仿生假肢手构型设计及性能评测

时间：2023-06-17 09:40:20来源：admin01栏目：假肢新闻阅读：

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1商用假肢手

假肢手的构型研究已经持续了半个多世纪，诞生了一批较为成熟且已应用于市场的产品。其中比较有代表性的有BeBionic hand、i-limb、Vincent hand和Michelangelo hand等。BeBionic假肢手被称为世界上最先进的假肢手。其采用轻量级材料制作精确的骨骼结构，整个假手拥有337个机械部件，通过读取断臂上的肌肉运动来活动，在手指肚还配备了气泡，不仅能够实现灵活自如地进行诸如骑车、抓取等日常活动，还像人手一样拥有柔软的指尖。

英国触摸仿生公司（Touch Bionics）成立于2003年。该公司最先进的产品包括肌电义肢手臂和义肢手指的解决方案，不但用逼真度极高的绝缘硅胶制成，而且看起来、用起来、摸起来都跟真手相近。2008年，该公司研制出仿生肌电控制的假手i-Limb。该假肢手是世界上首个真正意义上的仿生手，它和之前的钩子手或者塑胶美容手不同的是，它的每一根手指都是可以活动的，而且是严格模仿人类手指的活动能力，绝对不会出现能360度旋转这样的滑稽现象。最重要的是，它能够与手臂上残留的肌肉和神经组织连接，直接感应脑部发出的信号，并做出相应的运动。

此外，在高端假肢手领域还有Vincent hand和Michelangelo hand等。国内在假肢手领域比较有代表性的有上海科生假肢有限公司生产的多自由度假肢手及丹阳假肢厂有限公司的上肢假肢等。然而目前在国内高端假肢领域，进口产品依然占有较大份额。

以上这些已经应用于市场的假肢手，其在外形上已经非常接近人手，且可以通过肌电控制完成一些日常生活中手部操作。但是，受制于驱动、控制等技术的约束，其在自由度上依然远远落后于人手。如上述提到的几款假肢手，最多只有6个主动自由度，而人手则有多达23个自由度。且由于肌电控制所能稳定提供的控制可能性有限，这些都导致了假肢手的灵活性与人手相比有巨大差距。

图1 商用假肢手

2科研假肢手（机械手）

科研假肢手（机械手），很多处于实验室阶段未应用于实际，由于其不需要考虑驱动、体积、肌电控制等问题，往往可以专注于提高假肢手手部本身，在灵活性方面有巨大提升。这类仿生手从结构上可以分为两类：刚性手和柔性手。刚性手的设计多使用铰链式关节，如美国NASA参与设计的用于空间探索任务的Robonaut hand，手部共有12个自由度，另外有两个自由度用于腕部运动。刚性手的另外一种设计思路是在结构上完全模拟人手，以达到和人手相似的运动学特性，如美国卡耐基梅隆大学研发的ACT Hand，其完全采用仿人手设计，共有23个自由度。手骨骼由真人骨骼模型3D打印制成，驱动方式上也采用了与人手相同的肌腱驱动。ACT hand可作为人手功能和控制的测试平台。然而，纯粹仿造人手骨骼结构的方式是有缺陷的，因为人手是一个骨骼、肌肉、肌腱和神经等共同作用的结构，很难从根本上对其进行仿制。近年来也出现了结合传统机械结构和仿人手关节的仿生手，如韩国首尔大学研发的FLLEX hand，使用类人手指的结构进行仿生手的设计，其可以完成多种手内操作，出色的灵活性令人印象深刻，且具有很大的负载能力可以抵抗外力而不发生损坏。

图2 刚性手

柔性手的设计主要使用硅胶等柔性材料，驱动方式以气动较多。由于其本身材料在接触物体后可以发生再一次的变形，因此具有良好的顺从性，而这对于人手和复杂环境及不同形状物体的交互是有利的。然而柔性手也有其缺陷，如负载能力相比刚性手较差，主动驱动数受限于设计往往较少等。在这方面，香港大学于2019年推出的BCL-26气动柔性手将柔性手的灵活性提升到了新的高度。其相比前代BCL-13将主动驱动的数量从13个提升到了26个，除手指外，手掌部分也被划分成了多个可以活动的区域，可以说是目前最灵活的柔性手。

图3 BCL-26柔性手

也有一些研究专注于仿生手的应用，如上海交通大学朱向阳团队研制的柔性神经假肢手，是目前所知第一个将气动手用于假肢的例子。该柔性手结合了双向神经通道等技术，并在受试者身上进行了测试，达到了比传统刚性假肢手更好的效果。意大利理工学院于2020年提出的Hannes hand使用了精巧的欠驱动设计，使用单个电机驱动假肢手，可实现多种不同的操作，该成果发表在了science子刊上，是近年假肢手研究领域的代表。

图4 Hannes hand

3假肢手性能评估

斯坦福大学的mark等人在研究人手日常抓握活动后将人手的抓握分为16种，是目前常用的对于机械手抓取能力评估的方法。该方法将人手抓握分为力量抓握和精确抓握两个大类，每个大类对应多个小类，如果机械手能完成所有分类的抓握动作则表明该机械手拥有较好的抓握能力。另外，由于拇指在人手功能中的重要和特殊地位，还常用Kapandji test来测试拇指的功能完整性。该测试要求拇指去触碰包括四指指尖在内的多个点，根据能触碰到的点的个数对拇指的灵活性进行评价。而对于假肢手佩戴者来说，常使用Box&Block test（BBT）来测试假肢手功能，该测试要求受试者在一定时间内将小方块尽量多地从一个盒子内转移到另外一个盒子，根据转移的小方块的数量对假肢手功能进行测评。常用的还有Jebsen手功能测试，该测试由7个测定手不同活动的计时测验组成，包括：写一个短句子(书写文字);翻小卡片(模拟翻书);拾起和摆放细小物体(拾起小物品放入容器内);移动大而轻的空罐头瓶;移动大而重的罐头瓶;堆放棋子;模拟进食，该七个部分的测试可广泛评估日常的手功能，所以又称为七项手功能测试。