科学家利用三维打印技术为手指截肢患者换上假肢!

   电子分析员        

手指截肢是最常见的上肢截肢,其发生率大约是手部截肢的100倍。研究人员为有拇指和掌骨的截肢者研发了假肢。在这种截肢的情况下,执行机构和电子元件的安装是困难的,因为空间相当有限,因为掌骨的残余。这个设计问题是通过在手指模块和嵌入电子部件的安装部分之间垂直安装执行器来解决的。通过这种设计,病人的手掌和假肢手的手指之间的排列也可以调整。在实际假肢手的开发中,重量也是一个特别重要的设计问题,因为病人能感觉到重量。大多数假肢手是通过压缩产品和被截肢者身体部分之间的接触面附着在被截肢者的残肢上。在长时间的使用中,体重过重会使使用者感到不适和疲劳。在本研究中,所有用于拟制假肢手的框架均由尼龙采用多喷熔三维打印制成。因此,研制出的假肢手重量仅为152.32克,但仍具有预期的强度和刚度。每个假手指都有四个自由度。远端指间关节,近端指间关节和掌指骨关节是耦合的,并由一个驱动器驱动,通过肌腱转移到每个关节。内收、外展和自适应抓取运动是被动地通过线性弹簧和扭转弹簧实现的。研究人员根据这些设计理念和功能制作原型,并通过不同对象的实验验证其功能性。


相关论文以题为“Development of a Lightweight Prosthetic Hand for Patients with Amputated Fingers”发表在《Applied Sciences》上。


科学家利用三维打印技术为手指截肢患者换上假肢!


研究人员为那些在事故或并发症中失去手指或手的截肢者,已经设计了各种灵巧的假肢手(或手指)。这种假肢手根据患者截肢的方式和水平可分为三种类型:1型(有中或近端指骨)、2型(只有部分腕)和3型(有拇指和部分掌骨)。


由于患者可移动近端指间关节(PIP)或掌指间关节(MCP),因此,1型患者的假肢手设计为由患者身体驱动的连杆机构组成的手指模块。这些假肢手指所使用的连杆机构(Rodriguez等人和Yoon等人)可以实现屈伸运动。特别是Yoon等人设计的自适应手指,它包含一个连杆机构,可由近端指骨部分运动的患者使用身体力量驱动。


在本研究中,研究人员设计了一只假手来实现自适应抓握、内收/外展、伸展/屈曲等动作,如图1所示。设计理念集中在为3型截肢者开发轻便、实用的手。手指模块采用四自由度欠驱动机构设计。手指的三个转动关节对应于远端指间关节(DIP)、PIP和MCP关节的一个轴是由肌腱耦合和驱动的,它们将驱动器产生的动力传递到每个关节。此外,利用三维打印技术,研制出一种轻型假肢手。


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图1.(a)假肢手和(b)带假肢的手。


设计概念和3D模型


为了给保留拇指和部分掌骨的截肢者开发假肢手,研究人员考虑了以下设计理念。首先,安装部分被设计为最小厚度(11毫米),包括所需的电子元件,例如,电机驱动器,一个微控制器单元(MCU),和一个传感器。然后将执行机构垂直安装在手指模块和安装部分之间,如图2a所示。这种结构允许安装执行机构,尽管存在残余掌骨造成的可用空间有限。此外,可以通过改变如图2a所示的垂直框架的长度(L)来调整患者手掌与假肢手手指之间的排列。其次,除了轴承、轴、弹簧和固定筋骨的框架外,所有框架均采用多喷熔(MJF) 3D打印尼龙制造,从而减轻了产品重量。使用MJF方法制造的小尺寸部件比使用其他方法制造的部件具有更好的强度和耐久性。因此,这种3D打印技术适用于制作假肢手的零件。第三,每个手指被设计成一个模块。因此,在装配过程中,手指模块可以很容易地附着和分离,这取决于被截肢手指的配置。在每个手指模块中,驱动电源由直流电机产生,并通过肌腱传递到远、中、近节指骨的关节框架中,如图2a中的红线和绿线所示。这些肌腱通过一个肌腱固定架连接到执行器上。第四,可以通过两个刻度盘将假肢手固定在用户的手背上(图1b)。最后,如果安装部分被设计成一个单一的框架,它会使使用者在握住物体时感到不适,因为框架不能产生类似于手掌的动作。因此,本文手的安装部分采用2自由度设计,采用钢板弹簧被动移动(图2b)。第二个到第五个概念侧重于实用性。


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图2.(a)指模和(b)安装件中组件和框架尺寸的命名法。


设定理想的假肢手重量为160 g,即建议的假肢手合适重量的40%。根据美国女性手的人体尺寸数据,确定目标长度为173毫米,宽度为79毫米。在伸展和屈曲运动(自然运动)中,远节指骨的预期速度为180度/秒。另外,手指模块指尖载荷为250克,可以用四根手指举起1公斤重的物体,产品成本为250美元。每个指骨自然运动的范围、中、近节指骨自适应抓取的范围、内收/外展的范围、掌心运动的范围分别为0°-90°、0°-25°、0°-15°、0°-15°。此外,目标抓握运动包括抓握纸杯、笔、各种大小的球、工具和智能手机等物体。为了实现抓取运动,将图形模块设计为一自由度主动和三自由度被动运动的欠驱动机构。在手指模块中,DIP关节是直接驱动的。在PIP和MCP关节的情况下,虽然图2a中的关节框架直接与肌腱固定框架连接,但PIP(1自由度)和MCP(2自由度)关节的运动是通过使用线性弹簧和扭转弹簧被动实现的。基于这些设计理念和机构的假肢手可以根据物体形状、伸展/屈曲和内收/外展动作实现自适应抓取。


操作原理


采用肌腱驱动的方法移动每一节指骨,如图3所示。每根指骨的关节框架通过附在固定框架上的肌腱连接起来。每根肌腱的末端(红、绿点所示)固定在每个关节架上,左右两侧的肌腱以相位差90度固定在每节指骨的转动关节的转动轴上。这种固定方式有利于伸展/屈曲运动,左侧肌腱(图3中的绿色线)在屈曲运动中拉动关节架,右侧肌腱(图3中的红色线)在伸展运动中拉动关节架。另外,由于肌腱皮带轮驱动方式存在松弛和拉紧问题,导致动力传递不佳,要始终驱动手指模块需要解决这个问题。在本研究中,为了在有限的设计空间内解决这一问题,将所有通过PIP和MCP关节的肌腱路径设计为通过这些关节转动轴的中心。这种路径设计方便了稳定的功率传递到关节框架,而不考虑指骨的运动,如图3中的上部图和侧面图所示。这种设计方法已经被证明在有限的设计空间内是相当有效的,并且它减少了产品的重量,因为偶然的机械部件,如滑轮和轴,不需要驱动。此外,由于使用了最少的零件数量,简化了设计,提高了生产率,降低了生产成本。


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图3.肌腱的连接点和路径。


每节指骨关节框架的直径()和固定筋框架的直径设计相同。因此,可通过驱动执行机构在0°-90°范围内实现伸缩运动。


在提出的手指模块中,使用中、近端指骨的两个线性弹簧(图4a、b)和安装部分的一个扭转弹簧(图4c)实现自适应抓取。具体地说,四指的扭转弹簧被动地产生内收/外展运动。如图4a、b所示,在不存在外力的自然运动过程中,每根指骨被从0°驱动到90°。然而,当中、近端指骨与物体接触时,虽然关节框架不断转动,但该框架停止转动,线性弹簧被压缩。类似地,扭转弹簧的压缩取决于与物体接触所产生的外力。食指扭转弹簧按逆时针方向被压缩,其他弹簧按顺时针方向被压缩(图4c)。


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图4.(a)自然和自适应的抓取运动(b)使用近端指间关节(PIP)和掌指骨关节(MCP)中的两个线性弹簧,(c)使用PIP和MCP关节中的两个线性弹簧和一个扭转弹簧。


手指模块和安装部分分别由32个部件和23个部件组成,包括弹簧、轴承和轴,如图5所示。所研制的假肢手可以按照如下装配方向进行轻松装配,如图5所示。


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图5.装配原理图及假肢手的所有机械部件。


结论


研究人员为保留拇指和部分掌骨的截肢者开发了轻型假肢手。为了在有限的设计空间内容纳执行机构和电子元件,执行机构垂直安装在手指模块和安装部件之间。此外,为了减轻重量,除了轴外,所有框架都是使用MJF 3D打印尼龙制造的。每个假指都有四个自由度,分别有一个主动和三个被动运动。每个手指模块中的DIP、PIP和MCP关节使用肌腱和驱动器驱动。利用线性弹簧和扭转弹簧实现自适应抓握、伸展/屈曲、内收/外展等功能,并实现被动运动。最后研究人员通过实验验证了假肢手的性能,其重量(152.32 g)大大低于传统的假肢手。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3536/htm



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