另一端铰接；固定套(14)、假肢中指节(13)、主体连杆三号(11)与弹性连杆(12)形成一个双摇杆机构；固定套(14)、主体连杆一号(8)、主体连杆二号(9)、弹性连杆(12)形成一个双曲柄机构；
扭转弹簧(15)的一个扭臂与主体连杆三号(11)固定，另一个扭臂与假肢远指节(10)固定，扭转弹簧(15)的轴线与假肢中指节(13)和假肢远指节(10)形成的指关节的轴线共线。
2.根据权利要求1所述的一种功能性手指假肢，其特征在于牵引指套一号(3)和牵引指套二号(4)由透气性好、柔软的人造树脂制成，经过曲面造型后可分别牢固地安装在相邻手指的基指节和中指节上。
3.根据权利要求1所述的一种功能性手指假肢，其特征在于所述牵引连杆一号(5)、牵引连杆三号(6)、牵引连杆二号(7)、主体连杆一号(8)由质量轻、刚度高的金属制成，铰接处使用间隙配合公差。
4.根据权利要求1所述的一种功能性手指假肢，其特征在于所述牵引连杆一号(5)、牵引连杆二号(7)通过销轴链接与牵引指套一号(3)、牵引指套二号(4)铰接，使牵引连杆一号(5)、牵引连杆二号(7)与相邻手指基指节、中指节形成四连杆结构，该四连杆结构通过牵引连杆三号(6)将运动传递到主体结构。
5.根据权利要求1所述的一种功能性手指假肢，其特征在于所述假肢中指节(13)和假肢远指节(10)使用质量轻、强度好的金属制成，并在外表面安装匹配的有色硅胶外套。
6.根据权利要求1所述的一种功能性手指假肢，其特征在于所述主体连杆二号(9)使用质量轻、强度好的金属制成，铰接点使用间隙配合公差，同时通过淬火提高其硬度。
一种功能性的手指假肢
技术领域
[0001] 本发明属于医学技术领域，涉及一种功能性的手指假肢，即一种手指假肢，采用耦合性自适应欠驱动手指机构，可使残缺手指实现抓握物体功能。
背景技术
[0002] 人手的5个手指共拥有21个自由度，可以抓取、操作物体，完成各种复杂的工作任务。人手在人们的日常生活中所发挥的作用至关重要。近年来，由于工伤、交通事故、疾病、战争等原因，肢体残疾人的数量呈大幅增加趋势。由于人手是人们操作、使用工具的主要肢体，所以手部残疾，尤其是手指残疾事故不在少数。随着医学技术的发展，各种功能性假肢纷纷诞生，对手掌假肢、大腿假肢、小腿假肢的研究也在不断进展。但相比于这些假肢，现存的手指假肢绝大部分只具有装饰性。手指残疾人士若要安装功能性假肢，通常要将整个手掌截去，安装手掌假肢。这无疑是得不偿失。因此，研究一种具有一定抓取能力和拟人化特征的手指假肢不仅是广大残疾人患者的福音，也具有极高的学术价值。
[0003] 手掌假肢在处理手指运动的时候常用耦合性单自由度手指机构和欠驱动自适应手指机构，而将这两者结合的耦合性自适应欠驱动手指机构是目前的趋势。这种机构被罗海东等(罗海东.假肢手指的拟人优化设计与抓取力研究[D].湖南：中南大学，2013)阐释为：人手手指在自然弯曲时三个指关节之间的旋转角度呈一定的耦合关系，可知只需要给假肢一个自由度便可以使其实现拟人化的屈伸动作。在一个自由度下手指假肢只能实现指尖捏抓，抓取力较小，于是又在结构中加入弹性元件增加其自适应性，使假肢不仅仅是指尖处与物件接触，增加抓取力。
[0004] 现存的几种功能性手指假肢，均采用耦合型单自由度手指结构，因此在功能 上存在一定的局限性。美国著名医生Dan Didrick发明的单自由度手指基指节截断用假手指X-finger采用了该结构，可利用残余基指节实现手指屈伸或用指尖捏取物品等功能。但由于该手指结构只有单自由度，无法如正常手指一样对被抓对象的形状和尺寸自适应。杨会生(杨会生.仿人型残疾人用半掌手机构及其传感器系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学机电工程学院，2009)提出的两自由度手指基指节截断用假手指Partial Finger拥有两个自由度，可良好地实现屈伸运动和侧摆运动两种功能；但在手指屈伸运动中仍是采用耦合性单自由度手指机构，另外一个自由度与其无关，使得假肢不具自适应能力，甚至会在抓握物品中影响使用者的操作。
发明内容
[0005] 为了进一步提高手指抓物的灵活性，本发明提供了一种功能性手指假肢，包括牵引机构和主体结构；主体结构固定于残指节上，牵引机构固定于相邻的手指上，牵引机构通过与主体结构相互连接的连杆，带动主体结构运动。
[0006] 牵引机构主要由牵引指套一号、牵引指套二号、牵引连杆一号、牵引连杆二号、牵引连杆三号组成；指套一号、牵引指套二号分别与牵引连杆二号和牵引连杆一号的端点铰接；牵引连杆二号的另一端和牵引连杆一号的另一端，以及牵引连杆三号的一个端点相互铰接在一起，使牵引连杆一号、牵引连杆二号与牵引指套一号、牵引指套二号形成四连杆结构；牵引连杆三号的另一个端点与主体结构中的主体连杆一号的中间部位铰接。
[0007] 主体结构主要包括固定套、假肢中指节、假肢远指节、主体连杆一号、主体连杆二号、主体连杆三号、扭转弹簧、弹性连杆、前联轴器和后联轴器；假肢远指节和假肢中指节为仿真指节的块体，假肢中指节的一端与假肢远指节铰接；假 肢中指节的另一端与固定套通过后联轴器相互铰接；前联轴器和后联轴器分别位于假肢中指节的前端和后端；后联轴器在靠近牵引机构一端与主体连杆一号的一端铰接；前联轴器远离牵引机构一端与主体连杆三号的一端铰接，前联轴器靠近牵引机构一端与主体连杆二号的一端铰接。
[0008] 固定套在远离牵引机构的一端与弹性连杆的一端铰接，其铰接运动的轴线与后联轴器的轴线不共线。
[0009] 弹性连杆的另一端与主体连杆三号的另一端铰接；主体连杆一号的另一端与主体连杆二号的另一端铰接；固定套、假肢中指节、主体连杆三号与弹性连杆形成一个双摇杆机构；固定套、主体连杆一号、主体连杆二号、弹性连杆形成一个双曲柄机构。
[0010] 扭转弹簧的一个扭臂与主体连杆三号固定，另一个扭臂与假肢远指节固定，扭转弹簧的轴线与假肢中指节和假肢远指节形成的指关节的轴线共线。
[0011] 安装该功能性手指假肢时，应先对残缺手指进行手术处理使残缺手指的基指节剩余足够的长度，并将固定套安装在残缺手指的基指节上；同时将牵引指套一号安装在相邻手指基指节上，将牵引指套二号安装在相邻手指中指节上。
[0012] 所述牵引指套一号3和牵引指套二号4由透气性较好、较为柔软的人造树脂制成，经过曲面造型后可分别牢固地安装在相邻手指的基指节和中指节上。
[0013] 所述牵引连杆一号5、牵引连杆三号6、牵引连杆二号7、主体连杆一号8由质量较轻、刚度较高的金属制成，铰接处使用间隙配合公差。
[0014] 所述牵引连杆一号5、牵引连杆二号7通过销轴链接与牵引指套一号3、牵引指套二号4铰接，使牵引连杆一号5、牵引连杆二号7与相邻手指基指节、中指节形成四连杆结构，该四连杆结构通过牵引连杆三号6将运动传递到主体结构。
[0015] 所述假肢中指节13和假肢远指节10使用质量较轻、强度较好的金属制成，并在外表面安装匹配的有色硅胶外套。
[0016] 所述主体连杆二号9使用质量较轻、强度较好的金属制成，铰接点使用间隙配合公差，同时通过淬火提高其硬度。
[0017] 本发明的有益效果在于，提供了一种实用的康复用具，适用于失去食指、中指、无名指或小指残疾人。本发明采用了连杆式的耦合自适应欠驱动手指机构：根据原生手指的屈伸运动过程设计的连杆与指节使其在自然屈伸过程中良好地耦合原生手指的运动轨迹；在合适的位置加入欠驱动元件使其抓取物体时根据物体的表面形状调整各指节间的位置关系，使得各指节均能与物体紧密贴合，提高了抓取物体的稳定性，避免了耦合性单自由度手指机构在抓取物体过程中只能指尖捏抓的缺陷。
附图说明
[0018] 图1为本发明的结构示意图。
[0019] 图2为牵引机构部分结构图。
[0020] 图3为主体结构部分结构图。
[0021] 图4为弹性连杆的结构图。
[0022] 图5为扭转弹簧的位置与结构图。
[0023] 图6为固定套的结构图；
[0024] 图7为后联轴器的位置关系图；
[0025] 图8为前联轴器的位置关系图；
[0026] 图中：1牵引机构；2主体结构；3牵引指套一号；4牵引指套二号；5牵引连杆一号；6牵引连杆三号；7牵引连杆二号；8主体连杆一号；9主体连杆二号； 10假肢远指节；11主体连杆三号；12弹性连杆；13假肢中指节；14固定套；15扭转弹簧；16前联轴器；17后联轴器。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明做具体的说明。
[0028] 一种功能性手指假肢，包括牵引机构1和主体结构2；主体结构2固定于残指节上，牵引机构1固定于相邻的手指上，牵引机构1通过与主体结构2相互连接的连杆，带动主体结构运动。
[0029] 牵引机构1主要由牵引指套一号3、牵引指套二号4、牵引连杆一号5、牵引连杆二号7、牵引连杆三号6组成；指套一号3、牵引指套二号4分别与牵引连杆二号7和牵引连杆一号5的端点铰接；牵引连杆二号7的另一端和牵引连杆一号5的另一端，以及牵引连杆三号6的一个端点相互铰接在一起，使牵引连杆一号5、牵引连杆二号7与牵引指套一号3、牵引指套二号4形成四连杆结构；牵引连杆三号6的另一个端点与主体结构中的主体连杆一号8的中间部位铰接。
[0030] 主体结构2主要包括固定套14、假肢中指节13、假肢远指节10、主体连杆一号8、主体连杆二号9、主体连杆三号11、扭转弹簧15、弹性连杆12、前联轴器16和后联轴器17；假肢远指节10和假肢中指节13为仿真指节的块体，假肢中指节13的一端与假肢远指节10铰接；假肢中指节13的另一端与固定套14通过后联轴器17相互铰接；前联轴器16和后联轴器17分别位于假肢中指节13的前端和后端；后联轴器17在靠近牵引机构1一端与主体连杆一号8的一端以相互垂直方式铰接。
[0031] 前联轴器远离牵引机构1一端与主体连杆三号11的一端以相互垂直方式铰接，前联轴器靠近牵引机构1一端与主体连杆二号9的一端以相互垂直方式铰接。
[0032] 固定套14在远离牵引机构1的一端与弹性连杆12的一端以在平行面活动的方式相互铰接，其铰接运动的轴线与后联轴器17的轴线不共线。
[0033] 弹性连杆12的另一端与主体连杆三号11的另一端以在平行面活动的方式相互铰接；主体连杆一号8的另一端与主体连杆二号9的另一端以在平行面活动的方式相互铰接；固定套14、假肢中指节13、主体连杆三号11与弹性连杆12形成一个双摇杆机构；固定套14、主体连杆一号8、主体连杆二号9、弹性连杆12形成一个双曲柄机构。
[0034] 扭转弹簧15的一个扭臂与主体连杆三号11固定，另一个扭臂与假肢远指节10固定，扭转弹簧15的轴线与假肢中指节13和假肢远指节10形成的指关节的轴线共线。
[0035] 所述牵引指套一号3和牵引指套二号4由透气性较好、较为柔软的人造树脂制成，经过曲面造型后可分别牢固地安装在相邻手指的基指节和中指节上。
[0036] 所述牵引连杆一号5、牵引连杆三号6、牵引连杆二号7、主体连杆一号8由质量较轻、刚度较高的金属制成，铰接处使用间隙配合公差。
[0037] 所述牵引连杆一号5、牵引连杆二号7通过销轴链接与牵引指套一号3、牵引指套二号4铰接，使牵引连杆一号5、牵引连杆二号7与相邻手指基指节、中指节形成四连杆结构，该四连杆结构通过牵引连杆三号6将运动传递到主体结构。
[0038] 所述假肢中指节13和假肢远指节10使用质量较轻、强度较好的金属制成，并在外表面安装匹配的有色硅胶外套。
[0039] 所述主体连杆二号9使用质量较轻、强度较好的金属制成，铰接点使用间隙配合公差，同时通过淬火提高其硬度。
[0040] 所述弹性连杆12两端分别与固定套14、主体连杆三号11铰接，并可通过改 变弹簧伸长量改变弹性连杆的长度。
[0041] 扭转弹簧15安装于主体连杆三号11与假肢远指节10的铰接点处，可通过改变扭转弹簧的受力状态改变主体连杆三号11与假肢远指节10的角度。
[0042] 牵引机构1中的牵引指套一号3、牵引指套二号4和主体结构2中的固定套14应由专业的假肢安装师安装到相邻手指与残指基指节上，使其与人体皮肤紧密贴合无滑动，无角度偏差。
[0043] 当相邻手指自然屈伸时，由于弹性连杆12、扭转弹簧15的预紧作用，假肢远指节10与主体连杆三号11间无相对转动，弹性连杆12长度无变化。此时机构的自由度为一。相邻手指屈伸驱动牵引连杆三号6摆动，牵引连杆三号6的运动经主体连杆一号8、主体连杆二号9传递后带动假肢中指节13与假肢远指节10运动，并且两者间有相对转动；由于相邻手指自然屈伸时的基指节与中指节有一定的耦合运动关系，这个耦合关系通过牵引机构1传递到主体结构2，使得残缺手指基指节上的固定套14与假肢中指节13保持相同的耦合运动关系，从而实现三个指节之间的相互耦合运动。
[0044] 在抓取物体过程中，当手指假肢遇到物体时，扭转弹簧15与弹性连杆12将会随指节与物体的接触状态产生相应的变化。根据对原生手指抓取物体过程的研究，一般地，相邻手指的基指节将会先接触物体。当残缺手指基指节与相邻手指基指节接触物体后将停止运动，此时相邻手指中指节仍能绕指关节转动，运动通过牵引机构1传递到主体结构2，使假肢中指节13同步地绕固定套14与假肢中指节13的铰接处转动。此时假肢中指节13与假肢远指节10的耦合关系仍然存在。当假肢中指节13与物体接触并停止运动时，此时分两种情况讨论：
[0045] 第一种情况，相邻手指中指节仍能运动，牵引连杆三号6的转动通过主体连 杆一号8、主体连杆二号9的传递到主体机构。此时由固定套14、弹性连杆12、主体连杆一号8，主体连杆二号9组成的四连杆结构将继续运动。但由固定套14、假肢中指节13、弹性连杆12与主体连杆三号11组成的四连杆结构已无法满足运动要求，弹性连杆12的长度被迫地发生变化。弹性连杆12伸长后，主体连杆一号8、主体连杆二号9与主体连杆三号11将继续进行平面运动，扭转弹簧15仍维持原来状态，直至假肢远指节10与物体接触或相邻手指中指节与物体接触。若相邻手指中指节先与物体接触，假肢有残肢基指节与假肢中指节13与物体接触，提供抓握力；若假肢远指节10先与物体接触，牵引连杆三号11将继续转动，迫使扭转弹簧15扭转，直至相邻手指中指节与物体接触。此时，假肢的三个指节均与物体接触，提供抓握力。
[0046] 第二种情况，相邻手指中指节不能继续运动。此时假肢将只有残肢基指节与物体接触，但并不影响抓握过程。相比于X-finger单一的抓捏方式，这种假肢的抓握方式多变，自适应能力强，能够重现原生手指的部分功能与抓握特点；同时假肢受力更加均匀，增加抓握动作的稳定性。
[0047] 安装该功能性手指假肢时，应先对残缺手指进行手术处理使残缺手指的基指节剩余足够的长度，并将固定套14安装在残缺手指的基指节上；同时将牵引指套一号3安装在相邻手指基指节上，将牵引指套二号4安装在相邻手指中指节上。
