學術分享丨模塊化肌腱驅動假肢手

近些年假肢手雖然取得了顯著進步，但其可修復性通常有限，尤其是用戶自己很難進行修復。曾有學者提出了幾種模塊化的手來解決這個問題，但是這些解決方案需要處理複雜的部件，或者由於增加了機械的複雜性而導致體積和重量過大，因此不適合用於假肢。近期，IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS發表了「OLYMPIC:A Modular, Tendon-Driven Prosthetic Hand With Novel Finger and Wrist CouplingMechanisms」，研究者提出了一個完全模塊化的假肢手設計，其手指和手腕設計具備模塊化，可以隨時拆卸或裝配來移除或連接肌腱。他們的創新設計能夠將電機置於手後，用於驅動肌腱，肌腱僅包含在手指內。實現了這一新型的耦合傳輸機制，還計算了手指的模塊分離扭矩，以分析有意拆卸與承受外部負載能力之間的權衡。研究人員提出了模塊化設計，其模塊化程度各不相同，如表1所示。

表1 模塊化假肢手與機械手在設計方面的比較

一種完全模塊化的假肢手，它具有耦合機制，允許肌腱從手掌外部驅動。本文介紹的假肢手，命名為OL YMPIC（操作性模塊化假肢），是一種經濟實惠的跨橈動脈裝置，其模塊可以被截肢者直觀、快速地互換和組裝，而不需要工具，如圖1所示；事實上，手部引入了新穎的關節耦合機制。

圖1 模塊化肌腱驅動假肢手

圖2 OL YMPIC假手的設計概述

手的全長215mm（從掌根到中指末端），手掌寬度為85mm，食指和無名指、中指和小指的掌指關節到指尖的長度分別為92mm、102mm和82mm，以中等尺寸男性手的尺寸為基礎（見圖2）。這隻手的原型是用PLA（聚乳酸）和PETG（聚對苯二甲酸乙二醇酯）三維列印的。由於頻繁加載手指和手的框架，PETG是專門選擇更大的強度和耐用性。

1、耦合機構與模塊化設計

假肢手有五個手指，共有15個關節。手指由掌指（MCP）、近端指節（PIP）和遠端指節（DIP）組成，通過各關節的相互配合來實現手指的屈曲和伸展。拇指由腕掌關節（CMC）、掌骨（MCP）和指間關節（IP）組成。CMC關節允許拇指繞著平行於腕軸的軸旋轉。

圖3 OLYMPIC假手的模塊化組件

模塊化指尖耦合機構的細節如圖3a所示。要將手指連接到手上，首先必須正確定位。如圖4所示，通過使用集成磁鐵作為導軌，手指模塊以平滑的擺動運動連接到手的框架上。位於每個手指指關節上的樞軸插銷首先與手框架上的插座配合，然後這個機制允許手指圍繞位於MCP接頭底部的軸轉動，然後旋轉進入鎖定機構。其中彈簧加載柱塞用於鎖定撥指位置，防止操作過程中分離。

圖4 模塊化手指的移除方法

在手指的底部設計了一個凹槽，用於引導柱塞平穩地滑入到位。柱塞水平定向，以抵抗執行器在運動過程中施加的垂直力，這可能導致離合器錯位和分離，從而導致手指從框架中彈出。要移除手指，使用者必須在指骨的下方施加一個向上的力來釋放它。槽半徑的設計需要平衡，因為需要充分的接觸，以確保柱塞在運動過程中不會滑動，以防止手指意外脫離。但是，使用者仍然可以用最小的力輕鬆地移除每根手指。為了保護使用者在使用過程中免受傷害，特別設計了模塊化掌墊，如圖2所示。

2、拇指設計

拇指佔人類手的40%的能力，在操作物體的過程中扮演著重要的角色，同時保持抓握的穩定性。拇指通常與三種主要結構有關：（1）精密球形抓握，拇指與食指和中指相對；（2）圓柱形抓握，拇指與其他手指偏移以避免幹擾，使物體完全封閉；（3）側向抓握，拇指與其他手指一起外展（平面內）。這七個配置可以實現手動鎖定的七個配置，拇指允許旋轉角度介於0到120°之間（如圖3b所示），這使得假肢手能夠在精度和力量或側向抓地力之間切換。與大多數假肢手類似，比如i型肢體和Bebionic手，拇指的外展軸與手腕軸平行。

與其他手指的鎖緊機構類似，拇指使用彈簧柱塞，該柱塞通過拇指夾塊上的導軌滑動，如圖3c所示，用戶可以輕鬆地旋轉拇指，但在手指運動期間保持完全剛性。這是為了確保電機施加的扭矩不會導致拇指移動，由於這個原因，這種鎖定機制比基於摩擦的機構更具優勢，後者容易導致拇指受到外力重新定向。這種鎖定機制也比之前設計要好，因為它需要最少的零件和最簡單的裝配，同時便於拇指的模塊化設計。

3、腕部連接器的設計

手腕的鎖定機構在手腕的近端部件上使用彈簧柱塞，與用於手指的彈簧柱塞相同，如圖3d所示。當兩個遠端部件和近端部件被推到一起時，柱塞沿著遠端部件上的路徑滑動。這產生了手腕的扭轉和鎖定運動，並允許兩觸點在鎖定時彼此接合。因此，電子和表面肌電(sEMG)傳感器可以放置在前臂中，因為它們在肌電修復術中佔了大部分成本，在更換手的各個方面時不需要重新布線。腕式連接器還設計成觸點位於內部，並由塑料外殼遮蔽，以限制暴露在潮溼的空氣中。OL YMPIC假肢手(包括模塊化手腕)重量為546克，接近500克的理想假肢手的重量。

4、假肢手的評估

由於盒和塊測試、9孔釘測試和南安普頓手評估程序(SHAP)受時間的影響，因此手的控制方法也受時間的影響，基於上述原因提出了一種新的協議和基準來評估假肢手。食物、廚房用品和工具被選為基準，因為吃飯和家務被認為是日常生活中最重要的活動，如圖5所示，因為這些是假體使用者最常接觸的物體。這些物品在以前的假肢評估測試中也經常使用，並且很容易通過購買獲得。假體被連接到一個夾板上，夾板安裝在一個身體健康的實驗者的右前臂上，由一個臺式電源供電，並通過遙控操作，允許手指在需要精確抓握和物體操作的任務中進行單獨控制。在平面上，兩個「X」標記相距500毫米。

YCB物件組中的食物、廚房物件和工具在第一個標有「X」的物件上展示了10次。所有電機以相同的速度驅動，直到手指與物體充分接觸。在第一次抓取時，假體的小操作可以幫助穩定抓取，特別是對於不規則形狀的物體，只要它們保持在標記的「X」內。每個物體被垂直提升到最小高度100毫米以上，然後在表面水平移動，然後放在第二個標有「X」的物體上。一旦移動，物體就被釋放到穩定的位置。對20個選定的基準對象的成功抓取和轉移的數量進行了測量，每個對象獲得一分。因此，所有對象成功抓取和轉移的總得分為200。

圖5 動力抓取與精確抓取

為了評估模塊化手指的最大負載力，將手水平安裝，手指完全伸出，如圖6所示。帶有單軸測壓元件(DBBSM 5 kg SBeam)的線性致動器(Actuonix L12-100-100-12I)垂直於手安裝在剛性梁上。模塊化手指(食指、中指、無名指和小指)被加載到他們的中節指骨上，稱重傳感器以越來越大的力壓在手指上，直到手指分離。時間數據是通過DAQ和數據採集軟體收集的，對每個手指進行十次，其中所經歷的峰值力被測量為分離力。通過乘以從旋轉樞軸到中節指骨中心的距離，獲得了分離每個手指所需的彈射扭矩。此外，還測試了用磁掌鎖定到位的單個手指是否失效，以確定手指能夠承受的最大力和扭矩。

圖6 實驗設置，以評估將手指從手上移除所需的分離扭矩

5、評估結果

圖7 假肢手在抓握評估中成功轉移物件數目

圖7所示的是20個家用物體的YCB物體抓取和轉移任務的結果，該手在總分200分中獲得了185分，結合了不同物體的力量和精確抓握類型。這隻手成功地抓住並轉移了大部分物體，只有一把鑰匙沒有抓住。這隻手在所有的食物項目上都得了滿分，包括餅乾盒、薯片罐、芥末瓶和塑料水果。對於廚房用品，碗對手來說更具挑戰性，結果是7分。然而，對於直徑與手掌相似的球形和圓柱形物體，手的表現非常好，這允許全力閉合，例如餅乾盒、薯片罐和Windex瓶。小直徑圓柱體，如大記號筆和螺絲刀，分別得分為9和8。在200次抓握物體的試驗中，手指與手掌連接穩定可靠，未出現手指與手掌分離情況。

本文由CAAI認知系統與信息處理專委會供稿