機(jī)械設(shè)計(jì)大賽說明書：可穿戴式機(jī)械手

一種可協(xié)助老年人抓取的

可穿戴機(jī)械手

參賽單位:

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人:

目錄

作品簡介.......................................................一1一

1設(shè)計(jì)背景及意義..............................................-2-

2一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手設(shè)計(jì)方案...................-3-

2.1擬合指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì).....................................-3-

2.2多自由度設(shè)計(jì)...........................................-4-

2.2.1手指多自由度設(shè)計(jì).................................-4-

2.2.2手腕多自由度設(shè)計(jì).................................-4-

2.3雙曲柄滑塊的應(yīng)用.......................................-7-

2.4薄膜式壓力傳感器的應(yīng)用.................................-7-

2.5多萬向節(jié)的串聯(lián)使用.....................................-7-

2.6欠驅(qū)機(jī)構(gòu)................................................-8-

2.7降自由度設(shè)計(jì)...........................................-8-

2.8假肢機(jī)器人功能..........................................-9-

3一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手設(shè)計(jì)計(jì)算.................-10-

3.1雙等腰梯形結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算..........................-10-

3.2雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算..........................-10-

4一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手工作方式.................-12-

4.1單根手指的運(yùn)動(dòng)方式...................................-12-

4.2機(jī)械手的整體工作方式.................................-13-

5成本核算...................................................-14-

6發(fā)展前景...................................................-15-

7模型展示...................................................-16-

8實(shí)物展示...................................................-18-

9參考文獻(xiàn)...................................................-18-

1設(shè)計(jì)背景及意義

隨著老年人身體的衰弱，手部力量明顯下降，沒辦法去適應(yīng)日常生活，甚至在喝水、吃

飯這種日常小事上會(huì)遭遇麻煩，而我們?cè)O(shè)計(jì)的“一種可林助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手”（以

下簡稱“設(shè)計(jì)”）可在一定程度上幫助老年人克服這一難題。

據(jù)調(diào)查，市場上暫無可以直接提高老年人手部抓握力的產(chǎn)品，而例如握力球等產(chǎn)品，是

通過一定的訓(xùn)練來幫助老人恢復(fù)抓握力，但這樣不僅見效慢且不能有效的提高老年人的抓握

力。而該“設(shè)計(jì)”可以在短時(shí)間內(nèi)迅速大幅度提高抓握力，且起到隨時(shí)隨地隨用的效果。

該“設(shè)計(jì)”整體可分為四大部分：手腕部分，手背部分，手指部分以及驅(qū)動(dòng)部分。我們

將手背簡化為五條連接手腕末端與手指根部的球頭連桿機(jī)構(gòu)，根據(jù)手背血管確定Hi球頭連桿

機(jī)構(gòu)的長度以及安裝位置，并在手腕末端相應(yīng)位置設(shè)立轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手背可以繞手腕進(jìn)行個(gè)

方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)老年人需要抓取物體時(shí)，將手?jǐn)[放到相應(yīng)位置，啟動(dòng)電機(jī)，可控制機(jī)械手的手指握緊,

從而帶動(dòng)老年人手指合緊，使老年人牢靠的握住想要拿取的物體，當(dāng)電機(jī)斷開后，作為日用

外骨骼的時(shí)候，在平時(shí)不影響使用者正常活動(dòng)。

面向手抖的老年人時(shí)，只需要在上述幾個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)減少自由度，可以給患有帕金森綜

合征或-一些因?yàn)槠渌膊?dǎo)致手抖的老年人使用，即可實(shí)現(xiàn)通過外力來減緩手抖的幅度，使

患者在一定程度上可以穩(wěn)定的完成一些行動(dòng)，比如吃飯、倒水等行為。

同時(shí)在手腕部分采用三層結(jié)構(gòu)，外殼，柔性層，固定層，在保證其牢固性的同時(shí)又可以

減小對(duì)手摩擦，在拆卸以及佩戴過程中采用柔軟材質(zhì)貼合肌膚，具有一定的透氣性，進(jìn)一步

提高了整體舒適性，又增加了其安全性，避免老人的手腕受傷。

該“設(shè)計(jì)”通過智能控制與精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使老年人的使用感更好、使用更安

全、更便捷、更智能化，并且結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，能很好的緩解老人手部無力，手部顫抖

等問題，適合大批量投入生產(chǎn)，具有社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益！

-2-

2一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手設(shè)計(jì)方案

2.1擬合指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)人體手指整體運(yùn)動(dòng)的觀察和分析，提取出在自然狀態(tài)下單根手指的相鄰關(guān)節(jié)之間

的夾角可看做近似相等。

以食指設(shè)計(jì)為例，三段指關(guān)節(jié)與手背分為四個(gè)部分，每相鄰的三個(gè)部分當(dāng)做一個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)

節(jié)，根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，我們采用等腰梯形的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，使每個(gè)環(huán)節(jié)為以其中兩不相鄰部

分為腰的等腰梯形，如圖1所示，通過反向延長指關(guān)節(jié)，通過滑塊與桿之間的設(shè)計(jì)，在手指

外側(cè)形成等腰梯形結(jié)構(gòu)，將整根食指運(yùn)動(dòng)簡化為兩個(gè)聯(lián)動(dòng)的等腰梯形運(yùn)動(dòng)，使得手指在運(yùn)動(dòng)

的過程中可以保證相鄰關(guān)節(jié)之間的夾角相等，且無自相干涉。

圖】

-3-

2.2多自由度設(shè)計(jì)

2.2.1手指多自由度設(shè)計(jì)

為了更貼近真人手指的運(yùn)動(dòng)方式，在指根與手背的連接處采用了如圖3所示的萬向球與

滑塊結(jié)合后具有類骨節(jié)體性質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)體，使得手指根部以及由手指根部帶動(dòng)的其它關(guān)節(jié)

可以繞手背末端進(jìn)行多個(gè)方向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示，使整根手指以及外部結(jié)構(gòu)始終在同

一平面內(nèi)，保證了手指運(yùn)動(dòng)的靈活性和穩(wěn)定性。

圖3

圖4

2.2.2手腕多自由度設(shè)計(jì)

在手背與手腕的連接處采用了球頭連桿機(jī)構(gòu)，如圖5、圖6,使得手背，可繞手腕處做圓

周運(yùn)動(dòng)，符合正常人手的運(yùn)動(dòng)方式。

-4-

圖5

圖6

2.3雙曲柄滑塊的應(yīng)用

如圖7,通過雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，首先可將不整周或整周的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)移

動(dòng)，同時(shí)可將在手腕處的動(dòng)力源傳遞到手指的指根部，從而通過電機(jī)控制手指的張握。

-5-

圖7

以食指運(yùn)動(dòng)為例，在手背與腕部的夾角一定時(shí)，通過曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過雙曲柄滑塊機(jī)

構(gòu)推動(dòng)指根末端的受力桿，進(jìn)而帶動(dòng)手指握緊，如圖8,圖9為曲柄初始狀態(tài)下與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

下手指的形態(tài)，同時(shí)在滑塊中間設(shè)置有彈簧提供緩沖力。

圖8

-6-

圖8

2.4薄膜式壓力傳感器的應(yīng)用

通過手指內(nèi)部多個(gè)薄膜式壓力傳感器的應(yīng)用，可識(shí)別當(dāng)前握力水平，做到精準(zhǔn)控制手掌

張握的角度和位置，使速度變化平緩，在使用時(shí)更加穩(wěn)定和安全。

2.5多萬向節(jié)的串聯(lián)使用

利用萬向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在兩軸存在軸線夾角的情況下能實(shí)現(xiàn)所聯(lián)接的兩軸連續(xù)回

轉(zhuǎn)，并可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)。

在“一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手”的設(shè)計(jì)中，將多個(gè)萬向聯(lián)軸器和光軸的串

連，其中一端與手腕右側(cè)固定的電機(jī)軸相連，另一端與手腕另一側(cè)的大拇指的曲柄相連，如

圖9所示，這樣便可做到在只使用一個(gè)動(dòng)力源的情況下，對(duì)五根手指皆有穩(wěn)定的輸出。

-7-

圖9

2.6欠驅(qū)機(jī)構(gòu)

欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是輸入比要控制的量少的一類典型系統(tǒng)，欠驅(qū)動(dòng)控制算法可以起到容錯(cuò)控制

的作用。由于我們無法對(duì)所有的抓握對(duì)象進(jìn)行即時(shí)受力分析，所以“一種可協(xié)助老年人抓取

的可穿戴機(jī)械手”使用欠驅(qū)機(jī)構(gòu)可以使機(jī)械手指指節(jié)自行擬合物體的形狀，進(jìn)而可以抓起形

狀不同的物體，例如：碗、勺子、筷子、掃把、水杯等不規(guī)則物體，增強(qiáng)該“設(shè)計(jì)”的實(shí)用

性和普適性。

2.7降自由度設(shè)計(jì)

我們通過降低“一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手”的自由度來限制使用者的手部

自由度，可以給患有帕金森綜合征或一些因?yàn)槠渌膊?dǎo)致手抖的患者使用，并且可以通過

增大關(guān)節(jié)處的阻尼，以達(dá)到利用外力來減緩手抖幅度的設(shè)想，且不影響正常手指的張握運(yùn)動(dòng),

使患者在一定程度上可以自主完成一些動(dòng)作。

-8-

2.8假肢機(jī)器人功能

我們?cè)O(shè)計(jì)的“一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手”在去掉驅(qū)動(dòng)部分后，任然可實(shí)現(xiàn)

獨(dú)立手指的伸展和蜷縮以及擺動(dòng)等基本運(yùn)動(dòng)，可接替原有關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能，完美貼合人體骨

骼構(gòu)造，在不需要外部動(dòng)力的情況下，便能具有較高的人體仿真程度，能夠拿捏不同體積、

不同材質(zhì)的物品；能夠進(jìn)行羽毛球、乒乓球等運(yùn)動(dòng)；同時(shí)具有如打字、寫字等人體高仿真的

功能，具有極強(qiáng)的應(yīng)用性。

并且我們?cè)O(shè)計(jì)的““一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手"”可適配不同的殘疾狀況,

不需要進(jìn)行專門的訂做，極大降低了使用和制作成本，使用更加方便，具有良好的應(yīng)用前途,

有替代原有醫(yī)療方式的趨勢。

-9-

3一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1雙等腰梯形結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

將手指部分的結(jié)構(gòu)簡化為機(jī)械構(gòu)件形式，由于單個(gè)手指結(jié)構(gòu)相同，所以僅給出如圖1()右

側(cè)所示的簡化形式。

如圖所示，手指機(jī)構(gòu)的簡化機(jī)構(gòu)中共有7個(gè)構(gòu)件，根據(jù)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式。

尸=311-2巳-2舄

得F=7X3-2X10-0二1二原動(dòng)件數(shù)

所以機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。

在設(shè)計(jì)中，等腰梯形的腰長設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，為了計(jì)算出腰長，提取出如圖10左側(cè)所示的

的直角三角形ABC,其中AB長即為等腰梯形的腰長。

其中給定BC最大變化長度為15mm,NA的最大變化度數(shù)為82°。

則有：

AB=BC+sin(82。)=15+0.990=15.2mm

所以AB合理的設(shè)計(jì)長度為15.2mm。

3.2雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

-10-

為了設(shè)計(jì)出曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)極限長度，將雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡化為圖11所示機(jī)構(gòu)

圖11偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡圖

以食指設(shè)計(jì)為例，其中給定DE長度為25mm,給定EG的長度為80mm,為了機(jī)構(gòu)的運(yùn)

動(dòng)穩(wěn)定性，給定曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角NEDF的角度變化范圍為35°?100。，且D、G兩點(diǎn)的垂直高

度差為10mm。

則D、G兩點(diǎn)的水平距離為：

LDGmin:DExcos(35°)+JEG?—(DExsin(35。)+10)2=96.7mm

EG2DExsin

LGmax=DExcos(105°)+7-((105°)+10)=65.9mm

即滑塊G的活動(dòng)范圍在0?31mm內(nèi)。

-11-

4一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手工作方式

4.1單根手指的運(yùn)動(dòng)方式

圖12、13為單根手指的結(jié)構(gòu)正視圖。其中1為手背球頭連桿，2為指套，3為指根桿，4

為指中桿，5為指尖桿，6為等腰梯形機(jī)構(gòu)，7為球頭滑桿機(jī)構(gòu)。

1和3通過7進(jìn)行連接，當(dāng)3繞7的轉(zhuǎn)動(dòng)中心向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于6機(jī)構(gòu)的存在，使4、5隨著

3的轉(zhuǎn)動(dòng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由圖12的狀態(tài)變?yōu)閳D13的狀態(tài)。

圖13

4.2機(jī)械手的整體工作方式

圖14為一種可協(xié)助老年人抓取的機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)圖，其中8為手腕，9為串聯(lián)萬向聯(lián)

軸器，10為大拇指，11為食指，12為小拇指，13為無名指，14為中指，15為受力推桿，16

為滑塊，17為電機(jī)。

穿戴時(shí)，將8戴在手腕部，7戴在手指部即可，使用時(shí)，通過17帶動(dòng)9轉(zhuǎn)動(dòng)，通過9帶

動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的16向前滑動(dòng)，當(dāng)16與15接觸時(shí)，會(huì)推動(dòng)15進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)11

做上節(jié)所述運(yùn)動(dòng)，其余1()、12、13、14的運(yùn)動(dòng)方式同11,1()、11、12、13、14同步運(yùn)動(dòng)，

可實(shí)現(xiàn)五根手指的張握。

圖14

-13-

5成本核算

序號(hào)品名單價(jià)/元數(shù)量/個(gè)總價(jià)/元

1運(yùn)動(dòng)護(hù)腕30130

2舵機(jī)8()180

3舵機(jī)支架15115

4舵機(jī)盤428

5萬向聯(lián)軸器10440

63mm光軸1m20240

7球頭連桿912108

8伸縮天線71284

93mm定位銷0.410040

103mm鋁板30cmx40cm30260

113mm透明亞克力30cmx40cm20240

125號(hào)電池盒42184

135號(hào)電池4832

14控制板30130

15粘扣2米20120

16薄膜式壓力傳感器15575

17額外電子元件78178

18502膠7535

19AB膠20240

20加工費(fèi)及耗材1201120

金額總計(jì)1081元

6發(fā)展前景

近幾年，隨著社會(huì)老齡化的發(fā)展，城市生活壓力越來越大，年輕人很少能夠陪伴在老人

身邊，隨著獨(dú)居老人的增多，隨之而來的就是老人生活能力的不足帶來的日常生活質(zhì)量降低,

老人生活問題成為各個(gè)城市面臨的一大難題。

隨著老年人身體的衰弱，手部力量明顯下降，沒辦法去適應(yīng)日常生活，甚至在喝水、吃

飯這種日常小事上會(huì)遭遇麻煩，而我們?cè)O(shè)計(jì)的“一種可協(xié)助老年人抓取的可穿戴機(jī)械手”（以

下簡稱“設(shè)計(jì)”）可在一定程度上幫助老年人克服這一難題。

據(jù)調(diào)查，市場上暫無可以直接提高老年人手部抓握力的產(chǎn)品，而例如握力球等產(chǎn)品，是

通過一定的訓(xùn)練來幫助老人恢復(fù)抓握力，但這樣不僅見效慢且不能有效的提高老年人的抓握