一种对上臂式假肢改进的方法

付彬　王涛　王浩帆　王泳宏

摘 要：上臂式假肢的种类有很多。按控制方法分类，上臂式假肢可以分为装饰性假肢、索控式假肢、肌电式假肢、语音控制假肢、脑电波控制假肢等等。按假肢运动的主动与被动的形式分类，上臂式假肢可以分为装饰性假肢和非装饰假肢。按假肢的自由度分类，上臂式假肢可以分为两自由度上臂式假肢、三自由度上臂式假肢、四自由度上臂式假肢等等。肌电式假肢是先在应用最广的假肢，它是通过接收患者患肢的肌肉点信号来控制假肢运动的。现在市场上的肌电式假肢一般具有两到三个自由度，其中以两自由度的假肢为主，即可以实现人手的张开闭合以及手肘的肘伸肘曲等运动。由于人的手臂时通过肌肉电信号，神经电信号等共同控制的，也就是说肌电式假肢所能实现的运动相比于正常的人手臂具有一定的局限性。

关键词：假肢、改进方法

针对现在假肢的不足之处，本文章给出了一个新型假肢的构思，即九自由度语音控制上臂假肢。九自由度可以细分为手掌6个，手腕1个；手肘2个自由度。整体采用语音控制， 即只要人将想做的运动通过言语就可以实现，相比于肌电式假肢，它没有实现的动作上的局限性。

手掌具有6个自由度，即可以实现每根手指的弯曲、伸直以及可以实现虎口的内外旋运动。具体的实现方式是手指的运动可以通过丝杆电机外加单自由度的连杆机构或是采用三个杆件，它们之间通过铰链铰接，动力源为舵机或是丝杆电机，连动元件是钢丝绳，钢丝绳的一端连载指头上，另一端连载动力源的输出元件上，动力源的输出元件通过钢丝绳带动指关节运动，实现手指的弯曲与伸直的运动。虎口位置上，可以才用舵机作为动力源，舵机与虎口运动部件固连在一起，舵机臂与虎口固定部件固连。通过舵机输出轴的旋转，带动虎口运动部件转动，以实现虎口的内外旋等运动。这样就可以实现手掌的6个自由度。

手腕部分具有一个自由度，即可以模拟人手腕的背伸背曲等运动。实现的方法有二：第一种实现方式就是通过双轴数字舵机，一端与仿生小臂固连，它的输出轴通过舵机臂与手掌固连，固连的方式采用螺栓连接。第二种方法是采用单轴模拟舵机，为了连接稳定，需要在它的输出轴背面打一个通孔，这个通孔的轴线要与舵机输出轴轴线共线。除此之外还有设计一个C字形舵机臂，一端与舵机臂通过螺栓固连，另一端通过螺栓与舵机固连，要做到这个C字形舵机臂能绕舵机的输出轴旋转。舵机的一端与仿生小臂固连，C字型舵机臂与仿生手掌通过螺栓固连。这种方式较第一种方法所具有的优点是成本较低，但是它需要额外的加工，而且对加工精度要求较高。这种方法中的C字形舵机臂的加工方式有三种，第一种是通过冲压和转孔的方式加工，第二种加工方式是通过数控铣床加工。第三种加工方式是通过3D打印加工。这三种加工方式的應用场合不同。如果对假肢的负重能力的要求较高，可以采用第一种和第二种加工方式，这前两种加工方式也各有利弊。第一种加工方式的加工费较低，但是第一种加工方式的加工精度受加工人员的技术能力的影响较大。第二种加工方式的优点是加工精度较高，但是第二种加工方式的加工费用较高。如果对假肢的负重要求不大，但是有成本低的要求，这时可以采用第三种加工方式，这种加工方式对设计人员的设计经验和相应加工设备的使用经验有较高的要求。

手肘部分具有两个自由度，即可以实现人手轴的肘曲肘伸，内外旋的运动。具体的实现方式如下：实现手肘的内外旋的运动的动力源是舵机，舵机的一端与仿生上臂相连，舵机的输出轴与舵机臂铰接，舵机臂仿生小臂固连。这样通过舵机的旋转，通过舵机臂，就可以带动小臂相对于仿生大臂做旋转运动，这样就实现了模拟人手肘内外旋的运动。而实现人手肘肘伸肘曲的运动的动力源可以采用双轴直流减速电机，双轴直流减速电机的参数要根据负重的最大重量，假肢小臂的重量以及小臂的长度等参数来确定。减速电机的输出轴通过摆臂和仿生小臂固连，通过减速电机输出轴的旋转，通过摆臂带动仿生小臂的旋转，以实现仿生手臂的肘伸，肘曲等运动。

综上一种新型假肢的构思已经全部介绍完毕。九自由度的假肢本体加上语音控制，可以满足人们日常生活中基本需要。

参考文献：

[1]刘洋. 主动式踝关节假肢运动实现与步态信息获取的研究[D]. 武汉理工大学， 2009.

[2]李博. 浅析LN-4仿生手假肢的原理结构及改进想法[J]. 延边医学， 2015（6）：228-230.