[论文解读] Design, Implementation and Evaluation of a Variable Stiffness Transradial Hand Prosthesis

Elif Hocaoğlu, Volkan Patoğlu|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2019

Muscle activation and electromyography studies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一款低成本、可定制的前臂截肢者用假手，采用基于钢索的拮抗式可变刚度驱动（VSA）与非线性弹簧，实现位置与刚度的同步控制。基于表面肌电（sEMG）的远程阻抗控制实验评估表明，用户能够以自然的灵巧性成功抓握多种物体，平均适应时间为3.2分钟，平均抓握与释放时间分别为1.22秒和0.82秒。

ABSTRACT

We present the design, implementation, and experimental evaluation of a low-cost, customizable, easy-to-use transradial hand prosthesis capable of adapting its compliance. Variable stiffness actuation (VSA) of the prosthesis is based on antagonistically arranged tendons coupled to nonlinear springs driven through a Bowden cable-based power transmission. Bowden cable-based antagonistic VSA can, not only regulate the stiffness and the position of the prosthetic hand, but also enables a light-weight and low-cost design, by opportunistic placement of motors, batteries and controllers on any convenient location on the human body, while nonlinear springs are conveniently integrated inside the forearm. The transradial hand prosthesis also features tendon driven underactuated compliant fingers that allow natural adaption of the hand shape to wrap around a wide variety of object geometries, while the modulation of the stiffness of their drive tendons enables the prosthesis to perform various tasks with high dexterity. The compliant fingers of the prosthesis add inherent robustness and flexibility, even under impacts. The control of the variable stiffness transradial hand prosthesis is achieved by an sEMG based natural human-machine interface.

研究动机与目标

• 开发一款低成本、可定制且易于使用的前臂截肢者用假手，具备可变刚度驱动（VSA），以提升功能适应性。
• 通过简化设计与控制，提升灵巧性与鲁棒性，降低当前肌电假手的高弃用率。
• 通过基于sEMG的远程阻抗控制界面，实现基于用户意图的刚度调节，促进自然的人机交互。
• 集成欠驱动、柔顺的指头，使其能自然贴合各类物体形状，并耐受冲击。
• 通过真实世界任务中的人体志愿者实验，验证假手的可用性、响应时间与鲁棒性。

提出的方法

• 采用集成于前臂的钢索基拮抗式VSA，结合非线性弹簧，实现无需集中驱动器的位置与刚度调节。
• 使用肌腱驱动的欠驱动指头，材料为硅橡胶与ABS，实现对物体几何形状的被动、柔顺适应。
• 基于上臂、胸部与肩部的表面EMG信号，实现sEMG基远程阻抗控制器，实时推断用户意图并调节刚度。
• 将电机、电池与控制器置于身体（如上臂或躯干），以减轻手部重量并提升人体工学性能。
• 设计系统具备模块化与可定制性，便于未来集成功能性拇指或假肢手套以增强外观真实感。
• 通过16种不同物体的用户实验，评估抓握性能、响应时间与抗冲击能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、可定制的前臂截肢者用假手是否具备可变刚度驱动（VSA）以满足日常操作任务的灵巧性要求？
• RQ2 基于钢索的拮抗式VSA能否在保持轻量化与低成本设计的同时，实现有效的位置与刚度同步控制？
• RQ3 基于sEMG的远程阻抗控制是否能实现直观、实时的刚度调节，以匹配用户意图与任务需求？
• RQ4 用户在非结构化环境中，多快能适应并可靠完成抓握任务？
• RQ5 集成柔顺的欠驱动指头是否能提升系统在冲击或不确定性条件下的鲁棒性与自然物体交互能力？

主要发现

• 志愿者平均仅需3.2 ± 1.3分钟即完成对假手的适应并成功完成操作任务，表明训练负担较低。
• 平均抓握与释放时间分别为1.218 ± 0.564秒与0.819 ± 0.48秒，性能与商用设备相当。
• 采用硅橡胶与ABS材料的柔顺指头表现出高鲁棒性，在用户测试中经受多次冲击后未出现损坏。
• 基于sEMG的远程阻抗接口实现了有效的刚度调节，使用户能够安全抓握不同柔顺性与几何形状的物体。
• 系统的模块化设计支持未来轻松集成功能拇指或假肢手套，且不影响核心功能。
• 试验后访谈的用户反馈确认了指头被动支撑的充分性与可用性，无功能相关投诉。