【原】類似人手的手部假肢相關(guān)研究登上Science子刊封面

腦機(jī)接口社區(qū) 2021-07-01

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意大利技術(shù)研究院的研究人員創(chuàng)造出來(lái)與人手極為相似的機(jī)械手Hannes。該機(jī)械手能夠執(zhí)行許多日常動(dòng)作，比如擦桌子、握住物體等；下圖是利用假肢擦桌子：

假手能夠像人類的手一樣抓握住遞給它的任何物體：

上圖中把易拉罐的底部遞到這只機(jī)械手上，它可以輕松握住瓶底，并在對(duì)方試圖拿走時(shí)松開(kāi)手。

這只擬人化的機(jī)械手具有如此強(qiáng)大的功能，可以說(shuō)是非常的不簡(jiǎn)單。下面我們看一下它的原理和構(gòu)造。

導(dǎo)讀

用功能和效果均等的人工設(shè)備代替人的手是一項(xiàng)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。即使是最先進(jìn)的手部假體，也無(wú)法達(dá)到人類手的復(fù)雜性、靈活性和適應(yīng)性，它們有幾個(gè)活動(dòng)自由度，由殘肢剩余肌肉的電信號(hào)控制。

因此，由于不良的實(shí)施方式，用戶放棄假體比率仍然很高。在這里，意大利技術(shù)研究院的研究人員報(bào)告了一種稱為Hannes的假肢手，該假手融合了關(guān)鍵的仿生特性，從而使該假肢與人類的手極為相似。通過(guò)整體設(shè)計(jì)方法和廣泛的共同開(kāi)發(fā)工作，包括研究人員、患者、整形外科醫(yī)生和工業(yè)設(shè)計(jì)師，研究人員提出的設(shè)備同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的擬人化、仿生性能和類似人的抓取行為，這超出了執(zhí)行日常生活活動(dòng)(ADLs)的要求。

為了評(píng)估Hannes的有效性和可用性，研究者對(duì)截肢者進(jìn)行了試驗(yàn)。在大約2周的時(shí)間前后進(jìn)行了測(cè)試和問(wèn)卷調(diào)查，截肢者可以在國(guó)內(nèi)自主使用Hannes來(lái)執(zhí)行ADL。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Hannes的高性能和抓取行為的人性化。盡管Hannes的速度仍然低于人手所能達(dá)到的速度，但實(shí)驗(yàn)表明，與現(xiàn)有的研究或商用設(shè)備相比，其性能有所提高。

Hannes 系統(tǒng)概覽

研究人員設(shè)計(jì)的Hannes系統(tǒng)主要由三個(gè)相互作用的物理部件組成：

(1)肌電多關(guān)節(jié)假肢手，由差動(dòng)欠驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)；

(2)被動(dòng)屈伸（F/E）腕關(guān)節(jié)模塊；

(3)肌電接口 / 控制器，包括兩個(gè)表面肌電圖 (sEMG) 傳感器、電池組和控制電路。Hannes 系統(tǒng)如下圖 A 所示：

圖 1：Hannes 系統(tǒng)。A：Hannes系統(tǒng)架構(gòu)

圖 1：Hannes 系統(tǒng)。B：未被手套覆蓋的 Hannes 外觀

圖 1：Hannes 系統(tǒng). C-G，Hannes 執(zhí)行日常生活動(dòng)作

下圖為Hannes系統(tǒng)的機(jī)電一體化。Hannes的核心機(jī)電一體化部件包括手掌，手指和手腕。

Hannes 的機(jī)電構(gòu)造圖：

(A)手的3D視圖(左)和位于手掌中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫截面(右)。引導(dǎo)線，從動(dòng)線1(食指和中指)和從動(dòng)線2(無(wú)名指和小指)分別以紅色，綠色和黃色顯示。

Hannes 的機(jī)電構(gòu)造圖：

(B)手指運(yùn)動(dòng)學(xué)(左)和機(jī)械設(shè)計(jì)(右)。(C)拇指運(yùn)動(dòng)學(xué)(左)和機(jī)械設(shè)計(jì)(右)。

Hannes 的機(jī)電構(gòu)造圖：(D)集成在Hannes中的F / E腕部的詳細(xì)橫截面，

以及(E)F / E腕部采用三種配置：(左)最大伸展，(中間)中立位置和(右)最大屈曲。

研究人員在設(shè)計(jì)仿生假肢時(shí)，采用的是整體設(shè)計(jì)方法，從早期的開(kāi)發(fā)階段就考慮了假肢的擬人化、仿生性能和類人抓取。這些關(guān)鍵的仿生因子互補(bǔ)地融合在一起，并且都已被整合到Hannes系統(tǒng)中。具體的整體仿生假肢設(shè)計(jì)方法如下圖所示。

圖 2：Hannes 的整體仿生設(shè)計(jì)方法

Hannes具有高度擬人化的特點(diǎn)

研究人員設(shè)計(jì)的Hannes具有高度的擬人化，如下圖所示。圖 3A 顯示了 Hannes 的高度擬人化：中指中近端直徑的最大差異為 4.8%，與參考手模型極為相似。

圖 3：Hannes 的人體測(cè)量,A

下圖 3B 表明除遠(yuǎn)端指間（DIP）關(guān)節(jié)外的所有手指自由度均已實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)在功能和復(fù)雜性之間的權(quán)衡，DIP 關(guān)節(jié)被省略并設(shè)置為固定角度。拇指的運(yùn)動(dòng)學(xué)情況有所不同，指間關(guān)節(jié)（IP）和掌指關(guān)節(jié)（MCP）被鎖定。

圖 3：Hannes 的人體測(cè)量,B

為了進(jìn)行全面的比較，研究人員在圖 3C中展示了 Hannes 自由度與人手和 Michelangelo 假肢相比的角度偏移(Michelangelo 假肢與其他現(xiàn)有假肢相比擬人化程度更高，被用作黃金標(biāo)準(zhǔn))。除了鎖定 DIP 關(guān)節(jié)外，Hannes 的關(guān)節(jié)活動(dòng)度(ROM)大體上接近人手，并且比 Michelangelo 假肢的 ROM 更具仿生性。

圖 3：Hannes 的人體測(cè)量,C

實(shí)驗(yàn)

研究人員進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)評(píng)估的結(jié)果表明：Hannes 能夠滿足前面提到的要求。前面介紹了Hannes的擬人化，這主要要和設(shè)計(jì)相關(guān)。這里研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了Hannes的另外兩個(gè)特性：仿生性能和類人抓握行為。

Hannes具有高度仿生性能

研究者直接評(píng)估Hannes的力和速度能力以及力調(diào)節(jié)的可控性。如下圖所示。(A)通過(guò)直接肌電控制控制的力(左)和力(右)的調(diào)節(jié)。在肌電圖中，紅線表示開(kāi)啟肌電傳感器活動(dòng)，藍(lán)線表示關(guān)閉肌電傳感器活動(dòng)。紅色和藍(lán)色虛線分別表示打開(kāi)和關(guān)閉EMG傳感器活動(dòng)的激活閾值。在底圖中，歸一化后的電機(jī)位置為0 ~ 100%，分別為全開(kāi)手和全合手的電機(jī)位置。在本次測(cè)試中，抓握發(fā)生在電機(jī)行程的大約一半，即電機(jī)位置假設(shè)為50%左右。(B)在全速閉合時(shí)漢內(nèi)主要關(guān)節(jié)的角速度。黑線表示中值。陰影區(qū)域表示SD。