机器之心报道
作者：魔王、小舟、陈萍
现实版 T-bag 机械手来了。意大利技术研究院创造类似人手的手部假肢，相关研究登上了最新一期 Science Robotics 封面。
还记得美剧《越狱》里的著名角色 T-bag 吗？在第二季里他被人砍了手，从此实力大减。在回归的第五季，有人为了让他能够更好地执行任务，帮他装了一个全功能的机械手。
我们已经见证过越来越多科幻电影里的内容成真，而这一次我们只等了三年。在昨天刚刚刊发的 Science 子刊《Science Robotics》上，具有和人手同等能力的机械手登上了封面。
该研究创造出来的机械手「Hannes」与人手极为相似，能够执行许多日常动作，比如擦桌子：
把物品收起来，或者摆出来：
甚至可以抓握住圆柱形的物体，比如握住伞柄：
它还具备很强的适应性，可以抓握住递给它的任何物体，甚至刁钻的角度也难不倒它。比如把易拉罐的底部递到这只「手」上，它依然可以轻松握住瓶底，并在对方试图拿走时松开手：
能够实现类似人手的功能并非易事，现在我们就来了解它的原理和构造。
Hannes：这只手部假肢可以媲美真的人手？
用具有同等能力和效果的人工装置替代人手是一项长期挑战。即使是具备多自由度的最先进手部假肢，也无法达到人手的复杂性、灵活性和适应性。因此，假肢被用户放弃的比率很高。
最近，意大利技术研究院创造了一种叫做「Hannes」的手部假肢，它融合了关键的仿生特性，因而与人类的手极为相似。通过整体设计方法以及研究人员、患者、整形外科医师和工业设计师的共同开发工作，「Hannes」可同时实现精准拟人、仿生性能以及类似人的抓握行为，性能超过日常生活活动（ADL）所需。
为了评估 Hannes 的有效性和可用性，研究人员在截肢患者身上进行了试验。在为期大约 2 周的试验前后分别进行了测试和问卷调查，结果表明截肢患者可以自主使用 Hannes 在家中进行日常生活操作。研究者还通过实验验证了 Hannes 的高性能和类似人类的抓取行为。尽管 Hannes 的速度仍然低于人手，但实验表明，与现有的研究或商用设备相比，Hannes 的性能有所提升。
Hannes 系统概览
Hannes 主要由三个相互作用的物理部件组成：肌电多关节假肢手，由差动欠驱动装置实现；被动屈伸（F/E）腕关节模块；肌电接口 / 控制器，包括两个表面肌电图 (sEMG) 传感器、电池组和控制电路。如图 1A 所示：
图 1：Hannes 系统概览。A，Hannes 架构；B，未被手套覆盖的 Hannes 外观；C-G，Hannes 执行日常生活动作。
Hannes 的机电构造。
这三个组件旨在实现拟人化、仿生性能和类人抓取，而这三个特性在以往的研究中被证明是决定假肢整体效果的关键。这些特性已通过整体仿生设计方法得到实现，参见下图 2：
图 2：Hannes 的整体仿生设计方法。
Hannes 的高度拟人化
图 3A 显示了 Hannes 的高度拟人化：中指中近端直径的最大差异为 4.8%，与参考手模型极为相似。关于运动学，图 3B 表明除远端指间（DIP）关节外的所有手指自由度均已实现，为了实现在功能和复杂性之间的权衡，DIP 关节被省略并设置为固定角度。拇指的运动学情况有所不同，指间关节（IP）和掌指关节（MCP）被锁定。
图 3：Hannes 的人体测量。
为了进行全面的比较，图 3C 展示了 Hannes 自由度与人手和 Michelangelo 假肢相比的角度偏移（Michelangelo 假肢与其他现有假肢相比拟人化程度更高，被用作黄金标准）。除了锁定 DIP 关节外，Hannes 的关节活动度（ROM）大体上接近人手，并且比 Michelangelo 假肢的 ROM 更具仿生性。
利用被动腕部弹性，增强 Hannes 的适应性
Hannes 另一个重要的组成部分是手近端的被动屈伸腕关节。该模块基于相互作用力自然地进行腕部屈伸，并且能够实现抓握的鲁棒性和对任务的适应性。
直观的接口和无缝抓取的直接策略
关于控制和接口，出于可靠性、鲁棒性和实用性的考虑，研究者决定采用直接 EMG 控制，将上述属性的实现留给高级硬件设计来解决。
两个 sEMG 传感器用于检测截肢患者的残肢肌肉活动情况，即前臂屈肌和伸肌的肌肉收缩，它们分别用于关闭和打开设备并对设备进行控制。这两个 sEMG 传感器被放置在插槽内，并通过嵌入在「EMG 处理板」（EMG processing board）中的调节控制模块与 Hannes 手连接，它可以返回控制信号，并将其发送至「电机控制板」（motor control board）模块。
Hannes 系统由一个电池组进行供电，续航时间为 1 天。在不使用系统时，使用磁性插头可以为电池充电。该系统使用的控制器中存在一种比例关系，即它向 Hannes 手发送速度参考值，速度参考值会随着肌肉的活力成比例增加。该系统能够针对每个使用者调整控制参数，以精细控制每个患者所用设备的动作和力量。
实验
实验评估的结果表明：Hannes 能够满足前面提到的要求。拟人程度主要和设计相关，于是该研究通过实验评估了另外两个特性：仿生性能和类人抓握行为。
仿生性能超过 ADL 所需
图 4：力和速度实验
上图显示，掌指关节（MCP）的速度峰值可达 4 rad/s (229°/s)，而近端指间关节（PIP）的速度峰值约为该值的一半。Hannes 能够在不到 1 秒的时间内实现完全闭合。
类似于人的协同行为
为了确定 Hannes 与人手协同运动行为的相似程度，该研究进行了运动学分析。
图 5 (C) 和 (D) 分别展示了在握住图 5 (A) 和图 5 (B) 中的物体时，Hannes 和人手关节角度的 Pearson 相关性。
图 5：Hannes 及其协同行为的运动学分析。
下图展示了 Hannes 和人手的协同：
初步临床试验
此外，该研究还在截肢患者身上进行了临床试验，并在试验前后分别做了测试和问卷调查。下图总结了测试和问卷调查分数的变化情况。
图 6：测试和问卷得分的提高率。
参考链接：https://robotics.sciencemag.org/content/5/46/eabb0467
如何根据任务需求搭配恰当类型的数据库？
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原标题：《这是现实版T-bag机械手？相关研究登上Science子刊封面》
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