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一種新型機(jī)械假手的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)
摘要：理想的上肢假手應(yīng)該可以被看作殘肢者身體自然的一部分，而且應(yīng)該有感覺和運(yùn)動(dòng)能力。然而，這樣的一個(gè)控制假手方案仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離現(xiàn)實(shí)：目前的假手是一個(gè)或兩個(gè)自由度的簡單的夾緊機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)只不過能恢復(fù)患者的一些夾捏的功能。本文介紹了一種基于“人—機(jī)”學(xué)和控制論方法的新型假手的設(shè)計(jì)與制造。我們的做法旨在為殘肢者提供“自然”的感覺與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的假肢，通過整合機(jī)制仿生，傳感器，驅(qū)動(dòng)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)能力，這樣的新發(fā)明還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能成為現(xiàn)實(shí)。事實(shí)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(yùn)動(dòng)功能。目前可用假手的一個(gè)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(shè)計(jì)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)僅限于兩個(gè)或三個(gè)關(guān)節(jié)，是由一個(gè)單一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)掌指關(guān)節(jié)—拇指關(guān)節(jié)、食指關(guān)節(jié)和中指關(guān)節(jié)，而其他關(guān)節(jié)只能被動(dòng)的彎曲。
解決所有這些問題的辦法是制定一個(gè)“控制論”方案，即機(jī)電一體化方案。這樣的一個(gè)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(qiáng)；
2、難看的外形；
3、缺乏感官信息提供給截肢者；
4、缺乏一個(gè)“天然”的命令接口。
第一和第二個(gè)問題可以通過增加相應(yīng)的自由度來解決，在手的機(jī)構(gòu)上嵌入更多的驅(qū)動(dòng)器以及設(shè)計(jì)成對(duì)的關(guān)節(jié)可以做到這一點(diǎn)。增加相應(yīng)的自由度可以使假手更加靈活，自然就可以增強(qiáng)假手的抓握能力，而設(shè)計(jì)成對(duì)的關(guān)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(gè)和第四個(gè)的問題可以通過建立一個(gè)“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(hào)。實(shí)驗(yàn)表明這種方案是可行的，可以讓肌電控制假手成為現(xiàn)實(shí)（解決第四個(gè)問題），以及以適當(dāng)?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(gè)問題。
本文重點(diǎn)介紹了目前在Scuola Superiore Sant’Anna的研究活動(dòng)，通過殘肢上的肌電信號(hào)來控制肌電假手的一些發(fā)展情況。
2.肌電假手的設(shè)計(jì)
從假手設(shè)計(jì)一開始主要應(yīng)該考慮的問題有以下幾個(gè)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(shí)現(xiàn)可以通過把不同的功能（機(jī)制，驅(qū)動(dòng)，傳感和控制）嵌入到一個(gè)形狀，大小和外觀和人類的手極其相似的機(jī)構(gòu)當(dāng)中，這是一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法可以用這個(gè)詞來定義：“biomechatronic”設(shè)計(jì)。
2.1假手的結(jié)構(gòu)
該假手將配備3個(gè)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，以便提供一個(gè)三腳抓握機(jī)構(gòu)：兩個(gè)相同的手指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)拇指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。（見圖1）
圖一、假手的結(jié)構(gòu)
該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是基于兩個(gè)微型驅(qū)動(dòng)器，它可以分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)部機(jī)械零件和手指關(guān)節(jié)；考慮的美觀因素，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器是完全集成在手的結(jié)構(gòu)里：第一個(gè)在手掌，第二個(gè)在靠近指節(jié)。這種雙立直插型關(guān)節(jié)被動(dòng)地被一個(gè)連接到中指端關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)所帶動(dòng)。拇指具有兩個(gè)活動(dòng)的自由度在近指端關(guān)節(jié)，其中一個(gè)被動(dòng)自由度在遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)處。
該抓握工作過程分為兩個(gè)相繼階段進(jìn)行，在這過程中兩個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起作用：
1）、靠近物體以及形狀適應(yīng)階段；
2）、手指的抓握階段。
事實(shí)上，在第一階段讓手指適應(yīng)被抓物體的外部形態(tài)特征的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)低輸出力矩電機(jī)。在第二個(gè)階段，拇指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的抓握力量，能夠在關(guān)鍵時(shí)候起作用，特別是抓取重量較大或者較滑的物體對(duì)象時(shí)。
重要的是應(yīng)該指出，這種機(jī)構(gòu)最為關(guān)鍵的問題是在抓握階段，微型驅(qū)動(dòng)器要能經(jīng)受高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)。
為了證明這種假手方案的可行性，我們從設(shè)計(jì)手指開始（食指或者中指）。
2.2.手指原型的設(shè)計(jì)開發(fā)
如上文所講，這兩個(gè)自由度手指原型的設(shè)計(jì)是盡可能按照人類手指的大小和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣來設(shè)計(jì)。它包含三個(gè)手指機(jī)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(gè)微型馬達(dá)分別被裝在手掌內(nèi)和靠近近指端的地方。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力是由微型線性直流無刷電機(jī)提供。
由電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力足以推動(dòng)指骨機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)抓握功能。此外，手掌外殼架提供軸的軸向和徑向的機(jī)械阻力。這就很明顯，在整個(gè)抓握過程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整個(gè)手指結(jié)構(gòu)應(yīng)該同時(shí)起作用才可以實(shí)現(xiàn)抓握功能。
第一個(gè)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(jìn)行一個(gè)簡單的三維實(shí)體制造，直接從CAD生成實(shí)體模型。
圖3、手指原型
2.3 手指指尖力的特征
第一批實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成，實(shí)驗(yàn)表明假手手指有足夠大的力來抓取物體。為了這個(gè)目標(biāo)，我們測量的力是手指直接壓在力傳感器上，各個(gè)關(guān)節(jié)都有測量。
兩個(gè)擺在眼前的任務(wù)已經(jīng)被確定，以便能夠獨(dú)立地衡量兩個(gè)納入手指的驅(qū)動(dòng)器的力量：
任務(wù)一：推進(jìn)工作只能由遠(yuǎn)端執(zhí)行器來執(zhí)行。
任務(wù)二：推進(jìn)工作只能由近端執(zhí)行器來執(zhí)行。
對(duì)應(yīng)于每一項(xiàng)任務(wù)，兩個(gè)次要任務(wù)被識(shí)別發(fā)現(xiàn)(延伸，彎曲)，根據(jù)的是不活動(dòng)關(guān)節(jié)的位置。對(duì)應(yīng)于每個(gè)不同的子任務(wù)，各個(gè)關(guān)節(jié)不同的作用如圖4所示。
圖4、手指關(guān)節(jié)的每項(xiàng)任務(wù)。工作時(shí)活動(dòng)的關(guān)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(shí)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(shí)驗(yàn)測試已經(jīng)做了，旨在評(píng)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(gè)子任務(wù)進(jìn)行了十次實(shí)驗(yàn)。所得結(jié)果見圖5。在精細(xì)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(xiàng)任務(wù)上是可以的。由電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供的輸出力足以推動(dòng)手指機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓握功能。
圖5、實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)和加工采用的是微加工技術(shù)。三種不同的微電極的設(shè)計(jì)制造采用了不同的體積，電極尺寸。該設(shè)計(jì)主要用于積極的實(shí)驗(yàn)，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(dòng)骰子“），這些骰子被用于控制。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度，每個(gè)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(shí)驗(yàn)是在新西蘭的一只成年雌性兔子身上進(jìn)行的。為了達(dá)到控制的目的，第一套實(shí)驗(yàn)用空渠道導(dǎo)航，然后NI根據(jù)沒有互相連接的“被動(dòng)”骰子進(jìn)行（即有通道的骰子，但沒有電極）。第二組實(shí)驗(yàn)是用完整的NI結(jié)合骰子進(jìn)行的。這兩套實(shí)驗(yàn)采用了同樣的實(shí)驗(yàn)步驟。
不同的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)配置來進(jìn)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(dòng)骰子神經(jīng)，坐骨神經(jīng)由一對(duì)有恒電流脈沖電極來刺激，刺激強(qiáng)度不盡相同。（持續(xù)時(shí)間=0.08—0.1毫秒）。陽極和陰極都能得到相應(yīng)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(diǎn)50毫米的一個(gè)地方）測量的復(fù)合動(dòng)作電位來獲得的。在動(dòng)物體內(nèi)植入NI，這種連接器連接到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電生理學(xué)的設(shè)置來記錄神經(jīng)刺激。一個(gè)機(jī)械開關(guān)允許每十個(gè)神經(jīng)接口電極連接到這個(gè)電子設(shè)備上。
單脈沖（振幅范圍=40微安—1毫安，持續(xù)時(shí)間=0.2毫秒）被傳送到每個(gè)電極界面。當(dāng)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(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。腿部的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)也被記錄。（即拉伸）。
3.2.2 電生理信號(hào)的計(jì)算機(jī)分析
來自放大器的信號(hào)被儲(chǔ)存在一個(gè)磁帶里面，然后在計(jì)算機(jī)硬盤里回放和數(shù)字化（使用MIO-16 A/D轉(zhuǎn)換器）。基于虛擬編程技術(shù)，合適的程序被使用，以便獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和同步電刺激。復(fù)合動(dòng)作電位的振幅和延時(shí)長度被測量，以評(píng)估再生神經(jīng)的恢復(fù)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(duì)兔子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在這種特定的動(dòng)物體內(nèi)，刺激與記錄進(jìn)行了48天。在這個(gè)時(shí)候通過接口神經(jīng)再生。沒有神經(jīng)損傷或設(shè)備故障的出現(xiàn)。在控制實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)組織反映相似。
動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間大約1—1.5毫秒，振幅約為110微伏。從休息到劇烈運(yùn)動(dòng)的肌電圖如圖7所示。
圖7、 A 是腿或腳劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的電圖
B 是運(yùn)動(dòng)停止后的電圖
C 是休息時(shí)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(shí)產(chǎn)生的每個(gè)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(shí)驗(yàn)使用外電極刺激的需要。清楚的肌電信號(hào)記錄了肌肉收縮的狀態(tài)如圖8所示。
圖8、神經(jīng)刺激時(shí)記錄的肌電信號(hào)
4、工程信號(hào)處理技術(shù)
為了驗(yàn)證記錄運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的工程信號(hào)資料的可行性，我們進(jìn)行了一些初步的實(shí)驗(yàn)與研究，實(shí)驗(yàn)與研究的領(lǐng)域是在在感覺與運(yùn)動(dòng)相互作用這一塊（奧爾堡大學(xué)，奧爾堡—DK）。在本節(jié)中，我們將對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果作簡要的分析說明。
4.1、實(shí)驗(yàn)裝置
用四個(gè)雌性成年的新西蘭兔子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（逐個(gè)用號(hào)碼標(biāo)志）。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用了丹麥倫理委員會(huì)使用的動(dòng)物研究所有的程序。整個(gè)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(shí)驗(yàn)中盡量減少不必要的記錄。如圖10，一個(gè)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(shí)驗(yàn)，見【14】）。
實(shí)驗(yàn)中使用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的伺服電機(jī)，用作旋轉(zhuǎn)被實(shí)驗(yàn)兔子的踝關(guān)節(jié)。
支持和固定裝置配有4個(gè)應(yīng)變片作為扭矩傳感器（靈敏度為10納米/伏特）。一個(gè)光學(xué)的旋轉(zhuǎn)傳感器是用來記錄踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的（靈敏度=10度/伏特）。扭矩信號(hào)采樣信號(hào)為500赫茲。兔子放在右側(cè)，它的左腳放在一個(gè)搖籃里。實(shí)驗(yàn)過程中，兔子的膝蓋和踝關(guān)節(jié)是被固定的。[14]中詳細(xì)描述了試驗(yàn)裝置。整個(gè)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(gè)正常人的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)被記錄參考，以用作模板，為兔子踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)記錄做準(zhǔn)備。整個(gè)活動(dòng)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(gè)微軟窗口里。方位和扭矩?cái)?shù)據(jù)通過低通濾波器過濾。
4.2、模糊建模
三個(gè)實(shí)施模糊建模的特征如下：
1.改良過的FCRM模糊模型是一個(gè)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）模型是一種TS模糊系統(tǒng)作為一個(gè)前饋神經(jīng)實(shí)施的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的混合學(xué)習(xí)過程的主要特點(diǎn)如【16】所描述。
3.動(dòng)態(tài)非單例模糊邏輯系統(tǒng)（DNSFLS）是曼達(dá)尼模糊系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的范圍如【17】描述。
4.3、預(yù)測的結(jié)果
要比較不同模糊模型的性能，可以采用預(yù)測誤差的均方根來衡量。表一給出了預(yù)測誤差。
表一：不同模糊模型的有效值的預(yù)測誤差
模糊模型
訓(xùn)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(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)于肌電控制假手的研究活動(dòng)。目前，我們正在設(shè)計(jì)一種新型的肌電假手，以及在深入研究工程信號(hào)的處理技術(shù)。此外，歐盟的一些研究組織目前正在制定一個(gè)植入系統(tǒng)，使用外部控制系統(tǒng)來記錄和刺激工程信號(hào)。這個(gè)裝置可以被用在設(shè)計(jì)肌電控制假手的實(shí)驗(yàn)中。
6、鳴謝
這項(xiàng)研究工作受到社會(huì)的大力支持，其中包括題為“人體修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究”的研究機(jī)構(gòu)，還有目前正在進(jìn)行“康復(fù)工程的應(yīng)用研究”機(jī)構(gòu)，這是一個(gè)隸屬于國家勞動(dòng)事故機(jī)構(gòu)，以及還有圣安娜大學(xué)等等。這項(xiàng)工作部分已經(jīng)被歐盟著手實(shí)施。
作者感謝卡羅先生和加布里埃先生提供的寶貴的技術(shù)援助。作者還要感謝里納爾多先生對(duì)于“biomechatronic”假手概念的有益討論和批評(píng)。
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