梁東嵐　張鉞炯　吳嘉汶

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，僅在美國(guó)每年就約有1000名初生嬰兒天生缺少手部或有不同程度的手部不健全。雖然美國(guó)是仿生義肢的技術(shù)先驅(qū)，但一只仿生義肢手的價(jià)錢(qián)仍要10萬(wàn)美元，每3年便要更換零件和維修，用戶(hù)需要負(fù)擔(dān)高昂的費(fèi)用。因后天因素失去手部的也為數(shù)不少，在歐美等富庶國(guó)家，等待接受廉價(jià)3D打印機(jī)械手的人士也數(shù)以千計(jì)。但目前3D打印機(jī)械手的實(shí)際功能仍有不足，其他種類(lèi)的產(chǎn)品亦有很大的改善空間。由此我們受到啟發(fā)，希望研發(fā)出低成本、不用電能和操作簡(jiǎn)單的多功能機(jī)械式義肢手。我們期望研發(fā)的多功能機(jī)械式義肢手可以為天生缺少或后天失去上肢的，以及手指或手腕乏力的人提供服務(wù)。

資料搜集

立體打印義肢

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，我們找到很多利用3D打印制作的機(jī)械手分享程序，香港已有一些學(xué)校引入作為教材，但我們認(rèn)為它仍有很大改善空間。

◇實(shí)際功能太少，而且?jiàn)A持力度不足。

◇作品只針對(duì)缺少手指的人士設(shè)計(jì)，使用者必須使用手腕關(guān)節(jié)操控，忽略了沒(méi)有手腕關(guān)節(jié)的人士需要。

◇需要解決電力和3D打印機(jī)等資源問(wèn)題，對(duì)不發(fā)達(dá)地區(qū)有限制。

神經(jīng)肌電波控制機(jī)械手

在肌電游戲工作坊，我們學(xué)習(xí)如何利用神經(jīng)肌電波控制機(jī)械臂，例如當(dāng)手臂用力便會(huì)產(chǎn)生一定幅度的肌電訊號(hào)，當(dāng)手臂放松時(shí)，肌電訊號(hào)便會(huì)減弱。通過(guò)使用肌肉收縮時(shí)所產(chǎn)生的肌電，配合程序設(shè)計(jì)，如Arduino編程，我們可以利用它操控馬達(dá)，令機(jī)械手產(chǎn)生活動(dòng)功能，缺點(diǎn)是要用電能推動(dòng)，不大方便。

腦電波控制機(jī)械手

世界上很多大學(xué)都有研發(fā)由腦部控制的機(jī)械手，能為有需要人士或中風(fēng)病人帶來(lái)更理想和更快捷的康復(fù)過(guò)程，但由于造價(jià)昂貴，因此只適合富裕國(guó)家，對(duì)發(fā)展中和戰(zhàn)亂國(guó)家并不適用，其缺點(diǎn)與神經(jīng)肌電波控制機(jī)械手相似。

發(fā)明介紹

我們的作品以實(shí)用為主，日常生活所需的動(dòng)作，例如寫(xiě)字、拾物和夾持餐具等均能執(zhí)行，遠(yuǎn)勝3D打印機(jī)械手的功能，甚至可媲美售價(jià)10萬(wàn)美元的仿生義肢，而成本還不到人民幣300元。作品的設(shè)計(jì)概念主要有以下幾點(diǎn)。

以手臂關(guān)節(jié)作動(dòng)力

作品以手臂關(guān)節(jié)開(kāi)合動(dòng)作控制手指動(dòng)作（圖1），無(wú)須使用電能，因而機(jī)械臂重量減少，并可免除因缺電或充電帶來(lái)的煩惱。鉸鏈位置在手臂側(cè)，動(dòng)作更靈活。

三爪式夾持方法

我們用拾物器改裝成模型手指，因?yàn)樗膴A持力度大。我們?cè)鴩L試用4組拾物器裝上模型手指作測(cè)試，但是手臂重量過(guò)重并且需要較大的拉動(dòng)幅度，于是我們把設(shè)計(jì)由4組改為2組，但在測(cè)試夾持較細(xì)小對(duì)象，例如鉛筆時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)現(xiàn)象，因此我們參考夾娃娃機(jī)，修改為三爪式設(shè)計(jì)夾持物品，動(dòng)作更穩(wěn)定。作品以大拇指、食指和中指為1組，采用三爪式設(shè)計(jì)，令?yuàn)A持較細(xì)微的物品也能很穩(wěn)定（圖2）。無(wú)名指和小指為另1組，可同時(shí)開(kāi)合，以分擔(dān)握持重物時(shí)大拇指、食指和中指的負(fù)荷。

動(dòng)力傳動(dòng)

首版和第2版作品均以鋼線(xiàn)傳遞動(dòng)力，但鋼線(xiàn)會(huì)隨使用時(shí)間而損耗，于是我們參考遙控模型舵機(jī)利用推桿原理傳遞動(dòng)力的方法，采用推桿式設(shè)計(jì)（圖3），優(yōu)點(diǎn)是損耗低和虛位較少。

力臂設(shè)計(jì)

參考遙控模型舵機(jī)的設(shè)計(jì)，舵盤(pán)以不同孔距調(diào)節(jié)力臂，從而產(chǎn)生不同的力矩（圖4）。

動(dòng)力緩沖

手臂關(guān)節(jié)開(kāi)合動(dòng)作過(guò)大可能會(huì)令推桿拉幅大于所需而損壞，于是我們以拉力彈簧把手臂關(guān)節(jié)動(dòng)力傳動(dòng)至力臂，當(dāng)手臂動(dòng)作過(guò)大，彈簧會(huì)伸延作緩沖（圖5） 。

測(cè)試及評(píng)估

我們有一位同學(xué)由于左腦生有水瘤，以致無(wú)法控制右手手指及手腕，因此他不適合使用3D打印的義肢。至于神經(jīng)肌電波控制的機(jī)械手和仿生義肢手，因?yàn)橐蒙窠?jīng)肌作感應(yīng)，而那位同學(xué)因左腦的水瘤影響右手手指及手腕的神經(jīng)線(xiàn)，神經(jīng)肌電波也不適合他使用。適合他的辦法是由右手睜關(guān)節(jié)動(dòng)作做動(dòng)力，因此他非常適合作為我們測(cè)試的對(duì)象（圖6和圖7）。同學(xué)試用了我們的作品，這是他自出生以來(lái)第1次使用右手拿起水瓶做飲水的動(dòng)作。結(jié)果令我們非常滿(mǎn)意，給予我們極大的鼓舞，令我們有信心繼續(xù)改良我們的作品。

總結(jié)

作品實(shí)用性極高，日常生活所需的動(dòng)作，例如握筆、拾物和夾持餐具均能應(yīng)對(duì)，可媲美售價(jià)10萬(wàn)美元的仿生義肢，功能遠(yuǎn)勝3D打印機(jī)械手、神經(jīng)肌電波控制機(jī)械手及其他義肢手，而成本僅需人民幣300元。作品由有需要的同學(xué)試用，效果理想，亦由不同專(zhuān)業(yè)人士提供意見(jiàn)，是市場(chǎng)上可剛?cè)峒鎮(zhèn)涠猛咀疃嗟牧x肢手。綜合來(lái)說(shuō)，作品的優(yōu)點(diǎn)如下。

◇造價(jià)平。

◇無(wú)須用電。

◇功能多及實(shí)用性高。

◇舒適。利用醫(yī)療用關(guān)節(jié)型上肢支具改裝，合乎人體工學(xué)。

◇對(duì)缺少手指、手掌、手腕關(guān)節(jié)或上肢的人皆適用。

該項(xiàng)目獲得第33屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

考慮義肢使用的便利性及解決貧窮地區(qū)缺電和操作能力的限制，從人體手臂運(yùn)動(dòng)與手掌抓握之間的關(guān)系考慮運(yùn)用純機(jī)械學(xué)原理，且運(yùn)用日常生活中的一些工具進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新目的。未來(lái)可加強(qiáng)義肢力學(xué)分析，考慮義肢未來(lái)使用的可靠性與穩(wěn)定性。加強(qiáng)商業(yè)化設(shè)計(jì)，早日改善殘障人士福利。