Biomechatronic design and control of an anthropomorphic artificial hand for prosthetic applications

Abstract

SUMMARYIn this paper, we propose a biomechatronic design of an anthropomorphic artificial hand that is able to mimic the natural motion of human fingers. The prosthetic hand has 5 fingers and 15 joints, which are actuated by 5 embedded motors. Each finger has three phalanges that can fulfill flexion-extension movements independently. The thumb is specially designed to move along a cone surface when grasping, and the other four fingers are well developed based on the four-bar link mechanism to imitate the motion of the human finger. To accomplish the sophisticated control schemes, the fingers are equipped with numerous torque and position sensors. The mechanical parts, sensors, and motion control systems are integrated in the hand structure, and the motion of the hand can be controlled through electromyography (EMG) signals in real-time. A new concept for the sensory feedback system based on an electrical stimulator is also taken into account. The low-cost prosthetic hand is small in size (85% of the human hand), of low weight (420 g) and has a large grasp power (10 N on the fingertips), hence it has a dexterous and humanlike appearance. The performance of the prosthetic hand is validated in a clinical evaluation on transradial amputees.

Biosignal-Based Human–Machine Interfaces for Assistance and Rehabilitation: A Survey

“…In detail, they performed feature extraction through time domain-autoregressive approach, feature reduction by applying orthogonal fuzzy neighbourhood discriminant analysis (OFNDA), and classification via a Linear Discriminant Analysis (LDA). Zhang et al designed an anthropomorphic EMG-controlled prosthetic hand [103]. Dalley et al proposed a two-channel sEMG-based method for controlling a multigrasp prosthetic hand [104].…”

A low-cost linkage-spring-tendon-integrated compliant anthropomorphic robotic hand: MCR-Hand III

“…2(a). The four-bar mechanism allows the maximum joint angle of DIP to be about 80% of that of the PIP joint [42,43,44]. In order to The MCP-1 joint is a tendon-driven joint, with the tendon indicated in blue line in the figure, one end of the cable is connected at the end of a linear spring that is fixed inside the proximal phalanx, and the other end of the cable is connected to the pulley mounted on Motor 3.…”

Dexterous Prosthetic Hand with Force Perception and Electrical Stimulation

“…* 国家自然科学基金资助项目(91648206)。20181012 收到初稿，20190304 收到修改稿 域，具有重要战略意义。该项研究包括灵巧假手的 机械设计、多模态感知的仿生传感器设计，基于生 物信号的肢体运动意图识别以及仿生传感器与神经 的反馈通路重建等。 灵巧操作假手的机械设计始终是国内外研究的 热点 [1][2][3][4][5][6] ，德国假肢企业 Otto Bock 公司销售的 Bebionic Hand 具有五个主动自由度和一个被动自 由度， 假手的最大抓握力达到 140 N， 质量仅 390 g。 德国工业设备制造商 Schunk 公司销售的仿人型机 械手 SVH，是世界上第一个受国家社保认证的人机 协作工业机械手，其集成有 9 个电动机用于控制 20 个关节的活动。随着 3D 打印技术的发展 [3] ，英国 Openbionic 公司设计了基于绳索驱动的 3D 打印假 手 Ada Hand。日本 exiii 公司设计了基于齿轮传动 的 3D 打印假手。另外，国内上海交通大学 [7] 、哈尔 滨工业大学 [8][9] 、 华中科技大学 [10] 等也在灵巧假手研 究领域取得了许多重要的研究成果。 目前，常见的灵巧手机械设计多采用欠驱动结 构 [2] ，该方案具有便于系统集成、减轻设备重量和 降低设备成本的优点。基于交叉四连杆机构的欠驱 动手指具有固定的运动轨迹，同时，自身的刚性结 构适合抓取质量大的物体，但是较难设计出符合人 手指运动的包络轨迹 [8] 。 通过对国内外各类假手产品的比较发现 [11] ，近 年来许多假手虽然在手指端安装有力触觉传感器， 但在实际抓取任务中假手仍主要受使用者的视觉监 督控制，即假肢使用者需要持续观察假肢与环境的 交互状态并调整假肢的抓取力大小。在整个操作过 程中，操作者需要注意力高度集中且整个操作过程 相对缓慢，其主要原因在于单点触觉感知源对实际 抓握力的获取十分匮乏。为了在实际抓握时得到真 实的抓握力估计值，有必要对灵巧假手各节指骨的 力触觉感应区域进行监测 [1] 。 假手的力触觉信息虽然对其抓握控制提供了自 主调控的反馈，但由于传感器的小闭环反馈并没有 向操作者提供任何感知信息，控制器在操作者没有 主动参与的情况下进行自动调节，降低了操作者的 参与度，不易被其接受。目前，较成熟的力触觉反 馈方法是将压力刺激或振动刺激作用于受试者大臂 处 [12][13] ，以期将假手纳入本体映像，但由于这两种 方式与实际触感有较大差别，使得产生本体映像的 训练时间会延长。电刺激 [14][15][16][17][18] [8] 对连杆机构的两根连 杆长度和两个夹角进行参数搜索找到最优解。但将 角度作为搜索参数时其搜索区间太宽，在短时间内 较难搜索到最优解，另外有研究提出 [6] 采用迭代法 进行连杆长度计算，该方法具有较快的求解速度， 但其计算结果受初始值选取的影响较大，在无专家 经验干预下可能无法得到最优解，并且两种计算方 法均未考虑连杆的动力学特性。综合以上方式优缺 点，本文创新性地提出以各连杆长度作为随机搜索 变量求出最优解，并将运动学解与动力学解进行 归一化加权计算，可以在小计算量下得到同时满 足运动学指标与动力学指标的交叉四连杆最优配 置参数，最后给出了满足编程化需求的连杆参数 计算步骤。 [14][15][16][17] 或者肌肉组织 [18] ，当刺激源施加在手臂等触 觉弱敏感区域，仍然能具有较强反馈感。研究表 明 [14] 当施加电刺激在手臂特定位置，能够使残疾患 者产生"幻指感" ，但随截肢程度的增加， "幻指感" [5] ；AD=26 mm，CD=4.8 mm，AB=5.4 mm，BC=25 mm [6] ) ，分别对应于图…”