雍 旭 景曉蓓 矢吹佳子 東郷俊太 橫井浩史 李光林

1(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)2(日本國立電氣通信大學(xué) 東京 1828585)

1 引 言

手是人類重要的器官之一，由于事故、疾病等原因?qū)е抡麄€手部以及部分前臂截肢，會給人在工作、生活方面帶來巨大的障礙。截至 2010年底，我國各類殘疾人數(shù)達 8 502 萬，占全國總?cè)丝诘?6.2%，其中，肢體殘疾占?xì)埣踩藬?shù)的29.07%，占比最高，約 2 472 萬人[1-2]。在肢體殘疾的人群中，約 930 萬人對假肢有切實需求，但目前我國假肢普及率僅有 9.5% 左右[3]。此外，一些截肢者存在不同程度的自卑等心理健康問題，易誘發(fā)抑郁癥[4]。

近年來，針對截肢患者運動功能缺失的問題，通過提取截肢者肌肉電信號來直覺操作智能假肢手的研究取得了長足進步。近年來，國內(nèi)外有許多關(guān)于智能假肢手的研究[5-11]，均在Nature、Science子刊等國際頂級期刊上發(fā)表。例如，如圖 1 所示，Gu 等[5]所研發(fā)軟體假肢手，Laffranchi 等[6]研發(fā)的肌驅(qū)動假肢手；還有許多假肢手產(chǎn)品已進行商業(yè)化生產(chǎn)，如圖 2 所示。

圖1 國內(nèi)外代表性假肢手研究[5-6]Fig. 1 Representative research on prosthetic hands at home and abroad[5-6]

圖2 知名智能假肢手產(chǎn)品Fig. 2 Famous smart prosthetic hand products

理想的智能假肢手除了應(yīng)擁有高接受度的仿生外形外，還應(yīng)具備完成日常生活抓取任務(wù)的多動作功能，以及可長時間穿戴而不易產(chǎn)生肌肉疲勞的輕量化性能。然而，追求多動作勢必增加電機數(shù)量，這與假肢手的輕量化產(chǎn)生矛盾。目前，假肢手的研究分成了兩個方向：(1)重視動作數(shù)量，通過增加電機數(shù)量有效地增加抓取動作數(shù)，代價是假肢手的重量增加，穿戴者易產(chǎn)生肌肉疲勞，不利于長時間穿戴；(2)追求輕量化，采用輕量化設(shè)計的同時盡可能地削減電機數(shù)量，從而減小假肢手的重量，但假肢手可實現(xiàn)的動作數(shù)較少，難以完成日常抓取任務(wù)，穿戴者放棄穿戴率升高。

根據(jù)使用場景和目的的不同，手的動作被歸納出多種分類方法[12-13]，其中，根據(jù)動作使用頻率分類，日常抓取動作有 16 種[14-16](圖 3)。截肢者長時間穿戴的假肢手的理想質(zhì)量應(yīng)限制在 370 g以下[17]，基于此標(biāo)準(zhǔn)，對目前主流的商用假肢手進行對比，結(jié)果如圖 4 所示。由圖 4 可知，在多動作與輕量化[18-20]的矛盾關(guān)系中，鮮有取得較好平衡的假肢手。因此，本研究以取得平衡性為目標(biāo)，通過使用盡可能少的電機融合多個機能，來實現(xiàn)盡可能多的動作數(shù)。本研究設(shè)計的假肢手的最終性能結(jié)果如圖 4 中的紅點所示：(1)僅利用 3 部電機就可實現(xiàn) 16 種抓取動作中的 11 種；(2)整手總質(zhì)量僅 132.1 g；(3)具備擬人的仿生外觀，且電機全部整合進手掌內(nèi)，實現(xiàn)了整手模塊化。

圖3 日常生活中的 16 種動作[16]Fig. 3 16 movements in daily life[16]

圖4 與主流商用手的對比結(jié)果Fig. 4 Comparison with mainstream commercial prosthetic hand

本文將在第 2 節(jié)對 16 種動作按手指活動關(guān)節(jié)進行拆解，并按功能重新分類；第 3 節(jié)闡述拇指、四指以及掌骨的設(shè)計；第 4 節(jié)描述所采用的控制方法；第 5 節(jié)敘述抓取實驗。

2 日常 16 種動作的功能性歸類

人體手指關(guān)節(jié)共有 22 個自由度，其中，拇指的近指節(jié)(Carpometacarpal Joint，CM)關(guān)節(jié)有屈曲/伸展和內(nèi)旋/外旋 2 個自由度，而近指節(jié)(Metacarpophalangeal Joint，MP)和遠指節(jié)(Interphalangeal Joint，IP)關(guān)節(jié)僅有屈曲/伸展 1個自由度；四指的遠指節(jié)(Distal Interphalangeal Joint，DIP)和中指節(jié)(Proximal Interphalangeal Joint，PIP)關(guān)節(jié)也僅有屈曲/伸展 1 個自由度，而MP 關(guān)節(jié)有屈曲/伸展和內(nèi)收/外展共 2 個自由度；此外，無名指和小拇指對應(yīng)的掌骨 CM 關(guān)節(jié)都有屈曲/伸展 1 個自由度[21]。

按照功能性分類，可將圖 3 中的 16 種動作分為：明確力量抓握 7 種、精密捏取 7 種、側(cè)面夾持 1 種、手部展開 1 種。有別于拇指和掌骨的運動，食指、中指、無名指和小拇指組成的四指在同一個冠狀面上且運動方式一致。因此，可按手指活動關(guān)節(jié)先劃分出四指區(qū)域、拇指區(qū)域和掌骨區(qū)域，然后按照其功能進行分類，分類結(jié)果如表 1 所示。

表1 16 種動作的手指功能性分類Table 1 Finger functional classification of 16 movements

四指區(qū)域：每個手指的 3 個關(guān)節(jié)發(fā)生 14 次同時屈曲；當(dāng) MP 關(guān)節(jié)為伸展?fàn)顟B(tài)時，PIP 和DIP 關(guān)節(jié)僅發(fā)生 1 次屈曲(碟形包裹)；3 個關(guān)節(jié)保持共同伸展為 1 次(平面支撐)。針對四指整體而言，各個手指屈曲程度不一形成的差動屈曲狀態(tài)為 6 次。此外，針對 MP 關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展，在該動作分類法中并未明確其具體用途，因此本文僅設(shè)定一定的初始外展角度，以期增大空間抓握范圍。

拇指區(qū)域：3 個關(guān)節(jié)均發(fā)生 11 次屈曲，其中，適應(yīng)性屈曲為 4 次。3 個關(guān)節(jié)保持共同伸展為 1 次(平面支撐)。另外，拇指與四指產(chǎn)生交互協(xié)同，內(nèi)旋與四指對立為 9 次，外旋與四指并立為 7 次。

掌骨區(qū)域：掌骨的 2 個 CM 關(guān)節(jié)發(fā)生屈曲形成弧面，參與力量抓握 8 次，輔助精密捏取 4次。而掌骨伸展形成平面為 7 次。

基于該手指功能性分類，為平衡動作數(shù)與重量的關(guān)系，需削減假肢手中占比重最大的電機。同時結(jié)合腱繩傳動，采用欠驅(qū)動的方式減小空間比，適當(dāng)舍去使用頻率不高的動作，配合輕量的優(yōu)化設(shè)計以期達成目標(biāo)。

3 假肢手的設(shè)計

根據(jù)第 2 節(jié)中的手指功能性分類，本研究使用了 3 部具有緊湊外形、大扭矩且輕量的電機(產(chǎn)品名稱：Atlas Digital Servo，生產(chǎn)廠商：Hyperion，產(chǎn)地：中國)，融合不同傳動，最終實現(xiàn)了 16 種抓取動作中的 11 種。如圖 5 所示，電機 1(產(chǎn)品型號：HP-DH13-FMB，質(zhì)量：24.5 g，扭矩：5.5 kg·cm)驅(qū)動四指共同屈曲；電機 2 和3(產(chǎn)品型號：HP-DS095-FMD，質(zhì)量：18.3 g，扭矩：4.5 kg·cm)則分別驅(qū)動拇指屈曲和拇指內(nèi)旋/外旋。整手采用 ABS 材料 3D 打印，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)了假肢手所需的強度和輕量化。

圖5 假肢手總體設(shè)計圖Fig. 5 The overall design of the prosthetic hand

3.1 拇指的設(shè)計

由第 2 節(jié)中的手指功能性分類可知，拇指的屈曲/伸展和內(nèi)旋/外旋的使用頻率最高。此外，拇指除了在空間位置上與四指相對立而發(fā)生抓取交互以外，還在四指的側(cè)面位置，可與四指完成側(cè)面夾持，在抓取物體時，還需考慮與物體外形的吻合，因此，在拇指設(shè)計中需加入適應(yīng)性抓取功能。故本文采用腱繩穿過 CM、MP 和 IP 關(guān)節(jié)的屈曲側(cè)，以實現(xiàn) 3 個關(guān)節(jié)的共同屈曲(如圖 5(b)中拇指部分)，而共同伸展則通過將彈簧安裝于各個關(guān)節(jié)的伸展側(cè)來實現(xiàn)。結(jié)合關(guān)節(jié)質(zhì)量比的彈簧勁度系數(shù)，代入公式(1)計算得到拇指 3 個關(guān)節(jié)共同屈曲的近似曲線，如圖 6 所示。

圖6 拇指 3 個關(guān)節(jié)的屈曲角度關(guān)系Fig. 6 Flexion angle relation of three joints of thumb

其中， 為關(guān)節(jié)伸展力矩；G為關(guān)節(jié)重力；Li為關(guān)節(jié)長度；Ri為關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心；i＝1, 2, 3 依次代表拇指的近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)。CM 關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)有別于屈曲，因此可利用電機直接驅(qū)動來實現(xiàn)內(nèi)旋/外旋。本研究設(shè)計的拇指如圖 7 所示，對該傳動方式的抓取適應(yīng)性進行測試，測試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某個關(guān)節(jié)被阻擋后，剩余的關(guān)節(jié)仍可繼續(xù)運動。因此，該傳動方式可以吻合物體外形實現(xiàn)適應(yīng)性抓取。

圖7 拇指的適應(yīng)性屈曲Fig. 7 Adaptive flexion of the thumb

3.2 四指的設(shè)計

在日常生活中，四指的各個關(guān)節(jié)同時屈曲是使用頻率最高的，且四指在精密捏取中起到重要作用，因此，為獲得 DIP 關(guān)節(jié)準(zhǔn)確的運動軌跡，采用如圖 8 所示的傳動方式。當(dāng)紅色腱繩被拉動時，MP 關(guān)節(jié)開始屈曲，同時綠色腱繩會被動地拉動 PIP 關(guān)節(jié)屈曲，進而使藍色腱繩被動拉動DIP 關(guān)節(jié)屈曲。

圖8 四指的傳動方式Fig. 8 Mechanism of the fingers

由于綠色和藍色腱繩定長，且與之對應(yīng)的伸展側(cè)和屈曲側(cè)露出部分的變化量存在如公式(2)所示的關(guān)系，因此，綠色、藍色與紅色腱繩成比例共同運動，進而實現(xiàn)了 3 個關(guān)節(jié)的變化角度相同(公式(3))。

其中，各個關(guān)節(jié)處對應(yīng)的腱繩行程長度分別表示為：lMP,lPIP,lDIP。此外，由于四指伸展側(cè)的部分空間被驅(qū)動腱繩所占用，無法在每個關(guān)節(jié)都安裝彈簧，因此，本研究采用拉伸量更高的彈性帶貫穿 3 個關(guān)節(jié)，作為被動伸展使用。本研究建立的力學(xué)模型如圖 9 所示，相應(yīng)的能量關(guān)系如公式(4)所示，進而推得力學(xué)關(guān)系式(公式(5))，由此可計算四指中各個手指所需的彈性帶勁度系數(shù)。

圖9 四指的力學(xué)模型Fig. 9 The mechanics model of the fingers

其中，W為功率；m為質(zhì)量；g為重力加速度；k為彈簧勁度系數(shù)；x1為彈簧伸長量；x0為彈簧原長；n＝a,b,c依次代表四指的近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)。

3.3 掌骨的設(shè)計

根據(jù)抓取任務(wù)的不同，掌骨會形成弧面或平面，若抓取物體是球狀，掌骨會形成弧面對物體進行包裹以穩(wěn)定抓握；當(dāng)抓取棒狀物體時，則會形成平面來適應(yīng)物體外形。根據(jù)上述分析可知，兩者發(fā)生頻率相近，具有相同的重要性，因此，本研究采用對稱彈性串聯(lián)驅(qū)動(Series Elastic Actuator，SEA)的傳動方式實現(xiàn)其功能，且達到了無動力自動切換掌骨形成弧面或平面[22]的效果。

如圖 10 所示，在無名指與小指的掌骨伸展側(cè)和屈曲側(cè)分別設(shè)置兩對彈簧，形成兩組彈性串聯(lián)驅(qū)動單元，并聯(lián)動拇指 CM 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。由能量守恒定律(公式(6))可推導(dǎo)掌骨屈曲/伸展兩側(cè)所需彈簧的勁度系數(shù)，如公式(7)所示。

圖10 對稱彈性串聯(lián)驅(qū)動式傳動在掌骨中的設(shè)置Fig. 10 The configuration of symmetrical SEA drive in metacarpal bone

如圖 11(a)所示，當(dāng)拇指開始內(nèi)旋時，聯(lián)動小指 CM 關(guān)節(jié)屈曲至 10°，由于屈曲側(cè)的 2 個彈簧是并聯(lián)的，因此伸展側(cè)彈簧的伸長量大于屈曲側(cè)。如圖 11(b)所示，拇指繼續(xù)內(nèi)旋，聯(lián)動小指 CM 關(guān)節(jié)屈曲至極限 15°[23]，小指 CM 關(guān)節(jié)又聯(lián)動無名指 CM 關(guān)節(jié)屈曲至 10°[23]。此時，小指CM 關(guān)節(jié)伸展側(cè)彈簧的伸長量達到最大，屈曲側(cè)則由于平衡無名指 CM 關(guān)節(jié)伸展側(cè)的彈簧力而被繼續(xù)拉伸，直至兩個掌骨的兩側(cè)達到力平衡。當(dāng)兩個掌骨都達到屈曲的極限時，拇指仍可繼續(xù)內(nèi)旋至極限 90°，因此，小指 CM 關(guān)節(jié)屈曲側(cè)彈簧還會持續(xù)被拉伸，給球狀物體提供包裹力。當(dāng)抓握棒狀物體時，如圖 11(c)所示，由拇指的屈曲產(chǎn)生向掌骨的壓力，進而掌骨會逐漸被壓回至平面狀態(tài)，小指 CM 關(guān)節(jié)屈曲側(cè)的彈簧會被拉伸至最長，而兩個掌骨的伸展側(cè)彈簧則恢復(fù)至原始狀態(tài)。

圖11 對稱 SEA 傳動所實現(xiàn)的效果Fig. 11 The effect achieved by symmetrical SEA drive

4 假肢手的控制

為更好地憑直覺控制假肢手并提高抓取精度，本研究利用肌電信號，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)了在線多個動作的分類、識別與實現(xiàn)[24]。如圖 12 所示，將 3 個肌電傳感器貼在前臂肌肉表面，對肌電信號進行采集。肌電信號經(jīng) AD620的 Amp 電路采集后放大，通過下位機(產(chǎn)品名稱：SH72544R，生產(chǎn)廠商：Renesas Electronics Corporation，產(chǎn)地：日本)的 A/D 轉(zhuǎn)換為 2 kHz的數(shù)字信號，并使用 50 Hz 的二階 IIR 高通濾波器降噪，將離散數(shù)據(jù)變?yōu)槿ㄕ鲾?shù)據(jù)。然后通過高速傅里葉變換，提取 8 個特征向量，并將這些特征向量作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，該人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法包含輸入層、中間層和輸出層 3 層。在輸入層，對應(yīng) 8 個特征向量，建立 8 個神經(jīng)元；在中間層，本研究將神經(jīng)元數(shù)量設(shè)置為 3×8＝24 個；在輸出層，分類并識別 8個動作模式(四指的屈曲/伸展，拇指的屈曲/伸展和內(nèi)旋/外旋，以及五指的放松和保持)。此外，控制器還根據(jù)過去 10 次的動作和當(dāng)前結(jié)果進行對比，調(diào)整最終的動作結(jié)果，以確保假肢手的穩(wěn)定性，最終在線精度高達 96%?；谠撟R別結(jié)果，向電機發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，讓電機帶動假肢手生成動作。

圖12 假肢手控制流程圖[22]Fig. 12 Flow chart of prosthetic hand control[22]

5 實驗評價

為客觀評價本研究設(shè)計的假肢手是否達到預(yù)期效果，本文對其相關(guān)性能進行了驗證。首先，加工并組裝該假肢手，確認(rèn)其最終質(zhì)量為 132.1 g(如圖 13 所示)，實現(xiàn)了 370 g 以下的輕量化目標(biāo)。其次，本研究進行了抓取/放置實驗，確認(rèn)假肢手對日常的形狀規(guī)則與不規(guī)則物品抓取成功率。最后，確認(rèn)假肢手可實現(xiàn) 16 種日常動作中的 11 種。

圖13 整手稱重照片F(xiàn)ig. 13 Whole hand weighing photos

5.1 動作驗證實驗

為測評本文設(shè)計的假肢手可實現(xiàn) 16 種日常動作中的幾種，本文進行了動作驗證實驗。實驗中僅控制電機帶動手指運動，若手指按照設(shè)計的運動學(xué)軌跡運動，那么會穩(wěn)定抓握住對應(yīng)的物品。由圖 14 中的實驗結(jié)果可知，本文設(shè)計的假肢手成功實現(xiàn)了 11 種動作。

圖14 實現(xiàn)的 11 種日常動作Fig. 14 The realization of 11 movements

5.2 抓取/放置實驗

為測試假肢手的抓握穩(wěn)定性和操作性，讓 5位健康人利用肌電信號進行直覺控制抓取/放置實驗。如圖 15 所示，受試者穿戴前臂支架，假肢手安裝于支架前端(為了仿生人手部皮膚的柔軟及摩擦性質(zhì)，假肢手外部穿戴有仿生皮膚手套[23])，自主操控假肢手進行抓取實驗。

圖15 實驗裝備Fig. 15 The experiment equipment

在實驗桌面上標(biāo)記 15 mm×15 mm 的 A、B兩區(qū)域，將如圖 16 所示的日常生活用品逐一放置于 A 區(qū)域進行測試，受試者在 30 s 內(nèi)將物品從A 點搬至 B 點，再從 B 點重新搬回至 A 點放下，如此反復(fù)記錄成功次數(shù)，在搬運途中不發(fā)生滑落或失穩(wěn)掉落則記一次成功，統(tǒng)計成功次數(shù)。

圖16 實驗對象物品Fig. 16 Experimental objects

5 位健康人的平均實驗結(jié)果如圖 17 所示，假肢手在力量抓握(如飲料瓶、易拉罐和球等)中表現(xiàn)良好，在規(guī)定時間內(nèi)成功率較高；在精密捏取(如打火機和 1.5 V 電池)中，由于需要調(diào)整指尖進行抓取，與力量抓握相比，耗時較長，因此在規(guī)定時間內(nèi)成功率較低。但就總體而言，該假肢手對規(guī)則及不規(guī)則物品皆有一定的適應(yīng)性，且實驗過程中并未出現(xiàn)全部失敗(0 次成功)的情況，即該假肢手并未發(fā)生完全不適應(yīng)抓取某物體的情況。因此，可使假肢手穿戴者通過抓取訓(xùn)練熟練抓取操作，進而提高抓取效率和成功率。

圖17 抓取/放置實驗的結(jié)果Fig. 17 Pick and Place experimental results

6 結(jié) 論

目前，假肢手的設(shè)計及研究主要分為兩類：多自由度靈巧手和欠驅(qū)動假肢手。靈巧手的特點在于其電機、傳感器數(shù)量較多，因此能模擬人手的多自由度運動。然而，它存在質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等問題，難以在假肢康復(fù)領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。欠驅(qū)動假肢手的設(shè)計則從肢體殘缺患者的實際需求出發(fā)，采用少電機、緊湊傳動等方法，力求減輕重量，以方便患者在日常生活中佩戴及使用。但該類型的假肢手往往自由度不高，難以同多自由度靈巧手一樣具有多種動作功能。

針對上述問題，本文提出一種新型的假肢手，平衡了動作數(shù)量和輕量化之間的矛盾關(guān)系，用 3 部電機達到了 132.1 g 的輕量化，同時實現(xiàn)了 16 種日常動作中的 11 種。其次，在對不同手指的高頻使用動作中，本研究有針對性地加入了相應(yīng)的傳動方式，并在掌骨中實現(xiàn)了弧面和平面?zhèn)鲃臃绞降淖詣忧袚Q，以保證手掌在力量抓握中的穩(wěn)定性。此外，在假肢手外部穿戴有仿生皮膚手套，使其更加擬人的同時，增加了抓握的摩擦力。最后，通過相關(guān)實驗驗證了該假肢手的抓取效果，達到了本文的設(shè)計初衷和研究目的。

本文設(shè)計的假肢手，其四指采用的傳動方式具備良好的穩(wěn)定性，可以計算得到該假肢手在空間中的任意位置，無需配置傳感器反饋位置信息[25]。此外，該傳動方式的效率高，僅需 1 個關(guān)節(jié)的行程量便可使 3 個關(guān)節(jié)同時屈曲，比傳統(tǒng) 3 個關(guān)節(jié)的行程量減少了 2/3[26]。但該傳動過程的軌跡是固定的，因此，假肢手在抓取不同形狀的物體時缺少自適應(yīng)性。

拇指采用的傳動方式令假肢手具備較好的自適應(yīng)性[27]，但該傳動方式會因所處的空間位置不同，而容易受重力的影響，使其運動軌跡發(fā)生不可預(yù)估的改變，可能會造成抓取失敗，在抓取/放置實驗中，導(dǎo)致對部分物品的抓取失敗率較高。

由于手掌產(chǎn)生的弧面增加了接觸面積，進而增加了摩擦力，產(chǎn)生了穩(wěn)定的效果，因此掌骨在抓握的穩(wěn)定性中發(fā)揮了不可或缺的作用，特別是球形物體。相較于其他的研究工作[28]，僅以小拇指的 CM 關(guān)節(jié)活動為主，無名指的 CM 關(guān)節(jié)仍是不可運動的，且小拇指 CM 關(guān)節(jié)需要電機主動驅(qū)動，不僅增重且耗能較大，而本研究實現(xiàn)了無動力聯(lián)動小拇指和無名指 CM 關(guān)節(jié)，所產(chǎn)生的弧面效果具有良好的表現(xiàn)。

該假肢手仍存在需要改進的部分，如抓握力不足，需要增加新的傳動方式以期實現(xiàn)更多的日常動作等。接下來的研究工作將會針對這些不足點進行改良。