[论文解读] Automation of Prosthetic Upper Limbs for Transhumeral Amputees Using Switch-controlled Motors

Fahad Moazzam Dar, Umer Asgher+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2014

Muscle activation and electromyography studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种低成本、开关控制的自动化系统，用于肘上（上臂）假肢上肢，用电机驱动的升降和抓握功能替代传统的缆线驱动机构。该系统通过减少用户体力消耗，在保持低成本和易维护性的同时，提升了可用性和舒适度。

ABSTRACT

The issues of research required in the field of bio medical engineering and externally-powered prostheses are attracting attention of regulatory bodies and the common people in various parts of the globe. Today, 90 percent of prostheses used are conventional body powered cable-controlled ones which are very uncomfortable to the amputees as fairly large amount of forces and excursions have to be generated by the amputee. Additionally, its amount of rotation is limited. Alternatively, prosthetic limbs driven using electrical motors might deliver added functionality and improved control, accompanied by better cosmesis, however,it could be bulky and costly. Presently existing proposals usually require fewer bodily response and need additional upkeep than the cable operated prosthetic limbs. Due to the motives mentioned, proposal for mechanization of body-powered prostheses, with ease of maintenance and cost in mind, is presented in this paper. The prosthetic upper limb which is being automated is for Transhumeral type of amputees that is amputated from above elbow. The study consists of two main portions: one is lifting mechanism of the limb and the other is gripping mechanism for the hand using switch controls, which is the most cost effective and optimized solution, rather than using complex and expensive myoelectric control signals.

研究动机与目标

• 解决传统肌力驱动假肢的局限性，其需要用户付出高体力消耗且活动范围有限。
• 克服表面肌电信号（myoelectric）假肢成本高、体积大等问题，同时保持功能的提升。
• 为肘上截肢者开发一种成本低廉、易于维护的现有电动假肢系统的替代方案。
• 专注于使用易获取的元器件实现实际应用，以增强现实世界中的可用性。
• 集成开关控制的电机驱动机构，用于肢体升降和手部抓握，以减少用户用力。

提出的方法

• 利用开关控制的电动机，实现肘上假肢上肢的升降机构自动化。
• 为手部抓握功能实施独立的开关控制电机系统，替代手动缆线系统。
• 设计系统时采用模块化结构，并使用标准电子和机械部件，便于维修。
• 通过避免复杂的表面肌电信号处理或肌电信号（EMG）传感器，优先保证系统简单性和可靠性。
• 集成控制逻辑，使用户可通过简单的机械开关激活电机，最大限度降低认知和体力负担。
• 优化系统以实现低功耗和易维护性，支持长期可用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 开关控制的电机系统能否有效替代肘上假肢中的缆线驱动机构，以减少用户体力消耗？
• RQ2 与传统肌力驱动假肢相比，开关控制的电机驱动系统在可用性和功能性方面表现如何？
• RQ3 低成本、非表面肌电信号控制的系统在不增加复杂性或维护需求的前提下，能在多大程度上改善假肢功能？
• RQ4 是否可行开发一种可靠、可维护且成本低廉的电动假肢上肢，使用简单开关而非肌电信号？
• RQ5 自动化对肘上截肢者的用户舒适度和控制精度有何影响？

主要发现

• 所提出的开关控制电机驱动系统显著降低了肘上截肢者操作假肢所需的体力消耗。
• 与传统缆线驱动假肢相比，该系统在提升和抓握等任务中实现了更优的功能表现。
• 使用简单开关替代表面肌电信号，降低了系统复杂性和成本，同时保持了可靠的控制性能。
• 该设计表现出高度的可维护性和易修复性，解决了现有电动假肢的关键局限。
• 该系统提供了一种实用、低成本的替代方案，可替代昂贵的表面肌电信号假肢，且不牺牲基本功能。
• 该实现展示了在实际环境中部署的潜力，因其具备鲁棒性、模块化设计和低运行成本。