一種超智能的假手
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作者：吳波
本文重點介紹高性能仿人型假手(具有力／位感知功能、各手指可獨立運動的仿人型假手)的研制情況.
我國是世界上肢體殘疾人數(shù)最多的國家，開展高性能仿人型假手的研究體現(xiàn)了國家的重大需求，假肢對于我國殘疾人康復(fù)事業(yè)的發(fā)展與和諧社會的建立具有重要意義。目前，大多數(shù)商業(yè)假手只有1個自由度，即實現(xiàn)簡單的張合運動，這很難滿足廣大肢殘患者的靈活操作要求。對比國內(nèi)外上肢假肢產(chǎn)品，國產(chǎn)假手在靈活性、操作能力、控制和人機交互性能等多方面全面落后于進口假手。作為世界上肢體殘疾人數(shù)最多的國家，我國龐大的假手市場，特別是高檔假手市場長期被進口產(chǎn)品占領(lǐng)。較低的國產(chǎn)假手水平已經(jīng)成為制約我國康復(fù)事業(yè)發(fā)展的重要因素。同時，進口高檔假手的高價格對于絕大多數(shù)肢殘患者來說，是沒有能力購買和使用的。我國政府提出了在2015年實現(xiàn)“人人享有康復(fù)服務(wù)”的目標(biāo)。因此.開發(fā)適合我國國情的高性能仿人型假手,非常必要.
假手是一個典型的生機電一體化系統(tǒng)。生機電一體化(Biomechatronics)是在機電一體化學(xué)科的基礎(chǔ)上，融合生物科學(xué)而形成的新興交叉性邊緣學(xué)科，研究生物體與機電裝置的物理集成和功能交互集成。應(yīng)該看到，生機電一體化尚處于發(fā)展的初始階段，理論和技術(shù)尚未形成成熟、完整的體系，這既是機遇也是挑戰(zhàn)。因此，以多自由度仿人型假手為對象，對生機電一體化領(lǐng)域的理論和技術(shù)進行系統(tǒng)的研究，對我國占據(jù)生機電一體化的國際學(xué)術(shù)前沿具有重要的意義。
該課題研制成功了具有力／位感知功能、各手指可獨立運動的仿人型假手。該假手有5個手指，即拇指、食指、中指、無名指和小指。每個手指有三個活動指節(jié)，即近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)，由一個直流電機驅(qū)動，實現(xiàn)手指的伸展／彎曲運動，手指的各指節(jié)之間耦合運動。該假手具有擬人手的外觀，尺寸與成年人手相當(dāng)。假手具有關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)力矩、電機位置等傳感功能，具有基于雙數(shù)字信號處理器的主從分布式控制系統(tǒng)，且機構(gòu)、傳感、驅(qū)動和控制系統(tǒng)高度集成，重量490克。基于人體的表面肌電信號實現(xiàn)了多自由度假手24種運動模式的識別和控制，正確率高于95%。
研制的五自由度仿人型假手樣機照片如圖l所示。該假手于2010年在德國慕尼黑舉行的國際機器人與自動化展覽會和2011年在中國廈門舉行的國際康具器具博覽會上展出，獲得好評。肢殘患者佩戴假肢進行實驗的照片如圖2所示。
該成果的主要特色：
1提出了一種基于雙層決策的肌電信號運動解碼方法�；谌梭w表面肌電信號實現(xiàn)了多自由度假手多種運動模式的力／位控制，運動模式數(shù)24種，識別正確率大于95%。
2假手機構(gòu)、傳感、驅(qū)動和控制系統(tǒng)高度集成，具有力／位感知功能；
3 提出了新型的仿人型五指假手機構(gòu)，各手指獨立驅(qū)動，且手指的3個關(guān)節(jié)采用平面連桿機構(gòu)實現(xiàn)耦合運動。從而以較少的驅(qū)動器實現(xiàn)較多活動關(guān)節(jié)的驅(qū)動，改善了假手的擬人化運動特性和操作能力。
4 提出了一種新型的拇指機構(gòu)，使單電機驅(qū)動的拇指具有擬人化的空間運動軌跡。
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