学术分享丨模块化肌腱驱动假肢手

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近些年假肢手虽然取得了显著进步，但其可修复性通常有限，尤其是用户自己很难进行修复。曾有学者提出了几种模块化的手来解决这个问题，但是这些解决方案需要处理复杂的部件，或者由于增加了机械的复杂性而导致体积和重量过大，因此不适合用于假肢。近期，IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS发表了“OLYMPIC:A Modular, Tendon-Driven Prosthetic Hand With Novel Finger and Wrist CouplingMechanisms”，研究者提出了一个完全模块化的假肢手设计，其手指和手腕设计具备模块化，可以随时拆卸或装配来移除或连接肌腱。他们的创新设计能够将电机置于手后，用于驱动肌腱，肌腱仅包含在手指内。实现了这一新型的耦合传输机制，还计算了手指的模块分离扭矩，以分析有意拆卸与承受外部负载能力之间的权衡。研究人员提出了模块化设计，其模块化程度各不相同，如表1所示。

表1 模块化假肢手与机械手在设计方面的比较

一种完全模块化的假肢手，它具有耦合机制，允许肌腱从手掌外部驱动。本文介绍的假肢手，命名为OL YMPIC（操作性模块化假肢），是一种经济实惠的跨桡动脉装置，其模块可以被截肢者直观、快速地互换和组装，而不需要工具，如图1所示；事实上，手部引入了新颖的关节耦合机制。

图1 模块化肌腱驱动假肢手

图2 OL YMPIC假手的设计概述

手的全长215mm（从掌根到中指末端），手掌宽度为85mm，食指和无名指、中指和小指的掌指关节到指尖的长度分别为92mm、102mm和82mm，以中等尺寸男性手的尺寸为基础（见图2）。这只手的原型是用PLA（聚乳酸）和PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯）三维打印的。由于频繁加载手指和手的框架，PETG是专门选择更大的强度和耐用性。

1、耦合机构与模块化设计

假肢手有五个手指，共有15个关节。手指由掌指（MCP）、近端指节（PIP）和远端指节（DIP）组成，通过各关节的相互配合来实现手指的屈曲和伸展。拇指由腕掌关节（CMC）、掌骨（MCP）和指间关节（IP）组成。CMC关节允许拇指绕着平行于腕轴的轴旋转。

图3 OLYMPIC假手的模块化组件

模块化指尖耦合机构的细节如图3a所示。要将手指连接到手上，首先必须正确定位。如图4所示，通过使用集成磁铁作为导轨，手指模块以平滑的摆动运动连接到手的框架上。位于每个手指指关节上的枢轴插销首先与手框架上的插座配合，然后这个机制允许手指围绕位于MCP接头底部的轴转动，然后旋转进入锁定机构。其中弹簧加载柱塞用于锁定拨指位置，防止操作过程中分离。

图4 模块化手指的移除方法

在手指的底部设计了一个凹槽，用于引导柱塞平稳地滑入到位。柱塞水平定向，以抵抗执行器在运动过程中施加的垂直力，这可能导致离合器错位和分离，从而导致手指从框架中弹出。要移除手指，使用者必须在指骨的下方施加一个向上的力来释放它。槽半径的设计需要平衡，因为需要充分的接触，以确保柱塞在运动过程中不会滑动，以防止手指意外脱离。但是，使用者仍然可以用最小的力轻松地移除每根手指。为了保护使用者在使用过程中免受伤害，特别设计了模块化掌垫，如图2所示。

2、拇指设计

拇指占人类手的40%的能力，在操作物体的过程中扮演着重要的角色，同时保持抓握的稳定性。拇指通常与三种主要结构有关：（1）精密球形抓握，拇指与食指和中指相对；（2）圆柱形抓握，拇指与其他手指偏移以避免干扰，使物体完全封闭；（3）侧向抓握，拇指与其他手指一起外展（平面内）。这七个配置可以实现手动锁定的七个配置，拇指允许旋转角度介于0到120°之间（如图3b所示），这使得假肢手能够在精度和力量或侧向抓地力之间切换。与大多数假肢手类似，比如i型肢体和Bebionic手，拇指的外展轴与手腕轴平行。

与其他手指的锁紧机构类似，拇指使用弹簧柱塞，该柱塞通过拇指夹块上的导轨滑动，如图3c所示，用户可以轻松地旋转拇指，但在手指运动期间保持完全刚性。这是为了确保电机施加的扭矩不会导致拇指移动，由于这个原因，这种锁定机制比基于摩擦的机构更具优势，后者容易导致拇指受到外力重新定向。这种锁定机制也比之前设计要好，因为它需要最少的零件和最简单的装配，同时便于拇指的模块化设计。

3、腕部连接器的设计

手腕的锁定机构在手腕的近端部件上使用弹簧柱塞，与用于手指的弹簧柱塞相同，如图3d所示。当两个远端部件和近端部件被推到一起时，柱塞沿着远端部件上的路径滑动。这产生了手腕的扭转和锁定运动，并允许两触点在锁定时彼此接合。因此，电子和表面肌电(sEMG)传感器可以放置在前臂中，因为它们在肌电修复术中占了大部分成本，在更换手的各个方面时不需要重新布线。腕式连接器还设计成触点位于内部，并由塑料外壳遮蔽，以限制暴露在潮湿的空气中。OL YMPIC假肢手(包括模块化手腕)重量为546克，接近500克的理想假肢手的重量。

4、假肢手的评估

由于盒和块测试、9孔钉测试和南安普顿手评估程序(SHAP)受时间的影响，因此手的控制方法也受时间的影响，基于上述原因提出了一种新的协议和基准来评估假肢手。食物、厨房用品和工具被选为基准，因为吃饭和家务被认为是日常生活中最重要的活动，如图5所示，因为这些是假体使用者最常接触的物体。这些物品在以前的假肢评估测试中也经常使用，并且很容易通过购买获得。假体被连接到一个夹板上，夹板安装在一个身体健康的实验者的右前臂上，由一个台式电源供电，并通过遥控操作，允许手指在需要精确抓握和物体操作的任务中进行单独控制。在平面上，两个“X”标记相距500毫米。

YCB物件组中的食物、厨房物件和工具在第一个标有“X”的物件上展示了10次。所有电机以相同的速度驱动，直到手指与物体充分接触。在第一次抓取时，假体的小操作可以帮助稳定抓取，特别是对于不规则形状的物体，只要它们保持在标记的“X”内。每个物体被垂直提升到最小高度100毫米以上，然后在表面水平移动，然后放在第二个标有“X”的物体上。一旦移动，物体就被释放到稳定的位置。对20个选定的基准对象的成功抓取和转移的数量进行了测量，每个对象获得一分。因此，所有对象成功抓取和转移的总得分为200。

图5 动力抓取与精确抓取

为了评估模块化手指的最大负载力，将手水平安装，手指完全伸出，如图6所示。带有单轴测压元件(DBBSM 5 kg SBeam)的线性致动器(Actuonix L12-100-100-12I)垂直于手安装在刚性梁上。模块化手指(食指、中指、无名指和小指)被加载到他们的中节指骨上，称重传感器以越来越大的力压在手指上，直到手指分离。时间数据是通过DAQ和数据采集软件收集的，对每个手指进行十次，其中所经历的峰值力被测量为分离力。通过乘以从旋转枢轴到中节指骨中心的距离，获得了分离每个手指所需的弹射扭矩。此外，还测试了用磁掌锁定到位的单个手指是否失效，以确定手指能够承受的最大力和扭矩。

图6 实验设置，以评估将手指从手上移除所需的分离扭矩

5、评估结果

图7 假肢手在抓握评估中成功转移物件数目

图7所示的是20个家用物体的YCB物体抓取和转移任务的结果，该手在总分200分中获得了185分，结合了不同物体的力量和精确抓握类型。这只手成功地抓住并转移了大部分物体，只有一把钥匙没有抓住。这只手在所有的食物项目上都得了满分，包括饼干盒、薯片罐、芥末瓶和塑料水果。对于厨房用品，碗对手来说更具挑战性，结果是7分。然而，对于直径与手掌相似的球形和圆柱形物体，手的表现非常好，这允许全力闭合，例如饼干盒、薯片罐和Windex瓶。小直径圆柱体，如大记号笔和螺丝刀，分别得分为9和8。在200次抓握物体的试验中，手指与手掌连接稳定可靠，未出现手指与手掌分离情况。

本文由CAAI认知系统与信息处理专委会供稿