CN108186170A - 一种打印假肢手及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种打印假肢手及其制造方法，属于假肢手设计制作技术领域，其技术方案是由依次连接的大臂筒、肘关节、小臂筒、腕关节、手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指整体一次三D打印成型假肢手，并且在假肢手内嵌入由依次连接的拉伸主金属片、手掌内置模块、手指拉伸片金属片、指尖预制模块组成抓握拉伸系统。所述的肘关节、腕关节及拇指、食指、中指、无名指、小指五个手指的全部指掌关节与指间关节均为复折式直曲伸缩关节结构，其中肘关节、腕关节为高强度结构。假肢手制作首先建立左或右假肢手立体三维数字模型文件，逐层立体连续打印。本发明假肢手连接精度高、重量轻、弯曲阻力小不易疲劳，不用组装用可以降低整假肢手重量、降低成本。

Description

一种打印假肢手及其制造方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及三D打印假肢手技术产品领域。

背景技术

假肢手是用于上肢伤残人士从事各种工作或生活自理功能而佩戴的精密医疗器械，它维持肢体的平衡及弥补上肢外观。制作假肢的材料主要是铝及合金、木材、皮革、塑料和金属机械部件。一个良好的假肢手必需具备完善的功能、好穿好用舒适方便，轻便耐用和外观近似健康上肢等条件。在生活中所有使用的诸多假肢，根据其使用的目的、部位、以及假肢的控制系统，有许多不同的分类。但是穿用舒适方便，轻便耐用、外观及功能类似健康上肢，同时价格低廉的假肢手是共同的要求。一只动作精准抓握力可靠的假肢手结构复杂、零配件加工精度要求高且零配件数量多，这种假肢手动作阻力大易疲劳，还需要配备外部动力。结果是假肢手重量大、价格高。

假肢手主要由两大部分组成，一部分是套装在残肢上的臂筒，臂筒被固定在残肢上，臂筒的末端有衔接器；另一部分是机动假手或自身动力机械假手通过衔接器与臂筒的末端连接。这种自身动力假手是靠使用者自身残肢和健康上肢的协调动作，带动刚性牵引索与弹性牵引索配合，操纵并控制机械假手的张开和握住，实现抓握提取物件的动作。这种机械假手构造简单，便于掌握，价格较低，在国内使用较普遍，其缺点是阻力大易疲劳、动作不精准、使用寿命期限短。

发明内容

本发明的目的是提供一次三D打印成型的假肢手，不用外部提供动力，仅靠自身动力即可精准抓握物品、阻力小不易疲劳、好穿好用舒适、使用可靠寿命长、并且价格低、一次成型一体化结构。

本发明的技术方案是由上至下依次连接的大臂筒、肘关节、小臂筒、腕关节、手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指整体一次三D打印成型假肢手，并且在假肢手内嵌入抓握拉伸系统。通过肘关节、腕关节的弯曲动力实现假肢手的握持物品。

假肢手包括由上至下依次连接的大臂筒、肘关节、小臂筒、腕关节、手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指及假肢手内嵌入的抓握拉伸系统构成；

所述的肘关节、腕关节及拇指、食指、中指、无名指、小指五个手指的全部指掌关节与指间关节均为复折式直曲伸缩关节结构，其中肘关节、腕关节为高强度结构。

所述的复折式直曲伸缩关节，其截面形状为五或六条直或曲线段组合成的左右对称拱形门底部开放结构，其外表面为复折式波纹状结构，其波峰、波谷的高度差由拱形门顶部向左右两侧底部逐渐变小趋近于零，其底部开放的拱形门的左右两侧立面板结构为厚度增大增强材料，形状为三角或上底边短的梯形板；其底部开放的拱形门的左右两侧面，是由四至十二个相邻的立面板之间的波谷内的两块对称对折的倒置三角板结构组合一体，其复折式直曲伸缩关节的拱形门的左右两侧立面板的底脚边为厚度增大增强不可复折可弯曲材料底脚边；

所述的抓握拉伸传动系统包括：由上至下依次连接的拉伸主金属片、手掌内置模块、手指拉伸片金属片、指尖预制模块；

所述的大臂筒与小臂筒形状为仿人体大臂与小臂的不标准的圆筒状结构，并且在大臂筒下端设置有固定孔，在小臂筒的外侧筒壁设置有拉伸主金属片的限位滑道，其中限位滑道长度由肘关节至腕关节上部位置；大臂筒的固定孔与小臂筒的限位滑道呈一条直线，位置同在大臂筒与小臂筒的外侧壁上；

在靠近腕关节的小臂筒的里侧壁上内表面上，设置有拉伸主金属片的导向限位滑道，其中导向限位滑道的方向与小臂筒的限位滑道方向可以平行、也可不平行，不在一个平面上，为斜对面位置关系，分别在不标准的小臂筒外侧筒壁与里侧筒壁，呈180度分设置在小臂筒的圆筒上；

所述的手掌及拇指、食指、中指、无名指、小指的各个指节形状为仿人类手部形状相似的构造，其中在手掌内设置有手掌内置模块的往复滑道，并且手掌内置模块可嵌入在往复滑道内，在手掌内往复滑道朝向手指方向分别设置有拇指、食指、中指、无名指、小指的手指拉伸金属片的限位滑道；其手指拉伸金属片的限位滑道在靠近手心一侧，在拇指、食指、中指、无名指、小指的指尖内设置有嵌入指尖的预制模块。

所述的小臂筒的外侧筒壁设置有拉伸主金属片的限位滑道，其中限位滑道可以凸出于小臂筒的外表面、也可设置在小臂筒壁层厚度范围内，限位滑道及导向限位滑道截面形状呈类似燕尾槽开口结构或长扁矩形的闭口结构。

所述的抓握拉伸系统的拉伸主金属片、手指拉伸片金属片表面有金属镀膜；拉伸主金属片与手指拉伸金属片也可以为纤维增强的复合弯屈弹性材料。

所述的大臂筒、肘关节、小臂筒、腕关节、手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指外表面仿皮肤软材料；大臂筒、小臂筒的内表面为皮肤亲和材料。

所述的手掌内置模块、指甲预制模块(为塑料或金属、有机、无机层状复合材料，其中手掌内置模块、指甲预制模块的内部还可以嵌入金属件。

所述的基于一次成型三D打印假肢手制作方法，首先建立左或右假肢手立体三维数字模型文件，由最上端开始逐层立体连续打印大臂筒、肘关节、小臂筒、腕关节、手掌及拇指、食指、中指、无名指、小指的全部指节与关节，其中五指手指与各个关节是同时按水平高度逐层连续打印，在打印过程中根据需要随时定位固定已固化成型的部分，并且连续一次打印成型，在打印过程中内部可以嵌入金属结构骨架制成件或同时使用多种材料混合打印；

所述的拇指、食指、中指、无名指、小指，五根手指也可分别逐个三 D打印成型；

所述的假肢手打印材料主要使用TPU材料；

所述的假肢手大臂筒、肘关节、小臂筒、腕关节、手掌、拇指、食指、中指、无名指、小指及全部关节打印成型后，在其内、外表面喷涂机硅或有机硅改性涂层；

所述的假肢手内嵌入的抓握拉伸系统是一次打印的假肢手制作成型后，在内部分别嵌入的分立元件拉伸主金属片、手掌内置模块、手指拉伸片金属片、指尖预制模块固定连接为一体的，拉伸主金属片上端设置有孔并且与大臂筒上的固定孔固定连接；

所述的假肢手内嵌入的抓握拉伸系统各个分立元件是分别在邻近的各个关节处，复折式直曲伸缩关节开口处植入的；

所述的复折式直曲伸缩关节拱门高度、拱门两个底脚之间宽度根据测绘对称的健康肢体三维数据及假肢手握持力的大小来确定，其复折式直曲伸缩关节的纵向长度，根据健康肢体尺寸可选择波峰、波谷节数为四至十二个节数范围。

有益效果是：本发明一次成型三D打印假肢手，连接精度高、重量轻、弯曲阻力小不易疲劳，不用组装用可以降低整假肢手重量、降低成本，本发明采用抓握拉伸传动系统弹性记忆拉伸金属片刚性好传动精准，各个部分与滑道摩擦力小，克服现有技术的有弹性的腱绳容易打滑，难以精确控制抓握过程中手指的位置，采用的创新结构复折式直曲伸关节为降低了安装、制造分立元件的成本，同时减少运动阻力，本发明采用的创新结构复折式直曲伸关节为波纹状外骨骼关节结构，还可用于军用外骨骼机器人的各个关节，并且有显著的优点。

附图说明

图1为假肢手臂抓握动作示意图。

图2-1、图2-2假肢手臂整体结构示意图。

图3-1、图3-2抓握拉伸系结构示意图。

图4-1、图4-2、图4-3、图4-4假肢手臂复折式直曲伸缩关节整体结构示意图。

图5-1、图5-2手指尖部区域内部结构示意图。

图中标记：1-大臂筒；2-肘关节；3-小臂筒；4-腕关节；5-手掌；6-复折式直曲

伸缩关节；7-拉伸主金属片；8-手掌内置模块；9-手指拉伸片金属片； 10-指尖预制模块；11-螺丝；12-固定孔；13-限位滑道；14-导向限位滑道； 15-波峰；16-波谷；17-拱形门顶部；18-两侧立面板。

具体实施方式

本发明实施例为诸多优选方案之一，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不限制三D打印成型的假肢手局部用其它方法或结构实现

本发明的具体实施方案是，由上至下依次连接的大臂筒1、肘关节2、小臂筒3、腕关节4、手掌5、拇指、食指、中指、无名指、小指及假肢手内嵌入的抓握拉伸系统构成；

所述的肘关节2、腕关节4及拇指、食指、中指、无名指、小指五个手指的全部指掌关节与指间关节均为复折式直曲伸缩关节6结构，其中肘关节、腕关节为增厚高强度材料结构；

所述的复折式直曲伸缩关节6，其截面形状为五或六条直或曲线段组合成的左右对称拱形门底部开放结构，其外表面为复折式波纹状结构，其波峰15、波谷16的高度差由拱形门顶部17向左右两侧底部逐渐变小趋近于零，其底部开放的拱形门的左右两侧立面板18结构为厚度增大增强材料，形状为三角或上底边短的梯形板；其底部开放的拱形门的左右两侧面，是由四至十二个相邻的立面板18之间的波谷16内的两块对称对折的倒置三角板结构组合一体，其复折式直曲伸缩关节6的拱形门的左右两侧立面板18的底脚边为厚度增大增强不可复折可弯曲材料底脚边；

所述的抓握拉伸传动系统包括：由上至下依次连接的拉伸主金属片7、手掌内置模块8、手指拉伸片金属片9、指尖预制模块10；

所述的大臂筒1与小臂筒3形状为仿人体大臂与小臂的不标准的圆筒状结构，并且在大臂筒1下端设置有固定孔12，在小臂筒3的外侧筒壁设置有拉伸主金属片的限位滑道13，其中限位滑道长度由肘关节至腕关节上部位置；大臂筒1的固定孔12与小臂筒的限位滑道13呈一条直线，位置同在大臂筒1与小臂筒2的外侧壁上；

在靠近腕关节4的小臂筒3的里侧壁上内表面上，设置有拉伸主金属片的导向限位滑道14，其中导向限位滑道14的方向与小臂筒3的限位滑道14方向可以平行、也可不平行，不在一个平面上，为斜对面位置关系，分别在不标准的小臂筒3外侧筒壁与里侧筒壁，呈180度分设置在小臂筒3的圆筒上；

所述的手掌5及拇指、食指、中指、无名指、小指的各个指节形状为仿人类手部形状相似的构造，其中在手掌5内设置有手掌内置模块8的往复滑道，并且手掌内置模块8可嵌入在往复滑道内，在手掌5内往复滑道朝向手指方向分别设置有拇指、食指、中指、无名指、小指的手指拉伸金属片的限位滑道；其手指拉伸金属片的限位滑道在靠近手心一侧，在拇指、食指、中指、无名指、小指的指尖内设置有嵌入指尖的预制模块10。

所述的小臂筒3的外侧筒壁设置有拉伸主金属片7的限位滑道，其中限位滑道可以凸出于小臂筒3的外表面、也可设置在小臂筒3壁层厚度范围内，限位滑道13及导向限位滑道14截面形状呈类似燕尾槽开口结构或长扁矩形的闭口结构。

所述的抓握拉伸系统的拉伸主金属片7、手指拉伸片金属片9表面有金属镀膜；拉伸主金属片7与手指拉伸金属片9也可以为纤维增强的复合弯屈弹性材料。

所述的大臂筒1、肘关节2、小臂筒3、腕关节4、手掌5、拇指、食指、中指、无名指、小指外表面仿皮肤软材料；大臂筒1、小臂筒3的内表面为皮肤亲和材料。

所述的手掌内置模块8、指甲预制模块10为塑料或金属、有机、无机层状复合材料，其中手掌内置模块8、指甲预制模块10的内部还可以嵌入金属件。

所述的一次成型三D打印假肢手制作方法，首先建立左或右假肢手立体三维数字模型文件，由最上端开始逐层立体连续打印大臂筒1、肘关节2、小臂筒3、腕关节4、手掌5及拇指、食指、中指、无名指、小指的全部指节与关节6，其中五指手指与各个关节是同时按水平高度逐层连续打印，在打印过程中根据需要随时定位固定已固化成型的部分，并且连续一次打印成型，在打印过程中内部可以嵌入金属结构骨架制成件或同时使用多种材料混合打印；

所述的拇指、食指、中指、无名指、小指，五根手指也可分别逐个三 D打印成型；

所述的假肢手打印材料主要使用TPU材料；

所述的假肢手大臂筒1、肘关节2、小臂筒3、腕关节4、手掌5、拇指、食指、中指、无名指、小指及全部关节打印成型后，在其内、外表面喷涂机硅或有机硅改性涂层；

所述的假肢手内嵌入的抓握拉伸系统是一次打印的假肢手制作成型后，在内部分别嵌入的分立元件拉伸主金属片7、手掌内置模块8、手指拉伸片金属片9、指尖预制模块10固定连接为一体的，拉伸主金属片7上端设置有孔并且与大臂筒1上的固定孔12固定连接；

所述的假肢手内嵌入的抓握拉伸系统各个分立元件是分别在邻近的各个关节处，复折式直曲伸缩关节6开口处植入的；

所述的假肢手内嵌入的抓握拉伸系统的各个部件是在处植入后用螺丝固定连接的；

所述的复折式直曲伸缩关节6拱门高度、拱门两个底脚之间宽度根据测绘对称的健康肢体三维数据及假肢手握持力的大小来确定，其复折式直曲伸缩关节6的纵向长度，根据健康肢体尺寸可选择波峰15、波谷16节数为四至十二个节数范围；

所述的复折式直曲伸缩关节6，其截面形状也可为五或十条直或曲线段组合成的左右对称拱形门底脚部开放结构；

所述的复折式直曲伸缩关节6为扇形风箱伸缩结构，它为肘关节2、腕关节4并且分别连接大臂筒1与小臂筒3或小臂筒3与手掌5；手指的各个指节均是由复折式直曲伸缩关节6三D一体化打印连接构造；

所述的拉伸主金属片7、手指拉伸片金属片9为弹性的金属材料或高弹性模量塑料材料或纤维复合材料或金属薄片与塑料薄片复合材料

所述的拉伸主金属片7的金属片不扭曲、为平面状态、与各处的限位滑道、导向限位滑道有相对滑动时摩擦力小

所述的三D打印假肢手其抓握过程，大臂筒1、小臂筒3经肘关节2 外部连接固定一金属片，平行穿过前臂3上部，通过限位结构的限位滑道 13穿入穿过手腕部，水平接入滑道上的手掌5内的手掌内置模块8，连接金属片预制的模块分别与五条分别控制手指的手指拉伸片金属片9连接；当佩带假肢手的上臂与前臂弯曲时带动大臂筒1、小臂筒3弯曲呈一定角度，使拉伸主金属片7弯曲，经限位滑道13拉动手掌内置模块8在其滑道内移动，使五根手指弯曲实现握持动作。在上述握持动作过程中附图4-1 至4-4中的复折式直曲伸缩关节6由图4-1和图4-2直缩状态转换至图4-3 和图4-4的曲伸握持弯曲状态。金属片具有韧性和记忆，牵拉弯曲可以自然恢复原始状态。假肢手抓握过程还可以设计成有传感器、电极、电池的助力假肢手或声控假肢助力。

Claims (6)

1.基于一次成型三D打印假肢手，其特征在于包括：由上至下依次连接的大臂筒(1)、肘关节(2)、小臂筒(3)、腕关节(4)、手掌(5)、拇指、食指、中指、无名指、小指及假肢手内嵌入的抓握拉伸系统构成；

所述的肘关节(2)、腕关节(4)及拇指、食指、中指、无名指、小指五个手指的全部指掌关节与指间关节均为复折式直曲伸缩关节(6)结构，其中肘关节、腕关节为增厚高强度材料结构；

所述的复折式直曲伸缩关节(6)，其截面形状为五或六条直或曲线段组合成的左右对称拱形门底部开放结构，其外表面为复折式波纹状结构，其波峰(15)、波谷(16)的高度差由拱形门顶部(17)向左右两侧底部逐渐变小趋近于零，其底部开放的拱形门的左右两侧立面板(18)结构为厚度增大增强材料，形状为三角或上底边短的梯形板；其底部开放的拱形门的左右两侧面，是由四至十二个相邻的立面板(18)之间的波谷(16)内的两块对称对折的倒置三角板结构组合一体，其复折式直曲伸缩关节(6)的拱形门的左右两侧立面板(18)的底脚边为厚度增大增强不可复折底脚边；

所述的抓握拉伸传动系统包括：由上至下依次连接的拉伸主金属片(7)、手掌内置模块(8)、手指拉伸片金属片(9)、指尖预制模块(10)；

所述的大臂筒(1)与小臂筒(3)形状为仿人体大臂与小臂的不标准的圆筒状结构，并且在大臂筒(1)下端设置有固定孔(12)，在小臂筒(3)的外侧筒壁设置有拉伸主金属片的限位滑道(13)，其中限位滑道长度由肘关节至腕关节上部位置；大臂筒(1)的固定孔(12)与小臂筒的限位滑道(13)呈一条直线，位置同在大臂筒(1)与小臂筒(2)的外侧壁上；

在靠近腕关节(4)的小臂筒(3)的里侧壁上内表面上，设置有拉伸主金属片的导向限位滑道(14)，其中导向限位滑道(14)的方向与小臂筒(3)的限位滑道(14)方向可以平行、也可不平行，不在一个平面上，为斜对面位置关系，分别在不标准的小臂筒(3)外侧筒壁与里侧筒壁，呈180度分设置在小臂筒(3)的圆筒上；

所述的手掌(5)及拇指、食指、中指、无名指、小指的各个指节形状为仿人类手部形状相似的构造，其中在手掌(5)内设置有手掌内置模块(8)的往复滑道，并且手掌内置模块(8)可嵌入在往复滑道内，在手掌(5)内往复滑道朝向手指方向分别设置有拇指、食指、中指、无名指、小指的手指拉伸金属片的限位滑道；其手指拉伸金属片的限位滑道在靠近手心一侧，在拇指、食指、中指、无名指、小指的指尖内设置有嵌入指尖的预制模块(10)。

2.根据权利要求1基于一次成型三D打印假肢手，其特征在于所述的小臂筒(3)的外侧筒壁设置有拉伸主金属片(7)的限位滑道，其中限位滑道可以凸出于小臂筒(3)的外表面、也可设置在小臂筒(3)壁层厚度范围内，限位滑道(13)及导向限位滑道(14)截面形状呈类似燕尾槽开口结构或长扁矩形的闭口结构。

3.根据权利要求1基于一次成型三D打印假肢手，其特征在于所述的抓握拉伸系统的拉伸主金属片(7)、手指拉伸片金属片(9)表面有金属镀膜；拉伸主金属片(7)与手指拉伸金属片(9)也可以为纤维增强的复合弯屈弹性模量材料。

4.根据权利要求1基于一次成型三D打印假肢手，其特征在于所述的大臂筒(1)、肘关节(2)、小臂筒(3)、腕关节(4)、手掌(5)、拇指、食指、中指、无名指、小指外表面仿皮肤软材料；大臂筒(1)、小臂筒(3)的内表面为皮肤亲和材料。

5.根据权利要求1基于一次成型三D打印假肢手，其特征在于所述的手掌内置模块(8)、指甲预制模块(10)为塑料或金属、有机、无机层状复合材料，其中手掌内置模块(8)、指甲预制模块(10)的内部还可以嵌入金属件。

6.基于一次成型三D打印假肢手制作方法，其特征在于首先建立左或右假肢手立体三维数字模型文件，由最上端开始逐层立体连续打印大臂筒(1)、肘关节(2)、小臂筒(3)、腕关节(4)、手掌(5)及拇指、食指、中指、无名指、小指的全部指节与关节(6)，其中五指手指与各个关节是同时按水平高度逐层连续打印，在打印过程中根据需要随时定位固定已固化成型的部分，并且连续一次打印成型，在打印过程中内部可以嵌入金属结构骨架制成件或同时使用多种材料混合打印；

所述的拇指、食指、中指、无名指、小指，五根手指也可分别逐个三D打印成型；

所述的假肢手打印材料主要使用TPU材料；

所述的假肢手大臂筒(1)、肘关节(2)、小臂筒(3)、腕关节(4)、手掌(5)、拇指、食指、中指、无名指、小指及全部关节打印成型后，在其内、外表面喷涂机硅或有机硅改性涂层；

所述的假肢手内嵌入的抓握拉伸系统是一次打印的假肢手制作成型后，在内部分别嵌入的分立元件拉伸主金属片(7)、手掌内置模块(8)、手指拉伸片金属片(9)、指尖预制模块(10)固定连接为一体的，拉伸主金属片(7)上端设置有孔并且与大臂筒(1)上的固定孔(12)固定连接；

所述的假肢手内嵌入的抓握拉伸系统各个分立元件是分别在邻近的各个关节处，复折式直曲伸缩关节(6)开口处植入的；

所述的复折式直曲伸缩关节(6)拱门高度、拱门两个底脚之间宽度根据测绘对称的健康肢体三维数据及假肢手握持力的大小来确定，其复折式直曲伸缩关节(6)的纵向长度，根据健康肢体尺寸可选择波峰(15)、波谷(16)节数为四至十二个节数范围。