第二章 假肢手臂总体设计
2.1 假肢手臂生理学基础
人体的手臂是一个复杂的运动系统，其运动是大脑在大脑的协调下肌肉和骨骼共同完成的。所以为了设计假肢手臂的运功结构，研究人体手臂的生理构成是有重要意义的也是必须的。由我国成人人体尺寸比例关系图(如图2.1所示)知:大臂约占整个身高的0.2;小臂约占整个身高的0.14，按照大部分成人的身高175 cm来计算，则成年人平均手臂的尺寸大致为:
大臂长度:35cm，小臂长度:24cm大臂宽度:最大不超过lOcm，小臂宽度:最大不超过7cm。
中国成人大部分手臂重量为:大臂:1.8kg，小臂:l.lkg。
图2.1 我国成人身体比例图
根据任务书要求，假肢所需要的四个自由度，以及运动角度如表2.1所示。 人体的肩部区域和大臂有着丰富的肌肉以及复杂的骨骼链接[}22}(如图2.2所示)，其中胸锁关节、肩锁关节、盂胧关节和肩胸关节构成肩关节复合体，大臂的胧骨同小臂的尺骨、挠骨连接处构成了肘关节;小臂的尺骨、挠骨同手掌连接处构成了腕关节。这2个关节从上至下串联在一个传动链上，因此设计的假肢也应该是串联结构。
表2.1手臂关节运动范围表
2.2假肢手臂总体设计
假肢是残疾截肢患者的福音，给残疾患者日常生活中的行动提供了很大的便利，也同时给他们带来了一定的心理慰藉。设计假肢手臂时，应尽可能模仿真实的人手臂的运动系统。同时外形尺寸应和手臂接近，达到佩戴方便，舒适，美观的要求。再者，由于假肢是直接佩戴，所以要具有较高的安全系数，和良好的机械性，防止对身体造成危害。同时机械手臂的零件加工、装配应该方便和廉价，后期维护保养应该简单容易。根据任务书要求，假肢臂应达到的主要性能指标如下：
1）假肢臂大臂尺寸7cm左右，小臂尺寸27cm左右。
2）假肢臂整体重量2.5kg左右；
3）末端执行器可承受负载达到0.5kg；
4）每个自由度的运动速度在15rpm左右；
假肢手臂主要由驱动系统和假肢本体组成。如下图2.2所示：
图2.2假肢手臂总体设计方案
在假肢手臂中，肩关节和肘关节之间构成大臂，肘关节和腕关节之间构成小臂。为
了使设计结构紧凑，驱动和传动系统应布置在大臂和小臂的腔体内。考虑到为了使末端
负载尽可能的大，应该使驱动系统尽可能的布置在靠近人体的近身端，使假肢的重心靠
近肩关节。其次应尽可能的使传动链简单可靠，传动级数越多，动力损失越大，并且随
着传动级数增多，传动间隙就会被放大，导致末端运动不准确。
采用了这样的方案后，大臂腔体就要容纳下肩关节和肘关节的所有电机和减速器，
最好还能容纳下部分腕关节的电机和减速器，因此在进行电机选型的时候，除了要保证
电机的输出转矩外，电机的外形尺寸也有非常严格的要求。经过对市面上电机全面的筛
选，只有轴向长度短、单位质量输出扭矩大的扁平盘状直流伺服电机符合要求，但盘状
直流伺服电机的径向尺寸比一般电机大，这就使得电机布置的时候它的轴向不能和大臂
长度方向相同，不然就会增加假肢宽度方向上的尺寸。
假肢手臂有着严格的尺寸大小的限制，目前市面上绝大部分适用于假肢手臂的电机
输出功率都不能驱动最大负载的肩关节，因此要设计出差速机构把两个电机的输出功率
进行叠加一起来驱动肩关节，假肢力矩计算图2.3如下:
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