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。現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，神經電信號等共同控制的，也就是說肌電式假肢所能實現的運動相比于正常的人手臂具有一定的局限性。

關鍵詞：假肢、改進方法

針對現在假肢的不足之處，本文章給出了一個新型假肢的構思，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，相比于肌電式假肢，它沒有實現的動作上的局限性。

手掌具有6個自由度，即可以實現每根手指的彎曲、伸直以及可以實現虎口的內外旋運動。具體的實現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節運動，實現手指的彎曲與伸直的運動。虎口位置上，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，帶動虎口運動部件轉動，以實現虎口的內外旋等運動。這樣就可以實現手掌的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。實現的方法有二：第一種實現方式就是通過雙軸數字舵機，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。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孔的方式加工，第二種加工方式是通過數控銑床加工。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能力的影響較大。第二種加工方式的優點是加工精度較高，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，這種加工方式對設計人員的設計經驗和相應加工設備的使用經驗有較高的要求。

手肘部分具有兩個自由度，即可以實現人手軸的肘曲肘伸，內外旋的運動。具體的實現方式如下：實現手肘的內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，通過舵機臂，就可以帶動小臂相對于仿生大臂做旋轉運動，這樣就實現了模擬人手肘內外旋的運動。而實現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要根據負重的最大重量，假肢小臂的重量以及小臂的長度等參數來確定。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，通過擺臂帶動仿生小臂的旋轉，以實現仿生手臂的肘伸，肘曲等運動。

綜上一種新型假肢的構思已經全部介紹完畢。九自由度的假肢本體加上語音控制，可以滿足人們日常生活中基本需要。

參考文獻：

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