从控制轮椅、拿取碗筷的方便到操作键盘、鼠标的幸福
[编者按] 一百多年来，交大人用知识和智慧创造累累硕果，谱写了近现代史上的诸多“第一”。这是人才培养的智慧、科学研究的智慧、服务社会的智慧、为国争光的智慧。新闻网特推出“交大智慧”专栏，聚焦交大人的智慧之光，展现交大人为国家发展和社会进步作出的重大贡献。
由于交通事故、工伤、疾病以及战争等原因，近年来残疾人的数量显著增加，这是一个世界范围内的问题。据目前的残疾人数据调查表明，我国肢体残疾患者的数量高达2412万人，约占总人口数的1.83%，其中截肢患者226万人，仅汶川地震就新增肢残患者数万人。由于假肢手的研究对于残疾人能够进行正常的生活和更好地融入社会非常重要，因而得到了社会各界的高度重视。目前我国在部分省市实施了将假肢纳入医保的试点，在不久的将来可能在全国推行。而现状是，现有的产品化假肢只提供极其简单的动作，如张开、闭合等，过于简单的功能使肢残患者宁愿配个美容假肢，具备外表而不具备功能。面对千万肢体残疾患者对幸福生活的需要和渴望，上海交大机器人研究所研发出现新的仿人假肢手。它可复现人手90%左右的动作，通过创新研制的肌电臂带控制，让肢残患者的生活随心所动。
假肢手不仅要灵巧，更要“仿人”
人手有16个关节，20多个自由度，由34个肌肉组织驱动，是人体运动系统中最重要的执行器，大脑运动皮层30%的区域负责手的控制。再造一只与人手灵巧程度相当的机械手一直让全世界科学家倾注大量心血。通过对人手结构的复制，美国科学家研制的机器人多指手，其骨架、肌腱、驱动器配置均仿照生物原型设计，在机电控制系统支持下，操作灵巧性已经几乎可媲美人手。
然而再灵巧、功能再强大的机械手也无法直接应用于假肢，因为我们对驱动身体的神经系统还知之甚少，限于对神经系统运动控制信息编码和传输机理的认识，生机交互接口技术仍处在初期发展阶段，短期内难以实现人体神经信息的完全解码。按照结构复制的方法创造出的机械手，越是和人手的结构接近，越是难以和复杂的人类真正的神经控制对接。按照现在人类的认知水平，可以说，机械手越灵巧，它离人体就越远。
起源于上世纪80年代的机器人多指手灵巧操作性能已接近人手，而肌电假肢的研究和应用历时大半个世纪，目前产品化的假肢仍为单自由度。造成这一差别的最大原因在于假肢是一个生机电一体化系统，它在与神经系统的直接交互过程中完成运动功能并实现人机功能合一。
为实现人体运动功能再造，首先必须面对的问题就是如何设计仿人假肢手，能否完成残疾人日常生活的动作，且能够配合人体意图解码。同时仿人假肢手应具备质量轻、功耗低、可靠性高等特性。上海交大机器人研究所研发仿人假肢手，在分析人手常用动作的基础上，优化设计结构、外形、控制系统，可复现人手90%左右的动作，通过自制的肌电臂带控制，随心所动。
SJT-6假肢手可实现多种常用动作，能够满足截肢患者的日常需求。例如，患者能够使用伸食指这个动作来操作计算机键盘、拨打电话，或者通过五指抓握可以抓取水杯、钱包等物体。SJT-6重量轻、功能齐全，有望改善截肢患者的康复和生活质量，帮助患者更多地参与到日常活动中，为其打开一片新的天地。
传统的局部假肢手产品，除了提供美观功能和简单动作如张开、闭合外，很难实现日常生活中的动作。上海交通大学设计的SJT-6仿人假肢手具有与人手相似的外形和功能。该仿人假肢手有9个主动自由度，其中手部6个，腕部3个。手部由5个结构相同的手指模块和拟人手掌构成。假肢手指采用欠驱动机构，即一个主动驱动可实现手指各关节的柔顺运动。每个手指只需要一个螺钉就可以将其安装在手掌上，安装维修方便快捷。其中大拇指可像人手那样旋转到不同位置，加强抓握能力。内置的失速检测装置能感知每个手指是否抓握到物体，手指接触到物体并施加设定的抓握力后就锁定位置，从而能抓取不同形状和尺寸的物体。3自由度拟人手腕，结构紧凑、重量轻、运动灵活，可实现上下切、内外翻和内外旋3类动作，腕部动作大大提升假肢手的操作空间。
神奇的肌电臂环
如此灵巧的手是怎样获得大脑对它的控制呢？答案就在胳膊上的一个圆环。SJT-6假肢机械手的动作模式是通过肌电臂环控制，该臂环从人体臂端采集生物电信号，通过分析处理获知人体意图，从而实现了机械与人体之间的“接口”。
人们对生物电的了解还比较少，其实小至呼吸，大至奔跑，都伴随着人体内的电活动。比如，肌肉活动时，神经电信号会传播到人体皮肤表面，也就是表面肌电信号sEMG（surface ElectroMyoGraphy）。通过采集分析解码sEMG信号，就能获取用户的意图，进而与外部世界交互。用户不用实际行动就通过意图控制外界设备，这能够很大程度上拓展人类的能力。
目前，sEMG信号的采集大多需要用双面胶把采集设备粘在皮肤表面，而且信号处理及发射装置庞大笨重，限制了用户的移动，很难投入实际使用。上海交通大学——生机电实验室研发的表面肌电臂环是一种可穿戴的sEMG监测设备，用户不用精心准备，随意套在手腕上就能感知肌肉电活动。臂环里面安装了多通道的肌电电极阵列，集成信号处理系统、电源系统和无线发射系统，通过蓝牙与外界设备进行无线通信。戴上肌电臂环，我们可以随心所欲地操控外接设备，电脑鼠标、小飞机、轮椅、电源开关、PPT、游戏等等都将不是问题。
有望大大降低仿人假肢手价格
目前国内单动作的假肢手（含腕旋转、肘旋转）一般为1万元，算上安装、康复费用通常为3～5万。而德国同类的单动作的假肢手安装、康复费用要达到10万。而具备仿人特征的多模式动作假肢手，安装、康复费用要25～30万，价格非常昂贵，且动作模式简单，采用双肌电信号控制，仍只能做有限的动作。上海交大的仿人假肢手已在假肢手欠驱设计、生物信号采集及处理方法等方面申请专利十余项，部分专利技术已开展应用合作，并在6个肢残患者上进行了功能测试，该生机电仿人机械手在操作灵便性、解码准确率等指标方面达到国际先进水平，减少了残疾人日常生活的不便，极大地提高了其生活质量。