一種輕量級智能義肢手簡介

陳志 張中根

摘 要：義肢手是一種為彌補(bǔ)手臂前端截肢者而專門設(shè)計和制作裝配的人工假體。它的主要作用是代替失去肢體的部分功能，使截肢者恢復(fù)一定的生活自理和工作能力。為解決國產(chǎn)義肢手品種稀少、性能單一的問題，現(xiàn)設(shè)計一種輕量級智能義肢手，其主要由openCV掃描建模模塊、線控機(jī)械式手臂、傳感器模塊、開源神經(jīng)算法模塊、移動終端組成。設(shè)計一種快速制造、廉價、功能齊備的輕量級智能義肢手對中國智能義肢行業(yè)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：輕量級；智能義肢；線控

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.33.090

1 引言

我國義肢手市場需求廣泛，但我國自產(chǎn)的義肢手產(chǎn)品數(shù)量、品種稀少，性能單一，缺乏技術(shù)創(chuàng)新，與世界先進(jìn)水平之間存在較大差距。我國義肢手產(chǎn)品市場主要被國外企業(yè)占領(lǐng)，但進(jìn)口產(chǎn)品往往價格高昂，動輒數(shù)萬甚至數(shù)十萬，而我國75%的肢殘人士分布在廣大城鎮(zhèn)及農(nóng)村的地區(qū)，且截肢者中有很大部分為貧困人口， 因此義肢手的普及率不高， 據(jù)估計約有70%的人尚未安裝義肢手。 設(shè)計一種快速制造、廉價、功能齊備的國產(chǎn)輕量級智能義肢手較為迫切。

2 輕量級智能義肢手概述

智能義肢，又叫神經(jīng)義肢。在截肢或肢體不完全處，控制肢體的神經(jīng)會繼續(xù)存活，科學(xué)家用利用這些神經(jīng)連接智能義肢，可自主控制機(jī)械手，恢復(fù)一定程度上的生活自理和工作能力。經(jīng)過調(diào)研、學(xué)習(xí)和設(shè)計，在現(xiàn)有智能義肢手的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種輕量級智能義肢手。該義肢手采用3D打印技術(shù)打印主體，采用線控系統(tǒng)傳遞能量，運(yùn)用表面肌電信號控制方法，對義肢手進(jìn)行控制。支持簡單語音交互，并且加入物聯(lián)網(wǎng)模塊，患者可以通過手機(jī)將心率、肌肉運(yùn)動量等健康數(shù)據(jù)導(dǎo)入云端，方便復(fù)健訓(xùn)練的計劃與管理。

3 義肢手對比及優(yōu)勢分析使用體驗無手指關(guān)節(jié)，無握力感知，無握力控制，負(fù)重感一般，無實(shí)用性。無手指關(guān)節(jié)，無握力感知，無握力控制，只能被動張開閉合，負(fù)重感較強(qiáng)，需要一定的訓(xùn)練才能使用。有指關(guān)節(jié)，無握力感知，握力控制較難，能主動張開閉合，負(fù)重感較強(qiáng)，需要一定的練習(xí)才能使用。

目前市場上的義肢手主要包括為：裝飾性仿真手、索控式仿真手和肌電式仿真手。將幾種義肢手綜合性能對比如表1。

設(shè)計的輕量級智能義肢手美觀性一般，有手指關(guān)節(jié)，有握力感知，容易控制握力，需要簡單適應(yīng)，與特制工具連接可完成各種工作，成本價格不超過千元。制作模型如圖1所示。

4 輕量級智能義肢手設(shè)計思路

輕量級智能義肢手是基于OpenCV（Open Source Computer Vision Library）參數(shù)化掃描設(shè)計的三維掃模軟件對殘疾人士的手部進(jìn)行三維掃描，推薦最適合使用者的機(jī)械手模型，并運(yùn)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)價格低廉、輕質(zhì)量的義肢手。利用Intel Curie模組結(jié)合表面肌肉電傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對動作的記憶學(xué)習(xí)，使之具有機(jī)器學(xué)習(xí)的功能，將傳感器送來的不同動作表面肌肉電流信號進(jìn)行分析。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及時對使用者動作進(jìn)行分析記憶，使義肢手更切合使用者的日常生活，解決肢體殘疾給使用者帶來的困擾。并結(jié)合“云管端”的概念，使用物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)對使用者健康數(shù)據(jù)（例如：心率、肌電壓、運(yùn)動步數(shù)、脈搏）的管理，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳送到云端，在移動終端，使用者可在社區(qū)討論交流，在允許情況下，醫(yī)生對云端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為使用者發(fā)送合理的建議。在義肢手的食指、拇指處預(yù)設(shè)兩個數(shù)據(jù)接口，使用者可根據(jù)自己的需要搭建不同的模塊，以便更加流暢的使用義肢手去完成生活中的一些必要動作。該產(chǎn)品幫助殘疾人擺脫殘疾手臂的困擾，使其再次擁有正常人的生活。

5 總結(jié)

近年來，在市場和政府的共同推動下，我國康復(fù)輔助器具產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，產(chǎn)品種類日益豐富，供給能力不斷增強(qiáng)，服務(wù)質(zhì)量穩(wěn)步提升，許多國產(chǎn)品牌走出國門、遠(yuǎn)銷海外。但是，應(yīng)該要看到與國際水平的差異，特別是智能醫(yī)療器械的設(shè)計制造方面。輕量級智能義肢手功能較為豐富，負(fù)重感較小，廉價，性能穩(wěn)定，可滿足一定的生活自理需求，相信在國內(nèi)智能義肢手具有廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)

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