一種新型的欠驅(qū)動仿擬人機械手爪的設計-肌電假肢手傳動和執(zhí)行部分含12張CAD圖
一種新型的欠驅(qū)動仿擬人機械手爪的設計-肌電假肢手傳動和執(zhí)行部分含12張CAD圖,一種,新型,驅(qū)動,擬人,機械,手爪,設計,假肢,傳動,以及,執(zhí)行,履行,部分,部份,12,十二,cad
一種新型機械假手的設計與實驗
摘要：理想的上肢假手應該可以被看作殘肢者身體自然的一部分，而且應該有感覺和運動能力。然而，這樣的一個控制假手方案仍然遠遠脫離現(xiàn)實：目前的假手是一個或兩個自由度的簡單的夾緊機構(gòu)，這種機構(gòu)只不過能恢復患者的一些夾捏的功能。本文介紹了一種基于“人—機”學和控制論方法的新型假手的設計與制造。我們的做法旨在為殘肢者提供“自然”的感覺與運動協(xié)調(diào)的假肢，通過整合機制仿生，傳感器，驅(qū)動器和控制器于一體，并通過斷肢周圍的神經(jīng)系統(tǒng)連接控制假手。
1.導論
讓截肢者感覺假肢是自己身體的一部分，而且還可以代替截肢者的一些親密的感覺和運動能力，這樣的新發(fā)明還遠遠不能成為現(xiàn)實。事實上，目前市場上的假肢還不能給患者用戶提供足夠的抓握功能和感覺運動功能。目前可用假手的一個主要的問題是缺乏自由度。商用假肢裝置，如Otto Bock SensorHand?，以及多功能手的設計，還遠遠不能提供人手的操縱能力。這有很多不同的原因。比如說，假手的彎曲運動僅限于兩個或三個關節(jié)，是由一個單一的驅(qū)動電機同時驅(qū)動掌指關節(jié)—拇指關節(jié)、食指關節(jié)和中指關節(jié)，而其他關節(jié)只能被動的彎曲。
解決所有這些問題的辦法是制定一個“控制論”方案，即機電一體化方案。這樣的一個方案必須解決以下這些商業(yè)假肢存在的問題：
1、抓握能力不夠強；
2、難看的外形；
3、缺乏感官信息提供給截肢者；
4、缺乏一個“天然”的命令接口。
第一和第二個問題可以通過增加相應的自由度來解決，在手的機構(gòu)上嵌入更多的驅(qū)動器以及設計成對的關節(jié)可以做到這一點。增加相應的自由度可以使假手更加靈活，自然就可以增強假手的抓握能力，而設計成對的關節(jié)就是為了使假手在外形上看起來舒適，從而解決了商業(yè)假肢外形難看的問題。
第三個和第四個的問題可以通過建立一個“自然”的接口來連接人工假手與殘肢周圍的神經(jīng)系統(tǒng)，以便有選擇性地接受信號。實驗表明這種方案是可行的，可以讓肌電控制假手成為現(xiàn)實（解決第四個問題），以及以適當?shù)姆绞酵ㄟ^他/她的傳入/傳出神經(jīng)反饋一些感覺給截肢者來解決商業(yè)假肢普遍存在的第三個問題。
本文重點介紹了目前在Scuola Superiore Sant’Anna的研究活動，通過殘肢上的肌電信號來控制肌電假手的一些發(fā)展情況。
2.肌電假手的設計
從假手設計一開始主要應該考慮的問題有以下幾個方面：美觀性，可控性，低噪音，重量輕和低能源消耗。這些要求要實現(xiàn)可以通過把不同的功能（機制，驅(qū)動，傳感和控制）嵌入到一個形狀，大小和外觀和人類的手極其相似的機構(gòu)當中，這是一個綜合的設計方法。這種設計方法可以用這個詞來定義：“biomechatronic”設計。
2.1假手的結(jié)構(gòu)
該假手將配備3個驅(qū)動器系統(tǒng)，以便提供一個三腳抓握機構(gòu)：兩個相同的手指驅(qū)動系統(tǒng)和一個拇指驅(qū)動系統(tǒng)。（見圖1）
圖一、假手的結(jié)構(gòu)
該驅(qū)動系統(tǒng)是基于兩個微型驅(qū)動器，它可以分別驅(qū)動內(nèi)部機械零件和手指關節(jié)；考慮的美觀因素，兩個驅(qū)動器是完全集成在手的結(jié)構(gòu)里：第一個在手掌，第二個在靠近指節(jié)。這種雙立直插型關節(jié)被動地被一個連接到中指端關節(jié)的機構(gòu)所帶動。拇指具有兩個活動的自由度在近指端關節(jié)，其中一個被動自由度在遠指端關節(jié)處。
該抓握工作過程分為兩個相繼階段進行，在這過程中兩個不同的驅(qū)動系統(tǒng)起作用：
1）、靠近物體以及形狀適應階段；
2）、手指的抓握階段。
事實上，在第一階段讓手指適應被抓物體的外部形態(tài)特征的驅(qū)動系統(tǒng)是一個低輸出力矩電機。在第二個階段，拇指驅(qū)動系統(tǒng)提供強大的抓握力量，能夠在關鍵時候起作用，特別是抓取重量較大或者較滑的物體對象時。
重要的是應該指出，這種機構(gòu)最為關鍵的問題是在抓握階段，微型驅(qū)動器要能經(jīng)受高負荷的運轉(zhuǎn)。
為了證明這種假手方案的可行性，我們從設計手指開始（食指或者中指）。
2.2.手指原型的設計開發(fā)
如上文所講，這兩個自由度手指原型的設計是盡可能按照人類手指的大小和運動習慣來設計。它包含三個手指機構(gòu)和手掌外殼（見圖2）。
圖2、手指圖案
為了在大小上和人類手指相似，兩個微型馬達分別被裝在手掌內(nèi)和靠近近指端的地方。驅(qū)動系統(tǒng)動力是由微型線性直流無刷電機提供。
由電動機輸出的動力足以推動指骨機構(gòu)來實現(xiàn)抓握功能。此外，手掌外殼架提供軸的軸向和徑向的機械阻力。這就很明顯，在整個抓握過程中，驅(qū)動系統(tǒng)和整個手指結(jié)構(gòu)應該同時起作用才可以實現(xiàn)抓握功能。
第一個手指原型是采用FDM制造工藝過程（見圖3）。這一過程可以用ABS樹脂進行一個簡單的三維實體制造，直接從CAD生成實體模型。
圖3、手指原型
2.3 手指指尖力的特征
第一批實驗已經(jīng)完成，實驗表明假手手指有足夠大的力來抓取物體。為了這個目標，我們測量的力是手指直接壓在力傳感器上，各個關節(jié)都有測量。
兩個擺在眼前的任務已經(jīng)被確定，以便能夠獨立地衡量兩個納入手指的驅(qū)動器的力量：
任務一：推進工作只能由遠端執(zhí)行器來執(zhí)行。
任務二：推進工作只能由近端執(zhí)行器來執(zhí)行。
對應于每一項任務，兩個次要任務被識別發(fā)現(xiàn)(延伸，彎曲)，根據(jù)的是不活動關節(jié)的位置。對應于每個不同的子任務，各個關節(jié)不同的作用如圖4所示。
圖4、手指關節(jié)的每項任務。工作時活動的關節(jié)用小圓圈畫出。
在力的測量過程中，指尖壓在力傳感器上。Z軸的分力被記錄，同時X軸和Y軸的輸出力也被檢測。通過調(diào)整手指的不同位置來獲得Z軸的力的大小。第一批實驗測試已經(jīng)做了，旨在評估手指能有多大的力作用于被抓物體。
2.4 結(jié)果與討論
每個子任務進行了十次實驗。所得結(jié)果見圖5。在精細的操作下，這些假手手指的力可以比擬“自然”人類的手指的力，從而可以顯示出“biomechatronic”方案的可行性，至少在手指力這一項任務上是可以的。由電機運轉(zhuǎn)提供的輸出力足以推動手指機構(gòu)實現(xiàn)自動抓握功能。
圖5、實驗結(jié)果
3、智能神經(jīng)接口的發(fā)展
3.1 微小電極的制備
不同的硅基質(zhì)微電極的設計和加工采用的是微加工技術。三種不同的微電極的設計制造采用了不同的體積，電極尺寸。該設計主要用于積極的實驗，所以叫做“Active Die 1”和“Active Die 2”。一張“Active Die 2”的圖片如圖6.一些骰子沒有納入電極（“被動骰子“），這些骰子被用于控制。為了實現(xiàn)機械強度，每個硅片被安裝在鈦合金環(huán)上，通過激光焊接或電氣連接。
圖6
3.2、肌電研究成果
3.2.1、肌電方案的確定和研究方法
體內(nèi)實驗是在新西蘭的一只成年雌性兔子身上進行的。為了達到控制的目的，第一套實驗用空渠道導航，然后NI根據(jù)沒有互相連接的“被動”骰子進行（即有通道的骰子，但沒有電極）。第二組實驗是用完整的NI結(jié)合骰子進行的。這兩套實驗采用了同樣的實驗步驟。
不同的實驗運用不同的實驗結(jié)構(gòu)配置來進行。為了記錄從未受刺激的神經(jīng)，從空渠道再生神經(jīng)，從被動骰子神經(jīng)，坐骨神經(jīng)由一對有恒電流脈沖電極來刺激，刺激強度不盡相同。（持續(xù)時間=0.08—0.1毫秒）。陽極和陰極都能得到相應的刺激。這樣的神經(jīng)電圖分析結(jié)果是通過從記錄電極（放置在距離刺激點50毫米的一個地方）測量的復合動作電位來獲得的。在動物體內(nèi)植入NI，這種連接器連接到一個標準的電生理學的設置來記錄神經(jīng)刺激。一個機械開關允許每十個神經(jīng)接口電極連接到這個電子設備上。
單脈沖（振幅范圍=40微安—1毫安，持續(xù)時間=0.2毫秒）被傳送到每個電極界面。當肌肉收縮被觀察到，從而表明軸突的出現(xiàn)，同一途徑的神經(jīng)刺激接口被連接到記錄設備進行監(jiān)測。腿部的運動神經(jīng)也被記錄。（即拉伸）。
3.2.2 電生理信號的計算機分析
來自放大器的信號被儲存在一個磁帶里面，然后在計算機硬盤里回放和數(shù)字化（使用MIO-16 A/D轉(zhuǎn)換器）?；谔摂M編程技術，合適的程序被使用，以便獲得實驗數(shù)據(jù)和同步電刺激。復合動作電位的振幅和延時長度被測量，以評估再生神經(jīng)的恢復功能。
3.2.3 使用NI#6刺激和記錄神經(jīng)軸突
最有趣的結(jié)果是使用NI#6在對兔子進行的實驗。在這種特定的動物體內(nèi)，刺激與記錄進行了48天。在這個時候通過接口神經(jīng)再生。沒有神經(jīng)損傷或設備故障的出現(xiàn)。在控制實驗中發(fā)現(xiàn)組織反映相似。
動作電位持續(xù)時間大約1—1.5毫秒，振幅約為110微伏。從休息到劇烈運動的肌電圖如圖7所示。
圖7、 A 是腿或腳劇烈運動時的電圖
B 是運動停止后的電圖
C 是休息時的電圖
3.2.4使用NI#6神經(jīng)刺激
通過NI#6獲得了神經(jīng)刺激，證明了是通過微電極陣列將兔子腿或腳收縮時產(chǎn)生的每個脈沖傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)。目前能引起收縮的閥值是0.1微安，低于目前神經(jīng)控制實驗使用外電極刺激的需要。清楚的肌電信號記錄了肌肉收縮的狀態(tài)如圖8所示。
圖8、神經(jīng)刺激時記錄的肌電信號
4、工程信號處理技術
為了驗證記錄運動神經(jīng)的工程信號資料的可行性，我們進行了一些初步的實驗與研究，實驗與研究的領域是在在感覺與運動相互作用這一塊（奧爾堡大學，奧爾堡—DK）。在本節(jié)中，我們將對這些實驗的結(jié)果作簡要的分析說明。
4.1、實驗裝置
用四個雌性成年的新西蘭兔子進行實驗（逐個用號碼標志）。在這個實驗中使用了丹麥倫理委員會使用的動物研究所有的程序。整個神經(jīng)電極植入袖口處的脛骨和總神經(jīng)（這是主要的坐骨神經(jīng)）在兔子的左腿（袖口長度約20毫米，內(nèi)徑分別約2毫米和1.8毫米）。袖口電極制作是根據(jù)所描述的步驟[14],除了直接切斷是用作最后的方法。腓腸神經(jīng)被立即切斷，以便在皮膚傳入實驗中盡量減少不必要的記錄。如圖10，一個示意圖介紹了植入電極的袖口（類似兔子的籌備工作已經(jīng)用于其他實驗，見【14】）。
實驗中使用到的實驗設備包括一個計算機控制的伺服電機，用作旋轉(zhuǎn)被實驗兔子的踝關節(jié)。
支持和固定裝置配有4個應變片作為扭矩傳感器（靈敏度為10納米/伏特）。一個光學的旋轉(zhuǎn)傳感器是用來記錄踝關節(jié)運動的（靈敏度=10度/伏特）。扭矩信號采樣信號為500赫茲。兔子放在右側(cè)，它的左腳放在一個搖籃里。實驗過程中，兔子的膝蓋和踝關節(jié)是被固定的。[14]中詳細描述了試驗裝置。整個神經(jīng)袖套記錄了200，000次，過濾使用了二階模擬過濾器（500Hz-5kHz）。一個正常人的踝關節(jié)運動被記錄參考，以用作模板，為兔子踝關節(jié)運動記錄做準備。整個活動的神經(jīng)和腓總神經(jīng)記錄在【14】中描述。所有的工程記錄都被修正好，集成在一個微軟窗口里。方位和扭矩數(shù)據(jù)通過低通濾波器過濾。
4.2、模糊建模
三個實施模糊建模的特征如下：
1.改良過的FCRM模糊模型是一個TS型的模糊系統(tǒng)。要獲取規(guī)則直接從數(shù)據(jù)、模糊算法來得到【15】。
2.自適應網(wǎng)絡模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）模型是一種TS模糊系統(tǒng)作為一個前饋神經(jīng)實施的網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡的混合學習過程的主要特點如【16】所描述。
3.動態(tài)非單例模糊邏輯系統(tǒng)（DNSFLS）是曼達尼模糊系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡實施的范圍如【17】描述。
4.3、預測的結(jié)果
要比較不同模糊模型的性能，可以采用預測誤差的均方根來衡量。表一給出了預測誤差。
表一：不同模糊模型的有效值的預測誤差
模糊模型
訓練 Traject有效值
測試 Traject有效值
規(guī)則
FCRM
0.0216
0.0480
49
ANFIS
0.0047
0.0079
49
DNSFLS
0.0013
0.0057
45
5、結(jié)論
本文簡單介紹了在圣安娜進行的一項關于肌電控制假手的研究活動。目前，我們正在設計一種新型的肌電假手，以及在深入研究工程信號的處理技術。此外，歐盟的一些研究組織目前正在制定一個植入系統(tǒng)，使用外部控制系統(tǒng)來記錄和刺激工程信號。這個裝置可以被用在設計肌電控制假手的實驗中。
6、鳴謝
這項研究工作受到社會的大力支持，其中包括題為“人體修復系統(tǒng)的設計與研究”的研究機構(gòu)，還有目前正在進行“康復工程的應用研究”機構(gòu)，這是一個隸屬于國家勞動事故機構(gòu)，以及還有圣安娜大學等等。這項工作部分已經(jīng)被歐盟著手實施。
作者感謝卡羅先生和加布里埃先生提供的寶貴的技術援助。作者還要感謝里納爾多先生對于“biomechatronic”假手概念的有益討論和批評。
參考資料
【1】辛普森博士，“multimovement”假肢控制系統(tǒng)的選擇，下體假肢的控制研究，與赫伯茲合編，1974
【2】格林，霍根，肘部機構(gòu)運動不受限制的研究，康復工程。楊永康。1995
【3】PJ安格紐，肌電假肢功能的效率性與功能分裂：單一主體實驗，普羅斯特，詮釋。1981，92-96
【4】S.-E. Baek, S.-H. Lee, J.-H. Chang,肌電假肢手指的設計和控制。智能機器人系統(tǒng)（1999），113-117
【5】M. E. Cupo, S. J. Sheredos，一個新的，最重要的肘部供電假臂的臨床研究報告，康復工程。35（1998），431-446
【6】R. Doshi, C. Yeh, 勒布朗先生，設計開發(fā)一個gloveless endoskeletal假手，35（1998），388-395
【7】P. J. Kyberd, O. E. Holland, P. H. Chappel, S. Smith, R. Tregidgo, P. J. Bagwell,and M. Snaith, MARCUS，一個兩個自由度假肢的抓地力控算方法?？祻凸こ?，楊永康。3（1995）
【8】D. H. Silcox, M. D. Rooks, R. R. Vogel, L. L.肌電假肢，骨與關節(jié)外科雜志。75（1993），1781-1789.
【9】R. Vinet, Y. Lozac’h, N. Beaundry, G. Drouin,一種多功能假肢的設計方法，康復工程。32（1995），316-324.
【10】M. R. Cutkosky,機器人的精細操作，波士頓：Kluwer學術出版社，1985.
【11】Carrozza M.C., Dario P., Lazzarini R., et al,擁有一個驅(qū)動器系統(tǒng)的一種新型biomechatronic假手，276-280.
【12】K. Nagai, Y. Eto, D. Asai, M. Yazaki,發(fā)展三指機器人的議案，處理。智能機器人與系統(tǒng)（1998），476-481.
【13】D.T.V. Pawlock, R.D.Howe,美國機械工程師協(xié)會J Biomech工程121 （ 1999 ） ， 605-611.
【14】R.R. Riso and Farhad K. Mosallaie and Winnie Jensen and Thomas Sinkjaer,算法康復工程，2000.
【15】E. Kim, M.Park, S.Ji, and M.Park，“新方法的模糊建?！?，算法的模糊系統(tǒng)，第二卷，5頁，328-337，1997年8月。
【16】J.-S. R. Jang,自適應模糊推理系統(tǒng)，第二卷。23頁，665-685，1993年5月、6月。
【17】G.C. Mouzouris ， JM孟德爾，“動態(tài)非單模糊邏輯系統(tǒng)的非線性建?！保惴ǖ哪：到y(tǒng)，第二卷，5頁，199-208，1997年5月。
收藏