手眼協調的臂-手假肢系統基礎研究

《手眼協調的臂-手假肢系統基礎研究》是依託華中科技大學，由熊蔡華擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：手眼協調的臂-手假肢系統基礎研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：熊蔡華
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

本項目針對當前肌電假肢和腦控假肢在套用中的局限性，提出利用手眼協調機制驅動臂-手假肢的新理念，圍繞構建手眼協調臂-手假肢系統必須直面的挑戰性難題：如何建立復現人體上肢功能運動的擬人假肢臂設計理論？如何建立復現人手運動譜的靈巧假手設計的新原理與新方法？如何利用人眼確定抓握對象空間位姿？聚焦“上肢功能運動協同的機械實現方法”、“人手抓握操作運動譜的復現原理”、“從人眼中解析出臂-手假肢運動意圖”三個科學問題開展研究，研究內容包括：人體上肢運動解析與假肢臂設計理論，復現人手抓握運動譜的假肢手設計原理，抓握對象的捕獲與定位方法，臂-手假肢與人眼互動理論，以及理論與方法的驗證平台等。通過上述研究，建立手眼協調臂-手假肢機械系統設計的新原理與新方法，以及基於眼動跟蹤的人機互動理論與方法，促進生機電一體化交叉學科的發展，使我國智慧型康復工程裝備研究水平躋身於世界前列，具有重要的學術意義和套用價值。

結題摘要

我國是全球截肢患者人數最多的國家，如何運用工程科學的方法，為截肢患者再造一雙心想事成的假肢，是當前亟待解決的一個重要基礎科學問題。針對當前肌電假肢和腦控假肢在套用中的局限性，本項目提出利用手眼協調機制驅動臂-手假肢機械系統的新理念，圍繞上肢功能運動協同的機械實現方法、人手抓握操作運動譜的復現原理、從人眼中解析出臂-手假肢運動意圖等三個方面開展系統研究。 建立了手操作能力的定量評價指標，發現了人手操作能力優於其它靈長類手的形態學依據；建立了用奇異值分解提取人手特徵運動的方法，提出了用特徵運動貢獻率來劃分人手主次運動的方法，發現了手指指內關節的特徵運動構成形式以及手指之間的分組協同運動機制，突破了人手運動規律的認識長期停留在定性層面的局面。建立了人肢體關節運動相關性的聚類分析方法，提出了用運動相關係數作為人肢體關節分組耦合的判據，發現了關節分組協同的運動規律，突破了通過低維運動復現人肢體複雜功能運動的瓶頸；構造了可誘導軌跡高曲率特徵與速度特徵的複合勢場，提出了複合勢場中人手運動行為的二階運動學模型。建立了手腕空間位置驅動的上肢擬人姿態的求解方法，突破了臂手假肢生成擬人功能運動的技術瓶頸。建立了把人手複雜的抓握運動規律分解植入到若干基本運動機構中的關鍵技術，實現了人手抓握運動智慧型的機械化，改變了國際上仿人手設計一直依賴經驗的局面；發明了復現人肢體運動規律的分組協同運動機構，實現了人肢體生物運動智慧型的機械化，大大降低了驅動器數量，突破了通過用戶主觀意圖實現人機自然互動的技術瓶頸。設計了符合人體工程學的頭戴式眼動跟蹤裝置，建立了可以提升凝視點估計精度的雙映射曲面凝視方向估計方法，實現了眼動儀坐標系與臂手假肢機器人坐標系的實時配準, 突破了通過人眼運動意圖控制臂手假肢抓握物體的瓶頸。