人形機器人行業(yè)專題：經(jīng)典五指靈巧手拆機醫(yī)療假肢篇

人形機器人行業(yè)專題：經(jīng)典五指靈巧手拆機，醫(yī)療假肢篇五指靈巧手在醫(yī)療價值領域的應用概述五指靈巧手在醫(yī)療假肢領域的應用概述可穿戴式肌電仿生假肢手的控制與反饋機制與人形機器人五指靈巧手高度相符。整體模塊可以分為下行控制通路和上行反饋通路兩部分。下行控制通路將殘肢肌肉的肌電信號進行采集后，輸入假肢控制器中的運動控制算法內生成電極控制指令以驅動假肢手指運動。上行反饋通路將假肢手指尖的力、振動等傳感器信息通過特征提取算法輸入觸覺反饋映射算法中，算法輸出觸覺刺激裝置的驅動指令向使用者提供觸覺反饋信息。假肢手的發(fā)展歷程按照功能性可以分為幾個階段：裝飾型假肢手、身體驅動型假肢手和主動型假肢手。裝飾型假肢手起源最早，但缺乏功能性；身體驅動型假肢手固定在人體軀干部，通過線纜進行控制，能顯著提高截肢患者的日常生活質量，但只能完成簡單的動作，且占用注意力和體力；主動型假肢手使用電機作為動力源以減少使用者的負擔，不僅更加美觀，還具有更高的自由度。一方面能更加智能地完成運動任務，另一方面還能根據(jù)傳感信息提供觸覺反饋。主動型仿生假肢手通常使用佩戴者的生理信號作為控制信號的來源。根據(jù)采集傳感器侵入性的不同可以分為侵入式和非侵入式兩種。侵入式假肢手使用植入中樞神經(jīng)系統(tǒng)或外周神經(jīng)系統(tǒng)中的電極作為信號采集裝置。事實上目前市售的絕大多數(shù)主動型假肢手多使用的是非侵入式控制信號。而其中使用最多的是表面肌電（Surfaceelectromyograph，sEMG）信號。sEMG信號產生于被神經(jīng)元所激活的骨骼肌，并從肌肉外的皮膚表面使用電極進行采集。信號包含了神經(jīng)元發(fā)出的運動控制信息，能直接反映人的運動意圖。另一種檢測肌肉活動的方法是基于肌動信號（Mechanomyography，簡稱MMG）發(fā)生的，它可以測出肌肉收縮過程中的機械信號。機械信號是肌肉收縮時產生的低頻振動或聲音形式的機械振動，因此可通過機械振動來反映肌肉活動。通常檢測MMG的設備有加速度計、聲音傳感器以及電容傳感器等。國內產品化的假肢手也是日益增多，包括上海傲意信息科技有限公司研發(fā)的Ohand假肢手，深圳市心流科技有限公司研發(fā)的BrainRobotics假肢手，上?？粕僦邢薰狙邪l(fā)的MH系列假肢手，丹陽假肢廠有限公司研發(fā)的FSQ假肢手。這幾款都是多自由度的仿人手外觀的假肢手，價格與國外相比較低，但仍然存在外觀不夠仿生，以及重量大等問題。目前國外已經(jīng)成熟的多自由度商業(yè)化假肢手有英國TouchBionics公司研發(fā)的Ilimb假肢手，英國RSLSteeper公司研發(fā)的Bebionic假肢手以及德國Vincent公司研發(fā)的假肢手。特點是自由度多、可以完成例如力量抓握、側捏、精捏等不同動作，但其價格昂貴（國內購買價格在30萬以上），且重量大于500g。五指靈巧手在醫(yī)療價值領域的應用案例?ssur于1971年成立，1999年首次在冰島證券交易所上市，通過一系列戰(zhàn)略性收購迅速擴張。2009年奧索在納斯達克哥本哈根股票交易所正式掛牌上市?？偛吭O在冰島，擁有3000多名員工，跨越18個地區(qū)，業(yè)務遍布美國、歐洲和亞洲，在多個市場有眾多經(jīng)銷商。2022年營收7.2億美金，其中近一半來自于美洲，營收中45%來自于假肢。在假肢手方面主打產品為ILimb系列。Ottobock于1919年成立，產品聚焦于微處理器控制的膝關節(jié)，如C-腿(可通過應用程序控制)、計算機控制的C-支腿矯正器、多關節(jié)的雙仿生手、大功率輪椅和用于人體工程學工作場所的外骨骼。2022年營收13億歐元，在全球近60個國家擁有超過9000名員工，并運營400多個護理中心。在假肢手領域，Ottobock公司主打產品為Michelangelo米開朗基羅智能仿生手，后收購英國RSLSteeper公司，獲得Bebionic畢加索智能仿生手產品。BebionicHand作者：RSLSteeper（英國）；發(fā)明時間：2011年；設計層面：欠驅動結構，具有11個自由度和5個驅動器；高度仿生，是目前最接近人手的假肢之一；每個手指都有獨立的電機，可以實現(xiàn)精準抓握。連桿傳動以及每根手指2DoF的低自由度設計，具備極佳的可靠性與實用性；動力源：直流電機驅動；結構形式：驅動器內置；傳動方案：連桿傳動；應用領域：商業(yè)化產品，用作醫(yī)療領域假肢產品。MichelangeloHand作者：Ottobock；發(fā)明時間：2012年；設計層面：5指結構；具有6個關節(jié)和2個驅動器，為欠驅動結構，一個驅動器負責進行抓取，另外一個驅動器來驅動拇指；輕便；傳動方案：凸輪連桿；商業(yè)化與否：商業(yè)化產品。人手骨骼中，食指、中指、無名指和小指分別由3塊指骨和一塊掌骨組成，三塊指骨分別為遠節(jié)指骨、中節(jié)指骨和近節(jié)指骨。指骨之間的關節(jié)依次是遠指關節(jié)（DIP關節(jié)）、中指關節(jié)(PIP關節(jié))和掌骨關節(jié)（MCP關節(jié)）。常見的商用假肢手中，Vincent、ilimb、Bebionic各有一個近端關節(jié)（類似MCP）和一個遠端關節(jié)（類似PIP+DIP）。而MichelangeloHand的手指僅由單端組成，單點驅動的模式，類似于人手的MCP關節(jié)。為了更好地理解MichelangeloHand的主驅動，我們選取PanipatWattanasiri的單驅動器假肢手作為說明。執(zhí)行和傳動部件包括轉矩0.239Nm的MaxonEC45-30W直流無刷電機，和齒輪比100:1的HarmonicdrivegearCSD-14-100-2A-R。執(zhí)行器放置在手內部，旋轉軸垂直于手手掌，該機構分別連接到四個手指和拇指。當機構沿一個方向致動時，會發(fā)生精準抓取，而當機構沿相反方向致動時，會發(fā)生力量抓握。ILimbUltra作者：TouchBionics（英國）；發(fā)明歷程：TouchBionics于2009年推出了ILimb；2010年推出了ILimbPulse；而后在2013年推出了ILimbUltra。目前公司在售的有ILimbUltra、ILimbQuantum、ILimbAccess、ILimbAccesstitanium；設計層面：欠驅動結構，具有11個關節(jié)和6個驅動器；肌電控制；五個手指可以單獨活動?？赏ㄟ^藍牙連接到iPhone，用戶可以通過點擊屏幕快速地選擇手勢；結構形式：驅動器內置；動力源：直流電機；傳動方案：蝸輪傳動；傳感器：沒有裝配觸覺傳感器；特點：第一款可以由手機應用控制的假肢；應用領域：商業(yè)化產品，用于醫(yī)療領域，可用作假肢。ILimbUltrahand的一大特點是，手指電機安裝在近指骨中，使蝸桿相對于固定蝸輪旋轉以彎曲手指，在電機和蝸桿傳動裝置之間使用一組錐齒輪以傳遞角度。在遠端關節(jié)則應用了腱繩傳動的方式。除了五根手指中分布的五個電機外，手掌中的第六個電機可以實現(xiàn)拇指的外翻/內轉，從而實現(xiàn)更多的抓握功能。VincentHand作者：VincentSystems（德國）；發(fā)明歷程：公司于2010年推出VincentHand。目前公司在售的有Vincentyoung3+、Vincentevolution4、Vincentpartial4三個版本。設計層面：高度仿生；高度集成，手掌部分集成了6個電機和驅動電路、機械傳動結構；欠驅動結構，具有11個DOF和6個DOA；結構形式：驅動器內置；動力源：流電機；傳動方案：蝸輪傳動；應用領域：商業(yè)化產品。與ILimbUltraHand類似，通過在手指中引入直徑僅10mm的電機，VincentHand實現(xiàn)了對單個手指的獨立驅動。四根手指中各自配備獨立的驅動器，并通過四連桿驅動遠端關節(jié)。拇指的掌指關節(jié)由兩個獨立的電機驅動。整體采用航空級鋁合金制成，以確保足夠的拉伸強度和最小的總重量。RICArm作者：theRehabilitationInstituteofChicago（美國）；發(fā)明初衷：之前的設備大多專注于提高性能，而犧牲了臨床使用的其他關鍵因素，如重量和體積，這些因素會顯著影響美容和舒適度，因此設計一款輕便、更適合女性的機械手；動力源：無刷直流電機；傳動方案：齒輪/滾珠絲杠；傳感器：具有霍爾效應傳感器和電流傳感器；應用領域：用作假肢，更適合女性。手指基于四連桿設計，提供掌指(MCP)和近端指間(PIP)關節(jié)的耦合彎曲。所有手指均由商用無刷電機（EC10，MaxonMotors）驅動，集成行星齒輪（4:1)后通過正齒輪連接到行星滾柱絲杠（Rollvis，瑞士），行星滾柱絲杠又連接到四連桿連桿機構。正齒輪和行星滾柱絲杠之間的不可反向驅動的離合器可保持抓握力，而不會持續(xù)消耗電池電量。諧波傳動和擺線傳動具有相同的類型學，并且與行星齒輪等替代傳動裝置相比，可在緊湊的單級中實現(xiàn)高傳動比且效率較高。諧波驅動器已在BostonDigitalArm(LiberatingTechnologies,Inc.)以及其他研究部門使用了數(shù)十年。然而，它們噪音很大，而且由于需要橢圓球軸承，很難在保持高效率的同時縮小尺寸。擺線傳動裝置最近已用于Michelangelohand（美國ottobock），并提供了一種安靜的替代方案，即使在低扭矩下也能實現(xiàn)高效率。SSSAMyHand作者：比薩圣安娜高等學校（意大利）；發(fā)明初衷：先進的假肢受功能、過重的限制，旨在設計一款克服這些限制的靈巧手發(fā)明歷程：該靈巧手于2016年被發(fā)明；設計層面：欠驅動結構，有3個驅動器和10個關節(jié)；高度集成，驅動器分別置于大拇指和掌心，M1驅動大拇指，M2驅動大拇指的內收/外展，M3驅動中指、無名指、小指；靈巧輕便，重量為478克（M1、M2、M3為驅動器編號）；結構形式：驅動器內置；動力源：無刷直流電機（MaxonEC10，8W*3）+行星齒輪箱（64:1）；傳動方案：蝸輪蝸桿/連桿；傳感器：傳感器系統(tǒng)包括位置傳感器（電機中的霍爾效應傳感器）、觸摸傳感器（指尖）和電機電流傳感器（電流分阻器）；應用領域：目前還未商業(yè)化，從最初設計的目的來看，未來有可能應用于醫(yī)療領域，作為假肢輔助生活。SSSAMyHand的一大創(chuàng)新之處在于拇指外展/內收、食指屈曲/伸展半獨立傳動(TISIT)。基于日