刘家宁 梅嘉飞 李军
宁波财经学院 浙江宁波
摘要：本文针对手指收到损伤、残缺、截肢，但没有完全失去完整手指的手指残缺者研发一种简易、不需要电力，并且基于手指剩余体征控制的生活辅助器械，其中包含套式虚拟骨骼，旨在提高一部分残疾人的生活品质，让残疾人参与生产生活，创造社会价值。
关键字：仿生手指；运动学；无电力；抓握
1引言
1.1项目研究背景
当前假肢需求随着残疾人生活水平提高而不断增长，发展前景广阔。 随着近期事业单位养老金改革等工作的推进，未来公费医疗支出可能将逐步萎缩，“新农合”、城镇居民医保和城乡救助保险带来的市场扩容十分确定。目前中国农村大部分医疗机构不光缺乏最基本的医疗器械装备其造价还十分的高昂，而且其医疗器械需要建设的乡镇卫生院70%以上，这一块市场有“填平补齐”的需求。
1.2 国外研究现状
20世纪60年代之前，仿真手运用在医疗以及残疾人的领域还处于萌芽阶段，设计者给有需要的人设计他们的假肢，并没有成型的仿生灵巧手。而最早的仿真灵巧手是应用在机器人身上，为伤寒患者设计的Belgrade手。
而伴随着科学研究能力的不断增长，许多研究者都在这个领域取得了一定的成就，如美国麻省理工学院研发的Utah/MIT手，和德国宇航中心的DLR-I手
但是以上这些仿真机械手都存在造价高昂，外形“笨重”，维护困难，需要电力维持等缺点，虽然它们在抓取力度、精度等方面做得很好，但却很难运用在医疗领域，更谈不上让残疾人群体来使用。
2仿真手指结构设计
2.1人体生理结构
如图2-1所示，人的中指由一个掌骨和三个指节组成，掌骨和近节指骨形成掌指关节（MP）、近节指骨和中节指骨、中节指骨和远节节指骨，分别构成两个。 指间关节（IP），即近端指间关节（PIP）和远端指间关节（DIP），MP关节有2个自由度实现手指屈伸、内收/外展运动，如图la和lb所示。每个IP关节都有一个实现屈伸运动的自由度，如图2-2所示
人的手部肌肉分为两种：外在肌肉和内在肌肉。 它们从前臂开始，到手部结束。 直径更大，肌腱更长，有效增强手指的输出功率； 内部肌肉始于手，止于手，直径控制手指，可以更好的完成精细操作。每块肌肉分为肌腹和肌腱两部分：肌腹柔软，有收缩能力，肌腱较硬，无收缩能力，我们设计机械手结构的时候，需要参考人手骨以及肌肉结构，让简易的仿真手在更加符合运动学的同时也能更加美观。
2.2结构设计以及运动分析
仿真机械手由中心杆（见图2.3）、指尖套、外壳，三部分组成，总体结构如图2.4所示。中心杆采用交叉滑动的活动铰链机构链接，配合指尖部分和外壳，可以实现手指的屈伸以及对物体的抓握，按照仿生学的布局条件设计了直角型的指尖回转角度。考虑到拇指在实际抓握操作中的作用，为了更好地实现仿生手的一体化，按照模块化结构的设计理念，考虑手掌的整体布局，拇指根据实际需要设计为只有指关节旋转运动。
.png)
从上面建模结构以及实物模型（中指部分）不难看出仿真机械手的运动原理，为顺利完成抓握动作，在图2.4右侧外壳里有一块挡板与中心杆右端相连，使用者可用残缺的手指扳动挡板，两根交错的中心杆将一根推动，一根拉动指尖块，提供轴向的力，使得指尖向下弯曲，完成抓握动作。搭配皮套，即可装配到手上日常使用。
3 总结
本文采用传统的机械结构，实现了不需要使用电力的仿真手，本仿真机械手具有材料轻便易得，操作简单，控制灵活和造价低廉的特点，下一步应当进一步改进结构，挑选材料，提高该无电力仿真机械手的精度和力度，创造更大的社会价值。
[1]刘帅，孟岩.仿生机械手的设计与仿真分析[J].现代制造技术与装备，2019(12):65-72.
[2]张钦国, 于萍, 刘京广, 等.基于柔性液压系统的三关节仿人仿生手指的设计与研究[J].机械设计与制造, 2010 (7) :43-46.
[3]罗建国， 何茂艳，薛钟霄，等灵巧手研究现状及挑战[J]机械设计，20090 21(10)48.22
[4]基于细径McKibben型气动人工肌肉的仿生手研发[J]. 南卓江,杨扬,铃森康一,大贺淳一郎,刘娜,孙翊,蒲华燕,谢少荣.机器人.?2018(03)