科技日?qǐng)?bào)記者 金鳳
殘缺的右前臂嵌入一只機(jī)械臂中，再用這只機(jī)械臂快速完成提重物、抓紙片、摞杯子、繞鐵環(huán)、盲盒取物等動(dòng)作，而且不能有失誤……10月26日，在瑞士蘇黎世舉行的第三屆全球輔助技術(shù)奧運(yùn)會(huì)（又稱“半機(jī)械人仿生奧運(yùn)會(huì)”）中，中國(guó)選手徐敏最終以90分的成績(jī)榮獲本屆大賽“上肢義肢”組冠軍。
與徐敏“并肩作戰(zhàn)”的，是東南大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)。他們通過(guò)增強(qiáng)義肢的運(yùn)動(dòng)可靠性、負(fù)載能力、靈巧性，讓徐敏力克對(duì)手奪冠。此次奪冠，也是中國(guó)選手在全球頂級(jí)科技助殘賽事中創(chuàng)造的最好成績(jī)。
肌電信號(hào)解碼識(shí)別與肩部運(yùn)動(dòng)意圖監(jiān)測(cè) 控制義肢運(yùn)動(dòng)
“全球輔助技術(shù)奧運(yùn)會(huì)”由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院創(chuàng)立，每4年舉辦一屆。
此次大賽中，上肢義肢組是該項(xiàng)賽事中競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的組別之一。選手們要一次性完成義肢提重物、雙臂協(xié)作、精細(xì)物體抓取、盲盒抓取等10個(gè)義肢操作任務(wù)，以任務(wù)完成數(shù)量和完成時(shí)間判定成績(jī)。
代表中國(guó)出征的上肢義肢團(tuán)隊(duì)共7人組成，除了參賽選手徐敏，其中有5位科研人員均來(lái)自東南大學(xué)機(jī)器人傳感與控制技術(shù)研究所宋愛國(guó)教授團(tuán)隊(duì)。
“此次比賽用到的義肢一共有三項(xiàng)核心技術(shù)，分別是肌電信號(hào)的解碼識(shí)別、力感知與力反饋、靈巧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。”宋愛國(guó)介紹。
那么，義肢是如何與人體配合，以盡可能短的時(shí)間完成盡可能多的動(dòng)作的呢？
“人在做出某個(gè)動(dòng)作前，是先由大腦感知周圍環(huán)境，隨后產(chǎn)生腦電波。腦電波沿著脊髓神經(jīng)傳輸出去，當(dāng)傳遞到前臂時(shí)，肌電信號(hào)就會(huì)控制肌肉收縮，繼而驅(qū)動(dòng)動(dòng)作產(chǎn)生。要讓殘疾人靈活使用義肢，就需要幫助他們做好肌電的解碼和識(shí)別?！彼螑蹏?guó)解釋，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將選手的前臂斷肢的皮膚上貼了一對(duì)電極片，由它來(lái)解讀、識(shí)別殘肢肌電信號(hào)，再將其與義肢相連，驅(qū)動(dòng)義肢運(yùn)動(dòng)。
比賽中，殘疾人選手將操縱義肢手抓取多種物體，但由于殘疾人控制義肢的信號(hào)源非常有限，確保手指、手腕的可靠運(yùn)動(dòng)成為了需要攻克的問題。
團(tuán)隊(duì)領(lǐng)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所博士后胡旭暉介紹：“我們?yōu)樾烀袅可矶ㄖ屏舜┐魇郊鐜В鐜?nèi)有拉伸傳感器，可以監(jiān)測(cè)徐敏弓背時(shí)的肩膀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)肩部位移信號(hào)，與殘肢端獲取的肌電信號(hào)協(xié)同，控制手指的開合角度以及手腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。弓背角度越大，肩部的位移量越大，手指開合度越大。反之亦然?！?/p>
力反饋與力控制 讓義肢“張弛有度”
比賽中，選手要抓取的物體、完成的動(dòng)作差異很大，有時(shí)要能精細(xì)地?cái)Q燈泡、反轉(zhuǎn)手腕摞杯子，有時(shí)要能提礦泉水瓶、握榔頭、拎水壺。
那如何控制“手”上的力道？宋愛國(guó)介紹：“團(tuán)隊(duì)在義肢的手指上植入了力觸覺傳感器，用它來(lái)檢測(cè)抓取物體時(shí)，義肢抓取力的大小和力的分布，可以通過(guò)震動(dòng)刺激將信號(hào)傳給手臂。如果抓取力越大，震動(dòng)刺激就越強(qiáng)烈，選手就可以根據(jù)震動(dòng)強(qiáng)度，決定要施加多大的力?！?/p>
比賽中的動(dòng)作雖然都來(lái)自日常生活，但抓取一些精細(xì)的動(dòng)作或者特殊的物體，對(duì)于上肢殘疾人群來(lái)說(shuō)仍有挑戰(zhàn)。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)因地制宜地設(shè)計(jì)義肢，讓它們更靈活、穩(wěn)定。
“例如，我們?cè)诹x肢手指上設(shè)置了4個(gè)不同的抓取區(qū)。第一個(gè)功能區(qū)做得盡量水平，以便抓取紙片、藥匙這些平直物體，第二個(gè)功能區(qū)做成內(nèi)嵌的圓弧狀，以便能握住榔頭、瓶子等物質(zhì)，第三個(gè)功能區(qū)做成半球面，可以抓珠子等圓形物體，第四個(gè)功能區(qū)設(shè)置在手指的兩個(gè)關(guān)節(jié)處，便于做拎水壺等負(fù)重動(dòng)作時(shí)固定物體位置?！焙駮熣f(shuō)。
要在盡量短的時(shí)間內(nèi)，以盡量少的失誤完成規(guī)定動(dòng)作，不僅考驗(yàn)義肢研制技術(shù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，也要對(duì)復(fù)雜的賽場(chǎng)環(huán)境有很強(qiáng)的感知力。
胡旭暉介紹，比賽中有一個(gè)項(xiàng)目類似“開盲盒”，要讓義肢穿過(guò)遮擋的毛刷，在肉眼看不見物體的情況下抓取硬度不同的圓柱體。為了讓義肢擁有眼睛，團(tuán)隊(duì)在義肢手指中安裝了攝像頭，通過(guò)視覺識(shí)別技術(shù)，將捕捉到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，輔助徐敏完成了抓取，也讓她成為所有參賽團(tuán)隊(duì)中唯一完成這項(xiàng)任務(wù)的選手。
“此次奪冠讓我們意識(shí)到，要以滿足殘疾人的需求為出發(fā)點(diǎn)開展科研。今后，我們將研制人機(jī)共融感更強(qiáng)、操作功能更實(shí)用、日常使用更輕便的義肢手，讓廣大殘疾人群體受益?！焙駮煴硎?。
