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基本信息
- 項目名稱：
- 殘疾人機(jī)械式仿真手
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 肢體殘疾對人們的生活造成很大的困擾，本殘疾人人體機(jī)械仿真手具有極高的人體仿真程度，能夠拿捏不同體積，易碎的物品，能夠穩(wěn)定、牢固的保持物品，同時具有其他如寫字、烹飪等人體高仿真的功能。同時在使用時，使肘關(guān)節(jié)運(yùn)動不受到束縛，最大的發(fā)揮肘關(guān)節(jié)的施力效果，有良好的應(yīng)用前途。
- 詳細(xì)介紹：
- 第一章 緒論 1.1項目研究背景 2008年我國殘疾人事業(yè)在新的起點上加快發(fā)展，邁出了具有歷史意義的新步伐，譜寫了濃墨重彩的新篇章。2009年3月26日，國務(wù)院殘疾人工作委員會在京召開全體會議。中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理、國務(wù)院殘工委主任回良玉在會上強(qiáng)調(diào)，要進(jìn)一步貫徹落實《中共中央國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)殘疾人事業(yè)發(fā)展的意見》，加快推進(jìn)殘疾人社會保障體系和服務(wù)體系建設(shè)，這是幫助殘疾人改善基本生存發(fā)展條件、促進(jìn)殘疾人全面發(fā)展、實現(xiàn)殘疾人共享經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展成果的根本舉措，是關(guān)系殘疾人事業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展和殘疾人根本利益的戰(zhàn)略任務(wù)。我們要帶著深厚的感情做好殘疾人工作，盡心竭力為殘疾人辦實事、解難事，不斷提高殘疾人社會保障水平和為殘疾人服務(wù)的能力，推動我國殘疾人事業(yè)再上新臺階。當(dāng)前假肢需求隨著殘疾人生活水平提高而不斷增長，2009年假肢行業(yè)將受益于新醫(yī)改的實施，發(fā)展前景廣闊。 2009年新醫(yī)改方案提出，在2009-2011年間，各級政府將投入8500億元用于五項醫(yī)改。綜觀總體方案，普藥和基本醫(yī)療器械將是未來3年醫(yī)改的最大受益者。按照拉動內(nèi)需、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長的有關(guān)原則和深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革、健全醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系的要求，衛(wèi)生系統(tǒng)建設(shè)的重點領(lǐng)域之一將是基本醫(yī)療設(shè)備裝備。新醫(yī)改方案的出臺，意味著政府將加大對醫(yī)療保障的投入，并建設(shè)覆蓋城鄉(xiāng)居民的基本醫(yī)療衛(wèi)生制度。在國家確定的2009年經(jīng)濟(jì)工作五項任務(wù)中，特別提到要“加快完善城鄉(xiāng)社會保障體系，積極推進(jìn)醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革”。隨著近期事業(yè)單位養(yǎng)老金改革等工作的推進(jìn)，未來公費醫(yī)療支出可能將逐步萎縮，“新農(nóng)合”、城鎮(zhèn)居民醫(yī)保和城鄉(xiāng)救助保險帶來的市場擴(kuò)容十分確定。衛(wèi)生部頒布的《農(nóng)村衛(wèi)生服務(wù)體系建設(shè)與發(fā)展規(guī)劃》總額達(dá)67.71億元的農(nóng)村衛(wèi)生服務(wù)系統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備投資，將在2009-2010年全部完成。目前中國農(nóng)村大部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)還缺乏最基本的醫(yī)療器械裝備，需要建設(shè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院70%以上，這一塊市場有“填平補(bǔ)齊”的需求。 1.2相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況 雖然我國假肢行業(yè)近年來取得了一定的發(fā)展和進(jìn)步，但我國現(xiàn)有的假肢裝配網(wǎng)點和假肢企業(yè)規(guī)模與發(fā)達(dá)國家相比相差甚遠(yuǎn)。 （1）假肢企業(yè)規(guī)模小，行業(yè)投入少。由于行業(yè)資金投入少，研發(fā)能力不足，產(chǎn)品的品種少，數(shù)量少，就連行業(yè)的主力軍即國營假肢廠，也就是幾十人到一二百人的規(guī)模，其基本上是手工作坊的生產(chǎn)方式，不僅小而且分散，大多是自產(chǎn)自銷，因而產(chǎn)品規(guī)格不一，品種不全，形不成規(guī)模化生產(chǎn)。 （2）假肢裝配網(wǎng)點覆蓋率低。我國假肢矯形器行業(yè)從事生產(chǎn)銷售、裝配的企業(yè)，至今加起來不足600家，大大小小網(wǎng)點的設(shè)置不到700個。按我國現(xiàn)行的行政區(qū)劃設(shè)置，平均40萬人口的縣級政區(qū)（不含34個省級政區(qū)，333個地級政區(qū)）就有2862個，我們整個行業(yè)網(wǎng)點的覆蓋率，僅是縣級政區(qū)數(shù)的零頭。換句話說，還有2000多個縣級以上的政區(qū)，沒有我們行業(yè)的任何一個網(wǎng)點，全部空白。國際上的發(fā)達(dá)國家，假肢裝配網(wǎng)點已深入到20～30萬人的社區(qū)。 （3）假肢市場主要由國外企業(yè)占領(lǐng)。中國假肢產(chǎn)品市場大部份被國外企業(yè)占領(lǐng)，如：德國奧托博克（Ottobock）公司、冰島奧索（ossur）公司和英國英中耐公司等。德國奧托博克公司在世界假肢行業(yè)實力最強(qiáng),其中心設(shè)在北京,并在多個省市設(shè)立辦事處,將德國現(xiàn)代假肢的安裝技術(shù)帶入中國,同時大量銷售其系列產(chǎn)品。其他國外假肢企業(yè)紛紛也在中國設(shè)立代理公司和銷售網(wǎng)點,其中排名世界第二的冰島奧索公司更是將其亞太區(qū)域中心設(shè)立在上海,從事假肢產(chǎn)品研發(fā)。 （4）我國假肢行業(yè)發(fā)展趨勢。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展,截肢者逐漸脫貧,而國家也會逐步擴(kuò)大社會保障覆蓋面,使更多的截肢者能分享社會進(jìn)步的成果。就各假肢單位來說,應(yīng)加強(qiáng)假肢核心技術(shù)研發(fā),提高產(chǎn)品競爭力,積極開展國際合作，學(xué)習(xí)和借鑒國外先進(jìn)技術(shù),快速提高自身實力,為假肢事業(yè)的發(fā)展出力。國內(nèi)部分單位已走在前面,并取得了可喜的成績。近年來,我國加大知識創(chuàng)新力度,好的假肢產(chǎn)品也會不斷涌現(xiàn),我國假肢行業(yè)會迅速發(fā)展,努力趕超國際先進(jìn)水平。 1.3項目的技術(shù)指標(biāo) （1）機(jī)械手總體長度約50cm，有四個手指（其中一個為拇指），手指長度約為15cm，掌寬約為10cm。（此為樣品的參數(shù)） （2）機(jī)械手手體采用輕質(zhì)合金材料，輕便耐磨損，總重約1000g，最大負(fù)荷重量約為10kg。 （3）機(jī)械手手臂接受腔采用樹脂，具有良好的綜合力學(xué)性能。 （4）4種型號左、右手設(shè)計，適用于青少年和成年人。提供多種裝飾手套與機(jī)械手配套使用，每個型號的手套有10種顏色可供選擇。 1.4項目的創(chuàng)新點 當(dāng)前國內(nèi)外研發(fā)生產(chǎn)的傳統(tǒng)上肢假肢產(chǎn)品雖然外形逼真，但手掌部分只能進(jìn)行簡單的閉合動作，模式固定，更多體現(xiàn)了外觀裝飾的作用，實用價值不高。而科技含量較高的新型產(chǎn)品仿生肌電手雖然已在市場上出現(xiàn)，并因其良好的實用價值（但其也不具有手指彎曲閉合功能）而廣受好評，但由于其技術(shù)難度大、成本高、操作復(fù)雜等因素而難以成為肢殘人士的“大眾消費品”。相比較而言，本公司生產(chǎn)的機(jī)械仿真手主要具有以下幾點優(yōu)勢： （1）模仿真手結(jié)構(gòu)設(shè)計，手指具有三段活動關(guān)節(jié)，可彎曲閉合，空手握緊效果幾乎與真手一致。 （2）仿真手的手指部分采用純機(jī)械設(shè)計,握力大小可隨心控制。 （3）殘臂在伸展的情況下也能抓握物體，擺脫了肘部關(guān)節(jié)的束縛。 （4）戴上即可使用，經(jīng)過適當(dāng)訓(xùn)練即可精確操作。 （5）可與特制的工具連接使用，使殘疾人朋友從事體力勞動和精細(xì)勞動成為可能。 （6）結(jié)構(gòu)簡潔，生產(chǎn)成本低，維護(hù)方便。 第二章 總體方案設(shè)計 2.1 一代機(jī)械仿真手總體設(shè)計思路及基本原理 目前市場的各類機(jī)械手都存在這樣的類似缺點：如拿捏物品的體積、易碎程度限制，對物品的拿持的牢固程度不夠，操作困難，功能單一等技術(shù)難題。而本公司生產(chǎn)的機(jī)械手較好的克服了上述的缺點，具有極高的人體仿真程度，能夠拿捏不同體積，易碎的物品，操作簡單，能夠穩(wěn)定、牢固的保持物品。 本機(jī)械手利用杠桿原理，使各部件協(xié)調(diào)地連接在一起，操作簡單。 本機(jī)械手主要可分為手體和手臂接受腔兩大部分。手臂接受腔可將機(jī)械手固定在殘疾人的小臂上（樣品不是手臂接受腔形式），實現(xiàn)機(jī)械手與肢體的連接?？噹τ脕韺⑦B桿固定在上臂上，通過連桿與控制手指的擺桿相連接，殘疾人只需屈伸肘部就可控制手指的活動，操作非常簡單。 總之，本機(jī)械手突破了以往一般有臂機(jī)械手的技術(shù)，克服了各種缺點，如拿捏物品的體積、易碎程度限制，對物品的拿持的牢固程度不夠，功能單一等，本機(jī)械手具有極高的人體仿真程度，能夠拿捏不同體積，易碎的物品，能夠穩(wěn)定、牢固的保持物品，同時具有其他如寫字、烹飪等人體高仿真的功能。本實用機(jī)械手還具有在使用時，使肘關(guān)節(jié)運(yùn)動不受到束縛，最大的發(fā)揮肘關(guān)節(jié)的施力效果。 2.2 二代機(jī)械仿真手的改進(jìn)方案 二代仿真手的手臂接受腔里裝有肌電傳感器，截肢者殘臂的肌肉只要按設(shè)定的程序擠壓傳感器，就能控制手體的張合。 具體運(yùn)動過程如下，當(dāng)手臂彎曲，大臂和小臂相互靠攏時，大臂、小臂和下液壓缸通過銷軸和大臂與活塞桿之間的轉(zhuǎn)動，三者形成以下液壓缸為底邊的三角形，且該底邊逐漸變短，迫使下液壓缸的活塞桿向液壓缸內(nèi)壓縮，多余的液體通過液壓導(dǎo)管注入上液壓缸，上液壓缸則迫使活塞桿往外推動，該活塞桿通過傳動體來驅(qū)動手體的運(yùn)動，由于下液壓缸的容積大于上液壓缸的容積，所以下液壓缸的活塞的位移會引起較大的上活塞桿的位移，從而實現(xiàn)了較小的手臂彎曲程度和較小的手臂力量就能形成較大的傳動體的轉(zhuǎn)矩，也降低了傳動體的長度，使得整個機(jī)械手更加美觀。 4.2 推廣應(yīng)用價值 據(jù)統(tǒng)計，全國75%的肢殘人士生活在農(nóng)村，而且大多數(shù)是貧困人口，目前市場上普通的假肢手和科技含量較高的肌電仿真假肢手都很難在這些地區(qū)推廣和普及。如一只普通仿真假肢手價格在數(shù)千元左右，但沒有太大實用價值；一只科技含量較高的肌電仿真假肢手價格高則達(dá)到十幾萬，普通老百姓根本無法接受。而我們設(shè)計的殘疾人人體機(jī)械仿真手價格低廉，既滿足了使用需求，也解決了高價問題。 即便是肌電仿真假肢手，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也存在較大的弊端。如專利號為CN200720071414.9所申請的肌電手，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計只單獨采用了單軸轉(zhuǎn)動，完成食指和拇指間的夾緊和放開，這種方式雖然簡單，但是對保持物品的能力不高，與真實人手相差太大。 由于該結(jié)構(gòu)只能讓手指的兩個支點與物品接觸，一方面接觸點少就不容易拿住東西，另一方面接觸面少而引發(fā)的大壓強(qiáng)很容易把目標(biāo)物體捏壞，從而無法拿取較小，易碎的物品，如陶瓷物品、雞蛋等。 另外，夾持方式的機(jī)械手張開程度有限，一般難以大于120度的范圍，從而大大限制了該類機(jī)械手無法拿取大型體積的物品，如大直徑的礦泉水，只有將手指設(shè)計的盡量長一些才能面前完成大物品的拿取，然而這比必將導(dǎo)致假肢手過大，影響日常生活，在捏取小物品時候反而變得不方便。而那些普通的假肢手的功能中是無法完成寫字、烹調(diào)、用叉子和調(diào)羹進(jìn)食的功能。 針對以上所講述的現(xiàn)有假肢手的各種缺點，如拿捏物品的體積、易碎程度限制，對物品的拿持的牢固程度不夠、對人體仿真距離過遠(yuǎn)，功能單一的缺點，本項目制作的殘疾人人體機(jī)械仿真手能提供有效克服上述問題的技術(shù)方案，將美觀性和實用性有機(jī)的整合在一起。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.設(shè)計、發(fā)明的目的 我國假肢市場需求廣泛，但令人尷尬的是，我國自產(chǎn)的假肢產(chǎn)品數(shù)量、品種稀少，性能單一，缺乏技術(shù)創(chuàng)新，與世界先進(jìn)水平之間存在較大差距。我國假肢產(chǎn)品市場主要被國外企業(yè)占領(lǐng)。但進(jìn)口產(chǎn)品往往價格高昂，動輒數(shù)萬甚至數(shù)十萬，而我國75%的肢殘人士分布在廣大城鎮(zhèn)及農(nóng)村的地區(qū)。由于截肢者中大部份為貧困人口, 因此假肢的普及率不高, 據(jù)估計約有70％的人尚未安裝假肢。面對這一市場缺口，我國假肢行業(yè)自身急需長足發(fā)展, 生產(chǎn)研制出性能優(yōu)越、價格合理的新產(chǎn)品，以滿足這部分社會弱勢群體的需求。本項目發(fā)明目的就是為了滿足這部分人群的需求。 2.基本思路 第一代殘疾人人體機(jī)械仿真手（以下簡稱“仿真手”）： 純機(jī)械設(shè)計，使用對象為肘部以下缺失的截肢者，通過肘部關(guān)節(jié)的彎曲便可為仿真手提供握物體的能量。 第二代仿真手： 結(jié)合了電子信息技術(shù)，截肢者只要通過殘臂肌肉的收縮就可控制仿真手手掌的閉合。 3.創(chuàng)新點 一代仿真手： （1）模仿真手結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （2）純機(jī)械設(shè)計,握力大小可隨心控制。 （3）戴上即可使用，無需訓(xùn)練。 二代仿真手： 殘臂在伸展的情況下也能抓握物體，擺脫了肘部關(guān)鍵的束縛。 4.主要技術(shù)指標(biāo) （1）仿真手總體長度約50cm，有三個手指（其中一個為拇指），手指長度約為10cm，掌寬約為9cm。 （2）仿真手手掌采用覆銅板材料，輕便耐磨損，總重約1kg，最大負(fù)荷重量約為8kg。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前市場上的上肢假肢主要包括為：裝飾性仿真手、索控式仿真手和肌電式仿真手。其技術(shù)性能與本項目一、二代仿真手對比如下： 裝飾性仿真手：較美觀，但是無手指關(guān)節(jié)，無握力感知，無握力控制，也沒有實用性，價格在五千至三萬。 索控式仿真手：美觀性較好，無手指關(guān)節(jié)，無握力感知，無握力控制，只能被動張開閉合，需要一定的使用訓(xùn)練，價格在兩萬至三萬。 肌電式仿真手： 美觀性較好，無手指關(guān)節(jié)，無握力感知，握力控制較難，能主動張開閉合，但需要一定的練習(xí)，價格在三萬到十萬元。 第一代仿真手：美觀性一般，有手指關(guān)節(jié)，有握力感知，容易控制握力，不需要訓(xùn)練，與特制工具連接可完成各種工作，價格不超過三千元。 第二代仿真手：美觀性較好，無握力感知，有手指關(guān)節(jié)，握力控制較難，需要使用訓(xùn)練，能主動張開閉合，價格不超過一萬元。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 專利情況： 國家發(fā)明專利1項，實用新型專利2項 獲獎情況： 2010年7月在中國版權(quán)協(xié)會、中國高等教育學(xué)會組織的首屆中國大學(xué)生創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)大賽中獲得一等獎。 2010年11月在中國舟山政府組織的中國舟山經(jīng)濟(jì)創(chuàng)業(yè)大賽中獲得第一名。 2010年12月在GSVC中國區(qū)組委會組織的GSVC全球社會企業(yè)創(chuàng)業(yè)大賽中國區(qū)賽中獲得冠軍。
作品所處階段
- 作品現(xiàn)處于實驗室階段，做進(jìn)一步的改善研發(fā)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓技術(shù)，團(tuán)隊目前已經(jīng)成立自己的科技公司，但尋求與其他組織單位的合作研發(fā)推廣。
作品可展示的形式
- 以實物、產(chǎn)品展示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：二代仿真手在在其手臂接受腔里裝有肌電傳感器，截肢者殘臂的肌肉只要按設(shè)定的程序擠壓傳感器，就能控制手體的張合。 技術(shù)特點和優(yōu)勢 （1）模仿真手結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （2）仿真手的手指部分采用純機(jī)械設(shè)計,握力大小可隨心控制。 （3）殘臂在伸展的情況下也能抓握物體，擺脫了肘部關(guān)節(jié)的束縛。 （4）戴上即可使用，經(jīng)過適當(dāng)訓(xùn)練即可精確操作。 （5）可與特制的工具連接使用，使殘疾人朋友從事體力勞動和精細(xì)勞動成為可能。 適應(yīng)范圍：上肢假肢 推廣前景的技術(shù)性說明 市場分析 中國現(xiàn)有肢體殘疾2412萬人，中國假肢行業(yè)現(xiàn)狀卻不盡人意，主要表現(xiàn)為： （1）假肢市場需求廣泛，但自產(chǎn)的假肢產(chǎn)品數(shù)量、品種稀少，性能單一，缺乏技術(shù)創(chuàng)新。 （2）假肢產(chǎn)品市場主要被國外企業(yè)占領(lǐng)。 （3）進(jìn)口產(chǎn)品往往價格高昂，動輒數(shù)萬甚至數(shù)十萬。 （4）中國75%的肢殘人士分布在廣大農(nóng)村地區(qū)，而其中大部份為貧困人口。 （5）據(jù)估計約有70％的肢殘人士急需安裝假肢。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
同類課題研究水平概述
- 1.英國科技公司研發(fā)出新型可無線操作仿真手，英國科技公司“觸摸仿生公司”(Touch Bionics)表示，這種仿生手靈活程度是以前的仿生手所沒有的，使用者還可通過無線藍(lán)牙操作仿生手。 2.大洋網(wǎng)6月8日報道 6月7日，機(jī)器人制造商Squse的負(fù)責(zé)人清水干雄（音譯）在日本首都東京展示一只握住瓶子的機(jī)械手。這只機(jī)械手由23塊氣動“肌肉”驅(qū)動，可以做出抓捏的動作。Squse公司開發(fā)出的這種機(jī)械手可以幫助手臂有殘疾的人士。 3.據(jù)俄羅斯媒體2月13日報道，美國科學(xué)家目前正在研制一種機(jī)械仿真手。機(jī)械手的研制課題主要由美國約翰?霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)實驗室的研究人員承擔(dān)，此外，來自瑞典和奧地利的專家也參與了研制工作。據(jù)悉，這種機(jī)械手由美國國防部訂購。按照合同要求，科學(xué)家們應(yīng)開發(fā)出一種能夠完全代替人類上肢的機(jī)械裝置——其中將包括必要的電動機(jī)和感應(yīng)裝置。這份研制合同的總價值為3040萬美元，但據(jù)消息人士透露，美國國防部可能還將再追加2440萬美元的投資。 首部機(jī)械手樣品應(yīng)在2008年2月之前制造完畢。至于合同中規(guī)定的其他要求，目前還不得而知。代表美國軍方訂購這種機(jī)械手的部門為美國國防部下屬的國防先進(jìn)技術(shù)研究局。 4.CFP5月7日報道 2008年5月6日，英國倫敦科學(xué)博物館Dana中心展示Shadow Robot公司研制的機(jī)械手。這種機(jī)械手完全是依照人手的解剖結(jié)構(gòu)制成的，可以彎曲手指。此機(jī)械手的目的就是要幫助殘疾人做一切手動的動作，包括日常生活的料理。它還可用于太空操作和炸彈的布置以及其它事情。
