赵 斌，杨恪伦，冯健睿，余荀洁，王玉琳

(合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

随着汽车行业和制造业的快速发展，因交通事故和工伤等原因造成的手指断裂事件逐渐增多[1]。手指伤残者会受到不同程度的影响，严重者甚至会丧失劳动能力。国内一项关于断指再植的报告显示，75%的患者对于手术失败的风险担忧较大，普遍存在抑郁、焦虑和恐怖等情绪[2,3]。

目前世界各国研制出的五指机械手结构大约有两百多种[4,5]。现有的欠驱动机械手按照传动方式的不同可以分为连杆驱动型和绳索驱动型，各有优缺点[6]。但是对于普通收入水平的家庭而言，机械手结构复杂，价格昂贵，应用范围有限，并且针对仅断指而手掌完好的患者而言产品很少。市场上最常见的是硅胶假指，只能够起到美观装饰作用，无法代替手指进行弯曲伸展。我国在假手方面的研究与国外相比还存在较大差距[7]。为了弥补上述产品所存在的不足之处，满足患者需求，本文设计了一种针对小指根部断裂者的欠驱动机械假肢，以期帮助断指患者恢复部分生理功能。

1 假肢设计方案

人的指骨由近端指骨、中指骨和远端指骨组成，手指在自然弯曲过程中，三个指关节之间的旋转角度呈一定的耦合关系，指尖的运动轨迹具有自然的美，使用者会希望假肢手指具有仿人的外观和动作功能。本文中设计的机械小指的弯曲和伸展是由牵引线和弹簧操控的，为了确保其运动范围符合生物学规律，在自然运动时具备拟人化的特征，对牵引线和弹簧的运动需要加以限制[8]。

假肢整体结构如图1所示，可分为四个部分，分别为机械小指假肢、滑轮绕线盒、固定手套、定滑轮。机械小指假肢由远端指骨、中指骨、近端指骨三部分组成，固定手套可以将滑轮绕线盒固定在手掌上，也可以对机械假肢进行固定，定滑轮放入滑轮绕线盒中。

1-远端指骨；2-中指骨；3-近端指骨；4-滑块；5-复位弹簧；6-定滑轮；7-滑轮绕线盒；8-金属环；9，10，11-牵引线；12-固定手套

1.1 机械小指假肢

为保证机械小指质量轻、强度高且经济实惠，整体可由环氧树脂与玻璃纤维复合材料即玻璃钢制造而成[9]，所设计的机械小指假肢结构如图2所示，参照一般人手指的尺寸比例，远端指骨、中指骨、近端指骨的长度之比为2∶3∶3[10]。近端指骨、中指骨、远端指骨之间用铰链结构连接，中指骨两端关节处有用于限制弯角的结构。三个指骨上都镶有铜管用于走线。

1-远端指骨；2-中指骨；3-近端指骨；10，11-牵引线

牵引线11在指背的固定处打结，穿过各指节导管与滑块相连接，滑块与复位弹簧相连接。牵引线10在远端指骨的指腹处打结固定，穿过中指骨和近端指骨指腹导管由滑轮绕线盒的侧部开口引入，绕在盖板的圆环线槽中；牵引线可以沿着任意路径进行远距离动力传输，并且结构简单，重量小，柔韧性好，能大幅度降低成本，适用这种工作环境[11-13]。

1.2 滑轮绕线盒和固定手套

滑轮绕线盒和机械小指的固定依靠固定手套完成。固定手套如图3所示，无弹性的防滑带为绕手一周的环形，宽度为使用者虎口至手腕的宽度，其上缝有魔术贴，断指处设有搭扣。滑轮绕线盒底面有魔术贴，与手背上的魔术贴粘合，拆卸简便。

1-布料；2-防滑带；3-魔术贴

滑轮绕线盒如图1所示，结构包括铜管导路、一个放置复位弹簧的槽、一个放置定滑轮的圆形孔洞。定滑轮可绕一贯穿盒体的金属轴转动。滑轮绕线盒周围设计有防止盖子盖反的缺口与两个供线进出的孔。牵引线从盒中引出，与使用者完好的中指上三个套环相连。

1.3 定滑轮

定滑轮能够传递牵引线传导的力，其内部结构如图4所示，包括盖板、绕线滑块、螺旋调位器、固定块和底板。底板上有突起，6个绕线滑块被突起限制，只能沿半径方向移动。螺旋调位器装在底板中间，可旋转，其下半部分与绕线滑块接触，旋转时可以控制绕线滑块的移动，上半部分有与固定块配合的槽。固定块是呈六星形的杆组件，其中一条长杆在螺旋调位器的圆柱体的侧边，卡在盖板上用以定位。盖板对应底板开了6个孔，中间按照固定块的形状开定位槽。

1-盖板；2-绕线滑块；3-螺旋调位器；4-固定块；5-底板

定滑轮直径可调，螺旋调位器每调一个档位旋转角度为10°，原理如下：设绕线滑块抵在螺旋调位器的6个角的根部时，角度为0°；螺旋调位器的六角为均匀分布，即0°、60°、120°、180°、240°和300°，盖板上5个定位槽的角度不是均匀分布，分别为0°、70°、140°、210°和280°，依次记为孔位Ⅰ、孔位Ⅱ、孔位Ⅲ、孔位Ⅳ和孔位Ⅴ，如图5所示。固定块的长杆定位在孔位Ⅰ时记为0°；取下固定块，将螺旋调位器相对于底板逆时针旋转10°，螺旋调位器上对应的卡槽即与盖板上的孔位Ⅱ位置重叠，将固定块中长杆置于孔位Ⅱ即完成10°的调整。当螺旋调位器的旋转角度超过60°时，绕线滑块因受到牵引线9的收紧力向中心靠近，使装置能够自动恢复初始位置。

1-盖板；4-固定块；Ⅰ～Ⅴ-定位槽

牵引线9缠绕在6个绕线滑块上，延伸至中指金属环上。受人体结构限制，中指长度大于小指，故两指弯曲角度相同时，牵引线9长度变化量会大于机械小指上牵引线长度变化量，故采用此结构，以期达到两段线以不同速率收缩的目的。

2 假肢工作过程

首次使用时，将防滑带佩戴于手掌，将滑轮绕线盒有两缺口的一面朝向手指，用魔术贴粘在防滑带上；将牵引线11从假肢小指背部穿过，连接至滑块，将牵引线10从假肢小指腹部穿过，由滑轮绕线盒侧面开口进入，在盖板中的圆槽中缠绕并固定，将牵引线9绕在绕线滑块上，穿过滑轮绕线盒前端缺口，经金属环连接至中指指尖，金属环带孔部分置于中指背。接下来调整定滑轮与人手相适应，取下固定块，将螺丝刀插入盖板的圆形通孔中即可拨动螺旋调位器进行转动，调整好滑轮直径之后盖上固定块。将近端指骨佩戴在断指处，将防滑带搭扣扣在近端指骨上方凸起处，戴上弹性手套，即可完成首次佩戴与调整。

手掌从伸展到抓握过程，牵引线9被拉伸，牵引线10线收缩，使机械小指与中指实现同步弯曲，同时弹簧被拉伸。机械小指的三个指骨都在相对转动，当远端指骨相对于中指骨转动了90°之后，两者成为一个整体继续转动，当中指骨与近端指骨成90°时，三者构成一个整体继续转动，直至机械小指顶端与手掌心相接触[14]。手掌从抓握到伸展过程，牵引线9逐渐松弛，弹簧储存的弹性势能转化为机械小指的动能，牵引线11被拉伸，带动机械小指从弯曲到伸直。 手掌抓取物体时，机械手指由根部到指尖靠近目标物体，一直到近端指骨与物体相接触，之后牵引线继续收紧，在力的作用下机械小指沿着目标物体的外部轮廓进行贴合，对目标物体的作用力会随手指姿态的改变而发生改变[15]。

因为大拇指以外的四根手指结构十分类似，所以只要调整我们机械手指的长度，改变提供动力的手指，就能够将其改造用来适配其他手指残缺的情况。

3 假肢同步率分析

在手掌弯曲伸展速度为快速、中速、慢速三种情况下使用本装置时，以空间绝对纵坐标为基准，以中指远端指节和机械小指远端指节作为观测对象，分别在同一时刻测量两者的弯曲角度，每种情况随机测量15组数据。假肢同步率=机械小指远端指节弯曲角度/中指远端指节弯曲角度，快速、中速、慢速三种情况下的同步率如图6所示。三种情况下的平均同步率分别为78%、80%和83.54%，在逐渐升高，说明装置慢速工作的情况下效果会更好，中速情况下在装置弯曲角度较小时同步率比较低。影响假肢同步率的原因有：

图6 快速、中速、慢速三种情况下中指和机械假肢的弯曲角度及同步率

(1) 假肢具有惯性，会使其有保持原有位置的趋势从而阻碍其运动，弯曲速度提升时其带来的影响也会随之增大，故在快速运动时同步率下降。

(2) 假肢关节之间进行铰接存在一定的摩擦力阻碍运动。

(3) 牵引线的固定点在远端指节靠近关节处，架设位置在中指节下缘和近端指节下缘，改变其相对位置也会影响假肢的弯曲力矩，从而改变手指弯曲速度影响同步率。

(4) 测量设备精度有限带来误差。

4 结束语

针对社会上的小指根部断裂者，设计了一种机械小指假肢代替手指完成一部分功能，主要特点如下：①能够在外表面填充硅胶等材料改善外观；②机械小指假肢的运动动力由完好的中指提供，不需要外加动力；③结构简单，材料轻便，占据空间小，方便携带和使用；④能够根据不同人的手指比例调节滑轮，以适应不同人的不同需求；⑤方便更换牵引线，延长了产品使用寿命；⑥能够扩展应用于其他手指残缺的情况。

该装置成本低廉，操作简单，维修方便，体积小，不需要额外动力，便于调节松紧，经济效益和环境效益较高，适合于因意外导致小指根部断裂的中低收入人群使用。