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

人形機(jī)器人行業(yè)專題：經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)，醫(yī)療假肢篇五指靈巧手在醫(yī)療價(jià)值領(lǐng)域的應(yīng)用概述五指靈巧手在醫(yī)療假肢領(lǐng)域的應(yīng)用概述可穿戴式肌電仿生假肢手的控制與反饋機(jī)制與人形機(jī)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(hào)進(jìn)行采集后，輸入假肢控制器中的運(yùn)動(dòng)控制算法內(nèi)生成電極控制指令以驅(qū)動(dòng)假肢手指運(yùn)動(dòng)。上行反饋通路將假肢手指尖的力、振動(dòng)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(qū)動(dòng)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(gè)階段：裝飾型假肢手、身體驅(qū)動(dòng)型假肢手和主動(dòng)型假肢手。裝飾型假肢手起源最早，但缺乏功能性；身體驅(qū)動(dòng)型假肢手固定在人體軀干部，通過線纜進(jìn)行控制，能顯著提高截肢患者的日常生活質(zhì)量，但只能完成簡(jiǎn)單的動(dòng)作，且占用注意力和體力；主動(dòng)型假肢手使用電機(jī)作為動(dòng)力源以減少使用者的負(fù)擔(dān)，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(yùn)動(dòng)任務(wù)，另一方面還能根據(jù)傳感信息提供觸覺反饋。主動(dòng)型仿生假肢手通常使用佩戴者的生理信號(hào)作為控制信號(hào)的來(lái)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(hào)采集裝置。事實(shí)上目前市售的絕大多數(shù)主動(dòng)型假肢手多使用的是非侵入式控制信號(hào)。而其中使用最多的是表面肌電（Surfaceelectromyograph，sEMG）信號(hào)。sEMG信號(hào)產(chǎn)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(jìn)行采集。信號(hào)包含了神經(jīng)元發(fā)出的運(yùn)動(dòng)控制信息，能直接反映人的運(yùn)動(dòng)意圖。另一種檢測(cè)肌肉活動(dòng)的方法是基于肌動(dòng)信號(hào)（Mechanomyography，簡(jiǎn)稱MMG）發(fā)生的，它可以測(cè)出肌肉收縮過程中的機(jī)械信號(hào)。機(jī)械信號(hào)是肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)或聲音形式的機(jī)械振動(dòng)，因此可通過機(jī)械振動(dòng)來(lái)反映肌肉活動(dòng)。通常檢測(cè)MMG的設(shè)備有加速度計(jì)、聲音傳感器以及電容傳感器等。國(guó)內(nèi)產(chǎn)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(yáng)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(jià)格與國(guó)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(guó)外已經(jīng)成熟的多自由度商業(yè)化假肢手有英國(guó)TouchBionics公司研發(fā)的Ilimb假肢手，英國(guó)RSLSteeper公司研發(fā)的Bebionic假肢手以及德國(guó)Vincent公司研發(fā)的假肢手。特點(diǎn)是自由度多、可以完成例如力量抓握、側(cè)捏、精捏等不同動(dòng)作，但其價(jià)格昂貴（國(guó)內(nèi)購(gòu)買價(jià)格在30萬(wàn)以上），且重量大于500g。五指靈巧手在醫(yī)療價(jià)值領(lǐng)域的應(yīng)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(gòu)迅速擴(kuò)張。2009年奧索在納斯達(dá)克哥本哈根股票交易所正式掛牌上市。總部設(shè)在冰島，擁有3000多名員工，跨越18個(gè)地區(qū)，業(yè)務(wù)遍布美國(guó)、歐洲和亞洲，在多個(gè)市場(chǎng)有眾多經(jīng)銷商。2022年?duì)I收7.2億美金，其中近一半來(lái)自于美洲，營(yíng)收中45%來(lái)自于假肢。在假肢手方面主打產(chǎn)品為ILimb系列。Ottobock于1919年成立，產(chǎn)品聚焦于微處理器控制的膝關(guān)節(jié)，如C-腿(可通過應(yīng)用程序控制)、計(jì)算機(jī)控制的C-支腿矯正器、多關(guān)節(jié)的雙仿生手、大功率輪椅和用于人體工程學(xué)工作場(chǎng)所的外骨骼。2022年?duì)I收13億歐元，在全球近60個(gè)國(guó)家擁有超過9000名員工，并運(yùn)營(yíng)400多個(gè)護(hù)理中心。在假肢手領(lǐng)域，Ottobock公司主打產(chǎn)品為Michelangelo米開朗基羅智能仿生手，后收購(gòu)英國(guó)RSLSteeper公司，獲得Bebionic畢加索智能仿生手產(chǎn)品。BebionicHand作者：RSLSteeper（英國(guó)）；發(fā)明時(shí)間：2011年；設(shè)計(jì)層面：欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有11個(gè)自由度和5個(gè)驅(qū)動(dòng)器；高度仿生，是目前最接近人手的假肢之一；每個(gè)手指都有獨(dú)立的電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓握。連桿傳動(dòng)以及每根手指2DoF的低自由度設(shè)計(jì)，具備極佳的可靠性與實(shí)用性；動(dòng)力源：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)；結(jié)構(gòu)形式：驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置；傳動(dòng)方案：連桿傳動(dòng)；應(yīng)用領(lǐng)域：商業(yè)化產(chǎn)品，用作醫(yī)療領(lǐng)域假肢產(chǎn)品。MichelangeloHand作者：Ottobock；發(fā)明時(shí)間：2012年；設(shè)計(jì)層面：5指結(jié)構(gòu)；具有6個(gè)關(guān)節(jié)和2個(gè)驅(qū)動(dòng)器，為欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)進(jìn)行抓取，另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)拇指；輕便；傳動(dòng)方案：凸輪連桿；商業(yè)化與否：商業(yè)化產(chǎn)品。人手骨骼中，食指、中指、無(wú)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(yuǎn)節(jié)指骨、中節(jié)指骨和近節(jié)指骨。指骨之間的關(guān)節(jié)依次是遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)（DIP關(guān)節(jié)）、中指關(guān)節(jié)(PIP關(guān)節(jié))和掌骨關(guān)節(jié)（MCP關(guān)節(jié)）。常見的商用假肢手中，Vincent、ilimb、Bebionic各有一個(gè)近端關(guān)節(jié)（類似MCP）和一個(gè)遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)（類似PIP+DIP）。而MichelangeloHand的手指僅由單端組成，單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的模式，類似于人手的MCP關(guān)節(jié)。為了更好地理解MichelangeloHand的主驅(qū)動(dòng)，我們選取PanipatWattanasiri的單驅(qū)動(dòng)器假肢手作為說明。執(zhí)行和傳動(dòng)部件包括轉(zhuǎn)矩0.239Nm的MaxonEC45-30W直流無(wú)刷電機(jī)，和齒輪比100:1的HarmonicdrivegearCSD-14-100-2A-R。執(zhí)行器放置在手內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)軸垂直于手手掌，該機(jī)構(gòu)分別連接到四個(gè)手指和拇指。當(dāng)機(jī)構(gòu)沿一個(gè)方向致動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生精準(zhǔn)抓取，而當(dāng)機(jī)構(gòu)沿相反方向致動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生力量抓握。ILimbUltra作者：TouchBionics（英國(guó)）；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(shè)計(jì)層面：欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有11個(gè)關(guān)節(jié)和6個(gè)驅(qū)動(dòng)器；肌電控制；五個(gè)手指可以單獨(dú)活動(dòng)?？赏ㄟ^藍(lán)牙連接到iPhone，用戶可以通過點(diǎn)擊屏幕快速地選擇手勢(shì)；結(jié)構(gòu)形式：驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置；動(dòng)力源：直流電機(jī)；傳動(dòng)方案：蝸輪傳動(dòng)；傳感器：沒有裝配觸覺傳感器；特點(diǎn)：第一款可以由手機(jī)應(yīng)用控制的假肢；應(yīng)用領(lǐng)域：商業(yè)化產(chǎn)品，用于醫(yī)療領(lǐng)域，可用作假肢。ILimbUltrahand的一大特點(diǎn)是，手指電機(jī)安裝在近指骨中，使蝸桿相對(duì)于固定蝸輪旋轉(zhuǎn)以彎曲手指，在電機(jī)和蝸桿傳動(dòng)裝置之間使用一組錐齒輪以傳遞角度。在遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)則應(yīng)用了腱繩傳動(dòng)的方式。除了五根手指中分布的五個(gè)電機(jī)外，手掌中的第六個(gè)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)拇指的外翻/內(nèi)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更多的抓握功能。VincentHand作者：VincentSystems（德國(guó)）；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(gè)版本。設(shè)計(jì)層面：高度仿生；高度集成，手掌部分集成了6個(gè)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有11個(gè)DOF和6個(gè)DOA；結(jié)構(gòu)形式：驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置；動(dòng)力源：流電機(jī)；傳動(dòng)方案：蝸輪傳動(dòng)；應(yīng)用領(lǐng)域：商業(yè)化產(chǎn)品。與ILimbUltraHand類似，通過在手指中引入直徑僅10mm的電機(jī)，VincentHand實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)手指的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。四根手指中各自配備獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，并通過四連桿驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)。拇指的掌指關(guān)節(jié)由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。整體采用航空級(jí)鋁合金制成，以確保足夠的拉伸強(qiáng)度和最小的總重量。RICArm作者：theRehabilitationInstituteofChicago（美國(guó)）；發(fā)明初衷：之前的設(shè)備大多專注于提高性能，而犧牲了臨床使用的其他關(guān)鍵因素，如重量和體積，這些因素會(huì)顯著影響美容和舒適度，因此設(shè)計(jì)一款輕便、更適合女性的機(jī)械手；動(dòng)力源：無(wú)刷直流電機(jī)；傳動(dòng)方案：齒輪/滾珠絲杠；傳感器：具有霍爾效應(yīng)傳感器和電流傳感器；應(yīng)用領(lǐng)域：用作假肢，更適合女性。手指基于四連桿設(shè)計(jì)，提供掌指(MCP)和近端指間(PIP)關(guān)節(jié)的耦合彎曲。所有手指均由商用無(wú)刷電機(jī)（EC10，MaxonMotors）驅(qū)動(dòng)，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(jī)構(gòu)。正齒輪和行星滾柱絲杠之間的不可反向驅(qū)動(dòng)的離合器可保持抓握力，而不會(huì)持續(xù)消耗電池電量。諧波傳動(dòng)和擺線傳動(dòng)具有相同的類型學(xué)，并且與行星齒輪等替代傳動(dòng)裝置相比，可在緊湊的單級(jí)中實(shí)現(xiàn)高傳動(dòng)比且效率較高。諧波驅(qū)動(dòng)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?cè)胍艉艽螅矣捎谛枰獧E圓球軸承，很難在保持高效率的同時(shí)縮小尺寸。擺線傳動(dòng)裝置最近已用于Michelangelohand（美國(guó)ottobock），并提供了一種安靜的替代方案，即使在低扭矩下也能實(shí)現(xiàn)高效率。SSSAMyHand作者：比薩圣安娜高等學(xué)校（意大利）；發(fā)明初衷：先進(jìn)的假肢受功能、過重的限制，旨在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)層面：欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，有3個(gè)驅(qū)動(dòng)器和10個(gè)關(guān)節(jié)；高度集成，驅(qū)動(dòng)器分別置于大拇指和掌心，M1驅(qū)動(dòng)大拇指，M2驅(qū)動(dòng)大拇指的內(nèi)收/外展，M3驅(qū)動(dòng)中指、無(wú)名指、小指；靈巧輕便，重量為478克（M1、M2、M3為驅(qū)動(dòng)器編號(hào)）；結(jié)構(gòu)形式：驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置；動(dòng)力源：無(wú)刷直流電機(jī)（MaxonEC10，8W*3）+行星齒輪箱（64:1）；傳動(dòng)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(jī)中的霍爾效應(yīng)傳感器）、觸摸傳感器（指尖）和電機(jī)電流傳感器（電流分阻器）；應(yīng)用領(lǐng)域：目前還未商業(yè)化，從最初設(shè)計(jì)的目的來(lái)看，未來(lái)有可能應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)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(nèi)收、食指屈曲/伸展半獨(dú)立傳動(dòng)(TISIT)?；谌?/p>