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类似人手的手部假肢相关研究登上Science子刊封面

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意大利技术研究院的研究人员创造出来与人手极为相似的机械手Hannes。该机械手能够执行许多日常动作,比如擦桌子、握住物体等;下图是利用假肢擦桌子:

假手能够像人类的手一样抓握住递给它的任何物体:

上图中把易拉罐的底部递到这只机械手上,它可以轻松握住瓶底,并在对方试图拿走时松开手。

这只拟人化的机械手具有如此强大的功能,可以说是非常的不简单。下面我们看一下它的原理和构造。

导读

用功能和效果均等的人工设备代替人的手是一项长期的挑战。即使是最先进的手部假体,也无法达到人类手的复杂性、灵活性和适应性,它们有几个活动自由度,由残肢剩余肌肉的电信号控制。

因此,由于不良的实施方式,用户放弃假体比率仍然很高。在这里,意大利技术研究院的研究人员报告了一种称为Hannes的假肢手,该假手融合了关键的仿生特性,从而使该假肢与人类的手极为相似。通过整体设计方法和广泛的共同开发工作,包括研究人员、患者、整形外科医生和工业设计师,研究人员提出的设备同时实现精确的拟人化、仿生性能和类似人的抓取行为,这超出了执行日常生活活动(ADLs)的要求。

为了评估Hannes的有效性和可用性,研究者对截肢者进行了试验。在大约2周的时间前后进行了测试和问卷调查,截肢者可以在国内自主使用Hannes来执行ADL。最后,通过实验验证了Hannes的高性能和抓取行为的人性化。尽管Hannes的速度仍然低于人手所能达到的速度,但实验表明,与现有的研究或商用设备相比,其性能有所提高。

Hannes 系统概览

研究人员设计的Hannes系统主要由三个相互作用的物理部件组成:

(1)肌电多关节假肢手,由差动欠驱动装置实现;

(2)被动屈伸(F/E)腕关节模块;

(3)肌电接口 / 控制器,包括两个表面肌电图 (sEMG) 传感器、电池组和控制电路。Hannes 系统如下图 A 所示:

图 1:Hannes 系统。A:Hannes系统架构

图 1:Hannes 系统。B:未被手套覆盖的 Hannes 外观

图 1:Hannes 系统. C-G,Hannes 执行日常生活动作

下图为Hannes系统的机电一体化。Hannes的核心机电一体化部件包括手掌,手指和手腕。

Hannes 的机电构造图:

(A)手的3D视图(左)和位于手掌中的传动机构的横截面(右)。引导线,从动线1(食指和中指)和从动线2(无名指和小指)分别以红色,绿色和黄色显示。

Hannes 的机电构造图:

(B)手指运动学(左)和机械设计(右)。(C)拇指运动学(左)和机械设计(右)。

Hannes 的机电构造图:(D)集成在Hannes中的F / E腕部的详细横截面,

以及(E)F / E腕部采用三种配置:(左)最大伸展,(中间)中立位置和(右)最大屈曲。

研究人员在设计仿生假肢时,采用的是整体设计方法,从早期的开发阶段就考虑了假肢的拟人化、仿生性能和类人抓取。 这些关键的仿生因子互补地融合在一起,并且都已被整合到Hannes系统中。具体的整体仿生假肢设计方法如下图所示。

图 2:Hannes 的整体仿生设计方法

Hannes具有高度拟人化的特点

研究人员设计的Hannes具有高度的拟人化,如下图所示。图 3A 显示了 Hannes 的高度拟人化:中指中近端直径的最大差异为 4.8%,与参考手模型极为相似。

图 3:Hannes 的人体测量,A

下图 3B 表明除远端指间(DIP)关节外的所有手指自由度均已实现,为了实现在功能和复杂性之间的权衡,DIP 关节被省略并设置为固定角度。拇指的运动学情况有所不同,指间关节(IP)和掌指关节(MCP)被锁定。

图 3:Hannes 的人体测量,B

为了进行全面的比较,研究人员在图 3C中展示了 Hannes 自由度与人手和 Michelangelo 假肢相比的角度偏移(Michelangelo 假肢与其他现有假肢相比拟人化程度更高,被用作黄金标准)。除了锁定 DIP 关节外,Hannes 的关节活动度(ROM)大体上接近人手,并且比 Michelangelo 假肢的 ROM 更具仿生性。

图 3:Hannes 的人体测量,C

实验

研究人员进行了多项试验,实验评估的结果表明:Hannes 能够满足前面提到的要求。前面介绍了Hannes的拟人化,这主要要和设计相关。这里研究者通过实验评估了Hannes的另外两个特性:仿生性能和类人抓握行为。

Hannes具有高度仿生性能

研究者直接评估Hannes的力和速度能力以及力调节的可控性。如下图所示。(A)通过直接肌电控制控制的力(左)和力(右)的调节。在肌电图中,红线表示开启肌电传感器活动,蓝线表示关闭肌电传感器活动。红色和蓝色虚线分别表示打开和关闭EMG传感器活动的激活阈值。在底图中,归一化后的电机位置为0 ~ 100%,分别为全开手和全合手的电机位置。在本次测试中,抓握发生在电机行程的大约一半,即电机位置假设为50%左右。(B)在全速闭合时汉内主要关节的角速度。黑线表示中值。阴影区域表示SD。

力和速度实验

上图显示,掌指关节(MCP)的速度峰值可达 4 rad/s (229°/s),而近端指间关节(PIP)的速度峰值约为该值的一半。Hannes 能够在不到 1 秒的时间内实现完全闭合。

Hannes具有类似于人的协同行为

为了确定 Hannes 与人手协同运动行为的相似程度,该研究进行了运动学分析。

Hannes在抓取不同对象时,通过直接比较姿势,相关模式和协同作用以及它们的组合的直接比较,说明Hannes的静态和动态运动学行为与人手的相似性。

下图(C)和(D)分别展示了在握住下图(A)和(B)中的物体时,Hannes 和人手关节角度的 Pearson 相关性。

图 5:Hannes 及其协同行为的运动学分析

下图展示了 Hannes 和人手的协同:

初步临床试验

此外,该研究还在截肢患者身上进行了临床试验,并在试验前后分别做了测试和问卷调查。下图总结了测试和问卷调查分数的变化情况。

图 6:测试和问卷得分的提高

下图为Hannes和人类部动作捕捉分析的实验装置,健康的参与者和Hannes在设计的实验装置中对不同大小和形状的物体进行抓握。Hannes由健康参与者使用肌电图控制。

(A至C)参与者#1至#3分别抓取不同物品。(D到F) Hannes抓取不同的物体

参考

The Hannes hand prosthesis replicates the key biological properties of the human hand

机器之心报道

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本文分享自微信公众号 - 脑机接口社区(Brain_Computer),作者:Rose编译

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原始发表时间:2020-09-28

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