機器之心報道

作者：魔王、小舟、陳萍

現(xiàn)實版 T-bag 機械手來了。意大利技術(shù)研究院創(chuàng)造類似人手的手部假肢，相關(guān)研究登上了最新一期 Science Robotics 封面。

還記得美劇《越獄》里的著名角色 T-bag 嗎？在第二季里他被人砍了手，從此實力大減。在回歸的第五季，有人為了讓他能夠更好地執(zhí)行任務(wù)，幫他裝了一個全功能的機械手。

我們已經(jīng)見證過越來越多科幻電影里的內(nèi)容成真，而這一次我們只等了三年。在昨天剛剛刊發(fā)的 Science 子刊《Science Robotics》上，具有和人手同等能力的機械手登上了封面。該研究創(chuàng)造出來的機械手「Hannes」與人手極為相似，能夠執(zhí)行許多日常動作，比如擦桌子：把物品收起來，或者擺出來：甚至可以抓握住圓柱形的物體，比如握住傘柄：它還具備很強的適應(yīng)性，可以抓握住遞給它的任何物體，甚至刁鉆的角度也難不倒它。比如把易拉罐的底部遞到這只「手」上，它依然可以輕松握住瓶底，并在對方試圖拿走時松開手：能夠?qū)崿F(xiàn)類似人手的功能并非易事，現(xiàn)在我們就來了解它的原理和構(gòu)造。

Hannes：這只手部假肢可以媲美真的人手？

用具有同等能力和效果的人工裝置替代人手是一項長期挑戰(zhàn)。即使是具備多自由度的最先進(jìn)手部假肢，也無法達(dá)到人手的復(fù)雜性、靈活性和適應(yīng)性。因此，假肢被用戶放棄的比率很高。

最近，意大利技術(shù)研究院創(chuàng)造了一種叫做「Hannes」的手部假肢，它融合了關(guān)鍵的仿生特性，因而與人類的手極為相似。通過整體設(shè)計方法以及研究人員、患者、整形外科醫(yī)師和工業(yè)設(shè)計師的共同開發(fā)工作，「Hannes」可同時實現(xiàn)精準(zhǔn)擬人、仿生性能以及類似人的抓握行為，性能超過日常生活活動（ADL）所需。

為了評估 Hannes 的有效性和可用性，研究人員在截肢患者身上進(jìn)行了試驗。在為期大約 2 周的試驗前后分別進(jìn)行了測試和問卷調(diào)查，結(jié)果表明截肢患者可以自主使用 Hannes 在家中進(jìn)行日常生活操作。研究者還通過實驗驗證了 Hannes 的高性能和類似人類的抓取行為。盡管 Hannes 的速度仍然低于人手，但實驗表明，與現(xiàn)有的研究或商用設(shè)備相比，Hannes 的性能有所提升。

Hannes 系統(tǒng)概覽

Hannes 主要由三個相互作用的物理部件組成：肌電多關(guān)節(jié)假肢手，由差動欠驅(qū)動裝置實現(xiàn)；被動屈伸（F/E）腕關(guān)節(jié)模塊；肌電接口 / 控制器，包括兩個表面肌電圖 (sEMG) 傳感器、電池組和控制電路。如圖 1A 所示：

圖 1：Hannes 系統(tǒng)概覽。A，Hannes 架構(gòu)；B，未被手套覆蓋的 Hannes 外觀；C-G，Hannes 執(zhí)行日常生活動作。Hannes 的機電構(gòu)造。

這三個組件旨在實現(xiàn)擬人化、仿生性能和類人抓取，而這三個特性在以往的研究中被證明是決定假肢整體效果的關(guān)鍵。這些特性已通過整體仿生設(shè)計方法得到實現(xiàn)，參見下圖 2：

圖 2：Hannes 的整體仿生設(shè)計方法。

Hannes 的高度擬人化

圖 3A 顯示了 Hannes 的高度擬人化：中指中近端直徑的最大差異為 4.8%，與參考手模型極為相似。關(guān)于運動學(xué)，圖 3B 表明除遠(yuǎn)端指間（DIP）關(guān)節(jié)外的所有手指自由度均已實現(xiàn)，為了實現(xiàn)在功能和復(fù)雜性之間的權(quán)衡，DIP 關(guān)節(jié)被省略并設(shè)置為固定角度。拇指的運動學(xué)情況有所不同，指間關(guān)節(jié)（IP）和掌指關(guān)節(jié)（MCP）被鎖定。

圖 3：Hannes 的人體測量。

為了進(jìn)行全面的比較，圖 3C 展示了 Hannes 自由度與人手和 Michelangelo 假肢相比的角度偏移（Michelangelo 假肢與其他現(xiàn)有假肢相比擬人化程度更高，被用作黃金標(biāo)準(zhǔn)）。除了鎖定 DIP 關(guān)節(jié)外，Hannes 的關(guān)節(jié)活動度（ROM）大體上接近人手，并且比 Michelangelo 假肢的 ROM 更具仿生性。

利用被動腕部彈性，增強 Hannes 的適應(yīng)性

Hannes 另一個重要的組成部分是手近端的被動屈伸腕關(guān)節(jié)。該模塊基于相互作用力自然地進(jìn)行腕部屈伸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)抓握的魯棒性和對任務(wù)的適應(yīng)性。

直觀的接口和無縫抓取的直接策略

關(guān)于控制和接口，出于可靠性、魯棒性和實用性的考慮，研究者決定采用直接 EMG 控制，將上述屬性的實現(xiàn)留給高級硬件設(shè)計來解決。

兩個 sEMG 傳感器用于檢測截肢患者的殘肢肌肉活動情況，即前臂屈肌和伸肌的肌肉收縮，它們分別用于關(guān)閉和打開設(shè)備并對設(shè)備進(jìn)行控制。這兩個 sEMG 傳感器被放置在插槽內(nèi)，并通過嵌入在「EMG 處理板」（EMG processing board）中的調(diào)節(jié)控制模塊與 Hannes 手連接，它可以返回控制信號，并將其發(fā)送至「電機控制板」（motor control board）模塊。

Hannes 系統(tǒng)由一個電池組進(jìn)行供電，續(xù)航時間為 1 天。在不使用系統(tǒng)時，使用磁性插頭可以為電池充電。該系統(tǒng)使用的控制器中存在一種比例關(guān)系，即它向 Hannes 手發(fā)送速度參考值，速度參考值會隨著肌肉的活力成比例增加。該系統(tǒng)能夠針對每個使用者調(diào)整控制參數(shù)，以精細(xì)控制每個患者所用設(shè)備的動作和力量。

實驗

實驗評估的結(jié)果表明：Hannes 能夠滿足前面提到的要求。擬人程度主要和設(shè)計相關(guān)，于是該研究通過實驗評估了另外兩個特性：仿生性能和類人抓握行為。

仿生性能超過 ADL 所需

圖 4：力和速度實驗

上圖顯示，掌指關(guān)節(jié)（MCP）的速度峰值可達(dá) 4 rad/s (229°/s)，而近端指間關(guān)節(jié)（PIP）的速度峰值約為該值的一半。Hannes 能夠在不到 1 秒的時間內(nèi)實現(xiàn)完全閉合。

類似于人的協(xié)同行為

為了確定 Hannes 與人手協(xié)同運動行為的相似程度，該研究進(jìn)行了運動學(xué)分析。

圖 5 (C) 和 (D) 分別展示了在握住圖 5 (A) 和圖 5 (B) 中的物體時，Hannes 和人手關(guān)節(jié)角度的 Pearson 相關(guān)性。

圖 5：Hannes 及其協(xié)同行為的運動學(xué)分析。

下圖展示了 Hannes 和人手的協(xié)同：

初步臨床試驗

此外，該研究還在截肢患者身上進(jìn)行了臨床試驗，并在試驗前后分別做了測試和問卷調(diào)查。下圖總結(jié)了測試和問卷調(diào)查分?jǐn)?shù)的變化情況。

圖 6：測試和問卷得分的提高率。

參考鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/5/46/eabb0467

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原標(biāo)題：《這是現(xiàn)實版T-bag機械手？相關(guān)研究登上Science子刊封面》

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