一种高仿仿拟人机器人手臂的人造肢体再生设计

  Zhe Xu和Emanuel Todorov

  “摘要 - 从机器人学的解剖学到组织工程学的肢体再生，从广泛的研究领域可以受益于模仿人类手部显着特征的仿人机器人手。设计这种机器人手的挑战主要来自我们从工程角度对人手的有限理解以及我们利用传统机械设计复制重要生物力学特征的能力。我们认为，人类手部的生物力学是手部敏捷的一个重要组成部分，可以通过高度仿生的“设计”进行复制，为此，我们重新解释重要的“ 人类手部的生物力学优势从机器人学家的角度出发，并设计出一种仿人机器人手，用人造关节囊“人造”，“钩编”“韧带和肌腱，激光切割伸缩罩，”弹性皮带轮机构，我们通过实验确定了指尖的工作空间，并成功地证明了我们的概念验证设计可以进行遥控操作，以基于手分类的各种自然手势来掌握和操作日常物体。

  I.引言

  设计拟人化机器人手的重要性最可能起源于使用机动假肢手来恢复丢失的手的灵活性的期望。尽管关于人手灵巧的定义仍然没有达成共识，但是“在骨骼长度，肌腱分支以及肌肉伸长等方面发现的生物变异”[1]都表明灵巧性是一种高度个人特性，不仅受到个体“运动控制”能力的影响，而且与其所有者独特的“生物力学特性有着内在的联系，并且在不考虑生物差异的情况下，不能一概而论。传统的设计拟人化机器人手的方法通常涉及机械化生物部件“，包括铰链，连杆，使看似复杂的人类对应物变得流行。这种方法通常有助于理解和近似人类手部的运动学，但不可避免地会导致人类和机器人手部之间的不希望的差异。任何有能力的人类的独特生物力学，包括复杂形状的骨骼，“不同”的旋转轴和其他生物力学优势“可以被视为一个整体的有效物理系统。但是在机械化过程中大部分这些显着的特征都被丢弃了。尽管研究人员已经做出了大量的努力来解决这种控制方面的不匹配问题作者是美国华盛顿大学计算机科学与工程系，西澳大利亚州98195 使看似复杂的人类对应物变得流行。这种方法通常有助于理解和近似人类手部的运动学，但不可避免地会导致人类和机器人手部之间的不希望的差异。任何有能力的人类的独特生物力学，包括复杂形状的骨骼，“不同”的旋转轴和其他生物力学优势“可以被视为一个整体的有效物理系统。但是在机械化过程中大部分这些显着的特征都被丢弃了。尽管研究人员已经做出了大量的努力来解决这种控制方面的不匹配问题作者是美国华盛顿大学计算机科学与工程系，西澳大利亚州98195 这种方法通常有助于理解和近似人类手部的运动学，但不可避免地会导致人类和机器人手部之间的不希望的差异。任何有能力的人类的独特生物力学，包括复杂形状的骨骼，“不同”的旋转轴和其他生物力学优势“可以被视为一个整体的有效物理系统。但是在机械化过程中大部分这些显着的特征都被丢弃了。尽管研究人员已经做出了大量的努力来解决这种控制方面的不匹配问题作者是美国华盛顿大学计算机科学与工程系，西澳大利亚州98195 这种方法通常有助于理解和近似人类手部的运动学，但不可避免地会导致人类和机器人手部之间的不希望的差异。任何有能力的人类的独特生物力学，包括复杂形状的骨骼，“不同”的旋转轴和其他生物力学优势“可以被视为一个整体的有效物理系统。但是在机械化过程中大部分这些显着的特征都被丢弃了。尽管研究人员已经做出了大量的努力来解决这种控制方面的不匹配问题作者是美国华盛顿大学计算机科学与工程系，西澳大利亚州98195

“”电子邮件：zhexu@cs.washington.edu，todorov@cs.washi“ngton.edu图1.完全组装的仿生机器人手左：仿生机器人手系统的手掌部分Topright：背部右下：与内在肌肉结合在一起的激光可伸缩护罩注意：仿生机器人手的总重量小于1公斤（942克），包括执行系统。“和传感方面，很少有工作已经完成“以减少与生物力学角度的差距。

  我们提出的方法的一般方法是首先识别人手的重要生物力学信息，然后仿生复制它。这允许具有与人对应物相同的运动学特性和甚至动态特性的近似复制品。我们的设计利用了几种重要的快速成型技术：骨骼的形状可以先用激光/ MRI扫描仪捕获，然后用详细的表面特征（如关节形状和肌腱插入位点）进行3D打印;软组织可以通过使用顺应性硅胶来模拟机械性能与皮肤相匹配的橡胶。

  “如图1所示，我们的方法导致了一种高度仿生的拟人化设计，这将对机器人学和生物学领域的研究产生潜在的影响。除了在操作人员可以直接将他/她自己的敏捷性“转移到机器人手上”的远程操作方面的明显应用之外，它还可以帮助医学和生物学研究在物理上保留人体生物力学数据并且用作肢体的3D支架再生研究。

  “在接下来的部分中，我们首先回顾了与工作相关的内容，并介绍了我们的设计动机。然后，我们重新解释人类手中重要的生物力学，同时详细描述了我们的拟人化机器人手的仿生设计和原型制作过程，之后我们试验性地研究了每个人的手工工作空间手指和拇指。在第二部分，我们通过抓握和操纵实验，通过实验论证了我们的概念验证设计的有效性。

  II。相关的工作和动机

  为了正确定位我们提出的仿生机器人手的设计，在本节中，我们首先简要回顾“机器人技术中最相关的过去工作，然后”解释高度仿生机器人手的潜在应用“在医学和生物学研究中的应用为此，我们“形成了我们的设计理念。

  A.拟人机器人/假肢手

  许多先进的拟人机器人手在过去的十年中得到了发展。正如最近的综述[2]中所完全概括的那样，它们每一个在驱动速度，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。“无论如何分享机械化生物对应物的相同设计概念。他们的设计理念可以追溯到为工业装配“机器人，配备接头和触觉传感器”开发的技术，这种类似人类的机器人手的运动可以看作是五个小型高精度工业机器人在手掌大小的空间。解剖学校正的测试床（ACT）手[3]的发展是在解剖学水平上复制人手的第一次尝试。然而，它的内部机制仍然基于“铰链和平衡环”，因此我们将它归类为“一种特殊类型的拟人化机器人手。这些机器人手的机制与人手的生物力学之间固有的不匹配基本上阻止了使用自然的手部运动来直接控制它们。因此他们中没有一个能够达到人类的灵活性。假肢手的发展很大程度上依赖于我们从建造拟人机器人手中吸取的经验教训。最先进的假肢手可以通过两种不同的方法进行控制：使用非侵入性方法，如从残肢收集的肌电图（EMG）信号或目标肌肉再神经支配区[4]; 或使用侵入性方法，如将微电极直接植入大脑运动皮层[5]或用小型化电极将外周神经套住以收集控制输入[6]。假手的控制基本上依赖于人的大脑。因此，如果假体的设计可能更类似于其生物对应物，那么相同的神经假体技术可能更有效。“与以前的这些设计相反，我们建议”使用高仿生设计来保存人手的显着特征。我们的设计旨在最大限度地减少机器人和人手之间的设计不匹配，从而实现更高效的控制和更广泛的应用。

  B.医学和生物学研究的设计工具

  我们设想我们的仿生手将成为医学和生物学研究的有用工具。移植手是迄今为止失去的人手唯一的现有生物替代物。然而，长期等候的名单和寻找合适捐助者的机会不大，因此不得不在医院中定期实行这一方法。关于终身拒绝的副作用仍有争议。在相关年份，生物学家开始研究通过生物加工再生组织和器官的可能性：生物相容材料现在可以印刷形成骨结构[7]，“可生物降解的人造韧带被用来代替”撕裂的前十字韧带韧带[8]，人类已经在培养皿内成功培养[9]，而“ 在正确的条件下，外周神经也可以再生[10]。所有这些有前景的技术都需要合适的支架来生长接枝细胞。当涉及到再生厘米尺度的肢体时，诸如“老鼠前肢，脱细胞尸体部位”这样的“”需要作为支架[11]。然而，即使相同的技术可以“扩大人体足迹”，“捐赠者”的局限性最终也可能成为瓶颈。此外，在医学研究中，大多数在尸体上进行的体内研究面临着不断变化的条件有机组织的衰变过程是不可逆的。由个体差异引起的生物变异的问题也会导致持久的争论。

  仿生人手的生物力学仿生拟人机器人手可首先在机器人实验室验证，然后用生物兼容材料批量生产以满足不同医疗/生物应用的要求。虽然人们通常认为不需要直接复制生物计数器部件的生物蓝图，但可以复制人类手部的关键生物力学特征。成功的关键在于从工程角度和实现结果的能力，彻底理解人手的生物力学。III。D高度生物模型的发展

  机器人手

  “在本节中，我们从以下几个方面确定了重要的生物组织”塑造人手运动的机械特征“：骨骼，关节，韧带，肌腱，伸肌罩和腱鞘，而不是实验室“直接从手外科医生的角度去挖掘人的手，在下面的每个小节中，我们将解释工程语言中的基本手部生物力学，然后讨论如何用我们的仿生设计来复制这些特征。

  A.骨骼和关节

  “如图2所示，人手有四个手指和一个拇指，由27个包含8个紧密包装的小腕骨1的骨头组成。每个手指1我们有兴趣了解能够“手指移动”的关节机制，因此手腕骨骼（除了“梯形骨头”）不在我们此阶段的调查范围内。

  图2.人类左手的骨骼和关节的定义（由[12]修改）。注意：梯形骨显示为红色。三个指骨和一个掌骨。拇指是一个“例外，除了”掌骨之外，它只有两个指骨。但可以反对的拇指说明了整个手部功能的大部分。已经发现位于拇指基部的梯形骨是使拇指相对的关键部件（在图2中以红色标记）。与拇指的掌骨“骨”一起，它们形成拇指的腕掌（CMC）关节。关节是两个相邻骨头之间的连接，其共同的接触表面确定关节的可能运动。不同类型的关节有助于“不同组的手指运动，称为跑步” 议案（ROM）。掌指关节（MCP）由指骨与掌骨连接形成。根据到MCP关节的距离，存在“两种以上”类型的关节，即近端中间“geal（PIP）关节和远侧指间关节（DIP）关节。基于这个定义，拇指只在两个拇指指骨之间有一个DIP接头，在弯曲运动过程中，“三个”指关节作为机械铰链工作，然而，“MCP关节有一组额外的主动ROM允许手指“从一侧移动到另一侧，这就是所谓的”外展“和内收（ad / b）运动。另外，MC”P关节还有一个被动ROM允许扭转运动“手指指骨的轴线，因此，在“ 在“四根手指”的情况下，我们只关注于“划分”MCP接头的机构，因为1-DOF P“IP和DIP接头可以看作是一个简化的情况。不同于“手指，复杂的拇指运动”是由于CMC联合处的梯形和第一枚腕骨之间的接触造成的。由于“梯形骨的不规则形状”（见图3），其“关节”轴的确切位置仍在争论中，但CMC关节常被解释为允许拇指具有的鞍形关节（内收）和下（伸展），“弯曲（弯曲）和拉直（伸展），以及”移动手掌（反对）的能力。是由于CMC联合处的梯形和第一枚腕骨之间的接触所致。由于“梯形骨的不规则形状”（见图3），其“关节”轴的确切位置仍在争论中，但CMC关节常被解释为允许拇指具有的鞍形关节（内收）和下（伸展），“弯曲（弯曲）和拉直（伸展），以及”移动手掌（反对）的能力。是由于CMC联合处的梯形和第一枚腕骨之间的接触所致。由于“梯形骨的不规则形状”（见图3），其“关节”轴的确切位置仍在争论中，但CMC关节常被解释为允许拇指具有的鞍形关节（内收）和下（伸展），“弯曲（弯曲）和拉直（伸展），以及”移动手掌（反对）的能力。

  “在设计机器人手时，机器人研究人员经常会在拇指的CMC关节处形成复杂的骨骼形状。左：第一掌骨梯形骨的常见机械类比“（以红色显示，由[12]修改）右：用于解释不同拇指运动的固定关节轴。

  选择用于MCP接头的2自由度万向节。万向节善于在轴上传递旋转运动“，但缺少允许手指在MCP接头处相对于轴向被动扭转的1-DOF。当涉及设计CMC接头时，同样的问题会变得更加严重。因为CMC关节不仅需要鞍形表面，而且还需要弯曲的旋转轴，以支持“旋转”，“滑动，平移和旋转运动[13]”。“因此，现有的拟人机器人手中没有一个可以恢复常规机械关节的自然拇指运动“，使用固定的旋转轴，另外，关节面的规则形状也是分布应力的原因。据估计，1kg的尖端夹紧将在CMC接头处产生12kg的接头压缩。论坛力量“的抓地力，负荷可能变得高达120公斤[14”]。为了最大限度地保留骨骼和关节的重要表面特征，我们从尸体骨骼手的激光扫描模型中3D打印人造骨骼[15]。如图1所示，我们机器人手指的所有手指部分（不包括执行器支架）都可以打印在一个20“×20厘米的托盘上（Dimension BST 768，Stratasys）。内部结构和“零件（0.025毫米）的分辨率，总打印时间可能会少于20小时。为了最大限度地保留骨骼和关节的重要表面特征，我们从尸体骨骼手的激光扫描模型中3D打印人造骨骼[15]。如图1所示，我们机器人手指的所有手指部分（不包括执行器支架）都可以打印在一个20“×20厘米的托盘上（Dimension BST 768，Stratasys）。内部结构和“零件（0.025毫米）的分辨率，总打印时间可能会少于20小时。为了最大限度地保留骨骼和关节的重要表面特征，我们从尸体骨骼手的激光扫描模型中3D打印人造骨骼[15]。如图1所示，我们机器人手指的所有手指部分（不包括执行器支架）都可以打印在一个20“×20厘米的托盘上（Dimension BST 768，Stratasys）。内部结构和“零件（0.025毫米）的分辨率，总打印时间可能会少于20小时。

  B.关节韧带

  每个手指关节的ROM受到韧带长度的限制，如图4所示，韧带是在两个相邻骨骼两侧插入纤维组织的全部带。两个重要的分支称为侧韧带。类似的结构可以在长度和厚度变化的所有手指关节中找到。它们的作用是稳定关节，塑造ROM，并预防每个关节侧向弯曲，例如，在MCP“关节处，侧副韧带起源于掌骨的背侧并靠近“邻近手指指骨的手掌侧”，这样，当手指弯曲时，整理“拉筋”变得紧张，一旦手指伸直，就变得松弛。这就是为什么我们的食指很容易“

  图5. 3D打印手指的骨架由钩状韧带和激光切割关节软组织连接。注意：所有钩编的韧带在他们的生物学插入位置用1毫米螺钉固定。在手指的手掌侧叫做手掌板。就像“侧副韧带一样，掌侧板也有插入骨骼的两侧。其功能是防止超延伸手指畸形的发生。与其他辅助韧带和软组织一起，侧副韧带和掌侧板形成被称为关节囊的重要结构。

  我们的人工关节囊设计允许每个机器人手指快速组装，如图5所示。一对钩状韧带用于模拟位于每个手指关节侧面的两侧副韧带。同样，“功能的掌侧板被替换为穿过每个关节锚定的两根钩状韧带。激光切割橡胶片被用来模仿软组织提供像人类一样的柔顺性，基于每个关节的ROM，这些组件的尺寸在大小和长度上都有所不同。与我们之前提出的联合设计[16]相比，我们的设计大大缩短了制造时间。

  C.肌腱和肌肉

  “在骨骼和肌肉之间，人类手中有两组肌肉束。矫正“手指称为伸肌腱的手指，手指上的手指称为屈肌腱。肌腱的游走情绪起源于位于前臂的相应肌肉群。如果我们将肌肉视为“输出收缩力的致动器”，则手的肌腱作为传动系统，巧妙地分割力并顺畅地将扭矩传递到每个手指关节。如图6（a）中所示，从手腕开始，伸展部或肌腱分叉并且在手指骨的背侧具有多个插入部位。在手掌侧，通过腕管，屈肌腱（见图1）。6（d））通过一系列类似滑轮的肌腱鞘行进到骨头的手掌侧，最终插入DIP和PIP关节的基部。两个肌腱组的合作情绪使流畅的手部运动成为可能。直接连接到屈肌和伸肌腱中央分支的大肌肉群被称为外肌。他们大多数来自肘部，并有位于前臂的肌肉腹部。然而，也存在几个称为内在肌肉的小肌肉组，其通常足够苗条以存在于两个相邻掌骨之间的间隙中。这些小肌肉中的大部分从手腕开始并且连接到MCP关节附近的每个手指的伸肌腱的细支（伸肌罩）。这些内在肌肉的一个重要功能是在各种手部活动期间在手指关节处提供被动反射介导的僵硬。我们“使用弹性的激光切割橡胶片来模仿这些小肌肉作为关节稳定机制（见图1）。“总共有10个Dynamixel伺服器（9个MX-12W和AX-12A）被用来模拟重要的大肌肉并驱动我们提出的机器人手（如图1所示）。两个舵机用于通过差速滑轮传动装置控制环和小指的弯曲和伸展（见图8）。食指和中指分别由两对舵机控制，以便每个舵机都可以独立弯曲和伸直。另外，他们还在其MCP接头2上共享一个用于耦合控制的额外伺服系统。我们使用三个执行器来控制这个问题。其中之一是AX-12A Dynamixel伺服器，其齿轮比（254/1）大于其他（32/1），用于拇指的伸展和外展。另外两个拇指舵分别控制屈曲和内收“运动”。手掌有一个未固定的DOF，依靠环和小指的弯曲运动。尽管当前版本的手腕只能作为“测试手指的非凡基础”，但它的电缆布线结构却非常模仿人手的帽子隧道。

  D.伸缩罩

  我们日常工作中涉及手部运动的大多数工作都需要肌肉与屈肌肌腱连接的收缩，因此在抓握过程中，肌腱主要作为一个不断调节指关节扭矩的断裂系统。断裂系统的功能依赖于被称为伸展者“罩”的纤维结构，伸缩罩是一种薄的，复杂的和基于“基于ollagen的”网状结构，可以直接环绕手指。“在我们目前的设计中，外展/内收“运动被所有手指的MCP关节处集成的激光切割内在肌肉被动调节

  图6.人类左手伸肌和屈肌肌腱重要的生物力学优势（a）伸肌肌腱示意图。（b）伸缩罩的简化几何表示。（c）手指屈曲时PIP关节的扭矩调节。（d）屈肌腱的示意图。（e）手指弯曲过程中附加护套（皮带轮）的膨胀过程。（f）弯曲手指的机械类比，显示在弹性滑轮的作用下臂力矩增加。背侧的指骨。如图6（b）所示，它的结构可以几何地表示为一个双层网。伸肌罩的第一层称为侧带。它在DIP j“oint的基部有一个插入位置，并且”分成穿过PIP关节的两个小韧带。这种分裂机制根据手指在弯曲过程中的不同姿势（图6（c））巧妙地调节PIP关节的断裂力矩。如在侧面“视图中所示，当手指伸直时，两个小的”韧带位于PIP关节的旋转轴上方，作为伸肌腱的分支。当屈肌腱保持拉力“，伸肌腱伸展时，肌腱开始弯曲过程，在此过程中，两个小韧带继续从PIP关节滑落并最终”向下通过旋转轴线。伸肌腱仍然通过腹板结构将力传递到两个“小分支中，两个分支不再像”PIP关节处“的伸肌腱一样运动，而是通过提供PIP关节处增加的弯曲力矩来开始帮助弯曲手指。当手指“直起来时，上述过程在转换顺序中重复。伸缩罩的第二层已知为在PIP接头的底部具有插入点的中心滑动。其功能是帮助延长/弯曲PIP接头。其肌腱分支之一通常连接到一个小的内在“肌肉，即lumbrical肌肉。据报道，lumbricals在”MCP关节“中起屈肌腱的作用，但可以通过通过伸肌机构。由于它的大小和插入位置的不同，lumbricals的功能还没有得到“一致同意”。

  “如图1所示，高弹性橡胶片首先被激光切割成伸缩罩的形状（内部肌肉整合），然后在生物学插入位置附着到手指的骨架（参见图7）到模仿“伸缩罩的被动行为，离开”伺服系统，通过滑动机构实现手指的主动伸展。这是我们并入我们机器人手部设计中的重要生物力学优势。E.肌腱鞘

  “如图6（e）所示，肌腱鞘是包绕屈肌腱的纤维组织，并且在手指骨的背侧具有多次插入。由于它们的“重要功能，肌腱的每一部分”的健康都是根据它们到MCP关节的距离，在手部解剖的术语中以编号的环形滑轮命名。机械工程师设计不同的滑轮系统以施加力并通过电缆传输动力。人手中的肌腱鞘作为一系列弹性滑轮来帮助有效地将肌肉的屈曲力传递到关节。由于当手指弯曲时手指伸直并凸出时肌腱鞘可以变平坦[17]。

  “如图6（e）和（f）所示，如果柔性”肌腱开始以恒定的力量拉直手指“和速度，”关节处的初始力臂很小，因此可能导致快速弯曲运动的手指，但在关节处产生小的屈曲扭矩。然而，当“手指开始弯曲时，护套上的趋向的膨胀效应”极大地增加了关节处的力臂，导致手指运动减慢，并且屈曲力矩迅速增大。“通过弹性滑轮系统，人手可以在接近”物体时保持手指关节处的扭矩较小，但在形成手柄时可快速将大扭矩传递至“手指关节。结合滑翔的“机制，这是另一个生物力学优势”

  “如图7所示，使用三块激光切割的ru”bber薄片模仿弹性皮带轮机构。屈肌腱由高强度光谱制成

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  图7.组合手指的快照显示了伸屈罩的滑动机构和手指弯曲期间腱鞘的膨胀效应。

  （200N屈服强度）通过多个铆钉加强端口穿过橡胶腱鞘。我们的机器人手的屈肌腱模仿人手屈指深腱（FDP）肌腱。尽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，我们“选择不将FDS纳入该机器人手的这个版本中，因为据报道， FDP“肌腱在等长任务中产生比FDS肌腱更大的指尖力[18]。

  IV。生物机器人手的性能

  为了评估我们的＃NAME证明的效力？“设计，在本节中，我们首先定量地”调查“指尖的轨迹，然后定性地进行远程操纵实验。实验步骤“tup，pro-”，cedures和结果在下面的章节中进行报告。A.指尖轨迹

  “正如我们简要提到的那样，环和小小的人们将他们的合作关系视为抓手指。它们的弯曲和伸展动作由一对Dynamixel伺服电机通过不同的滑轮传动​​装置控制，如图8所示。使用这种滑轮结构的好处是除了内置式之外还提供额外的手动兼容性因为它通过自动调整两个插入位置之间的共享字符串长度来允许两个抓取手指符合对象的轮廓。但缺点是欠驱动机制也可能成为不确定性的来源，当两个手指在两种极端姿势之间弯曲和伸直时，它们会变成某种未知的姿势。

  “与戒指和小手指相比，inde”，“x，middle”和拇指每个都由两个以上的伺服器驱动，因此在这种情况下可以更好地控制它们。在“指尖跟踪实验中，我们选择了两个极端位置用于耦合环和小指”，然后“控制两个伺服器大约每两秒弯曲和直接耦合手指一次。附着在指尖上的反射标记的附件通过运动捕获系统（Vicon Bonita）记录。图8.标记的图片显示环形和小指的差分传输以及有选择制造商的位置。注意：所有的标记坐标都记录在前臂框架上。pec图9。指环在20次重复的屈曲和伸展动作中移位。注意：类似的跟踪数据被记录并观察到垃圾手指。

  由7个240 Hz VGA分辨率的红外摄像机组成。“Vicon系统已经过校准，能够在各个方向上检测到0.5毫米的位移。

  为了避免标记堵塞和混淆的问题，我们在机器人手的“手腕附近”附加了前臂框架（参见图8），以便我们一次可以记录“指示器”轨迹的一个指尖，并且“n在处理数据时将它们的坐标从默认的世界框架转变为前臂框架。这种前臂框架的使用还使我们能够在手部运动过程中不断改变机器人手的方向，以便为反光标记提供良好的视野。

  从指环到指尖的笛卡尔坐标“和小手指非常相似，因此”只有来自无名指的指尖绘制在图9中。完整屈伸运动的20次重复的数据显示出高度可重复性这表明我们的仿生手指设计和差速滑轮系统可以成功地组合起来构建可靠的机器人手。“投影到XZ平面后，图10（b）中可以清楚地看到无名指和无名指的延伸轨迹。我们的实验表明，我们的仿生机器人手指的弯曲和伸展运动不遵循相同的轨迹。这两条轨迹所包围的区域覆盖了无名指[19]的可到达工作空间的很大一部分。该弯曲轨迹与从人手指弯曲运动观察到的对数螺旋曲线非常相似[20]。（a）

  （b）（c）

  图10.我们的仿生机器人手的指尖的轨迹。（a）指尖轨迹的3D散点图。（b）指环的指尖轨迹投射到XZ平面上。（注：散点图来自完整屈曲和延伸情绪的20次重复。）（c）指尖的轨迹投射到XZ平面上。

  如图7所示，变量“关节刚度由伸缩罩的滑动机构和弹性带的弹性滑轮调节，肌腱鞘。

  其他数字的指尖轨迹也被记录下来。与预先确定的戒指和“小手指”输入不同，人类通过我们定制的数据手套3操作遥控操作“拇指，中指”和拇指的重复动作3。如图1所示，“拇指运动的两个主要组成部分”，“仅仅是屈曲/伸展和外展/内收是分开测试的。与从环形和小指的预编程运动中收集的数据相比，远程操作会导致更多的分散数据点（参见图9）。B.抓物和操作

  为了进一步评估“我们的机器人手的整体性能，我们使用优先列表中的31个对象进行了抓握和操纵实验[21]。在测试期间，操作人员用右手将不同对象递送到“机器人手，同时”，用他的左手遥控操作机器人手的数字以通过数据手套抓住/操纵对象（见图11）。这个过程被称为远程操作，其间有关数据手套的细节可以在[1“]中找到，但超出了本文的范围。

  图11.显示我们的仿生机器人手的遥操作过程的快照。

  图12.我们的仿生机器人手实现的手分类（注意：参见[22]中的分类图以便比较）。机器人手的运动既受同一操作者的手部运动和视觉反馈的控制和引导。这个实验可以看作是人类操作员和机器人手之间合作抓握任务的系列，前者可以清楚地监控抓取物体的状态，而不会在抓取现场发现阻塞问题（请参阅我们的视频提交细节）。“在抓握物体的过程中，我们观察到”不同的抓握姿势可以自然地从“人类操作者到我们的仿生机器人手部”转移，“尤其是拇指的运动。这是因为我们的仿生机器人手成功地保留了人手的重要生物力学，从本质上决定了手部运动学。除了“需要独立控制环和小指（见图12）”之外，所产生的抓具覆盖了大部分由人手分类[22“]定义的抓握类型。

  “最后但并非最不重要的，我们测试了我们的仿生机器人手的手中操纵能力。如图13所示，通过一系列涉及使用所有数字的连续手动，白板橡皮擦被成功地从水平位置重新调整到垂直位置。有趣的是，图13我们的仿生机器人的快照可以很好地控制白板橡皮擦的手动操作。

  观察到可以在没有任何力反馈的情况下完成复杂的手动操作任务。Thisagain建议将机器人手的运动学匹配到其人类对手对于遥操作任务的成功是重要的。

  五，结论和未来的工作

  我们已经设计并试制高度仿生机器人拟人的手密切mimicsthe与人工关节的人的手的IM portant生物力学“和韧带。在这个过程中，我们首先IDEN” tified已限制拟人机器人的发展两个关键制约因素双手：缺乏对人手的正确翻译的工程知识以及传统机械关节造成的限制。然后，我们重新解释并详细说明如何将机器人学家易于理解的语言和方法复制出人类重要的生物力学优势。

  “在未来的工作中，我们计划将双肘腕表设计和已开发的指尖传感器[23]融入我们的机器人手中，以便我们能够进一步提高其”远程操控性能“。另外，由于”不相似的相似性在我们的机器人手与其人类“对应物”之间，我们将与生物学和组织工程学的研究人员合作，进一步探索其作为神经假体和肢体再生新兴领域中的生物制造装置/支架的潜力。VI。CKNOWLEDGEMENT

  这项工作得到了美国国家科学基金会的支持。作者要感谢HarborView医疗中心的Christopher Allan博士，他在“指导尸体手部解剖，并感谢Sv”etoslav Kolev帮助他设置Vicon实验方面提供了帮助。R EFERENCES

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