Frontiers in Neurorobotics

Úvod

V porovnání s víceprstými obratnými rukama má dvouprstá bionická ruka jednoduchou mechanickou strukturu a snadno se s ní plánuje pohyb, takže se vždy používá u robotů na sklizeň ovoce (Bac a kol.), 2017; Silwal et al., 2017). Pracovní prostředí robotů pro sklizeň ovoce je však velmi složité, například plody v rostlině se liší velikostí, tvarem, polohou a umístěním (Li et al., 2019a, b), a stávající dvouprsté bionické ruce obtížně splňují požadavky na uchopení při sklizni ovoce (Li et al., 2013), takže roboty se zatím pro praktickou sklizeň ovoce stále nepoužívají. S pomocí koordinace mozku a očí jsou jedinci vždy považováni za spolehlivé výkonné pracovníky, pokud jsou schopni splnit úkoly uchopení, přemístění a uvolnění cílového ovoce pouze pomocí palce a ukazováčku, a celkový výkon tohoto stabilního manipulačního systému je přiměřený. Lidská ruka je výkonný multifunkční nástroj a zkoumání jejích schopností pomáhá výzkumníkům definovat přiměřenou hmotnost a velikost úchopu pro bionickou robotickou ruku se záměrem napodobit její schopnosti (Feix et al., 2014; Chen et al., 2019). Z hlediska ergonomie musí konstruktéři robotů pro sklizeň ovoce porozumět schopnostem kooperativního uchopování lidského ukazováčku a palce a kvantitativní korelaci mezi délkou prstů a schopnostmi uchopování u nově navržených bionických rukou se dvěma prsty, aby se zlepšila jejich úchopová výkonnost (Yussof a Ohka, 2012; Wang a Ahn, 2017).

Studie zdůrazňující chování lidského ukazováčku a palce při uchopování byly publikovány během posledního desetiletí. Někteří výzkumníci odhalili, že stabilitu úchopu při manipulaci ovlivňuje především hmotnost objektu, relativní zakřivení a třecí síla mezi konečky prstů a povrchem objektu a vzdálenost mezi dvěma kontaktními body při sevření objektu ukazováčkem a palcem (Li et al., 2013; Luciw et al., 2014). Biegstraaten et al. (2006) došli k závěru, že pohyby dosahování a zvedání jsou při uchopení předmětu přesným úchopem zcela nezávislé (Biegstraaten et al., 2006). Vigouroux et al. (2011) navrhli, že když lidský palec a ukazováček uchopují předměty, které mají různou šířku, pak se pozice kloubů prstů, svalová síla a síla stisku výrazně liší v závislosti na šířce předmětu, a zajímavým výsledkem bylo, že poměr svalové síly a síly stisku hlavních ohýbačů zůstává obzvláště stabilní s ohledem na šířku, zatímco ostatní svalové poměry se značně liší. Kromě toho byly provedeny také různé výzkumy zaměřené na schopnost lidského úchopu pěti prsty (Vigouroux et al., 2011). Eksioglu (2004) prokázal, že optimální rozpětí úchopu vzhledem k antropometrii ruky jedince je přibližně o 2 cm kratší než jeho modifikovaná délka rozkroku palce na základě kritérií posuzování maximální dobrovolné izometrické síly úchopu, svalové aktivity a subjektivního hodnocení. Seo a Armstrong (2008) ilustrovali, že při uchopení válcových rukojetí v pozici silového úchopu může poměr průměru rukojeti a délky ruky vysvětlit 62 %, 57 % a 71 % variací v síle úchopu, normálové síle a kontaktní ploše, Seo a Armstrong (2008). Li et al. (2010) předpokládali, že obvod ruky má z několika antropometrických parametrů, jako je výška, hmotnost, zápěstí a předloktí, délka ruky a dlaně, nejsilnější korelaci s maximální silou stisku. Bansode et al. (2014) odhalili, že síla stisku dominantní ruky u mužů a žen měla významnou pozitivní korelaci s věkem, výškou, hmotností a indexem tělesné hmotnosti a rozpětím dominantní ruky, zatímco s obvodem pasu a poměrem pasu a boků neměla zřejmou korelaci. Feix a další (2014) zjistili, že optimální úchopová schopnost lidské ruky je z hlediska hmotnosti menší než 500 g a šířka předmětu v místě úchopu je menší než 7 cm.

Shrnem lze říci, že v této oblasti bylo dosaženo významného pokroku. Nicméně méně pozornosti bylo věnováno schopnosti kooperativního uchopení lidského palce a ukazováku a faktorům, které ji ovlivňují. To znamená, že existuje technická mezera pro ergonomický návrh robotických rukou, které mají v úmyslu kopírovat schopnost lidské ruky. Proto jsme na základě stávajících literárních údajů provedli studie ve snaze prozkoumat vliv vlastností lidského těla (např, věk, pohlaví, postava, používaná ruka, součet délek palce a ukazováku a poměr délky ukazováku k délce palce) na úchopové schopnosti palce a ukazováku, konkrétně na maximální úchopovou hmotnost a průměr palce a ukazováku pomocí metody vícenásobné nelineární regresní analýzy.

Materiály a metody

Materiál

Pro zkoumání kooperativních uchopovacích schopností lidského palce a ukazováčku bylo v srpnu 2017 vyrobeno 20 různých hmotností plných válců a 15 různých vnějších průměrů kroužků jako uchopovaných předmětů. Pevné válce o průměru dc 40 mm byly vyrobeny z uhlíkové oceli C45 s následujícími vlastnostmi: hustota 7,85 g/cm3 a drsnost povrchu Ra = 0,1 μm (obr. 1A). Kroužky o výšce hr 40 mm byly vyrobeny z akrylátu a měly hustotu 1,2 g/cm3 a drsnost povrchu Ra = 0,05 μm (obrázek 1B). Operační parametry pevných válců a kroužků, jako jsou jejich výšky, průměry a hmotnosti, jsou uvedeny v tabulce 1. Pevné válce byly použity ke studiu vlivu vlastností lidského těla na maximální hmotnost předmětů, které lze uchopit palcem a ukazováčkem, zatímco kroužky byly použity ke studiu vlivu vlastností lidského těla na maximální průměr předmětů, které lze uchopit palcem a ukazováčkem. Vícefaktorové testy uvolnění při uchopení byly provedeny během 72 hodin při pokojové teplotě (24 ± 1 °C, relativní vlhkost 50-55 %).

Účastníci

Z Henanské polytechnické univerzity, mateřské školy HPU a základní školy Hexiang bylo rekrutováno celkem 108 dobrovolníků (54 mužů a 54 žen), kteří se v této studii zúčastnili testů uvolnění úchopu. Jejich charakteristiky byly následující {průměrné}: věk 11,9 (6,8) let; výška 141,5 (23,8) cm; délka palce 41,9 (7,7) mm a délka ukazováčku 56,6 (10,0) mm. Všem přispěvatelům byl poskytnut podrobný popis cílů a požadavků experimentu a poté byl získán písemný informovaný souhlas od účastníků starších 16 let a od rodičů účastníků mladších 16 let. Všichni dobrovolníci byli praváci, měli normální sluch a korigovaný až normální zrak a v minulosti neměli žádné zranění rukou, duševní onemocnění ani tělesné postižení. Tato studie byla provedena v souladu se zásadami Basilejské deklarace a doporučeními ustavení institucionálních etických komisí v Číně.

Postupy

Před testy si účastníci umyli ruce vodou a mýdlem a osušili je ručníkem asi 5 minut. Postava každého účastníka byla změřena pomocí skládacího pravítka s přesností na 1 mm. Každému účastníkovi bylo usnadněno nalepení kalibračního štítku na ruce a palec a ukazováček byly rozevřeny pro pořízení fotografie digitálním fotoaparátem (Canon IXUS 95IS) z horní části dlaně (obr. 1C). Pořízené snímky byly přeneseny do počítače a následně zpracovány programem Digimizer verze 4.2.6.0 pro získání délky obou prstů. Délky palce a ukazováku byly měřeny podle vzdálenosti od proximálního ohybového záhybu prstu ke špičce příslušného prstu (obrázek 1C), což bylo ve shodě s Kanchan a Krishan (2011), Ishak et al. (2012) a Jee et al. (2015). Následně byly uchopené předměty položeny na stůl a každý účastník byl veden k tomu, aby se posadil na kancelářskou židli před stůl s pravou horní končetinou rovnoběžnou s trupem, loktem opřeným o pravé stehno a předloktím nataženým dopředu. Účastník byl požádán, aby přirozeně zvedl a přesunul předmět z jedné polohy do druhé pomocí palce a ukazováčku pravé ruky. O 15 s později účastník přesunul předmět zpět pomocí palce a ukazováčku levé ruky. Během uchopování se prostředníček, prsteníček, malíček a dlaň nemohly předmětu dotknout.

Proces kooperativního uchopování lidského palce a ukazováčku představoval koordinační chování ruka-mozek-oko a lze jej rozdělit do pěti kroků (obr. 2). 1. krok: lokalizace a snímání objektu zrakovým systémem s vedením mozku; 2. krok: mozek zpracovává informace získané ze zrakového systému a činí strategické rozhodnutí (např, typ předhmatu, síla úchopu a poloha úchopu) pro stabilní uchopení; 3. krok: mozek dává ruce příkaz k dosažení a uchopení předmětu; 4. krok: hmatové senzorické informace byly zpětně předány mozku pro další rozhodování a v případě potřeby se poloha a síla úchopu upraví příkazem mozku; 5. krok: ruka stabilně uchopí předmět a přesune jej do jiné polohy.

V tomto experimentu byly uchopovanými objekty pevné válce různých hmotností (obrázek 1A) a kroužky různých velikostí (obrázek 1B). Každý účastník uchopoval pevné válce podle jejich hmotnosti v pořadí od lehkých po těžké a poté uchopoval kroužky podle jejich vnějšího průměru v pořadí od malých po velké. Maximální úchopová hmotnost lidského palce a ukazováčku udávala maximální hmotnost předmětů, které lze palcem a ukazováčkem uchopit. Maximální úchopové průměry lidského palce a ukazováčku udávaly maximální průměr předmětů, které lze palcem a ukazováčkem uchopit. Po každém úchopovém úkolu byl kvalifikovaným pozorovatelem pečlivě zaznamenán výsledek úchopu, a to úspěch nebo neúspěch. Úchopový pokus byl označen jako úspěšný, pokud byl proces uchopení a uvolnění stabilní a nedošlo k relativnímu prokluzu mezi ukazovákem, palcem a předmětem; v opačném případě byl označen jako neúspěšný pokus. Celkem bylo v experimentu provedeno 7560 pokusů o uchopení (108 dobrovolníků × 2 ruce × 20 pevných válců + 108 dobrovolníků × 2 ruce × 15 kroužků).

Nelineární regresní analýza

V této studii je použita metoda nelineární regresní analýzy k nalezení dvou potenciálních matematických modelů vztahů mezi závislými proměnnými (konkrétně maximální úchopovou hmotností a průměrem ukazováčku a palce) a souborem nezávislých proměnných (např, věk, pohlaví, používaná ruka a součet délek palce a ukazováčku, poměr délky ukazováčku a palce). Protože lidský palec a ukazováček koexistují a jejich délky existují multikolineárně, byly pro charakterizaci délky palce a ukazováčku v regresní analýze vybrány dva relativní nezávislé parametry: součet délek palce a ukazováčku a poměr délky ukazováčku k délce palce. Vzhledem k silné korelaci mezi vzrůstem a součtem délek prstů, kterou předpokládali Abdel-Malek et al. (1990), byl v následující regresní analýze zohledněn součet délek prstů, ale vzrůst nebyl brán v úvahu. Charakteristiky lidského těla, jako je věk a součet délek palce a ukazováčku, byly považovány za původní nezávislé proměnné a maximální úchopová hmotnost a průměr palce a ukazováčku byly stanoveny jako první, resp. druhá závislá proměnná. Po provedení experimentů se z lineárních (např. y = kx) a nelineárních (např, y = kx2, y = klnx) funkční vztahy mezi věkem a maximální úchopovou hmotností, mezi součtem délek palce a ukazováku a maximální úchopovou hmotností, mezi věkem a maximálním úchopovým průměrem a mezi součtem délek palce a ukazováku a maximálním úchopovým průměrem byly odhadnuty pomocí „odhadu křivky“ programu IBM SPSS Statistics 24.0 (verze 24.0, IBM Corporation, Spojené státy americké) a poté porovnány s cílem vybrat optimální funkční vztah mezi těmito dvěma proměnnými na základě upraveného koeficientu determinace R2. Větší R2 znamenal, že příslušný funkční vztah je vhodnější pro přizpůsobení experimentálních údajů mezi oběma proměnnými. Do každé regresní rovnice nebyla zahrnuta konstanta.

Po získání optimálních funkcí mezi původními kvantitativními nezávislými proměnnými a závislými proměnnými byla každá nelineární funkce považována za novou nezávislou proměnnou, která byla použita v následující vícenásobné lineární regresní analýze, a hladina významnosti byla stanovena na 0,05. V případě, že se jednalo o nelineární funkci, byla tato funkce považována za novou nezávislou proměnnou. Protože pohlaví a používaná ruka byly kategoriální proměnné, byly před lineární regresní analýzou dvě úrovně pohlaví, a to muž a žena, kódovány jako „0“ a „1“, a dvě úrovně používané ruky, a to levá ruka a pravá ruka, byly rovněž kódovány jako „0“ a „1“. Nakonec byla použita vícenásobná lineární regresní analýza ke konstrukci dvou potenciálních matematických modelů. Do každého regresního modelu nebyla zahrnuta konstanta. Test dobré shody byl použit k měření toho, jak dobře pozorovaná data odpovídají každému regresnímu modelu, F-test byl použit k testování celkové významnosti každého regresního modelu a t-test byl použit k určení, zda nezávislá proměnná má statisticky významný vliv na závislou proměnnou v každém modelu.

Výsledky a diskuse

Popis experimentálních výsledků

Na obrázku 3 jsou znázorněny maximální úchopové hmotnosti lidského ukazováčku a palce za různých podmínek vlastností lidského těla (např, Pohlaví, použitá ruka, věk a součet délek palce a ukazováčku). V této studii se maximální úchopové hmotnosti ukazováčku a palce účastníků pohybovaly v rozmezí od 690,2 do 9859,6 g. Maximální úchopové hmotnosti ukazováčku a palce účastníků mužského pohlaví byly 5057,6 ± 2695,6 g (průměr ± směrodatná odchylka), což je výrazně více než u účastnic 3265,5 ± 1853,5 g (obr. 3A). Maximální úchopové hmotnosti palce a ukazováčku levé a pravé ruky účastníků se však významně nelišily; maximální úchopové hmotnosti palce a ukazováčku levé ruky byly 4102,7 ± 2449,4 g, tedy o něco nižší než u pravé ruky 4220,5 ± 2513,1 g (obr. 3B). V této studii se věk účastníků pohyboval od 3∼27 let a součet délek palce a ukazováku se pohyboval od 56,9 do 132,6 mm. Je zřejmé, že maximální úchopové hmotnosti palce a ukazováčku účastníků měly nelineární (např. kvadratická funkce, logaritmická funkce) rostoucí trend s rostoucím věkem a součtem délek palce a ukazováčku (obr. 3C,D).

Obrázek 4 ukazuje maximální úchopové průměry lidského palce a ukazováčku za různých podmínek lidských tělesných charakteristik (např, pohlaví, použitá ruka, věk a součet délek palce a ukazováčku). V této studii se maximální úchopové průměry ukazováčku a palce účastníků pohybovaly od 70 do 170 mm. Maximální úchopové průměry ukazováčku a palce účastníků mužského pohlaví byly 129,0 ± 22,2 mm, tedy o něco větší než u účastnic 119,9 ± 25,2 mm (obr. 4A). Maximální úchopové průměry ukazováčku a palce levé ruky byly 124,0 ± 24,1 mm, tedy téměř stejné jako u pravé ruky (obrázek 4B). Podobně jako na obrázcích 3C,D vykazovaly i maximální úchopové průměry palce a ukazováčku účastníků nelineární (např. kvadratická funkce, logaritmická funkce) trend nárůstu s rostoucím věkem a součtem délek palce a ukazováčku (obrázky 4C,D).

Tabulka 2 uvádí upravené koeficienty determinace lineárních a nelineárních regresních modelů mezi kvantitativními nezávislými a závislými proměnnými. Porovnáním upravených koeficientů determinace tří typů funkcí poskytla lineární funkce optimální funkční vztah mezi věkem a maximální úchopovou hmotností a mezi součtem délek palce a ukazováku a maximálním úchopovým průměrem; kvadratická funkce poskytla optimální funkční vztahy mezi součtem délek palce a ukazováku a maximální úchopovou hmotností; logaritmická funkce poskytla optimální funkční vztah mezi věkem a maximálním úchopovým průměrem. Tyto výsledky byly použity v následující regresní analýze.

Faktory ovlivňující maximální úchopovou hmotnost lidského palce a ukazováku

Nelineární regresní model pro závislost maximální úchopové hmotnosti na pohlaví, věku a součtu délek palce a ukazováku je uveden v rovnici č. 1. Upravený koeficient determinace, který se označuje jako R2, byl 0,97, což naznačuje, že model dobře odpovídal údajům, a naznačuje, že tento model může vysvětlit 97 % rozptylu maximální úchopové hmotnosti, který byl předpovězen pohlavím, věkem a součtem délek palce a ukazováku. Z F-testu vyplynulo, že celková shoda byla významná (P < 0,05). t-testy prokázaly, že maximální hmotnost předmětů, které účastníci dokázali uchopit pomocí ukazováčku a palce, závisela na pohlaví, věku a součtu délek ukazováčku a palce (P < 0,05), nikoli však na použité ruce a poměru délky ukazováčku a palce (P > 0,05).05).

kde Mmax – maximální úchopová hmotnost, g; G – pohlaví; A – věk účastníků, roky; a Lo – součet délek prstů, mm.

Věk účastníků se pohyboval od 3∼27 let, což je ve fázi růstu a vývoje lidského svalstva (Lexell et al.), 1992), takže věk vykazoval pozitivní významný vliv na maximální úchopovou hmotnost lidského ukazováčku a palce. Součet délek palce a ukazováku pozitivně souvisel s maximální úchopovou hmotností lidského palce a ukazováku, a to z toho důvodu, že účastníci s velkýma rukama mají dlouhé prsty a mají tendenci mít vysokou svalovou sílu (Seo a Armstrong, 2008). Do rovnice 1 byly dosazeny hodnoty G = 0 nebo 1, tedy muž nebo žena, které popisují maximální úchopové hmotnosti účastníků. Rozdíl v maximálních úchopových hmotnostech palce a ukazováčku u mužů a žen činil 1070,5 g. Výsledky podobných výzkumů ukázaly, že síla úchopu u mužů je výrazně vyšší než u žen (Puh, 2009) a délka ruky má významný vliv na sílu úchopu lidských pěti prstů (Li et al., 2010). Významný vztah mezi pohlavím a maximální úchopovou hmotností dvou prstů lze přičíst tomu, že maximální síla dobrovolné kontrakce mužů je vždy větší než u žen podobné výšky (Shurrab et al., 2017). Zvýšení maximální síly dobrovolné kontrakce proto může zlepšit maximální úchopovou hmotnost lidských dvou prstů. Síla stisku je podobným parametrem jako maximální úchopová hmotnost pro měření úchopové schopnosti lidských prstů. Tato zjištění ilustrují, že součet délky prstů a maximální síla dobrovolné kontrakce společně ovlivní maximální úchopovou hmotnost palce a ukazováku, což naznačuje, že tyto dva faktory by měly být při ergonomickém návrhu zvažovány společně pro zlepšení maximální úchopové hmotnosti robotických rukou.

Faktory ovlivňující maximální úchopový průměr lidského palce a ukazováku

Nelineární regresní model závislosti maximálního úchopového průměru na věku, součtu délek palce a ukazováku a poměru délky ukazováku a palce je uveden v rovnici 2. V rovnici 2 jsou uvedeny faktory ovlivňující maximální úchopový průměr lidského palce a ukazováku. Upravený koeficient determinace, který se označuje jako R2, byl 0,99, což ukazuje, že model dobře odpovídal údajům a tento model může vysvětlit 99 % rozptylu maximálního úchopového průměru, který byl předpovězen věkem, součtem délek palce a ukazováčku a poměrem délky ukazováčku a palce. Z F-testu vyplynulo, že celková shoda byla významná (P < 0,05). t-testy ukázaly, že maximální průměr předmětů, které účastníci dokázali uchopit pomocí ukazováčku a palce, závisel na věku, součtu délek ukazováčku a palce a poměru délky ukazováčku a palce (P < 0,05), ale ne na pohlaví a použité ruce (P > 0,05).

kde Dmax – maximální úchopový průměr, mm; Lo – součet délek palce a ukazováku, mm; Lr – poměr délky ukazováku a palce.

Součet délek palce a ukazováku se pohyboval od 56,9 do 132,6 mm a poměr délky ukazováku a palce se pohyboval od 1,09 do 1,65.

Podle údajů v tabulce 1 se součet délek palce a ukazováku pohyboval v rozmezí od 1,09 do 1,65. Součet délek palce a ukazováčku byl pozitivně úměrný maximálnímu úchopovému průměru. Čím větší je součet délek palce a ukazováčku, tím větší je rozpětí mezi dvěma prsty, a tedy tím větší je maximální průměr úchopu účastníků používajících palec a ukazováček. Když se součet délek palce a ukazováčku zvětšil o 1 mm, maximální průměr úchopu palce a ukazováčku se zvětšil o 0,98 mm. Když se poměr délky ukazováčku a palce zvýšil o 0,01, zvýšil se maximální úchopový průměr palce a ukazováčku o 0,0967 mm. Poměr délky ukazováčku a palce pozitivně souvisel s maximálním úchopovým průměrem, což naznačuje, že kombinace krátkého palce a dlouhého ukazováčku zvýší maximální úchopový průměr palce a ukazováčku. Hlavním důvodem je to, že při uchopování předmětu dvěma prsty, zejména u typu silového úchopu, krátký palec snadno slouží jako opěrný bod, který odpovídá dlouhému ukazováku při obepínání obrysu předmětu a vytváření roviny silového uzávěru. Krátký palec není snadno omezován tvarem předmětu a na základě kritéria stability úchopu, které uvedli Li et al. (2013), lze dosáhnout stabilního silového uzávěru v kontaktní rovině. V literatuře je k tomuto tématu málo informací.

Diskuse

V rovnici 1 v části „Faktory ovlivňující maximální úchopovou hmotnost lidského palce a ukazováku“ byl kvantitativně popsán vztah mezi součtem délek palce a ukazováku a maximální úchopovou hmotností. Při vývoji dvouprsté bionické robotické ruky, pokud jsou dány hmotnosti potenciálních cílových předmětů, lze odvodit optimální návrh délky robotického palce a ukazováku pomocí rovnice 1 a další podmínky: průměrný poměr délky ukazováku a palce je 1,36. V případě, že je zadána hmotnost potenciálních cílových předmětů, lze odvodit optimální návrh délky ukazováku a palce. Podobně rovnice 2 v části „Faktory ovlivňující maximální úchopový průměr lidského palce a ukazováčku“ kvantitativně popisuje vztah mezi součtem délek palce a ukazováčku, poměrem délky ukazováčku a palce a maximálním úchopovým průměrem. Při vývoji bionické robotické ruky se dvěma prsty, pokud jsou dány průměry potenciálních cílových objektů, lze pomocí rovnice 2 odvodit vhodný návrh délky robotického palce a ukazováku. Proto byly tyto dva nelineární regresní modely užitečné při návrhu optimální velikosti robotické ruky, která má kopírovat schopnost uchopení palce a ukazováku. Při manipulaci s novým předmětem nám smyslová zpětná vazba poskytuje informace o jeho fyzikálních vlastnostech, jako je hmotnost, a poté se předpokládá, že mozek vybere nejvhodnější model udržovaný v naší centrální nervové soustavě pro aktuální úkol (Lemon et al., 1995; Davidson a Wolpert, 2004). Podle souboru maximální úchopové hmotnosti palce a ukazováčku lze vyvinout algoritmus hlubokého učení, který zdůvodní, zda některé objekty v nestrukturovaném pracovním prostředí splňují požadavky na úchop bionických robotických rukou. Navíc, pokud se v nestrukturovaném prostředí vyskytují některé nepravidelné objekty (např. hrnek), lze množinu maximálního úchopového průměru palce a ukazováku použít k vytvoření algoritmů plánování úchopu pro výběr optimálních míst úchopu na nepravidelném povrchu objektu pro bionickou robotickou ruku. Navíc v problémech kinematického řízení robotických prstů vždy existuje mnoho časově proměnlivých problémů a konvergentní diferenciální neuronová síť s proměnlivými parametry by byla efektivní a přesnou metodou pro řešení tohoto problému plánování uchopení (Zhang et al., 2018a, b).

Závěr

V této studii byla zkoumána maximální kooperativní uchopovací hmotnost a průměr lidského palce a ukazováku v širokém rozsahu nestrukturovaných úloh. Věk účastníků se pohyboval od 3∼27 let a součet délek jejich palce a ukazováku se pohyboval od 56,9 do 132,6 mm. Výsledky ukázaly, že maximální úchopové hmotnosti a průměry palce a ukazováku účastníků se pohybovaly od 690,2 do 9859,6 g a od 70 do 170 mm. Maximální úchopová hmotnost ukazováčku a palce účastníků závisela na pohlaví, věku a součtu délek ukazováčku a palce (P < 0,05), nikoli však na použité ruce a poměru délky ukazováčku a palce (P > 0,05). Maximální úchopový průměr ukazováčku a palce účastníků závisel na věku, součtu délek ukazováčku a palce a poměru délky ukazováčku a palce (P < 0,05), ale ne na pohlaví a použité ruce (P > 0,05).

Byl vytvořen nelineární regresní model pro závislost maximální úchopové hmotnosti na pohlaví, věku a součtu délek palce a ukazováku a další nelineární regresní model pro závislost maximálního úchopového průměru na věku, součtu délek palce a ukazováku a poměru délky ukazováku a palce. Dva regresní modely byly užitečné při návrhu optimální velikosti robotické ruky, která má kopírovat schopnost úchopu palce a ukazováku. Tento výzkum může pomoci definovat nejen přiměřenou hmotnost a velikost úchopu pro bionickou robotickou ruku, ale také požadavky na rehabilitaci ruky.

Potvrzení o dostupnosti dat

Všechny soubory dat vytvořené pro tuto studii jsou součástí článku/doplňkového materiálu.

Příspěvky autorů

XC a ZL navrhli a provedli experimenty a napsali rukopis. YW, JL a DZ práci přezkoumali a dohlíželi na ni.

Financování

Tato práce byla podpořena evropským stipendiem Marie Curie International Incoming Fellowship (326847 a 912847), speciální nadací pro talenty Severozápadní univerzity A&F (Z111021801), projektem Shaanxi Project of Science and Technology Activities for Returning from Overseas (2018030) a klíčovým plánem výzkumu a vývoje provincie Shaanxi (2019NY-172).

Střet zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

.