針對小指根部斷裂者的機械假肢設計*

趙 斌，楊恪倫，馮健睿，余荀潔，王玉琳

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

隨著汽車行業和制造業的快速發展，因交通事故和工傷等原因造成的手指斷裂事件逐漸增多[1]。手指傷殘者會受到不同程度的影響，嚴重者甚至會喪失勞動能力。國內一項關于斷指再植的報告顯示，75%的患者對于手術失敗的風險擔憂較大，普遍存在抑郁、焦慮和恐怖等情緒[2,3]。

目前世界各國研制出的五指機械手結構大約有兩百多種[4,5]。現有的欠驅動機械手按照傳動方式的不同可以分為連桿驅動型和繩索驅動型，各有優缺點[6]。但是對于普通收入水平的家庭而言，機械手結構復雜，價格昂貴，應用范圍有限，并且針對僅斷指而手掌完好的患者而言產品很少。市場上最常見的是硅膠假指，只能夠起到美觀裝飾作用，無法代替手指進行彎曲伸展。我國在假手方面的研究與國外相比還存在較大差距[7]。為了彌補上述產品所存在的不足之處，滿足患者需求，本文設計了一種針對小指根部斷裂者的欠驅動機械假肢，以期幫助斷指患者恢復部分生理功能。

1 假肢設計方案

人的指骨由近端指骨、中指骨和遠端指骨組成，手指在自然彎曲過程中，三個指關節之間的旋轉角度呈一定的耦合關系，指尖的運動軌跡具有自然的美，使用者會希望假肢手指具有仿人的外觀和動作功能。本文中設計的機械小指的彎曲和伸展是由牽引線和彈簧操控的，為了確保其運動范圍符合生物學規律，在自然運動時具備擬人化的特征，對牽引線和彈簧的運動需要加以限制[8]。

假肢整體結構如圖1所示，可分為四個部分，分別為機械小指假肢、滑輪繞線盒、固定手套、定滑輪。機械小指假肢由遠端指骨、中指骨、近端指骨三部分組成，固定手套可以將滑輪繞線盒固定在手掌上，也可以對機械假肢進行固定，定滑輪放入滑輪繞線盒中。

1-遠端指骨；2-中指骨；3-近端指骨；4-滑塊；5-復位彈簧；6-定滑輪；7-滑輪繞線盒；8-金屬環；9，10，11-牽引線；12-固定手套

1.1 機械小指假肢

為保證機械小指質量輕、強度高且經濟實惠，整體可由環氧樹脂與玻璃纖維復合材料即玻璃鋼制造而成[9]，所設計的機械小指假肢結構如圖2所示，參照一般人手指的尺寸比例，遠端指骨、中指骨、近端指骨的長度之比為2∶3∶3[10]。近端指骨、中指骨、遠端指骨之間用鉸鏈結構連接，中指骨兩端關節處有用于限制彎角的結構。三個指骨上都鑲有銅管用于走線。

1-遠端指骨；2-中指骨；3-近端指骨；10，11-牽引線

牽引線11在指背的固定處打結，穿過各指節導管與滑塊相連接，滑塊與復位彈簧相連接。牽引線10在遠端指骨的指腹處打結固定，穿過中指骨和近端指骨指腹導管由滑輪繞線盒的側部開口引入，繞在蓋板的圓環線槽中；牽引線可以沿著任意路徑進行遠距離動力傳輸，并且結構簡單，重量小，柔韌性好，能大幅度降低成本，適用這種工作環境[11-13]。

1.2 滑輪繞線盒和固定手套

滑輪繞線盒和機械小指的固定依靠固定手套完成。固定手套如圖3所示，無彈性的防滑帶為繞手一周的環形，寬度為使用者虎口至手腕的寬度，其上縫有魔術貼，斷指處設有搭扣。滑輪繞線盒底面有魔術貼，與手背上的魔術貼粘合，拆卸簡便。

1-布料；2-防滑帶；3-魔術貼

滑輪繞線盒如圖1所示，結構包括銅管導路、一個放置復位彈簧的槽、一個放置定滑輪的圓形孔洞。定滑輪可繞一貫穿盒體的金屬軸轉動。滑輪繞線盒周圍設計有防止蓋子蓋反的缺口與兩個供線進出的孔。牽引線從盒中引出，與使用者完好的中指上三個套環相連。

1.3 定滑輪

定滑輪能夠傳遞牽引線傳導的力，其內部結構如圖4所示，包括蓋板、繞線滑塊、螺旋調位器、固定塊和底板。底板上有突起，6個繞線滑塊被突起限制，只能沿半徑方向移動。螺旋調位器裝在底板中間，可旋轉，其下半部分與繞線滑塊接觸，旋轉時可以控制繞線滑塊的移動，上半部分有與固定塊配合的槽。固定塊是呈六星形的桿組件，其中一條長桿在螺旋調位器的圓柱體的側邊，卡在蓋板上用以定位。蓋板對應底板開了6個孔，中間按照固定塊的形狀開定位槽。

1-蓋板；2-繞線滑塊；3-螺旋調位器；4-固定塊；5-底板

定滑輪直徑可調，螺旋調位器每調一個檔位旋轉角度為10°，原理如下：設繞線滑塊抵在螺旋調位器的6個角的根部時，角度為0°；螺旋調位器的六角為均勻分布，即0°、60°、120°、180°、240°和300°，蓋板上5個定位槽的角度不是均勻分布，分別為0°、70°、140°、210°和280°，依次記為孔位Ⅰ、孔位Ⅱ、孔位Ⅲ、孔位Ⅳ和孔位Ⅴ，如圖5所示。固定塊的長桿定位在孔位Ⅰ時記為0°；取下固定塊，將螺旋調位器相對于底板逆時針旋轉10°，螺旋調位器上對應的卡槽即與蓋板上的孔位Ⅱ位置重疊，將固定塊中長桿置于孔位Ⅱ即完成10°的調整。當螺旋調位器的旋轉角度超過60°時，繞線滑塊因受到牽引線9的收緊力向中心靠近，使裝置能夠自動恢復初始位置。

1-蓋板；4-固定塊；Ⅰ～Ⅴ-定位槽

牽引線9纏繞在6個繞線滑塊上，延伸至中指金屬環上。受人體結構限制，中指長度大于小指，故兩指彎曲角度相同時，牽引線9長度變化量會大于機械小指上牽引線長度變化量，故采用此結構，以期達到兩段線以不同速率收縮的目的。

2 假肢工作過程

首次使用時，將防滑帶佩戴于手掌，將滑輪繞線盒有兩缺口的一面朝向手指，用魔術貼粘在防滑帶上；將牽引線11從假肢小指背部穿過，連接至滑塊，將牽引線10從假肢小指腹部穿過，由滑輪繞線盒側面開口進入，在蓋板中的圓槽中纏繞并固定，將牽引線9繞在繞線滑塊上，穿過滑輪繞線盒前端缺口，經金屬環連接至中指指尖，金屬環帶孔部分置于中指背。接下來調整定滑輪與人手相適應，取下固定塊，將螺絲刀插入蓋板的圓形通孔中即可撥動螺旋調位器進行轉動，調整好滑輪直徑之后蓋上固定塊。將近端指骨佩戴在斷指處，將防滑帶搭扣扣在近端指骨上方凸起處，戴上彈性手套，即可完成首次佩戴與調整。

手掌從伸展到抓握過程，牽引線9被拉伸，牽引線10線收縮，使機械小指與中指實現同步彎曲，同時彈簧被拉伸。機械小指的三個指骨都在相對轉動，當遠端指骨相對于中指骨轉動了90°之后，兩者成為一個整體繼續轉動，當中指骨與近端指骨成90°時，三者構成一個整體繼續轉動，直至機械小指頂端與手掌心相接觸[14]。手掌從抓握到伸展過程，牽引線9逐漸松弛，彈簧儲存的彈性勢能轉化為機械小指的動能，牽引線11被拉伸，帶動機械小指從彎曲到伸直。 手掌抓取物體時，機械手指由根部到指尖靠近目標物體，一直到近端指骨與物體相接觸，之后牽引線繼續收緊，在力的作用下機械小指沿著目標物體的外部輪廓進行貼合，對目標物體的作用力會隨手指姿態的改變而發生改變[15]。

因為大拇指以外的四根手指結構十分類似，所以只要調整我們機械手指的長度，改變提供動力的手指，就能夠將其改造用來適配其他手指殘缺的情況。

3 假肢同步率分析

在手掌彎曲伸展速度為快速、中速、慢速三種情況下使用本裝置時，以空間絕對縱坐標為基準，以中指遠端指節和機械小指遠端指節作為觀測對象，分別在同一時刻測量兩者的彎曲角度，每種情況隨機測量15組數據。假肢同步率=機械小指遠端指節彎曲角度/中指遠端指節彎曲角度，快速、中速、慢速三種情況下的同步率如圖6所示。三種情況下的平均同步率分別為78%、80%和83.54%，在逐漸升高，說明裝置慢速工作的情況下效果會更好，中速情況下在裝置彎曲角度較小時同步率比較低。影響假肢同步率的原因有：

圖6 快速、中速、慢速三種情況下中指和機械假肢的彎曲角度及同步率

(1) 假肢具有慣性，會使其有保持原有位置的趨勢從而阻礙其運動，彎曲速度提升時其帶來的影響也會隨之增大，故在快速運動時同步率下降。

(2) 假肢關節之間進行鉸接存在一定的摩擦力阻礙運動。

(3) 牽引線的固定點在遠端指節靠近關節處，架設位置在中指節下緣和近端指節下緣，改變其相對位置也會影響假肢的彎曲力矩，從而改變手指彎曲速度影響同步率。

(4) 測量設備精度有限帶來誤差。

4 結束語

針對社會上的小指根部斷裂者，設計了一種機械小指假肢代替手指完成一部分功能，主要特點如下：①能夠在外表面填充硅膠等材料改善外觀；②機械小指假肢的運動動力由完好的中指提供，不需要外加動力；③結構簡單，材料輕便，占據空間小，方便攜帶和使用；④能夠根據不同人的手指比例調節滑輪，以適應不同人的不同需求；⑤方便更換牽引線，延長了產品使用壽命；⑥能夠擴展應用于其他手指殘缺的情況。

該裝置成本低廉，操作簡單，維修方便，體積小，不需要額外動力，便于調節松緊，經濟效益和環境效益較高，適合于因意外導致小指根部斷裂的中低收入人群使用。