突破性机械义肢

梁东岚　张钺炯　吴嘉汶

根据数据显示，仅在美国每年就约有1000名初生婴儿天生缺少手部或有不同程度的手部不健全。虽然美国是仿生义肢的技术先驱，但一只仿生义肢手的价钱仍要10万美元，每3年便要更换零件和维修，用户需要负担高昂的费用。因后天因素失去手部的也为数不少，在欧美等富庶国家，等待接受廉价3D打印机械手的人士也数以千计。但目前3D打印机械手的实际功能仍有不足，其他种类的产品亦有很大的改善空间。由此我们受到启发，希望研发出低成本、不用电能和操作简单的多功能机械式义肢手。我们期望研发的多功能机械式义肢手可以为天生缺少或后天失去上肢的，以及手指或手腕乏力的人提供服务。

资料搜集

立体打印义肢

通过互联网，我们找到很多利用3D打印制作的机械手分享程序，香港已有一些学校引入作为教材，但我们认为它仍有很大改善空间。

◇实际功能太少，而且夹持力度不足。

◇作品只针对缺少手指的人士设计，使用者必须使用手腕关节操控，忽略了没有手腕关节的人士需要。

◇需要解决电力和3D打印机等资源问题，对不发达地区有限制。

神经肌电波控制机械手

在肌电游戏工作坊，我们学习如何利用神经肌电波控制机械臂，例如当手臂用力便会产生一定幅度的肌电讯号，当手臂放松时，肌电讯号便会减弱。通过使用肌肉收缩时所产生的肌电，配合程序设计，如Arduino编程，我们可以利用它操控马达，令机械手产生活动功能，缺点是要用电能推动，不大方便。

脑电波控制机械手

世界上很多大学都有研发由脑部控制的机械手，能为有需要人士或中风病人带来更理想和更快捷的康复过程，但由于造价昂贵，因此只适合富裕国家，对发展中和战乱国家并不适用，其缺点与神经肌电波控制机械手相似。

发明介绍

我们的作品以实用为主，日常生活所需的动作，例如写字、拾物和夹持餐具等均能执行，远胜3D打印机械手的功能，甚至可媲美售价10万美元的仿生义肢，而成本还不到人民币300元。作品的设计概念主要有以下几点。

以手臂关节作动力

作品以手臂关节开合动作控制手指动作（图1），无须使用电能，因而机械臂重量减少，并可免除因缺电或充电带来的烦恼。铰链位置在手臂侧，动作更灵活。

三爪式夹持方法

我们用拾物器改装成模型手指，因为它的夹持力度大。我们曾尝试用4组拾物器装上模型手指作测试，但是手臂重量过重并且需要较大的拉动幅度，于是我们把设计由4组改为2组，但在测试夹持较细小对象，例如铅笔时会出现不稳现象，因此我们参考夹娃娃机，修改为三爪式设计夹持物品，动作更稳定。作品以大拇指、食指和中指为1组，采用三爪式设计，令夹持较细微的物品也能很稳定（图2）。无名指和小指为另1组，可同时开合，以分担握持重物时大拇指、食指和中指的负荷。

动力传动

首版和第2版作品均以钢线传递动力，但钢线会随使用时间而损耗，于是我们参考遥控模型舵机利用推杆原理传递动力的方法，采用推杆式设计（图3），优点是损耗低和虚位较少。

力臂设计

参考遥控模型舵机的设计，舵盘以不同孔距调节力臂，从而产生不同的力矩（图4）。

动力缓冲

手臂关节开合动作过大可能会令推杆拉幅大于所需而损坏，于是我们以拉力弹簧把手臂关节动力传动至力臂，当手臂动作过大，弹簧会伸延作缓冲（图5） 。

测试及评估

我们有一位同学由于左脑生有水瘤，以致无法控制右手手指及手腕，因此他不适合使用3D打印的义肢。至于神经肌电波控制的机械手和仿生义肢手，因为要用神经肌作感应，而那位同学因左脑的水瘤影响右手手指及手腕的神经线，神经肌电波也不适合他使用。适合他的办法是由右手睁关节动作做动力，因此他非常适合作为我们测试的对象（图6和图7）。同学试用了我们的作品，这是他自出生以来第1次使用右手拿起水瓶做饮水的动作。结果令我们非常满意，给予我们极大的鼓舞，令我们有信心继续改良我们的作品。

总结

作品实用性极高，日常生活所需的动作，例如握笔、拾物和夹持餐具均能应对，可媲美售价10万美元的仿生义肢，功能远胜3D打印机械手、神经肌电波控制机械手及其他义肢手，而成本仅需人民币300元。作品由有需要的同学试用，效果理想，亦由不同專业人士提供意见，是市场上可刚柔兼备而用途最多的义肢手。综合来说，作品的优点如下。

◇造价平。

◇无须用电。

◇功能多及实用性高。

◇舒适。利用医疗用关节型上肢支具改装，合乎人体工学。

◇对缺少手指、手掌、手腕关节或上肢的人皆适用。

该项目获得第33届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

考虑义肢使用的便利性及解决贫穷地区缺电和操作能力的限制，从人体手臂运动与手掌抓握之间的关系考虑运用纯机械学原理，且运用日常生活中的一些工具进行改进，实现了创新目的。未来可加强义肢力学分析，考虑义肢未来使用的可靠性与稳定性。加强商业化设计，早日改善残障人士福利。