突破性機械義肢

梁東嵐　張鉞炯　吳嘉汶

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，僅在美國每年就約有1000名初生嬰兒天生缺少手部或有不同程度的手部不健全。雖然美國是仿生義肢的技術先驅(qū)，但一只仿生義肢手的價錢仍要10萬美元，每3年便要更換零件和維修，用戶需要負擔高昂的費用。因后天因素失去手部的也為數(shù)不少，在歐美等富庶國家，等待接受廉價3D打印機械手的人士也數(shù)以千計。但目前3D打印機械手的實際功能仍有不足，其他種類的產(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、不用電能和操作簡單的多功能機械式義肢手。我們期望研發(fā)的多功能機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。

資料搜集

立體打印義肢

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

◇實際功能太少，而且夾持力度不足。

◇作品只針對缺少手指的人士設計，使用者必須使用手腕關節(jié)操控，忽略了沒有手腕關節(jié)的人士需要。

◇需要解決電力和3D打印機等資源問題，對不發(fā)達地區(qū)有限制。

神經(jīng)肌電波控制機械手

在肌電游戲工作坊，我們學習如何利用神經(jīng)肌電波控制機械臂，例如當手臂用力便會產(chǎn)生一定幅度的肌電訊號，當手臂放松時，肌電訊號便會減弱。通過使用肌肉收縮時所產(chǎn)生的肌電，配合程序設計，如Arduino編程，我們可以利用它操控馬達，令機械手產(chǎn)生活動功能，缺點是要用電能推動，不大方便。

腦電波控制機械手

世界上很多大學都有研發(fā)由腦部控制的機械手，能為有需要人士或中風病人帶來更理想和更快捷的康復過程，但由于造價昂貴，因此只適合富裕國家，對發(fā)展中和戰(zhàn)亂國家并不適用，其缺點與神經(jīng)肌電波控制機械手相似。

發(fā)明介紹

我們的作品以實用為主，日常生活所需的動作，例如寫字、拾物和夾持餐具等均能執(zhí)行，遠勝3D打印機械手的功能，甚至可媲美售價10萬美元的仿生義肢，而成本還不到人民幣300元。作品的設計概念主要有以下幾點。

以手臂關節(jié)作動力

作品以手臂關節(jié)開合動作控制手指動作（圖1），無須使用電能，因而機械臂重量減少，并可免除因缺電或充電帶來的煩惱。鉸鏈位置在手臂側(cè)，動作更靈活。

三爪式夾持方法

我們用拾物器改裝成模型手指，因為它的夾持力度大。我們曾嘗試用4組拾物器裝上模型手指作測試，但是手臂重量過重并且需要較大的拉動幅度，于是我們把設計由4組改為2組，但在測試夾持較細小對象，例如鉛筆時會出現(xiàn)不穩(wěn)現(xiàn)象，因此我們參考夾娃娃機，修改為三爪式設計夾持物品，動作更穩(wěn)定。作品以大拇指、食指和中指為1組，采用三爪式設計，令夾持較細微的物品也能很穩(wěn)定（圖2）。無名指和小指為另1組，可同時開合，以分擔握持重物時大拇指、食指和中指的負荷。

動力傳動

首版和第2版作品均以鋼線傳遞動力，但鋼線會隨使用時間而損耗，于是我們參考遙控模型舵機利用推桿原理傳遞動力的方法，采用推桿式設計（圖3），優(yōu)點是損耗低和虛位較少。

力臂設計

參考遙控模型舵機的設計，舵盤以不同孔距調(diào)節(jié)力臂，從而產(chǎn)生不同的力矩（圖4）。

動力緩沖

手臂關節(jié)開合動作過大可能會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節(jié)動力傳動至力臂，當手臂動作過大，彈簧會伸延作緩沖（圖5） 。

測試及評估

我們有一位同學由于左腦生有水瘤，以致無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)肌電波控制的機械手和仿生義肢手，因為要用神經(jīng)肌作感應，而那位同學因左腦的水瘤影響右手手指及手腕的神經(jīng)線，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節(jié)動作做動力，因此他非常適合作為我們測試的對象（圖6和圖7）。同學試用了我們的作品，這是他自出生以來第1次使用右手拿起水瓶做飲水的動作。結果令我們非常滿意，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

作品實用性極高，日常生活所需的動作，例如握筆、拾物和夾持餐具均能應對，可媲美售價10萬美元的仿生義肢，功能遠勝3D打印機械手、神經(jīng)肌電波控制機械手及其他義肢手，而成本僅需人民幣300元。作品由有需要的同學試用，效果理想，亦由不同專業(yè)人士提供意見，是市場上可剛?cè)峒鎮(zhèn)涠猛咀疃嗟牧x肢手。綜合來說，作品的優(yōu)點如下。

◇造價平。

◇無須用電。

◇功能多及實用性高。

◇舒適。利用醫(yī)療用關節(jié)型上肢支具改裝，合乎人體工學。

◇對缺少手指、手掌、手腕關節(jié)或上肢的人皆適用。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

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，從人體手臂運動與手掌抓握之間的關系考慮運用純機械學原理，且運用日常生活中的一些工具進行改進，實現(xiàn)了創(chuàng)新目的。未來可加強義肢力學分析，考慮義肢未來使用的可靠性與穩(wěn)定性。加強商業(yè)化設計，早日改善殘障人士福利。