基本信息
- 项目名称：
- 残疾人机械式仿真手
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 肢体残疾对人们的生活造成很大的困扰，本残疾人人体机械仿真手具有极高的人体仿真程度，能够拿捏不同体积，易碎的物品，能够稳定、牢固的保持物品，同时具有其他如写字、烹饪等人体高仿真的功能。同时在使用时，使肘关节运动不受到束缚，最大的发挥肘关节的施力效果，有良好的应用前途。
- 详细介绍：
- 第一章 绪论 1.1项目研究背景 2008年我国残疾人事业在新的起点上加快发展，迈出了具有历史意义的新步伐，谱写了浓墨重彩的新篇章。2009年3月26日，国务院残疾人工作委员会在京召开全体会议。中共中央政治局委员、国务院副总理、国务院残工委主任回良玉在会上强调，要进一步贯彻落实《中共中央国务院关于促进残疾人事业发展的意见》，加快推进残疾人社会保障体系和服务体系建设，这是帮助残疾人改善基本生存发展条件、促进残疾人全面发展、实现残疾人共享经济社会发展成果的根本举措，是关系残疾人事业长远发展和残疾人根本利益的战略任务。我们要带着深厚的感情做好残疾人工作，尽心竭力为残疾人办实事、解难事，不断提高残疾人社会保障水平和为残疾人服务的能力，推动我国残疾人事业再上新台阶。当前假肢需求随着残疾人生活水平提高而不断增长，2009年假肢行业将受益于新医改的实施，发展前景广阔。 2009年新医改方案提出，在2009-2011年间，各级政府将投入8500亿元用于五项医改。综观总体方案，普药和基本医疗器械将是未来3年医改的最大受益者。按照拉动内需、促进经济增长的有关原则和深化医药卫生体制改革、健全医疗卫生服务体系的要求，卫生系统建设的重点领域之一将是基本医疗设备装备。新医改方案的出台，意味着政府将加大对医疗保障的投入，并建设覆盖城乡居民的基本医疗卫生制度。在国家确定的2009年经济工作五项任务中，特别提到要“加快完善城乡社会保障体系，积极推进医药卫生体制改革”。随着近期事业单位养老金改革等工作的推进，未来公费医疗支出可能将逐步萎缩，“新农合”、城镇居民医保和城乡救助保险带来的市场扩容十分确定。卫生部颁布的《农村卫生服务体系建设与发展规划》总额达67.71亿元的农村卫生服务系统医疗设备投资，将在2009-2010年全部完成。目前中国农村大部分医疗机构还缺乏最基本的医疗器械装备，需要建设的乡镇卫生院70%以上，这一块市场有“填平补齐”的需求。 1.2相关技术的国内外发展概况 虽然我国假肢行业近年来取得了一定的发展和进步，但我国现有的假肢装配网点和假肢企业规模与发达国家相比相差甚远。 （1）假肢企业规模小，行业投入少。由于行业资金投入少，研发能力不足，产品的品种少，数量少，就连行业的主力军即国营假肢厂，也就是几十人到一二百人的规模，其基本上是手工作坊的生产方式，不仅小而且分散，大多是自产自销，因而产品规格不一，品种不全，形不成规模化生产。 （2）假肢装配网点覆盖率低。我国假肢矫形器行业从事生产销售、装配的企业，至今加起来不足600家，大大小小网点的设置不到700个。按我国现行的行政区划设置，平均40万人口的县级政区（不含34个省级政区，333个地级政区）就有2862个，我们整个行业网点的覆盖率，仅是县级政区数的零头。换句话说，还有2000多个县级以上的政区，没有我们行业的任何一个网点，全部空白。国际上的发达国家，假肢装配网点已深入到20～30万人的社区。 （3）假肢市场主要由国外企业占领。中国假肢产品市场大部份被国外企业占领，如：德国奥托博克（Ottobock）公司、冰岛奥索（ossur）公司和英国英中耐公司等。德国奥托博克公司在世界假肢行业实力最强,其中心设在北京,并在多个省市设立办事处,将德国现代假肢的安装技术带入中国,同时大量销售其系列产品。其他国外假肢企业纷纷也在中国设立代理公司和销售网点,其中排名世界第二的冰岛奥索公司更是将其亚太区域中心设立在上海,从事假肢产品研发。 （4）我国假肢行业发展趋势。随着我国经济发展,截肢者逐渐脱贫,而国家也会逐步扩大社会保障覆盖面,使更多的截肢者能分享社会进步的成果。就各假肢单位来说,应加强假肢核心技术研发,提高产品竞争力,积极开展国际合作，学习和借鉴国外先进技术,快速提高自身实力,为假肢事业的发展出力。国内部分单位已走在前面,并取得了可喜的成绩。近年来,我国加大知识创新力度,好的假肢产品也会不断涌现,我国假肢行业会迅速发展,努力赶超国际先进水平。 1.3项目的技术指标 （1）机械手总体长度约50cm，有四个手指（其中一个为拇指），手指长度约为15cm，掌宽约为10cm。（此为样品的参数） （2）机械手手体采用轻质合金材料，轻便耐磨损，总重约1000g，最大负荷重量约为10kg。 （3）机械手手臂接受腔采用树脂，具有良好的综合力学性能。 （4）4种型号左、右手设计，适用于青少年和成年人。提供多种装饰手套与机械手配套使用，每个型号的手套有10种颜色可供选择。 1.4项目的创新点 当前国内外研发生产的传统上肢假肢产品虽然外形逼真，但手掌部分只能进行简单的闭合动作，模式固定，更多体现了外观装饰的作用，实用价值不高。而科技含量较高的新型产品仿生肌电手虽然已在市场上出现，并因其良好的实用价值（但其也不具有手指弯曲闭合功能）而广受好评，但由于其技术难度大、成本高、操作复杂等因素而难以成为肢残人士的“大众消费品”。相比较而言，本公司生产的机械仿真手主要具有以下几点优势： （1）模仿真手结构设计，手指具有三段活动关节，可弯曲闭合，空手握紧效果几乎与真手一致。 （2）仿真手的手指部分采用纯机械设计,握力大小可随心控制。 （3）残臂在伸展的情况下也能抓握物体，摆脱了肘部关节的束缚。 （4）戴上即可使用，经过适当训练即可精确操作。 （5）可与特制的工具连接使用，使残疾人朋友从事体力劳动和精细劳动成为可能。 （6）结构简洁，生产成本低，维护方便。 第二章 总体方案设计 2.1 一代机械仿真手总体设计思路及基本原理 目前市场的各类机械手都存在这样的类似缺点：如拿捏物品的体积、易碎程度限制，对物品的拿持的牢固程度不够，操作困难，功能单一等技术难题。而本公司生产的机械手较好的克服了上述的缺点，具有极高的人体仿真程度，能够拿捏不同体积，易碎的物品，操作简单，能够稳定、牢固的保持物品。 本机械手利用杠杆原理，使各部件协调地连接在一起，操作简单。 本机械手主要可分为手体和手臂接受腔两大部分。手臂接受腔可将机械手固定在残疾人的小臂上（样品不是手臂接受腔形式），实现机械手与肢体的连接。绷带圈用来将连杆固定在上臂上，通过连杆与控制手指的摆杆相连接，残疾人只需屈伸肘部就可控制手指的活动，操作非常简单。 总之，本机械手突破了以往一般有臂机械手的技术，克服了各种缺点，如拿捏物品的体积、易碎程度限制，对物品的拿持的牢固程度不够，功能单一等，本机械手具有极高的人体仿真程度，能够拿捏不同体积，易碎的物品，能够稳定、牢固的保持物品，同时具有其他如写字、烹饪等人体高仿真的功能。本实用机械手还具有在使用时，使肘关节运动不受到束缚，最大的发挥肘关节的施力效果。 2.2 二代机械仿真手的改进方案 二代仿真手的手臂接受腔里装有肌电传感器，截肢者残臂的肌肉只要按设定的程序挤压传感器，就能控制手体的张合。 具体运动过程如下，当手臂弯曲，大臂和小臂相互靠拢时，大臂、小臂和下液压缸通过销轴和大臂与活塞杆之间的转动，三者形成以下液压缸为底边的三角形，且该底边逐渐变短，迫使下液压缸的活塞杆向液压缸内压缩，多余的液体通过液压导管注入上液压缸，上液压缸则迫使活塞杆往外推动，该活塞杆通过传动体来驱动手体的运动，由于下液压缸的容积大于上液压缸的容积，所以下液压缸的活塞的位移会引起较大的上活塞杆的位移，从而实现了较小的手臂弯曲程度和较小的手臂力量就能形成较大的传动体的转矩，也降低了传动体的长度，使得整个机械手更加美观。 4.2 推广应用价值 据统计，全国75%的肢残人士生活在农村，而且大多数是贫困人口，目前市场上普通的假肢手和科技含量较高的肌电仿真假肢手都很难在这些地区推广和普及。如一只普通仿真假肢手价格在数千元左右，但没有太大实用价值；一只科技含量较高的肌电仿真假肢手价格高则达到十几万，普通老百姓根本无法接受。而我们设计的残疾人人体机械仿真手价格低廉，既满足了使用需求，也解决了高价问题。 即便是肌电仿真假肢手，其机械结构也存在较大的弊端。如专利号为CN200720071414.9所申请的肌电手，其机械结构的设计只单独采用了单轴转动，完成食指和拇指间的夹紧和放开，这种方式虽然简单，但是对保持物品的能力不高，与真实人手相差太大。 由于该结构只能让手指的两个支点与物品接触，一方面接触点少就不容易拿住东西，另一方面接触面少而引发的大压强很容易把目标物体捏坏，从而无法拿取较小，易碎的物品，如陶瓷物品、鸡蛋等。 另外，夹持方式的机械手张开程度有限，一般难以大于120度的范围，从而大大限制了该类机械手无法拿取大型体积的物品，如大直径的矿泉水，只有将手指设计的尽量长一些才能面前完成大物品的拿取，然而这比必将导致假肢手过大，影响日常生活，在捏取小物品时候反而变得不方便。而那些普通的假肢手的功能中是无法完成写字、烹调、用叉子和调羹进食的功能。 针对以上所讲述的现有假肢手的各种缺点，如拿捏物品的体积、易碎程度限制，对物品的拿持的牢固程度不够、对人体仿真距离过远，功能单一的缺点，本项目制作的残疾人人体机械仿真手能提供有效克服上述问题的技术方案，将美观性和实用性有机的整合在一起。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.设计、发明的目的 我国假肢市场需求广泛，但令人尴尬的是，我国自产的假肢产品数量、品种稀少，性能单一，缺乏技术创新，与世界先进水平之间存在较大差距。我国假肢产品市场主要被国外企业占领。但进口产品往往价格高昂，动辄数万甚至数十万，而我国75%的肢残人士分布在广大城镇及农村的地区。由于截肢者中大部份为贫困人口, 因此假肢的普及率不高, 据估计约有70％的人尚未安装假肢。面对这一市场缺口，我国假肢行业自身急需长足发展, 生产研制出性能优越、价格合理的新产品，以满足这部分社会弱势群体的需求。本项目发明目的就是为了满足这部分人群的需求。 2.基本思路 第一代残疾人人体机械仿真手（以下简称“仿真手”）： 纯机械设计，使用对象为肘部以下缺失的截肢者，通过肘部关节的弯曲便可为仿真手提供握物体的能量。 第二代仿真手： 结合了电子信息技术，截肢者只要通过残臂肌肉的收缩就可控制仿真手手掌的闭合。 3.创新点 一代仿真手： （1）模仿真手结构设计。 （2）纯机械设计,握力大小可随心控制。 （3）戴上即可使用，无需训练。 二代仿真手： 残臂在伸展的情况下也能抓握物体，摆脱了肘部关键的束缚。 4.主要技术指标 （1）仿真手总体长度约50cm，有三个手指（其中一个为拇指），手指长度约为10cm，掌宽约为9cm。 （2）仿真手手掌采用覆铜板材料，轻便耐磨损，总重约1kg，最大负荷重量约为8kg。
科学性、先进性
- 目前市场上的上肢假肢主要包括为：装饰性仿真手、索控式仿真手和肌电式仿真手。其技术性能与本项目一、二代仿真手对比如下： 装饰性仿真手：较美观，但是无手指关节，无握力感知，无握力控制，也没有实用性，价格在五千至三万。 索控式仿真手：美观性较好，无手指关节，无握力感知，无握力控制，只能被动张开闭合，需要一定的使用训练，价格在两万至三万。 肌电式仿真手： 美观性较好，无手指关节，无握力感知，握力控制较难，能主动张开闭合，但需要一定的练习，价格在三万到十万元。 第一代仿真手：美观性一般，有手指关节，有握力感知，容易控制握力，不需要训练，与特制工具连接可完成各种工作，价格不超过三千元。 第二代仿真手：美观性较好，无握力感知，有手指关节，握力控制较难，需要使用训练，能主动张开闭合，价格不超过一万元。
获奖情况及鉴定结果
- 专利情况： 国家发明专利1项，实用新型专利2项 获奖情况： 2010年7月在中国版权协会、中国高等教育学会组织的首届中国大学生创意创业大赛中获得一等奖。 2010年11月在中国舟山政府组织的中国舟山经济创业大赛中获得第一名。 2010年12月在GSVC中国区组委会组织的GSVC全球社会企业创业大赛中国区赛中获得冠军。
作品所处阶段
- 作品现处于实验室阶段，做进一步的改善研发。
技术转让方式
- 不转让技术，团队目前已经成立自己的科技公司，但寻求与其他组织单位的合作研发推广。
作品可展示的形式
- 以实物、产品展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：二代仿真手在在其手臂接受腔里装有肌电传感器，截肢者残臂的肌肉只要按设定的程序挤压传感器，就能控制手体的张合。 技术特点和优势 （1）模仿真手结构设计。 （2）仿真手的手指部分采用纯机械设计,握力大小可随心控制。 （3）残臂在伸展的情况下也能抓握物体，摆脱了肘部关节的束缚。 （4）戴上即可使用，经过适当训练即可精确操作。 （5）可与特制的工具连接使用，使残疾人朋友从事体力劳动和精细劳动成为可能。 适应范围：上肢假肢 推广前景的技术性说明 市场分析 中国现有肢体残疾2412万人，中国假肢行业现状却不尽人意，主要表现为： （1）假肢市场需求广泛，但自产的假肢产品数量、品种稀少，性能单一，缺乏技术创新。 （2）假肢产品市场主要被国外企业占领。 （3）进口产品往往价格高昂，动辄数万甚至数十万。 （4）中国75%的肢残人士分布在广大农村地区，而其中大部份为贫困人口。 （5）据估计约有70％的肢残人士急需安装假肢。 经济效益预测
同类课题研究水平概述
- 1.英国科技公司研发出新型可无线操作仿真手，英国科技公司“触摸仿生公司”(Touch Bionics)表示，这种仿生手灵活程度是以前的仿生手所沒有的，使用者还可通过无线蓝牙操作仿生手。 2.大洋网6月8日报道 6月7日，机器人制造商Squse的负责人清水干雄（音译）在日本首都东京展示一只握住瓶子的机械手。这只机械手由23块气动“肌肉”驱动，可以做出抓捏的动作。Squse公司开发出的这种机械手可以帮助手臂有残疾的人士。 3.据俄罗斯媒体2月13日报道，美国科学家目前正在研制一种机械仿真手。机械手的研制课题主要由美国约翰•霍普金斯大学应用物理学实验室的研究人员承担，此外，来自瑞典和奥地利的专家也参与了研制工作。据悉，这种机械手由美国国防部订购。按照合同要求，科学家们应开发出一种能够完全代替人类上肢的机械装置——其中将包括必要的电动机和感应装置。这份研制合同的总价值为3040万美元，但据消息人士透露，美国国防部可能还将再追加2440万美元的投资。 首部机械手样品应在2008年2月之前制造完毕。至于合同中规定的其他要求，目前还不得而知。代表美国军方订购这种机械手的部门为美国国防部下属的国防先进技术研究局。 4.CFP5月7日报道 2008年5月6日，英国伦敦科学博物馆Dana中心展示Shadow Robot公司研制的机械手。这种机械手完全是依照人手的解剖结构制成的，可以弯曲手指。此机械手的目的就是要帮助残疾人做一切手动的动作，包括日常生活的料理。它还可用于太空操作和炸弹的布置以及其它事情。
