手眼协调的臂-手假肢系统基础研究

Aiming at the limitation of the EMG and EEG based artificial limb in application, this project presents a new idea using the hand-eye coordinated mechanism to drive the artificial upper limb with hand. The challenging problems to design a hand-eye coordinated artificial upper limb with hand include: How to design an artificial upper limb to reproduce the function motion of the human upper limb? How to design a prosthetic hand to reproduce the grasping function of the human hand? How to use human eyes to determine the position of an object to be grasped in three dimensional space? This project focuses on three fundamental problems, that is, the mechanical implementation method of the motor synergy in the human upper limb, the reproducing principle of the grasping manipulation in the human hand, and the detecting method of the motion intention of the artificial upper limb with hand from the human eyes. The research contents of this project include the kinematic analyzing method of the human upper limb and the mechanical design theory of the artificial upper limb, the mechanical design principle reproducing the grasping manipulation of the human hand, the capturing and locating methods of an object to be grasped in 3D space, the design theory of the Human Machine Interface between the human and the artificial upper limb with hand based on eye gaze tracking, and the construction of the experiment system to verify the functions of the artificial upper limb with hand. The objective of this project is to build up the theory framework developing the system of the hand-eye coordinated artificial upper limb with hand. The significance of this project is that the theory results and key technologies developed in this project will be helpful to boost the development of the biomechatronic discipline, and promote the research level of the rehabilitation engineering equipments in China.

本项目针对当前肌电假肢和脑控假肢在应用中的局限性，提出利用手眼协调机制驱动臂-手假肢的新理念，围绕构建手眼协调臂-手假肢系统必须直面的挑战性难题：如何建立复现人体上肢功能运动的拟人假肢臂设计理论？如何建立复现人手运动谱的灵巧假手设计的新原理与新方法？如何利用人眼确定抓握对象空间位姿？聚焦“上肢功能运动协同的机械实现方法”、“人手抓握操作运动谱的复现原理”、“从人眼中解析出臂-手假肢运动意图”三个科学问题开展研究，研究内容包括：人体上肢运动解析与假肢臂设计理论，复现人手抓握运动谱的假肢手设计原理，抓握对象的捕获与定位方法，臂-手假肢与人眼交互理论，以及理论与方法的验证平台等。通过上述研究，建立手眼协调臂-手假肢机械系统设计的新原理与新方法，以及基于眼动跟踪的人机交互理论与方法，促进生机电一体化交叉学科的发展，使我国智能康复工程装备研究水平跻身于世界前列，具有重要的学术意义和应用价值。

我国是全球截肢患者人数最多的国家，如何运用工程科学的方法，为截肢患者再造一双心想事成的假肢，是当前亟待解决的一个重要基础科学问题。针对当前肌电假肢和脑控假肢在应用中的局限性，本项目提出利用手眼协调机制驱动臂-手假肢机械系统的新理念，围绕上肢功能运动协同的机械实现方法、人手抓握操作运动谱的复现原理、从人眼中解析出臂-手假肢运动意图等三个方面开展系统研究。. 建立了手操作能力的定量评价指标，发现了人手操作能力优于其它灵长类手的形态学依据；建立了用奇异值分解提取人手特征运动的方法，提出了用特征运动贡献率来划分人手主次运动的方法，发现了手指指内关节的特征运动构成形式以及手指之间的分组协同运动机制，突破了人手运动规律的认识长期停留在定性层面的局面。建立了人肢体关节运动相关性的聚类分析方法，提出了用运动相关系数作为人肢体关节分组耦合的判据，发现了关节分组协同的运动规律，突破了通过低维运动复现人肢体复杂功能运动的瓶颈；构造了可诱导轨迹高曲率特征与速度特征的复合势场，提出了复合势场中人手运动行为的二阶运动学模型。建立了手腕空间位置驱动的上肢拟人姿态的求解方法，突破了臂手假肢生成拟人功能运动的技术瓶颈。建立了把人手复杂的抓握运动规律分解植入到若干基本运动机构中的关键技术，实现了人手抓握运动智能的机械化，改变了国际上仿人手设计一直依赖经验的局面；发明了复现人肢体运动规律的分组协同运动机构，实现了人肢体生物运动智能的机械化，大大降低了驱动器数量，突破了通过用户主观意图实现人机自然交互的技术瓶颈。设计了符合人体工程学的头戴式眼动跟踪装置，建立了可以提升凝视点估计精度的双映射曲面凝视方向估计方法，实现了眼动仪坐标系与臂手假肢机器人坐标系的实时配准, 突破了通过人眼运动意图控制臂手假肢抓握物体的瓶颈。