一種高仿仿擬人機器人手臂的人造肢體再生設計
? Zhe Xu和Emanuel Todorov
? “摘要 - 從機器人學的解剖學到組織工程學的肢體再生，從廣泛的研究領域可以受益于模仿人類手部顯著特征的仿人機器人手小压。設計這種機器人手的挑戰(zhàn)主要來自我們從工程角度對人手的有限理解以及我們利用傳統(tǒng)機械設計復制重要生物力學特征的能力娇未。我們認為，人類手部的生物力學是手部敏捷的一個重要組成部分，可以通過高度仿生的“設計”進行復制菩佑，為此，我們重新解釋重要的“ 人類手部的生物力學優(yōu)勢從機器人學家的角度出發(fā)凝化，并設計出一種仿人機器人手稍坯，用人造關節(jié)囊“人造”，“鉤編”“韌帶和肌腱搓劫，激光切割伸縮罩劣光，”彈性皮帶輪機構袜蚕，我們通過實驗確定了指尖的工作空間，并成功地證明了我們的概念驗證設計可以進行遙控操作绢涡，以基于手分類的各種自然手勢來掌握和操作日常物體。
? I.引言
? 設計擬人化機器人手的重要性最可能起源于使用機動假肢手來恢復丟失的手的靈活性的期望遣疯。盡管關于人手靈巧的定義仍然沒有達成共識雄可，但是“在骨骼長度，肌腱分支以及肌肉伸長等方面發(fā)現(xiàn)的生物變異”[1]都表明靈巧性是一種高度個人特性缠犀，不僅受到個體“運動控制”能力的影響数苫，而且與其所有者獨特的“生物力學特性有著內(nèi)在的聯(lián)系，并且在不考慮生物差異的情況下辨液，不能一概而論虐急。傳統(tǒng)的設計擬人化機器人手的方法通常涉及機械化生物部件“，包括鉸鏈滔迈，連桿止吁，使看似復雜的人類對應物變得流行。這種方法通常有助于理解和近似人類手部的運動學燎悍，但不可避免地會導致人類和機器人手部之間的不希望的差異敬惦。任何有能力的人類的獨特生物力學，包括復雜形狀的骨骼谈山，“不同”的旋轉軸和其他生物力學優(yōu)勢“可以被視為一個整體的有效物理系統(tǒng)俄删。但是在機械化過程中大部分這些顯著的特征都被丟棄了。盡管研究人員已經(jīng)做出了大量的努力來解決這種控制方面的不匹配問題作者是美國華盛頓大學計算機科學與工程系奏路，西澳大利亞州98195 使看似復雜的人類對應物變得流行畴椰。這種方法通常有助于理解和近似人類手部的運動學，但不可避免地會導致人類和機器人手部之間的不希望的差異鸽粉。任何有能力的人類的獨特生物力學斜脂，包括復雜形狀的骨骼，“不同”的旋轉軸和其他生物力學優(yōu)勢“可以被視為一個整體的有效物理系統(tǒng)潜叛。但是在機械化過程中大部分這些顯著的特征都被丟棄了秽褒。盡管研究人員已經(jīng)做出了大量的努力來解決這種控制方面的不匹配問題作者是美國華盛頓大學計算機科學與工程系，西澳大利亞州98195 這種方法通常有助于理解和近似人類手部的運動學威兜，但不可避免地會導致人類和機器人手部之間的不希望的差異销斟。任何有能力的人類的獨特生物力學，包括復雜形狀的骨骼椒舵，“不同”的旋轉軸和其他生物力學優(yōu)勢“可以被視為一個整體的有效物理系統(tǒng)蚂踊。但是在機械化過程中大部分這些顯著的特征都被丟棄了。盡管研究人員已經(jīng)做出了大量的努力來解決這種控制方面的不匹配問題作者是美國華盛頓大學計算機科學與工程系笔宿，西澳大利亞州98195 這種方法通常有助于理解和近似人類手部的運動學犁钟，但不可避免地會導致人類和機器人手部之間的不希望的差異棱诱。任何有能力的人類的獨特生物力學，包括復雜形狀的骨骼涝动，“不同”的旋轉軸和其他生物力學優(yōu)勢“可以被視為一個整體的有效物理系統(tǒng)迈勋。但是在機械化過程中大部分這些顯著的特征都被丟棄了。盡管研究人員已經(jīng)做出了大量的努力來解決這種控制方面的不匹配問題作者是美國華盛頓大學計算機科學與工程系醋粟，西澳大利亞州98195
“”電子郵件：zhexu@cs.washington.edu靡菇，todorov@cs.washi“ngton.edu圖1.完全組裝的仿生機器人手左：仿生機器人手系統(tǒng)的手掌部分Topright：背部右下：與內(nèi)在肌肉結合在一起的激光可伸縮護罩注意：仿生機器人手的總重量小于1公斤（942克），包括執(zhí)行系統(tǒng)米愿∠梅铮“和傳感方面，很少有工作已經(jīng)完成“以減少與生物力學角度的差距育苟。
? 我們提出的方法的一般方法是首先識別人手的重要生物力學信息较鼓，然后仿生復制它。這允許具有與人對應物相同的運動學特性和甚至動態(tài)特性的近似復制品违柏。我們的設計利用了幾種重要的快速成型技術：骨骼的形狀可以先用激光/ MRI掃描儀捕獲博烂，然后用詳細的表面特征（如關節(jié)形狀和肌腱插入位點）進行3D打印;軟組織可以通過使用順應性硅膠來模擬機械性能與皮膚相匹配的橡膠。
? “如圖1所示勇垛，我們的方法導致了一種高度仿生的擬人化設計脖母，這將對機器人學和生物學領域的研究產(chǎn)生潛在的影響。除了在操作人員可以直接將他/她自己的敏捷性“轉移到機器人手上”的遠程操作方面的明顯應用之外闲孤，它還可以幫助醫(yī)學和生物學研究在物理上保留人體生物力學數(shù)據(jù)并且用作肢體的3D支架再生研究谆级。
? “在接下來的部分中，我們首先回顧了與工作相關的內(nèi)容讼积，并介紹了我們的設計動機肥照。然后，我們重新解釋人類手中重要的生物力學勤众，同時詳細描述了我們的擬人化機器人手的仿生設計和原型制作過程舆绎，之后我們試驗性地研究了每個人的手工工作空間手指和拇指。在第二部分们颜，我們通過抓握和操縱實驗吕朵，通過實驗論證了我們的概念驗證設計的有效性。
? II窥突。相關的工作和動機
? 為了正確定位我們提出的仿生機器人手的設計努溃，在本節(jié)中，我們首先簡要回顧“機器人技術中最相關的過去工作阻问，然后”解釋高度仿生機器人手的潛在應用“在醫(yī)學和生物學研究中的應用為此梧税，我們“形成了我們的設計理念。
? A.擬人機器人/假肢手
? 許多先進的擬人機器人手在過去的十年中得到了發(fā)展。正如最近的綜述[2]中所完全概括的那樣第队，它們每一個在驅動速度哮塞，放大的f“ingertip”力或高自由度（DOF）等方面都具有不同的“特征”特征〉是“無論如何分享機械化生物對應物的相同設計概念忆畅。他們的設計理念可以追溯到為工業(yè)裝配“機器人，配備接頭和觸覺傳感器”開發(fā)的技術尸执，這種類似人類的機器人手的運動可以看作是五個小型高精度工業(yè)機器人在手掌大小的空間邻眷。解剖學校正的測試床（ACT）手[3]的發(fā)展是在解剖學水平上復制人手的第一次嘗試。然而剔交，它的內(nèi)部機制仍然基于“鉸鏈和平衡環(huán)”，因此我們將它歸類為“一種特殊類型的擬人化機器人手改衩。這些機器人手的機制與人手的生物力學之間固有的不匹配基本上阻止了使用自然的手部運動來直接控制它們岖常。因此他們中沒有一個能夠達到人類的靈活性。假肢手的發(fā)展很大程度上依賴于我們從建造擬人機器人手中吸取的經(jīng)驗教訓葫督。最先進的假肢手可以通過兩種不同的方法進行控制：使用非侵入性方法竭鞍，如從殘肢收集的肌電圖（EMG）信號或目標肌肉再神經(jīng)支配區(qū)[4]; 或使用侵入性方法，如將微電極直接植入大腦運動皮層[5]或用小型化電極將外周神經(jīng)套住以收集控制輸入[6]橄镜。假手的控制基本上依賴于人的大腦偎快。因此，如果假體的設計可能更類似于其生物對應物洽胶，那么相同的神經(jīng)假體技術可能更有效晒夹。“與以前的這些設計相反姊氓，我們建議”使用高仿生設計來保存人手的顯著特征丐怯。我們的設計旨在最大限度地減少機器人和人手之間的設計不匹配，從而實現(xiàn)更高效的控制和更廣泛的應用翔横。
? B.醫(yī)學和生物學研究的設計工具
? 我們設想我們的仿生手將成為醫(yī)學和生物學研究的有用工具读跷。移植手是迄今為止失去的人手唯一的現(xiàn)有生物替代物。然而禾唁，長期等候的名單和尋找合適捐助者的機會不大效览，因此不得不在醫(yī)院中定期實行這一方法。關于終身拒絕的副作用仍有爭議荡短。在相關年份丐枉，生物學家開始研究通過生物加工再生組織和器官的可能性：生物相容材料現(xiàn)在可以印刷形成骨結構[7]，“可生物降解的人造韌帶被用來代替”撕裂的前十字韌帶韌帶[8]肢预，人類已經(jīng)在培養(yǎng)皿內(nèi)成功培養(yǎng)[9]矛洞，而“ 在正確的條件下，外周神經(jīng)也可以再生[10]。所有這些有前景的技術都需要合適的支架來生長接枝細胞沼本。當涉及到再生厘米尺度的肢體時噩峦，諸如“老鼠前肢，脫細胞尸體部位”這樣的“”需要作為支架[11]抽兆。然而识补，即使相同的技術可以“擴大人體足跡”，“捐贈者”的局限性最終也可能成為瓶頸辫红。此外凭涂，在醫(yī)學研究中，大多數(shù)在尸體上進行的體內(nèi)研究面臨著不斷變化的條件有機組織的衰變過程是不可逆的贴妻。由個體差異引起的生物變異的問題也會導致持久的爭論切油。
? 仿生人手的生物力學仿生擬人機器人手可首先在機器人實驗室驗證，然后用生物兼容材料批量生產(chǎn)以滿足不同醫(yī)療/生物應用的要求名惩。雖然人們通常認為不需要直接復制生物計數(shù)器部件的生物藍圖澎胡，但可以復制人類手部的關鍵生物力學特征。成功的關鍵在于從工程角度和實現(xiàn)結果的能力娩鹉，徹底理解人手的生物力學攻谁。III。D高度生物模型的發(fā)展
? 機器人手
? “在本節(jié)中弯予，我們從以下幾個方面確定了重要的生物組織”塑造人手運動的機械特征“：骨骼戚宦，關節(jié)，韌帶锈嫩，肌腱受楼，伸肌罩和腱鞘，而不是實驗室“直接從手外科醫(yī)生的角度去挖掘人的手祠挫，在下面的每個小節(jié)中那槽，我們將解釋工程語言中的基本手部生物力學，然后討論如何用我們的仿生設計來復制這些特征等舔。
? A.骨骼和關節(jié)
? “如圖2所示骚灸，人手有四個手指和一個拇指，由27個包含8個緊密包裝的小腕骨1的骨頭組成慌植。每個手指1我們有興趣了解能夠“手指移動”的關節(jié)機制甚牲，因此手腕骨骼（除了“梯形骨頭”）不在我們此階段的調(diào)查范圍內(nèi)。
? 圖2.人類左手的骨骼和關節(jié)的定義（由[12]修改）蝶柿。注意：梯形骨顯示為紅色丈钙。三個指骨和一個掌骨。拇指是一個“例外交汤，除了”掌骨之外雏赦，它只有兩個指骨劫笙。但可以反對的拇指說明了整個手部功能的大部分。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)位于拇指基部的梯形骨是使拇指相對的關鍵部件（在圖2中以紅色標記）星岗。與拇指的掌骨“骨”一起填大，它們形成拇指的腕掌（CMC）關節(jié)。關節(jié)是兩個相鄰骨頭之間的連接俏橘，其共同的接觸表面確定關節(jié)的可能運動允华。不同類型的關節(jié)有助于“不同組的手指運動，稱為跑步” 議案（ROM）寥掐。掌指關節(jié)（MCP）由指骨與掌骨連接形成靴寂。根據(jù)到MCP關節(jié)的距離，存在“兩種以上”類型的關節(jié)召耘，即近端中間“geal（PIP）關節(jié)和遠側指間關節(jié)（DIP）關節(jié)百炬。基于這個定義污它，拇指只在兩個拇指指骨之間有一個DIP接頭收壕，在彎曲運動過程中，“三個”指關節(jié)作為機械鉸鏈工作轨蛤，然而，“MCP關節(jié)有一組額外的主動ROM允許手指“從一側移動到另一側虫埂，這就是所謂的”外展“和內(nèi)收（ad / b）運動祥山。另外，MC”P關節(jié)還有一個被動ROM允許扭轉運動“手指指骨的軸線评架，因此腾供，在“ 在“四根手指”的情況下敦迄，我們只關注于“劃分”MCP接頭的機構，因為1-DOF P“IP和DIP接頭可以看作是一個簡化的情況供常。不同于“手指，復雜的拇指運動”是由于CMC聯(lián)合處的梯形和第一枚腕骨之間的接觸造成的鸡捐。由于“梯形骨的不規(guī)則形狀”（見圖3）栈暇，其“關節(jié)”軸的確切位置仍在爭論中，但CMC關節(jié)常被解釋為允許拇指具有的鞍形關節(jié)（內(nèi)收）和下（伸展）箍镜，“彎曲（彎曲）和拉直（伸展）源祈，以及”移動手掌（反對）的能力。是由于CMC聯(lián)合處的梯形和第一枚腕骨之間的接觸所致色迂。由于“梯形骨的不規(guī)則形狀”（見圖3）香缺，其“關節(jié)”軸的確切位置仍在爭論中，但CMC關節(jié)常被解釋為允許拇指具有的鞍形關節(jié)（內(nèi)收）和下（伸展）歇僧，“彎曲（彎曲）和拉直（伸展）图张，以及”移動手掌（反對）的能力。是由于CMC聯(lián)合處的梯形和第一枚腕骨之間的接觸所致。由于“梯形骨的不規(guī)則形狀”（見圖3）祸轮，其“關節(jié)”軸的確切位置仍在爭論中兽埃，但CMC關節(jié)常被解釋為允許拇指具有的鞍形關節(jié)（內(nèi)收）和下（伸展），“彎曲（彎曲）和拉直（伸展）倔撞，以及”移動手掌（反對）的能力讲仰。
? “在設計機器人手時，機器人研究人員經(jīng)常會在拇指的CMC關節(jié)處形成復雜的骨骼形狀痪蝇。左：第一掌骨梯形骨的常見機械類比“（以紅色顯示鄙陡，由[12]修改）右：用于解釋不同拇指運動的固定關節(jié)軸。
? 選擇用于MCP接頭的2自由度萬向節(jié)躏啰。萬向節(jié)善于在軸上傳遞旋轉運動“趁矾，但缺少允許手指在MCP接頭處相對于軸向被動扭轉的1-DOF。當涉及設計CMC接頭時给僵，同樣的問題會變得更加嚴重毫捣。因為CMC關節(jié)不僅需要鞍形表面，而且還需要彎曲的旋轉軸帝际，以支持“旋轉”蔓同，“滑動，平移和旋轉運動[13]”蹲诀“吡唬“因此，現(xiàn)有的擬人機器人手中沒有一個可以恢復常規(guī)機械關節(jié)的自然拇指運動“脯爪，使用固定的旋轉軸则北，另外，關節(jié)面的規(guī)則形狀也是分布應力的原因痕慢。據(jù)估計尚揣，1kg的尖端夾緊將在CMC接頭處產(chǎn)生12kg的接頭壓縮。論壇力量“的抓地力掖举，負荷可能變得高達120公斤[14”]快骗。為了最大限度地保留骨骼和關節(jié)的重要表面特征，我們從尸體骨骼手的激光掃描模型中3D打印人造骨骼[15]塔次。如圖1所示滨巴，我們機器人手指的所有手指部分（不包括執(zhí)行器支架）都可以打印在一個20“×20厘米的托盤上（Dimension BST 768，Stratasys）俺叭。內(nèi)部結構和“零件（0.025毫米）的分辨率恭取，總打印時間可能會少于20小時。為了最大限度地保留骨骼和關節(jié)的重要表面特征熄守，我們從尸體骨骼手的激光掃描模型中3D打印人造骨骼[15]蜈垮。如圖1所示耗跛，我們機器人手指的所有手指部分（不包括執(zhí)行器支架）都可以打印在一個20“×20厘米的托盤上（Dimension BST 768，Stratasys）攒发。內(nèi)部結構和“零件（0.025毫米）的分辨率调塌，總打印時間可能會少于20小時。為了最大限度地保留骨骼和關節(jié)的重要表面特征惠猿，我們從尸體骨骼手的激光掃描模型中3D打印人造骨骼[15]羔砾。如圖1所示，我們機器人手指的所有手指部分（不包括執(zhí)行器支架）都可以打印在一個20“×20厘米的托盤上（Dimension BST 768偶妖，Stratasys）姜凄。內(nèi)部結構和“零件（0.025毫米）的分辨率，總打印時間可能會少于20小時趾访。
? B.關節(jié)韌帶
? 每個手指關節(jié)的ROM受到韌帶長度的限制态秧，如圖4所示，韌帶是在兩個相鄰骨骼兩側插入纖維組織的全部帶扼鞋。兩個重要的分支稱為側韌帶申鱼。類似的結構可以在長度和厚度變化的所有手指關節(jié)中找到。它們的作用是穩(wěn)定關節(jié)云头，塑造ROM捐友，并預防每個關節(jié)側向彎曲，例如溃槐，在MCP“關節(jié)處楚殿，側副韌帶起源于掌骨的背側并靠近“鄰近手指指骨的手掌側”，這樣竿痰，當手指彎曲時，整理“拉筋”變得緊張砌溺，一旦手指伸直影涉，就變得松弛。這就是為什么我們的食指很容易“
? 圖5. 3D打印手指的骨架由鉤狀韌帶和激光切割關節(jié)軟組織連接规伐。注意：所有鉤編的韌帶在他們的生物學插入位置用1毫米螺釘固定蟹倾。在手指的手掌側叫做手掌板。就像“側副韌帶一樣猖闪，掌側板也有插入骨骼的兩側鲜棠。其功能是防止超延伸手指畸形的發(fā)生。與其他輔助韌帶和軟組織一起培慌，側副韌帶和掌側板形成被稱為關節(jié)囊的重要結構豁陆。
? 我們的人工關節(jié)囊設計允許每個機器人手指快速組裝，如圖5所示吵护。一對鉤狀韌帶用于模擬位于每個手指關節(jié)側面的兩側副韌帶盒音。同樣表鳍，“功能的掌側板被替換為穿過每個關節(jié)錨定的兩根鉤狀韌帶。激光切割橡膠片被用來模仿軟組織提供像人類一樣的柔順性祥诽，基于每個關節(jié)的ROM譬圣，這些組件的尺寸在大小和長度上都有所不同。與我們之前提出的聯(lián)合設計[16]相比雄坪，我們的設計大大縮短了制造時間厘熟。
? C.肌腱和肌肉
? “在骨骼和肌肉之間，人類手中有兩組肌肉束维哈。矯正“手指稱為伸肌腱的手指绳姨，手指上的手指稱為屈肌腱。肌腱的游走情緒起源于位于前臂的相應肌肉群笨农。如果我們將肌肉視為“輸出收縮力的致動器”就缆，則手的肌腱作為傳動系統(tǒng)，巧妙地分割力并順暢地將扭矩傳遞到每個手指關節(jié)谒亦。如圖6（a）中所示竭宰，從手腕開始，伸展部或肌腱分叉并且在手指骨的背側具有多個插入部位份招。在手掌側切揭，通過腕管，屈肌腱（見圖1）锁摔。6（d））通過一系列類似滑輪的肌腱鞘行進到骨頭的手掌側廓旬，最終插入DIP和PIP關節(jié)的基部。兩個肌腱組的合作情緒使流暢的手部運動成為可能谐腰。直接連接到屈肌和伸肌腱中央分支的大肌肉群被稱為外肌孕豹。他們大多數(shù)來自肘部，并有位于前臂的肌肉腹部十气。然而励背，也存在幾個稱為內(nèi)在肌肉的小肌肉組，其通常足夠苗條以存在于兩個相鄰掌骨之間的間隙中砸西。這些小肌肉中的大部分從手腕開始并且連接到MCP關節(jié)附近的每個手指的伸肌腱的細支（伸肌罩）叶眉。這些內(nèi)在肌肉的一個重要功能是在各種手部活動期間在手指關節(jié)處提供被動反射介導的僵硬。我們“使用彈性的激光切割橡膠片來模仿這些小肌肉作為關節(jié)穩(wěn)定機制（見圖1）芹枷⌒聘恚“總共有10個Dynamixel伺服器（9個MX-12W和AX-12A）被用來模擬重要的大肌肉并驅動我們提出的機器人手（如圖1所示）。兩個舵機用于通過差速滑輪傳動裝置控制環(huán)和小指的彎曲和伸展（見圖8）鸳慈。食指和中指分別由兩對舵機控制饱溢，以便每個舵機都可以獨立彎曲和伸直。另外走芋，他們還在其MCP接頭2上共享一個用于耦合控制的額外伺服系統(tǒng)理朋。我們使用三個執(zhí)行器來控制這個問題絮识。其中之一是AX-12A Dynamixel伺服器，其齒輪比（254/1）大于其他（32/1）嗽上，用于拇指的伸展和外展次舌。另外兩個拇指舵分別控制屈曲和內(nèi)收“運動”。手掌有一個未固定的DOF兽愤，依靠環(huán)和小指的彎曲運動彼念。盡管當前版本的手腕只能作為“測試手指的非凡基礎”，但它的電纜布線結構卻非常模仿人手的帽子隧道浅萧。
? D.伸縮罩
? 我們?nèi)粘９ぷ髦猩婕笆植窟\動的大多數(shù)工作都需要肌肉與屈肌肌腱連接的收縮逐沙，因此在抓握過程中，肌腱主要作為一個不斷調(diào)節(jié)指關節(jié)扭矩的斷裂系統(tǒng)洼畅。斷裂系統(tǒng)的功能依賴于被稱為伸展者“罩”的纖維結構吩案，伸縮罩是一種薄的，復雜的和基于“基于ollagen的”網(wǎng)狀結構帝簇，可以直接環(huán)繞手指徘郭。“在我們目前的設計中丧肴，外展/內(nèi)收“運動被所有手指的MCP關節(jié)處集成的激光切割內(nèi)在肌肉被動調(diào)節(jié)
? 圖6.人類左手伸肌和屈肌肌腱重要的生物力學優(yōu)勢（a）伸肌肌腱示意圖残揉。（b）伸縮罩的簡化幾何表示。（c）手指屈曲時PIP關節(jié)的扭矩調(diào)節(jié)芋浮。（d）屈肌腱的示意圖抱环。（e）手指彎曲過程中附加護套（皮帶輪）的膨脹過程。（f）彎曲手指的機械類比纸巷，顯示在彈性滑輪的作用下臂力矩增加镇草。背側的指骨。如圖6（b）所示瘤旨，它的結構可以幾何地表示為一個雙層網(wǎng)梯啤。伸肌罩的第一層稱為側帶。它在DIP j“oint的基部有一個插入位置裆站，并且”分成穿過PIP關節(jié)的兩個小韌帶。這種分裂機制根據(jù)手指在彎曲過程中的不同姿勢（圖6（c））巧妙地調(diào)節(jié)PIP關節(jié)的斷裂力矩黔夭。如在側面“視圖中所示宏胯，當手指伸直時，兩個小的”韌帶位于PIP關節(jié)的旋轉軸上方本姥，作為伸肌腱的分支肩袍。當屈肌腱保持拉力“，伸肌腱伸展時婚惫，肌腱開始彎曲過程氛赐，在此過程中魂爪，兩個小韌帶繼續(xù)從PIP關節(jié)滑落并最終”向下通過旋轉軸線。伸肌腱仍然通過腹板結構將力傳遞到兩個“小分支中艰管，兩個分支不再像”PIP關節(jié)處“的伸肌腱一樣運動滓侍，而是通過提供PIP關節(jié)處增加的彎曲力矩來開始幫助彎曲手指。當手指“直起來時牲芋，上述過程在轉換順序中重復撩笆。伸縮罩的第二層已知為在PIP接頭的底部具有插入點的中心滑動。其功能是幫助延長/彎曲PIP接頭缸浦。其肌腱分支之一通常連接到一個小的內(nèi)在“肌肉夕冲，即lumbrical肌肉。據(jù)報道裂逐，lumbricals在”MCP關節(jié)“中起屈肌腱的作用歹鱼，但可以通過通過伸肌機構。由于它的大小和插入位置的不同卜高，lumbricals的功能還沒有得到“一致同意”弥姻。
? “如圖1所示，高彈性橡膠片首先被激光切割成伸縮罩的形狀（內(nèi)部肌肉整合）篙悯，然后在生物學插入位置附著到手指的骨架（參見圖7）到模仿“伸縮罩的被動行為蚁阳，離開”伺服系統(tǒng)，通過滑動機構實現(xiàn)手指的主動伸展鸽照。這是我們并入我們機器人手部設計中的重要生物力學優(yōu)勢螺捐。E.肌腱鞘
? “如圖6（e）所示，肌腱鞘是包繞屈肌腱的纖維組織矮燎，并且在手指骨的背側具有多次插入定血。由于它們的“重要功能，肌腱的每一部分”的健康都是根據(jù)它們到MCP關節(jié)的距離诞外，在手部解剖的術語中以編號的環(huán)形滑輪命名澜沟。機械工程師設計不同的滑輪系統(tǒng)以施加力并通過電纜傳輸動力。人手中的肌腱鞘作為一系列彈性滑輪來幫助有效地將肌肉的屈曲力傳遞到關節(jié)峡谊。由于當手指彎曲時手指伸直并凸出時肌腱鞘可以變平坦[17]茫虽。
? “如圖6（e）和（f）所示，如果柔性”肌腱開始以恒定的力量拉直手指“和速度既们，”關節(jié)處的初始力臂很小濒析，因此可能導致快速彎曲運動的手指，但在關節(jié)處產(chǎn)生小的屈曲扭矩啥纸。然而号杏，當“手指開始彎曲時，護套上的趨向的膨脹效應”極大地增加了關節(jié)處的力臂斯棒，導致手指運動減慢盾致，并且屈曲力矩迅速增大主经。“通過彈性滑輪系統(tǒng)庭惜，人手可以在接近”物體時保持手指關節(jié)處的扭矩較小罩驻，但在形成手柄時可快速將大扭矩傳遞至“手指關節(jié)。結合滑翔的“機制蜈块，這是另一個生物力學優(yōu)勢”
? “如圖7所示鉴腻，使用三塊激光切割的ru”bber薄片模仿彈性皮帶輪機構。屈肌腱由高強度光譜制成
? R百揭？
? 字符串
? 圖7.組合手指的快照顯示了伸屈罩的滑動機構和手指彎曲期間腱鞘的膨脹效應爽哎。
? （200N屈服強度）通過多個鉚釘加強端口穿過橡膠腱鞘。我們的機器人手的屈肌腱模仿人手屈指深腱（FDP）肌腱器一。盡管人的手指有另一根屈肌腱 - 插入到PIP基座的屈肌digitorumsuperficialis（FDS）肌腱课锌，我們“選擇不將FDS納入該機器人手的這個版本中，因為據(jù)報道祈秕， FDP“肌腱在等長任務中產(chǎn)生比FDS肌腱更大的指尖力[18]渺贤。
? IV。生物機器人手的性能
? 為了評估我們的＃NAME證明的效力请毛？“設計志鞍，在本節(jié)中，我們首先定量地”調(diào)查“指尖的軌跡方仿，然后定性地進行遠程操縱實驗固棚。實驗步驟“tup，pro-”仙蚜，cedures和結果在下面的章節(jié)中進行報告此洲。A.指尖軌跡
? “正如我們簡要提到的那樣，環(huán)和小小的人們將他們的合作關系視為抓手指委粉。它們的彎曲和伸展動作由一對Dynamixel伺服電機通過不同的滑輪傳動??裝置控制呜师，如圖8所示。使用這種滑輪結構的好處是除了內(nèi)置式之外還提供額外的手動兼容性因為它通過自動調(diào)整兩個插入位置之間的共享字符串長度來允許兩個抓取手指符合對象的輪廓贾节。但缺點是欠驅動機制也可能成為不確定性的來源汁汗，當兩個手指在兩種極端姿勢之間彎曲和伸直時，它們會變成某種未知的姿勢栗涂。
? “與戒指和小手指相比知牌，inde”，“x戴差，middle”和拇指每個都由兩個以上的伺服器驅動送爸，因此在這種情況下可以更好地控制它們铛嘱。在“指尖跟蹤實驗中暖释，我們選擇了兩個極端位置用于耦合環(huán)和小指”袭厂，然后“控制兩個伺服器大約每兩秒彎曲和直接耦合手指一次。附著在指尖上的反射標記的附件通過運動捕獲系統(tǒng)（Vicon Bonita）記錄球匕。圖8.標記的圖片顯示環(huán)形和小指的差分傳輸以及有選擇制造商的位置纹磺。注意：所有的標記坐標都記錄在前臂框架上。pec圖9亮曹。指環(huán)在20次重復的屈曲和伸展動作中移位橄杨。注意：類似的跟蹤數(shù)據(jù)被記錄并觀察到垃圾手指。
? 由7個240 Hz VGA分辨率的紅外攝像機組成照卦∈浇茫“Vicon系統(tǒng)已經(jīng)過校準，能夠在各個方向上檢測到0.5毫米的位移役耕。
? 為了避免標記堵塞和混淆的問題采转，我們在機器人手的“手腕附近”附加了前臂框架（參見圖8），以便我們一次可以記錄“指示器”軌跡的一個指尖瞬痘，并且“n在處理數(shù)據(jù)時將它們的坐標從默認的世界框架轉變?yōu)榍氨劭蚣芄蚀取＿@種前臂框架的使用還使我們能夠在手部運動過程中不斷改變機器人手的方向，以便為反光標記提供良好的視野框全。
? 從指環(huán)到指尖的笛卡爾坐標“和小手指非常相似察绷，因此”只有來自無名指的指尖繪制在圖9中。完整屈伸運動的20次重復的數(shù)據(jù)顯示出高度可重復性這表明我們的仿生手指設計和差速滑輪系統(tǒng)可以成功地組合起來構建可靠的機器人手津辩〔鸷常“投影到XZ平面后，圖10（b）中可以清楚地看到無名指和無名指的延伸軌跡丹泉。我們的實驗表明情萤，我們的仿生機器人手指的彎曲和伸展運動不遵循相同的軌跡。這兩條軌跡所包圍的區(qū)域覆蓋了無名指[19]的可到達工作空間的很大一部分摹恨。該彎曲軌跡與從人手指彎曲運動觀察到的對數(shù)螺旋曲線非常相似[20]筋岛。（a）
? （b）（c）
? 圖10.我們的仿生機器人手的指尖的軌跡。（a）指尖軌跡的3D散點圖晒哄。（b）指環(huán)的指尖軌跡投射到XZ平面上睁宰。（注：散點圖來自完整屈曲和延伸情緒的20次重復。）（c）指尖的軌跡投射到XZ平面上寝凌。
? 如圖7所示柒傻，變量“關節(jié)剛度由伸縮罩的滑動機構和彈性帶的彈性滑輪調(diào)節(jié)，肌腱鞘较木。
? 其他數(shù)字的指尖軌跡也被記錄下來红符。與預先確定的戒指和“小手指”輸入不同，人類通過我們定制的數(shù)據(jù)手套3操作遙控操作“拇指，中指”和拇指的重復動作3预侯。如圖1所示致开，“拇指運動的兩個主要組成部分”，“僅僅是屈曲/伸展和外展/內(nèi)收是分開測試的萎馅。與從環(huán)形和小指的預編程運動中收集的數(shù)據(jù)相比双戳，遠程操作會導致更多的分散數(shù)據(jù)點（參見圖9）。B.抓物和操作
? 為了進一步評估“我們的機器人手的整體性能糜芳，我們使用優(yōu)先列表中的31個對象進行了抓握和操縱實驗[21]飒货。在測試期間，操作人員用右手將不同對象遞送到“機器人手峭竣，同時”塘辅，用他的左手遙控操作機器人手的數(shù)字以通過數(shù)據(jù)手套抓住/操縱對象（見圖11）。這個過程被稱為遠程操作皆撩，其間有關數(shù)據(jù)手套的細節(jié)可以在[1“]中找到莫辨，但超出了本文的范圍。
? 圖11.顯示我們的仿生機器人手的遙操作過程的快照毅访。
? 圖12.我們的仿生機器人手實現(xiàn)的手分類（注意：參見[22]中的分類圖以便比較）沮榜。機器人手的運動既受同一操作者的手部運動和視覺反饋的控制和引導。這個實驗可以看作是人類操作員和機器人手之間合作抓握任務的系列喻粹，前者可以清楚地監(jiān)控抓取物體的狀態(tài)蟆融，而不會在抓取現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)阻塞問題（請參閱我們的視頻提交細節(jié)）∈匚兀“在抓握物體的過程中型酥，我們觀察到”不同的抓握姿勢可以自然地從“人類操作者到我們的仿生機器人手部”轉移，“尤其是拇指的運動查乒。這是因為我們的仿生機器人手成功地保留了人手的重要生物力學弥喉，從本質上決定了手部運動學。除了“需要獨立控制環(huán)和小指（見圖12）”之外玛迄，所產(chǎn)生的抓具覆蓋了大部分由人手分類[22“]定義的抓握類型由境。
? “最后但并非最不重要的，我們測試了我們的仿生機器人手的手中操縱能力蓖议。如圖13所示虏杰，通過一系列涉及使用所有數(shù)字的連續(xù)手動，白板橡皮擦被成功地從水平位置重新調(diào)整到垂直位置勒虾。有趣的是纺阔，圖13我們的仿生機器人的快照可以很好地控制白板橡皮擦的手動操作。
? 觀察到可以在沒有任何力反饋的情況下完成復雜的手動操作任務修然。Thisagain建議將機器人手的運動學匹配到其人類對手對于遙操作任務的成功是重要的笛钝。
? 五质况，結論和未來的工作
? 我們已經(jīng)設計并試制高度仿生機器人擬人的手密切mimicsthe與人工關節(jié)的人的手的IM portant生物力學“和韌帶。在這個過程中玻靡，我們首先IDEN” tified已限制擬人機器人的發(fā)展兩個關鍵制約因素雙手：缺乏對人手的正確翻譯的工程知識以及傳統(tǒng)機械關節(jié)造成的限制拯杠。然后，我們重新解釋并詳細說明如何將機器人學家易于理解的語言和方法復制出人類重要的生物力學優(yōu)勢啃奴。
? “在未來的工作中，我們計劃將雙肘腕表設計和已開發(fā)的指尖傳感器[23]融入我們的機器人手中雄妥，以便我們能夠進一步提高其”遠程操控性能“最蕾。另外，由于”不相似的相似性在我們的機器人手與其人類“對應物”之間老厌，我們將與生物學和組織工程學的研究人員合作瘟则，進一步探索其作為神經(jīng)假體和肢體再生新興領域中的生物制造裝置/支架的潛力。VI枝秤。CKNOWLEDGEMENT
? 這項工作得到了美國國家科學基金會的支持醋拧。作者要感謝HarborView醫(yī)療中心的Christopher Allan博士，他在“指導尸體手部解剖淀弹，并感謝Sv”etoslav Kolev幫助他設置Vicon實驗方面提供了幫助丹壕。R EFERENCES
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