這是現實版T-bag機械手？相關研究登上Science子刊封面

2020-09-26 15:32

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

機器之心報道

作者：魔王、小舟、陳萍

現實版 T-bag 機械手來了。意大利技術研究院創造類似人手的手部假肢，相關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行任務，幫他裝了一個全功能的機械手。

我們已經見證過越來越多科幻電影里的內容成真，而這一次我們只等了三年。在昨天剛剛刊發的 Science 子刊《Science Robotics》上，具有和人手同等能力的機械手登上了封面。

該研究創造出來的機械手「Hannes」與人手極為相似，能夠執行許多日常動作，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：

能夠實現類似人手的功能并非易事，現在我們就來了解它的原理和構造。

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。即使是具備多自由度的最先進手部假肢，也無法達到人手的復雜性、靈活性和適應性。因此，假肢被用戶放棄的比率很高。

最近，意大利技術研究院創造了一種叫做「Hannes」的手部假肢，它融合了關鍵的仿生特性，因而與人類的手極為相似。通過整體設計方法以及研究人員、患者、整形外科醫師和工業設計師的共同開發工作，「Hannes」可同時實現精準擬人、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行了試驗。在為期大約 2 周的試驗前后分別進行了測試和問卷調查，結果表明截肢患者可以自主使用 Hannes 在家中進行日常生活操作。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，與現有的研究或商用設備相比，Hannes 的性能有所提升。

Hannes 系統概覽

Hannes 主要由三個相互作用的物理部件組成：肌電多關節假肢手，由差動欠驅動裝置實現；被動屈伸（F/E）腕關節模塊；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 系統概覽。A，Hannes 架構；B，未被手套覆蓋的 Hannes 外觀；C-G，Hannes 執行日常生活動作。

Hannes 的機電構造。

這三個組件旨在實現擬人化、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鍵。這些特性已通過整體仿生設計方法得到實現，參見下圖 2：

圖 2：Hannes 的整體仿生設計方法。

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。關于運動學，圖 3B 表明除遠端指間（DIP）關節外的所有手指自由度均已實現，為了實現在功能和復雜性之間的權衡，DIP 關節被省略并設置為固定角度。拇指的運動學情況有所不同，指間關節（IP）和掌指關節（MCP）被鎖定。

圖 3：Hannes 的人體測量。

為了進行全面的比較，圖 3C 展示了 Hannes 自由度與人手和 Michelangelo 假肢相比的角度偏移（Michelangelo 假肢與其他現有假肢相比擬人化程度更高，被用作黃金標準）。除了鎖定 DIP 關節外，Hannes 的關節活動度（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 的適應性

Hannes 另一個重要的組成部分是手近端的被動屈伸腕關節。該模塊基于相互作用力自然地進行腕部屈伸，并且能夠實現抓握的魯棒性和對任務的適應性。

直觀的接口和無縫抓取的直接策略

關于控制和接口，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，將上述屬性的實現留給高級硬件設計來解決。

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，它們分別用于關閉和打開設備并對設備進行控制。這兩個 sEMG 傳感器被放置在插槽內，并通過嵌入在「EMG 處理板」（EMG processing board）中的調節控制模塊與 Hannes 手連接，它可以返回控制信號，并將其發送至「電機控制板」（motor control board）模塊。