文摘

拟人化的增加发展人工手使必要的快速指标,分析他们的神人同形同性论。在这项研究中,一个人掌握实验最重要的理解类型是为了获得一个神人同形同性论的流动性指数(AIM)人工手。目的评估整体的拓扑,关节和自由度(自由度),独立和控制这些自由度的可能性。它使用一组权重因素,从分析人类把握,根据相关性的不同组的自由度。指数的计算简单,使它成为一个有用的工具来分析新的人工手在设计过程的早期阶段,对现有人工手的评分相似度。十三个人工手,假肢和机器人使用目的进行评估和比较,突出分歧背后的原因。目的也是与其他指标相比,在文献中有更多的繁琐计算,排名同样不同的人工手。作为假肢手指数主要是提出,在单边截肢者通常用作非惯用手,把握人类掌握试验类型选择最相关的人类非惯用手加强双手抓住日常生活的活动。然而,结果表明,使用的效果把握信息优势手很小,表明该指数也有效评估人工手占主导地位,所以被有效的双边截肢者或机械手。

1。介绍

近年来,它已经越来越发展的新负担得起的和拟人化假肢手(1,2)由于3 d打印技术的改进。人类灵巧的手是一个复杂和奇妙的工具还没有通过任何人工的手。评估功能与人类相似的人工手改善当前的拟人化的手设计至关重要。评估的能力接口执行主要掌握类型(GTs)人类把握能给一个洞察患者功能恢复的水平。指标或指标量化数值的神人同形同性论级相似度和提供最大化拟人化的功能要求而设计新的人工手。

嘹亮的歌et al。1)审查和比较不同的假肢手的机械性能,作为他们的自由度(自由度),运动,和重量和数量的驱动器,但索引比较这些属性与人类的手没有定义。其他一些先前的研究试图量化人工的神人同形同性论与数值索引。Feix et al。3]提出了一种度量比较拟人化机器人的运动能力和假肢手,神人同形同性论指数(AI),计算繁琐,仅基于位置和姿态的远端在不同的GTs趾骨。Liarokapis et al。4)定义了一个神人同形同性论指数来评估机器人模仿人手的能力基于手指指骨的比较工作空间和工作空间的手指的基本框架。刘等人。5]提出十二量化假肢手神人同形同性论评价指标包括物理驱动性能,其中包括一个自由度配置评估。这个指数基于自由度配置一个矩阵,矩阵的元素设置为1,如果存在一个人工景深在相应的位置,否则设置为0。然而,这种方法没有考虑每个自由度的关系把握在日常生活活动(ADL)和underactuation关节。Underactuation在人工手(6致动器)允许使用少于自由度,同时保持通用性GTs适应不同对象的形状。

假体设计可能不同,这取决于它的使用为主导或非惯用手;然而,在一个病人的情况下仍有一个健康的手,最合适的方法是考虑剩下的手为主导7,8]。因此,假体的设计应该集中的非惯用手加强用双手的把握。的重要性不同的个人自主性的病人ADL GTs研究了作者以前的(9),纸浆捏(PP)(26%),扩展控制(如)(20.8%),三脚架捏(TP)(10.4%),和横向手掌的握(TVG)(8.7%),非惯用手的最相关的GTs加强双手抓住,代表nonprehensile一起,几乎90%的相关性的自治权。

在作者之前的研究的10的姿势),右手从24个健康受试者执行24代表ADL记录仪器的手套。ADL选择从他的国际分类功能,残疾和健康(11]。通过应用主成分分析(PCA),五个因素解释73.7%的方差。如图1,五个主要主要组件(pc)自由度的人手在诽谤联盟“PC1:数字拱”(指间关节屈曲),“PC2:关闭”(结合绑架的手指,拇指除外,掌指的关节的屈曲),“生物:手掌拱起,”“PC4:横向压力”(代表反对拇指外侧指数),和“PC5:反对”(代表pad-to-pad反对拇指小指)。

本研究的目的是提出一个指数来衡量假肢手的神人同形同性论,基于整个手的拓扑的比较(关节和自由度)和控制这些自由度独立的可能性。该指数的计算,称为神人同形同性论流动性指数(AIM),应该重量每个自由度根据其重要性ADL的把握。定义这个重要性,我们使用信息从先前的实验测试中执行集团和具体测试在本研究开发主要GTs。此外,初步研究[12)进行四个人类健康受试者鼓励我们深入研究中通过增加受试者的数量,改善指数的定义和扩大其有效性的分析不同类型的人工手。其目的是为了快速计算指数基于人类的生物力学的手,从而提供一种方式来比较它们的功能神人同形同性论。此外,每个景深功能的相关性,通过测试人类一方面在这项研究中,旨在为其他应用程序在人工手设计是有用的。

2。材料和方法

2.1。人类掌握的实验

与目标的目的考虑每个自由度的相关性显示为功能把握它的重要性,一个实验测量运动学人手的功能进行掌握。二十,十名男性和十名女性,所有的都是右撇子和自由的病态或伤害,表现最相关的GTs的非惯用手加强双手抓住ADL (PP、如、TP和TVG [9])。虽然掌握选择的非惯用手(最常见的使用假肢手的单边截肢者),他们被要求进行掌握,用最大的人类掌握的最自然的表现。这项研究是大学的伦理委员会批准,所有受试者给他们书面知情同意。研究对象的年龄范围故意20至51岁,平均 ,为了防止运动改变由于关节退行性变老化。受试者而言,手大小的分布是代表的人口13]。手的宽度范围从70到96毫米,平均83毫米,和手的长度范围从170到210毫米,平均185毫米。

十二个不同大小的对象选择从Yale-CMU-Berkeley对象和模型组(14),三为每个四GTs (PP、如、TP和TVG),为了覆盖为每一个诽谤联盟(图中最常见的需求2)。受试者与表中的手坐在一个舒适的方式:手臂靠近身体和矢状面平行,肘部弯曲90°,在桌子边缘的手腕,手躺在桌子上的手掌在自然的姿势。这是每个把握动作的开始和结束的姿势。受试者被要求在不同的GTs执行与每个对象和对象被抓住是位于一个接一个的研究员30厘米的距离前面的主题。受试者免费练习掌握以确保它在正确的姿势开始录音。执行期间掌握实验的步骤包括以下:把握对象的表与正确的手的姿势/ GT,提升它在两秒,最后,再次释放对象放在桌子上,手回到起始位置。十二个对象的序列期间掌握实验如图2在指定的顺序。实验重复了三次。

运动学的手在执行贪婪的姿势被记录(100赫兹)使用仪器的右手手套与18个传感器(服系统有限公司;圣何塞,CA)。自由度运动学对应16关节角(带星号的表1)是获得使用之前验证协议(15]:掌指的弯曲(MCP1 MCP5, 1到5意味着拇指小数字),指节间的弯曲的拇指(IP1),近端指间弯曲的手指(PIP2 PIP5),弯曲和绑架的拇指腕掌的联合(CMC1)之间的相对绑架手指兆赫(index-middle、中环线和ring-little),和手掌拱起。之前的测试对象,每个主题的服是校准后,校准过程(15]。开始和最后的位置,手不动从录音被削减。然后,他们与二阶双向过滤低通巴特沃斯滤波器截止频率的5赫兹(16,17]。测试的视频记录。

2.2。索引定义

神人同形同性论指数流动性(AIM)的人工手定义基于两个主要因素:(1)中的自由度手及其驱动方法和(2)的相关性描述这些自由度ADL的把握。

人手的自由度(HH) [18,19)被分为四个不同的官能团(表定义目标1在HH):手指弯曲伸缩(12),手指abduction-adduction HH(4),手掌弓在HH(2),和拇指反对派在HH (5)。

神人同形同性论指数流动性(AIM)定义 求和的延伸 ,对应于每一个自由度的四组(表1:F / E、AB /广告,P。弧,T.OPP)因素占的驱动类型的自由度包含在这一组,和因素是一个加权系数根据这组的相关性景深ADL的把握。这两个词和权重因子定义范围在0和1之间,和权重系数的总和四组的团结,目标达到最大值1人为人类的手,一个非常低的值非常贫穷的神人同形同性论。

的因素为每个组定义获得高价值如果驱动的方法自由度模组可独立控制它们,在人类的手,一个较低的值如果这些自由度高度耦合的运动在运动。为此,评估中的每个自由度手分类根据类型包括在表中2。

独立移动的自由度可以排名定性更好更糟糕的是,根据其类,如C > B > > D > E。注意,B类被认为比C,因为它允许机械适应手指的形状对象的理解和不遭受机械单一的配置(6]。普的方法用于概念设计评估(20.)是用来转换驱动的排名方法列表的自由度系数数值的列表(最后一列的表2)。然而,独立的自由度不仅与相关联流动类型的驱动在这个特定的景深与自由度更近端在同一位串行链,即。手指,弯曲的流动PIP联合依赖于流动MCP的弯曲关节。因此,在这种情况下,系数景深的集团得到的乘法系数的景深和位于向近端在同一连续运动链。此外,对于分配系数几个自由度欠驱动的电动机或致动器,类只被认为是其中一个为别人和类B或C。如果一个电机驱动型几个自由度包含在不同的群体 ,系数1对应于类划分的人群,这部分被分配到这一组只有一个自由度的,被别人分为B或c .最后,因素为每个组定义与方程(2),通过求和的条件组中和人类之手除以自由度的数量在这组( ),这是根据表吗1,12 ,4 ,2 ,和5 。

的权重因子在方程(1),占相对自由度的相关性在ADL抓住,被定义

在方程(3),权重的相对贡献群自由度( )在人类的手代表通过个人电脑的功能_k( ),相应的五个运动功能的协同效应(见图1)的一项研究中发现10]。这些电脑占73.7%的方差在执行一组广泛的代表ADL。载荷矩阵获得的个人电脑的研究中,可以发现在补充材料(可用在这里),是用来计算如方程所示4)和(5)。一个电脑_k,是计算载荷绝对值的总和的自由度包括在组(根据表1)除以所有载荷的绝对值之和的电脑_k。

另一方面,在方程(3)包含关于电脑的重要性的信息_k在最相关的GTs。计算这一项,第一,人类的手运动学是人类掌握实验获得的解释,但考虑到与人手的功能在ADL,运动学转换是用分数表示指的是五个功能的pc(图1),而不是表现在最初的16个变量(关节角)。这些信息可以在补充材料。的绝对值更大比分的电脑_k在一个特定的瞬间表明,手的位置更好的用这个电脑_k。接下来,为每个十二抓取任务(图2),分数的绝对值为每一个电脑_k在任务(方程(平均6),然后(方程(7这些意味着)在受试者平均和重复 。结果意味着是归一化(方程(8在pc)对它们的和(方程(9),提供的相对贡献5个人电脑每个把握的任务 。最后,这些相对贡献weight-averaged GT的相关性相对自治的每个把握的任务除以3,因为三个对象被认为是对于每个GT(方程(10))。重量对平均获得的相对使用非惯用手的四个主要GT双手抓住(9PP: 39.5%, 31.6%,如TVG TP为15.8%,13.2%。

2.3。人工手

举例的目的的使用目的和验证其效用,它是计算几个人工手具有不同拓扑结构和驱动系统。目的是获得负担得起的3 d打印的假肢手不同,包括IMMA手由作者设计(21),一些高级商业假肢手和其他人工手。手这两个后组织评估与其他指标的神人同形同性论的文学,如神人同形同性论指数(AI) (3)和神人同形同性论的总分( )(4]。手的主要特征分析如下所述。

2.3.1。负担得起的3 d打印的假肢手

(我)IMMA手(21):3 d打印的五位的假手,6自由度由肌腱驱动:弯曲在每个手指和拇指弯曲和绑架。它有三个每个手指指骨和关节弹性的元素。这只手只是一个原型,不能直接作为假肢,它需要一个插座电机和控制系统,但在作者的研究(22),这被认为是由两个电机驱动后,从实验中获得与人类驱动两种驱动协同效应(2)Cyborg野兽(23:五位低成本的3 d打印与上肢假肢手的儿童的差异。body-powered使用手腕被截肢者的独特的致动器驱动所有的手指肌腱。它有两个趾骨每个手指和5自由度:在每一个手指和拇指弯曲屈曲。手指弯曲是由肌腱以及每个手指的手掌表面。手指的弹性绳放置在背方面提供被动的手指扩展。它的关节是芝加哥螺丝和材料打印的不同部分的手是解放军和ABS(3)Flexy-Hand [24):3 d打印的五位的假手,5自由度由肌腱驱动:在每一个手指和拇指弯曲屈曲。它有三个趾骨每一个手指和两个拇指的指骨。收缩是由通过灵活的3 d打印的关节。body-powered使用手腕被截肢者的独特的致动器驱动所有的手指肌腱(iv)装备假肢手(25]:五位3 d打印手假肢与驱动机制、传感器和嵌入式控制系统,开发的Anthropomatics与机器人研究所(卡尔斯鲁厄理工学院)。两个汽车(一个用于四个长长的手指拇指和其他)开动十自由度(每个手指弯曲的两个关节)通过肌腱。四个长长的手指同时推动通过一个基于TUAT force-distributing传输/卡尔斯鲁厄机制提供形状自适应性(所有的手指继续关闭,直到联系不管其它关节运动阻塞)。手指的被动开放是通过定制的泉水(v)《美国残疾人法》(26]:Ada手V1.1开仿生学是一个五位肌假肢手完全3 d打印与灵活的材料。腱驱动的,有两个趾骨每个数字在每一个手指和一个线性致动器驱动他们的弯曲

2.3.2。商业假肢手

(我)人工机械手:myoelectronically控制,外部动力,肌腱连接,multiarticulating假肢手的触摸仿生(27)与11个关节(两个关节的长手指拇指和三个)。它有五个单独的数字和拇指旋转,与手动覆盖(2)Bebionic [28]:multiarticulating肌假肢手由RSL陡与11个关节(两个关节的长手指拇指和三个)。它有五个致动器,一个用于每个手指,拇指有两个位置由用户手动放置内置传感器检测位置。让手指弯曲折叠链接。中14种不同的控制模式和手的位置,它可以实现,其中一个是手指内收(3)SensorHand速度:Ottobock SensorHand速度(28]是一种myoelectronically控制手和三个驱动手指,由同一驱动马达。覆盖着一个美容手套模拟环和小指在手套使用金属棒,夫妇这些手指中指的动作(iv)米开朗基罗:五位技术先进的假肢手Ottobock [28]。积极推动元素是拇指,食指,中指,无名指和小指被动遵循其他手指。六个关节由两个控制致动器(一个用于弯曲/扩展的五位数和第二个允许拇指在一个额外的电子定位轴的运动被绑架/加合物)。手指稍微绑架MCP关节扩展时,弯曲时,指尖加合物和触摸对方,提供一个手指绑架/内收模式

2.3.3。其他人工手

(我)FRH-4手:这是mobile-assisting机器人的机械手建立ARMAR [29日]。它有八个独立的射流致动器:一掌,让手掌flex在中间,食指和中指两个每个,环和小的手指有一个两个,和拇指有两个驱动器(2)巴雷特(30.]:三位可编程Robotnik抓紧器。它有四个无刷电机和三个multijointed手指(两个趾骨通过皮带传动连接),其中两个有一个额外的自由度180°的横向移动(3)DLR /打击II [31日):用于空间贾斯汀(人形上半身)遥控操作是一个多种感觉的机器人的手从哈尔滨工业大学和DLR机器人和机械电子研究所。15自由度,五个相同的模块化的手指有两个平刷马达放在基地。每个手指都有三个活动的自由度(2自由度弯曲和绑架之一)和四个关节(远端和中间指骨的运动耦合的链接)。拇指是手掌固定在一个合适的定位(iv)影子(32]:影子灵巧手是一个人形机器人的手由影子机器人公司。四个手指有2单轴关节浸(PIP)和一个普遍MCP联合;小指上有一个额外的单轴联合掌骨提供拱起。拇指有一个单轴联合(IP)和两个万向节(MCP和CMC)。它包含20汽车前臂(3自由度模/手指,拇指5自由度,1自由度,在手腕和2自由度)

3所示。结果与讨论

图3显示了一个代表平均值和标准偏差的情节在所有受试者(20)和重复(3)的16个关节角测量服在执行一个对象的把握人类掌握实验(的图2)。

表3显示了五个人电脑每个把握任务的相对贡献人类掌握的实验(方程(8))的最终值的参数对于每个个人电脑(方程(10),从这些相对贡献weight-averaged ADL的重要性(9]。

每个把握任务的贡献不同的pc介于9.6%和39.1%之间,表明五个人电脑有不可忽视的重要性在十二个把握任务分析。可以看出PC1,对应的“数字拱”,是把握主要任务包括PP ( )。此外,“手掌弓”(生物)和“横向压力”(PC4)协同效应并不代表平均在四个主要的GTs认为在这项实验中,从而降低了最后一个参数的值对于这些电脑,虽然与“反对”(PC5)的差异很小。“数字拱”(PC1)是最重要的协同作用,所表示的价值就越高 。

表4给出了矩阵(方程(4)包含的影响不同群体的自由度上的人手(图五运动功能协同效应1)和由此产生的参数在应用方程(3),这个矩阵和向量(表3)。

的参数权重的相关性不同组的自由度在人类掌握ADL。这些结果表明,手指弯曲伸缩是迄今为止最相关的自由度占超过一半的功能,其次是拇指和手指abduction-adduction的反对。只有5%的手掌弓有相关性。这个结果本身是有价值的决策在新的人工手原型的设计来最大化他们的功能。

表5显示参数的值(方程(2)为每个组人工手自由度的分析。每只手计算的详细信息( )提供补充材料。可以看出,F / E和T。OPP自由度的群体主要包括人工手,积极推动,由更高价值的体现 。值得注意的是,这一事实是一致的与这些组织的更大的相关性ADL的自由度表示的参数(表4)。尽管,有些手SensorHand和米开朗基罗在F / E显示得分很低,因为他们没有趾关节僵硬的手指。独特的5自由度T。OPP积极推动是影子的手。AB /广告包括积极经销商/ II和影子的手和被动地通过使用可变形的关节在一些3 d打印的手中。最后,P。弧只是出现在FRH-4和影子的手。

最后,表6显示了不同的人工手,目的是获得使用方程(1),考虑到参数表所示4和5。两个因素影响最终目的通过一只手(方程(1):其流动性和类型的驱动,由自由度的数量,致动器的数量,每个数字的数字和趾骨数量,和underactuation的类型,影响最终的参数 ;以及这如何移动和驱动系统是分布在不同组的自由度,对于人类的手,通过权重因子影响(表4)。最先进的机械手(DLR / II和阴影)与大量的汽车和自由度,和位于重要的自由度模组,高体重(F / E T。OPP, AB /广告),获得目标分数最高,在75%以上。商业假肢手人工机械手和Bebionic以及一些3 d打印手(ADA IMMA)获得目标分数在40%和50%之间。这些手包括合理数量的汽车和自由度重要组(F / E和T.OPP)。其余的手中获得的分数低于40%的最低分数是SensorHand。背后的原因这较低的目标是一个可利用的自由度的数量,汽车,或类型的underactuation组F / E, T。OPP,或两者兼而有之。

结果见表6分析表明,人工手与其他神人同形同性论的文献索引,如人工智能(3]或(4),排名同样的目的和其他指标,虽然分数是不同的。方法用于计算索引证明这些不同的分数。AI获得可行的工作空间的位置和方向的手指远端部分和比较试验得到的这个信息从人类的手抓住。的的计算是基于手指指骨工作区结合的基础框架,与人类的手是通过一个简化模型的关节和几何学。值得注意的是,获得人工智能和涉及使用复杂的算法和详细信息的设计,不容易获得,而获得的目标就需要信息自由度的数目和独立控制它们的可能性。尽管有这些不同的方法获得每个索引,他们排名同样,手中的目标可以被视为一种验证我们的索引。两个主要观点可以证明其使用目的的方法来评估人工手的神人同形同性论。(我)它是快速获取:简单,参数必须计算,根据人工手和方程的自由度和驱动方法(1(应用)上面提供的链接)(2)分析不仅拓扑,而且人工手的功能,因为它考虑了在把握测试结果,ADL与人类的手

尽管如此,在一些重要的方面的设计范围内的人造手不是目的:关节轴的方向,运动的范围不同的手关节,趾骨的维数,摩擦系数的部分手接触的对象,把握力的执行机构,驱动连杆的效率,控制系统等。一些先前的研究33- - - - - -35显示这些方面的相关性。从这个意义上说,目标,主要包括拓扑结构、执行机构的数量,和underactuation的类型,可以被看作是一个指数在概念设计阶段特别有用。上面引用的其他设计因素应该考虑在以后设计阶段:初步或细节的设计。额外的索引考虑这些方面可能是有趣的,和未来的工作可以用这种方法。刘提出的索引等。5)认为这些方面,但它不包括根据人类掌握的相关功能测试。对方阵维度和关节的活动范围,作者开发了一些研究[13,16,36)帮助获得拟人化的设计。然而,上面列举的一些设计方面的评价与指标很难执行,要求实验,详细设计后人工手和制造原型。作者提出这个实验评价方法考虑的主要GTs ADL和一个特殊的装置驱动原型(手21]。

手关节的运动范围这一研究获得人类掌握实验进行如表所示7。各种不同的关节运动是覆盖着的对象选择的功能范围的运动相比,人类的手关节在诽谤联盟(16]。这些范围可以被视为最小接口与功能主要GTs的把握,虽然通用操作建议使用大范围如果可能的话。

本研究主要是集中在假肢手,因此,评分系统考虑的能力执行最重要的GTs的手非惯用手加强双手抓住(通过参数 )。为主导的情况下加强用双手的手抓住,参数为四GTs认为在这项研究中变化9]页(58.0%),如(16.6%)、TP (9.5%), TVG (16.0%)。这种变化对结果的影响可以忽略不计,意味着差距的目标获得人工手分析(表吗6)最高的1%。因此,目标被认为是有用的评估惯用手与非惯用手的神人同形同性论。这个结果和比较的结果与其他文献的索引的目的(3,4),我们可以得出结论,该指数提出了可以有效的人工机器人和假肢手,无论他们是显性的或非惯用手。

4所示。结论

在这项研究中,我们提出了一个神人同形同性论指数(AIM),可用于评估和比较人工手的流动与人手的功能,特别是在概念设计。目的评估整个手的拓扑(关节和自由度)和可能控制这些自由度独立地根据他们的功能。我们已经表明,该指数可以有效修复和机械手,主要和非惯用手。定义索引的功能不同组的自由度手(F / E, AB /广告,P。弧和T.OPP)分析了根据人类掌握实验二十主题四个主要GTs的个人自主权ADL。得出结论的相关性是不同组的自由度( )是55% F / E, AB /广告16%,5%,P。弧,T.OPP为24%。十三人工手,包括可负担得起的3 d打印的假肢手,先进商业假肢手,和机器人的手,进行评估和与目标相比,他们之间的分歧的原因进行了讨论。这一研究获得的结果应该被考虑在概念设计阶段的新原型为了获得新的设计,最大限度地发挥其功能。进一步的研究将集中在新指标为以后设计阶段考虑其他设计方面(关节的活动范围,趾骨的相对长度,方向的关节轴,等等),在实验基准来衡量人工手的抓握能力。

数据可用性

人类的手运动学表示为关节角和分数指的是五个人电脑,载荷矩阵对应于这些电脑,值分析了人工手的关节;使用的数据来支持本研究的结果中包括文件的补充信息。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的西班牙经济和竞争力和养(批准号bes - 2015 - 076005);西班牙经济和竞争力,AEI和ERDF(格兰特数字dpi2014 - 60635 r, dpi2017 - 89910 r);我和大学Jaume(格兰特数字里头- b2017 - 70, UJI-B2017-51)。

补充材料

excel文件“JointAngles”包含每个瞬间的关节角为十二个任务重复三次二十受试者在人类掌握的实验。excel文件“分数”包含了人类的手运动学在人类掌握实验转化为分数指五个功能协同效应为十二个任务重复三次,二十个科目。excel文件“LoadingsMatrix”包含了载荷在ADL的五个功能协同效应。excel文件“ArtificialHands”包含的值据驱动的方法为每个自由度的人工手和相应的分析每一个的手。(补充材料)