仿生机器手的发展和运用

来源:用户上传      作者: 顾嘉维 王斌

　　BioArm是一个中等规模的综合项目，同时它也是大学生创新计划关于机械工程一块的重要组成部分。我本人是这个项目的参与者之一，它的目标是研究出人类是如何通过操纵物体，用一只仿造人类的有关节的机械手去再生抓握物体的能力和它的运动能力，以此赋予它更强的独立自然生产力，以及更有效的运动力。“除了追求技术上的先进，有关各种学问研究的基础方面也是目前我们工作内容所涉及到的。这样一来我们可以给机械手系统提供先进的洞察力、高水准的信息掌控力以及智力的基本元件，这些可以使它识别出物体和行为的前后关系。”此项目上海同济大学研究小组的首席研究员，以及系统工程与自动化系的教授是这样对人们讲解的。
　　在我看来，在视觉感知、电影技术和动力系统方面，而我们的团队已经取得了非常不错的成绩。这些使系统能够通过周遭环境识别出物体，并且将信息传递给机械手的规划和运动系统。
　　研究人员正在调研的机械手主要是由大量机械化铝和塑料的高精度切片组成，传感器和运动系统也同样如此。它总共有20个制动器可以做24次运动，就像人类的手一样。它的大小和普通成年男子的手一样，大约4公斤重。据一名项目合作伙伴人，同时也是负责制造生产机械手的工程师说，当前，在同济大学小组开发的此版本的机械手，成本已高达9万人民币左右。
　　然而，在仿效人体上肢制造机械手的过程中，我们发现这一切出现了一些问题。
　　当我们尝试用机器人系统去重新创造人体上肢的运动时，许多复杂的问题必须要得以解决。第一个问题是，缺少空间。“人体的上肢是非常完整的，但如此有限的空间对我们而言却是一种挑战，因为我们要想尽办法将所有必要的零件装置进机械手中，并且还要考虑到机械手的移动性要与人体上肢的移动性相似，这就需要整合所有的制动器。”
　　第二个问题是，当前市场上并没有体积足够小的传感器适合用来整合进装置中，这样一来就无法使装置具有与人体上肢相似的敏感性，精确的运动就无法完成了。最后个问题是，尽管从机械和感知的角度上来说，研究人员可能会成功的制造出一个完美的机器人，但毕竟缺少了智力的元素，这种装置既不能独立地运行，也不能将运动和控制与物体的特性相适应，比如几何结构，质地，重量，或者用途等等。
　　“你握住一把螺丝刀，把螺丝刀传给别人，或者把螺丝刀收起来，跟你使用它，是完全不同的。因为当你使用它时，你需要在手里将它调整成到一个合适的使用位置。而这一位置，对于机械手而言，是由智力部分所决定的。”研究人员说道。“一只机械手只有在科幻电影中才可以独立执行这一表面上看来简单的任务”。但是按照我的个人估计，建立一只与人体那样精确、独立而又灵敏的机械手，并且让它可以执行这种复杂的任务，这一领域的研究大约需要15年左右，但是随着工程学的不断发展，时间也有可能一定的缩短。
　　在现有的基础上，机械手最大的用途是用来帮助中风患者。由于中风患者手脚不便，去握放物体的时候运用机械手是其走向变化的最大一步。我们组织一些志愿者来参与研究，但是尽管受影响的手既不是完全的麻痹，也不是没有感觉，每个参与者至少都有些中等残留的弱处，而另外那只健全的手的功能也会被削弱。一名女士和两名男士在参与初步研究并使用这类机械装备之前，都经受了至少3个月的中风。
　　运作过程中，大多数自发的改进发生在中风之后的三个月内，之后便进入平稳期，机器人协助治疗对于重组大脑神经系统有帮助，并且在很久以后可以使虚弱的肢体更好地移动。这一切远远超过了我们对其发展的原本预期。
　　先前，机械装置已经提高了中风病人肩膀和大腿的移动功能。同济大学机械工程教授杨洁说，这项研究是首次尝试特别帮助提高肢体功能的研究之一。昨天在中国厦门的中风协会举行的2011年度国际中风会议上，我们提供了协会所需要的的调研结果。
　　在中国UCI大学的研究人员改进之后，BIOARM能帮助病人握放普通的物体。这种机械装置卷绕在手周围，伴随着一个电脑程序，可以通过物理治疗程序来指导病人。BioARM使用者开创了手部运动，加上机器人的监督和协助行动，便可以达到预期的治疗目标。
　　“BioARM疗法并不乐观，病人必须安装这个程序并且开创发动指令。” 杨洁说道，“但是如果手部是十分虚弱的只能挪动0.1英寸，机器人帮助完成这个任务这样大脑可以重新学习有可能发挥充分运动。”
　　在研究中，病人的平均年龄是63岁，每个病人都接受了15次2小时的治疗期，共需要三周，旨在提高他们握放物体的能力。所有的BioARM治疗共15个治疗期。对于那三个病人来说，BioARM在整个治疗期内帮助他们能够完成完整的移动，而六名患者在得到了BioARM治疗后，在第后半治疗期内就已经完成了。
　　在三周疗程末期，所有的病人都已经提高了他们握放物体的能力。动作调查手臂测试是测量完成现实生活中的任务的能力，比如握住一块物体，拿起一只喝水的玻璃杯，拾起一小块大理石或者是滚珠，已经把你的手放在头上。而这些病人在动作调查手臂测试所取得的平均成绩，已经提高了将近百分之十。箱子和块状的测试是评估手臂的灵巧度。它要求一个人在一分钟之内将一边箱子里的物块搬移到另一个箱子里去。而这些病人在这个测试中的平均成绩提高了将近百分之二十。
　　除此之外，病人在手和手腕的移动度上提高了百分之十七。傅格梅尔动作量表是标准的职业治疗评估工具，病人在经过其测试和评估之后被列为轻度残疾。
　　杨洁说道：“在评估了每个主题对照的测量分数之后，这些在三周疗程之后所取得的成就实在是引人瞩目。
　　同济大学的团队现在用他们在参与研究期间所学到的东西去创造了一个“BioARM之子”，改进了机械手的连接，并且提供了更多软件可供选择用于个别针对性治疗，这些都吸引了许多病患的兴趣。
　　在中国，中风是引起长期残疾的一个主要的因素。每年的中风患者人数超过170万。在农村，中风是第三大导致死亡的主要直接因素。比起其他的疾病来，中风会引起更加严重的长期残疾。据神经疾病和中风的国家研究所所说，在中风患者中，将近四分之三的患者年龄超过65，而对于55岁以上的人来说，每过十年，便面临着超过两倍的患上中风的风险。
　　我们这个团队加上一些辅导老师共同创作了这项研究，部分研究是由中国国家卫生部的制度培训奖助金所资助的。
　　由BIOARM项目的合作伙伴所执行的研究，在视觉感知，运动规划，新感应器，用人工智能技术习得运动技巧，等等方面，已经得出了非常有趣的结果。此外，将所有合作伙伴的研究结果整合进一个单体系统，这将是未来两年的研究成果，同时这仍然是目前所面对的重要挑战。
　　

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