Frontiers in Neurorobotics

Introduktion

I sammenligning med flerfingrede behændige hænder har en bionisk hånd med to fingre en enkel mekanisk struktur og er let at planlægge bevægelser, så den bruges altid i frugthøstrobotter (Bac et al., 2017; Silwal et al., 2017). Imidlertid er arbejdsmiljøet for frugthøstrobotterne ekstremt komplekst, såsom frugterne i en plante er forskellige i størrelse, form, kropsholdning og position (Li et al., 2019a, b), og de eksisterende bioniske hænder med to fingre er vanskelige at opfylde kravene til at gribe frugthøst (Li et al., 2013), så robotterne bruges stadig ikke til praktisk frugthøst indtil videre. Med hjælp fra hjerne- og øjenkoordinering betragtes enkeltpersoner altid som pålidelige udøvere, når de er i stand til at udføre opgaverne med at gribe, flytte og frigive en målfrugt ved hjælp af kun tommelfingeren og pegefingeren, og den samlede ydelse af dette stabile manipulationssystem er rimelig. Den menneskelige hånd er et kraftfuldt multifunktionelt værktøj, og udforskning af dens evner hjælper forskerne med at definere en rimelig grebsmasse og størrelse for en bionisk robothånd, der har til hensigt at replikere dens evner (Feix et al., 2014; Chen et al., 2019). Ud fra et ergonomisk synspunkt skal designere af frugthøstrobotter forstå den menneskelige tommelfinger-indefingers kooperative gribeevner og den kvantitative korrelation mellem fingerlængde og gribeevner for nyligt designede bioniske hænder med to fingre for at forbedre deres gribeevne (Yussof og Ohka, 2012; Wang og Ahn, 2017).

Studier, der fremhæver den menneskelige tommelfinger-indefinger-grebsadfærd, er blevet offentliggjort i løbet af det sidste årti. Nogle forskere afslørede, at grebsstabiliteten under manipulation primært blev påvirket af objektets vægt, den relative krumning og friktionskraften mellem fingerspidserne og objektets overflade og afstanden mellem to kontaktpunkter, når et objekt blev klemt af tommel- og pegefingeren (Li et al., 2013; Luciw et al., 2014). Biegstraaten et al. (2006) konkluderede, at række- og løftebevægelserne var ret uafhængige, når et objekt blev grebet med et præcisionsgreb (Biegstraaten et al., 2006). Vigouroux et al. (2011) foreslog, at når menneskets tommelfinger-indefinger greb objekter med forskellig bredde, så varierede fingerledsstillingerne, muskelkraften og grebskraften betydeligt alt efter objektets bredde, og et interessant resultat var, at forholdet mellem muskelkraft og grebskraft for de store bøjemuskler forbliver særligt stabilt med hensyn til bredden, mens andre muskelforhold varierede meget. Desuden er der også blevet gennemført forskellige forskningsundersøgelser om menneskers evne til at gribe med fem fingre (Vigouroux et al., 2011). Eksioglu (2004) påviste, at den optimale grebsspændvidde i forhold til en persons håndantropometri var ca. 2 cm kortere end hans modificerede tommelfingerskridtlængde baseret på bedømmelseskriterierne maksimal frivillig isometrisk grebskraft, muskelaktivitet og subjektiv vurdering. Seo og Armstrong (2008) illustrerede, at når cylindriske håndtag blev grebet i en power grip-stilling, kan forholdet mellem håndtagets diameter og håndlængden forklare 62 %, 57 % og 71 % af varianserne i henholdsvis grebskraft, normalkraft og kontaktflade, Seo og Armstrong (2008). Li et al. (2010) forventede, at håndomkredsen blandt flere antropometriske parametre såsom højde, vægt, håndled og underarm, hånd- og håndfladens længde havde den stærkeste korrelation med den maksimale grebsstyrke. Bansode et al. (2014) afslørede, at den dominerende hånds grebsstyrke hos mænd og kvinder havde en signifikant positiv korrelation med alder, højde, vægt og kropsmasseindeks samt den dominerende hånds spændvidde, mens den ikke havde nogen tydelig korrelation med taljeomkreds og talje/hofte-forhold. Feix et al. (2014) fandt, at den optimale gribeevne for den menneskelige hånd var mindre end 500 g med hensyn til masse, og bredden af objektet på grebsstedet var mindre end 7 cm.

Sammenfattende er der gjort betydelige fremskridt på dette område. Ikke desto mindre er der blevet lagt mindre vægt på den kooperative gribeevne for menneskets tommelfinger og pegefinger og de faktorer, der har indflydelse på den. Dette betyder, at der er et teknisk hul i den ergonomiske udformning af robothænder, der har til hensigt at efterligne den menneskelige hånds evne. På grundlag af de eksisterende litteraturdata gennemførte vi derfor undersøgelser i et forsøg på at undersøge virkningen af menneskekroppens egenskaber (f.eks, alder, køn, statur, hånd, summen af tommelfinger- og pegefingerlængder og forholdet mellem pegefinger- og tommelfingerlængde) på tommelfinger- og pegefingergrebsevnen, dvs. den maksimale grebsmasse og diameteren af tommelfinger- og pegefinger, ved hjælp af en multipel ikke-lineær regressionsanalysemetode.

Materialer og metoder

Materiale

For at undersøge den kooperative gribeevne af menneskets tommelfinger-indefinger blev 20 forskellige masser af massive cylindre og 15 forskellige udvendige diametre af ringe fremstillet som grebsobjekter i august 2017. De solide cylindre med en diameter dc på 40 mm blev fremstillet af C45-kulstofstål med følgende egenskaber: massefylde på 7,85 g/cm3 og overfladeruhed Ra = 0,1 μm (figur 1A). Ringene med en højde hr på 40 mm var fremstillet af akryl og havde en densitet på 1,2 g/cm3 og en overfladeruhed Ra = 0,05 μm (figur 1B). De operative parametre for de massive cylindre og ringe, såsom deres højder, diametre og masse, er anført i tabel 1. De massive cylindre blev anvendt til at undersøge virkningerne af menneskekroppens egenskaber på den maksimale masse af genstande, der kan gribes med tommel- og pegefinger, mens ringene blev anvendt til at undersøge virkningerne af menneskekroppens egenskaber på den maksimale diameter af genstande, der kan gribes med tommel- og pegefinger. Multifaktor-grebsfrigørelsestests blev udført inden for 72 timer ved stuetemperatur (24 ± 1 °C, 50-55 % RH).

Deltagere

I alt 108 frivillige (54 mænd og 54 kvinder) blev rekrutteret fra Henan Polytechnic University, HPU børnehave og Hexiang Primary School til at deltage i grebs- og frigørelsestestest i denne undersøgelse. Deres karakteristika var som følger {middelværdi }: alder, 11,9 (6,8) år; højde, 141,5 (23,8) cm; tommelfingerlængde, 41,9 (7,7) mm og pegefingerlængde, 56,6 (10,0) mm. Alle bidragydere fik en detaljeret beskrivelse af forsøgets formål og krav, og der blev derefter indhentet skriftligt informeret samtykke fra deltagerne over 16 år og fra forældrene til deltagerne under 16 år. Alle de frivillige var højrehåndede, havde normal hørelse og et korrigeret til normalt syn og havde ingen historie med skader på deres hænder, psykiske sygdomme eller fysiske handicaps. Denne undersøgelse blev udført i overensstemmelse med principperne i Basel-erklæringen og anbefalingerne fra etableringen af institutionelle etiske komitéer i Kina.

Procedurer

Deltagerne vaskede deres hænder med vand og sæbe og tørrede dem med et håndklæde ca. 5 min. før testene. Hver deltagers statur blev målt ved hjælp af en folde lineal med en nøjagtighed på 1 mm. Hver deltager blev lettet med en kalibreringsmærkeplaster på hænderne, og tommelfingeren og pegefingeren blev åbnet for at tage et foto med et digitalkamera (Canon IXUS 95IS) fra toppen af håndfladen (figur 1C). De optagne billeder blev overført til computeren og derefter behandlet af Digimizer Version 4.2.6.0 for at udtrække længden af de to fingre. Længden af tommelfingeren og pegefingeren blev målt ved afstanden fra fingerens proximale bøjningsrille til spidsen af den respektive finger (figur 1C), hvilket var i overensstemmelse med Kanchan og Krishan (2011), Ishak et al. (2012) og Jee et al. (2015). Efterfølgende blev de grebne genstande placeret på et bord, og hver deltager blev instrueret til at sidde i en kontorstol foran bordet med højre overarm parallelt med bagkroppen, med albuen hvilende på højre lår og med underarmen strakt fremadrettet. Deltageren blev bedt om at løfte og flytte en genstand fra en position til en anden ved hjælp af højre hånds tommelfinger og pegefinger på en naturlig måde. 15 sekunder senere flyttede deltageren genstanden tilbage ved hjælp af venstre hånds tommel- og pegefinger. Under grebet kunne langfingeren, ringfingeren, lillefingeren og håndfladen ikke røre ved genstanden.

Den kooperative grebsproces for menneskets tommelfinger og pegefinger var en hånd-hjerne-øje-koordineringsadfærd og kan opdeles i fem trin (figur 2). 1. trin: lokalisering og registrering af et objekt ved hjælp af synssystemet med hjernens vejledning. 2. trin: hjernen behandler de oplysninger, der er opnået fra synssystemet, og træffer en strategisk beslutning (f.eks, førgrebstype, grebskraft og grebsposition) for stabilt greb; 3. trin: hjernen giver hånden ordre til at nå og gribe objektet; 4. trin: de taktile sanseoplysninger blev tilbagemeldt til hjernen med henblik på yderligere beslutningstagning, og om nødvendigt justeres grebets stilling og kraft med hjernens kommando; 5. trin: hånden griber objektet stabilt og flytter det til en anden position.

I dette forsøg var de grebne genstande massive cylindre af forskellig masse (figur 1A) og ringe af forskellig størrelse (figur 1B). Hver deltager greb de faste cylindre på grundlag af deres masse fra let til tungt i rækkefølge, og derefter greb han ringene på grundlag af deres udvendige diameter fra lille til stor i rækkefølge. Den maksimale gribemasse for menneskets tommelfinger-indefinger angav den maksimale masse af genstande, der kan gribes med tommelfingeren-indefingeren. Den maksimale gribediameter for tommelfinger-indefinger angiver den maksimale diameter af genstande, der kan gribes med tommelfinger-indefinger. Efter hver gribeopgave blev griberesultatet, dvs. succes eller fiasko, omhyggeligt registreret af en dygtig observatør. Et gribeforsøg blev karakteriseret som vellykket, hvis gribe- og frigørelsesprocessen var stabil, og der ikke opstod nogen relativ glidning mellem pegefinger, tommelfinger og objekt; ellers blev det karakteriseret som et mislykket forsøg. I alt var der 7560 gribeforsøg (108 frivillige × 2 hænder × 20 solide cylindre + 108 frivillige × 2 hænder × 15 ringe) i forsøget.

Non-lineær regressionsanalyse

I denne undersøgelse anvendes en ikke-lineær regressionsanalysemetode til at finde to potentielle matematiske modeller af relationerne mellem de afhængige variabler (nemlig den maksimale gribemasse og diameteren af tommelfinger-indefingeren) og et sæt uafhængige variabler (f.eks, alder, køn, anvendt hånd, summen af længderne af tommel- og pegefinger og forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger). Da menneskets tommelfinger og pegefinger eksisterer side om side, og deres længder er multikollineære, blev der valgt to relative uafhængige parametre: summen af tommelfinger- og pegefingerlængder og forholdet mellem pegefinger og tommelfingerlængde til at karakterisere tommelfinger- og pegefingerlængderne i regressionsanalysen. I betragtning af den stærke korrelation mellem statur og summen af fingerlængder, som Abdel-Malek et al. (1990) havde forudset, blev summen af fingerlængder taget i betragtning i den følgende regressionsanalyse, men staturen blev ikke taget i betragtning. Karakteristika ved menneskekroppen såsom alder og summen af tommelfinger-indefingerlængder blev betragtet som de oprindelige uafhængige variabler, og den maksimale grebsmasse og tommelfinger-indefingerdiameteren blev fastsat som henholdsvis første og anden afhængige variabel. Efter eksperimenterne blev de lineære (f.eks. y = kx) og ikke-lineære (f.eks, y = kx2, y = klnx) funktionelle relationer mellem alder og maksimal grebsmasse, mellem summen af længder af tommelfinger-indefinger og maksimal grebsmasse, mellem alder og maksimal grebsdiameter og mellem summen af længder af tommelfinger-indefinger og maksimal grebsdiameter blev estimeret ved hjælp af “curve estimation” i IBM SPSS Statistics 24.0 (version 24.0, IBM Corporation, USA) og derefter sammenlignet med henblik på at vælge en optimal funktionel relation mellem de to variabler på grundlag af den justerede determinationskoefficient R2. En større R2 indikerer, at den tilsvarende funktionsrelation er mere egnet til at passe til de eksperimentelle data mellem de to variabler. Konstanten blev ikke medtaget i hver regressionsligning.

Når de optimale funktioner mellem de oprindelige kvantitative uafhængige variabler og de afhængige variabler var opnået, blev hver ikke-lineær funktion betragtet som en ny uafhængig variabel, der skulle anvendes i den efterfølgende multiple lineære regressionsanalyse, og signifikansniveauet blev sat til 0,05. Da køn og den anvendte hånd var kategoriske variabler, blev de to niveauer af køn, nemlig mand og kvinde, inden den lineære regressionsanalyse kodet som henholdsvis “0” og “1”, og de to niveauer af den anvendte hånd, nemlig venstre hånd og højre hånd, blev også kodet som henholdsvis “0” og “1”. Endelig blev der anvendt en multipel lineær regressionsanalyse til at opstille to potentielle matematiske modeller. Konstanten blev ikke medtaget i hver regressionsmodel. Goodness-of-fit-testen blev anvendt til at måle, hvor godt de observerede data svarer til hver regressionsmodel, F-testen blev anvendt til at teste den overordnede signifikans af hver regressionsmodel, og t-testen blev anvendt til at afgøre, om en uafhængig variabel havde en statistisk signifikant effekt på den afhængige variabel i hver model.

Resultater og diskussion

Beskrivelse af eksperimentelle resultater

Figur 3 viser de maksimale grebsmasser for den menneskelige tommelfinger-indefinger under forskellige betingelser for menneskets kropsegenskaber (f.eks, køn, anvendt hånd, alder og summen af tommel- og pegefingerlængder). I denne undersøgelse varierede de maksimale grebsmasser for deltagernes tommelfinger-indefinger fra 690,2 til 9859,6 g. De maksimale grebsmasser for mandlige deltageres tommelfinger-indefinger var 5057,6 ± 2695,6 g (gennemsnit ± standardafvigelse), hvilket var betydeligt højere end for kvindelige deltagere 3265,5 ± 1853,5 g (figur 3A). Der var imidlertid ingen signifikant forskel i de maksimale grebsmasser af tommelfinger-indefinger i deltagernes venstre og højre hånd; de maksimale grebsmasser af tommelfinger-indefinger i venstre hånd var 4102,7 ± 2449,4 g, lidt lavere end dem i højre hånd 4220,5 ± 2513,1 g (figur 3B). I denne undersøgelse varierede deltagernes alder fra 3∼27 år, og summen af tommelfinger- og pegefingerlængderne varierede fra 56,9 til 132,6 mm. Det er klart, at deltagernes maksimale grebsmasser for tommelfinger-indefinger havde en ikke-lineær (f.eks. kvadratisk funktion, logaritmisk funktion) stigende tendens med stigende alder og summen af tommelfinger- og pegefingerlængder (figur 3C,D).

Figur 4 viser de maksimale grebsdiametre for den menneskelige tommelfinger-indefinger under forskellige forhold med hensyn til menneskets kropsegenskaber (f.eks, køn, anvendt hånd, alder og summen af tommel- og pegefingerlængder). I denne undersøgelse varierede den maksimale grebsdiameter for deltagernes tommelfinger-indefinger fra 70 til 170 mm. De maksimale grebsdiametre for tommelfinger-indefinger hos mandlige deltagere var 129,0 ± 22,2 mm, lidt større end hos kvindelige deltagere 119,9 ± 25,2 mm (figur 4A). De maksimale grebsdiametre for tommelfinger-indefinger på venstre hånd var 124,0 ± 24,1 mm, næsten lige så store som for højre hånd (figur 4B). I lighed med figur 3C,D viste deltagernes maksimale gribediametre for tommelfinger-indefinger også en ikke-lineær (f.eks. kvadratisk funktion, logaritmisk funktion) stigende tendens med stigende alder og summen af tommelfinger- og pegefingerlængder (figur 4C,D).

Tabel 2 viser de justerede determinationskoefficienter for de lineære og ikke-lineære regressionsmodeller mellem de kvantitative uafhængige og afhængige variabler. Ved at sammenligne de justerede determinationskoefficienter for tre typer funktioner gav den lineære funktion det optimale funktionelle forhold mellem alder og maksimal grebsmasse og mellem summen af tommelfinger-indefingerlængder og maksimal grebsdiameter; den kvadratiske funktion gav de optimale funktionelle forhold mellem summen af tommelfinger-indefingerlængder og maksimal grebsmasse; og den logaritmiske funktion gav det optimale funktionelle forhold mellem alder og maksimal grebsdiameter. Disse resultater blev anvendt i den følgende regressionsanalyse.

Faktorer, der påvirker den maksimale grebsmasse af menneskets tommelfinger-indefinger

Den ikke-lineære regressionsmodel for afhængigheden af den maksimale grebsmasse af køn, alder og summen af tommelfinger-indefingerlængder er præsenteret i Ekv. 1. Den justerede determinationskoefficient, der betegnes R2, var 0,97, hvilket tyder på, at modellen passede godt til dataene og angiver, at denne model kan forklare 97 % af variansen i den maksimale gribemasse, der blev forudsagt af køn, alder og summen af længder af tommelfinger-indefinger. Det blev konkluderet ud fra F-testen, at den samlede tilpasning var signifikant (P < 0,05). t-tests viste, at den maksimale masse af de genstande, som deltagerne kunne gribe ved hjælp af tommel- pegefinger, afhang af køn, alder og summen af tommel- pegefingerlængder (P < 0,05), men ikke af den anvendte hånd og forholdet mellem pegefinger- og tommelfingerlængde (P > 0,05).05).

hvor Mmax – maksimal grebsmasse, g; G – køn; A – deltagernes alder, år; og Lo – summen af fingerlængder, mm.

Deltagernes alder varierede fra 3∼27 år, hvilket er i den fase af vækst og udvikling af menneskets muskler (Lexell et al, 1992), så alderen viste en positiv signifikant effekt på den maksimale grebsmasse af den menneskelige tommelfinger-indefinger. Summen af tommelfinger- og pegefingerlængder var positivt relateret til den maksimale grebsmasse af den menneskelige tommelfinger-pegefinger, hvilket skyldes, at deltagere med store hænder har lange fingre og har tendens til at have høj muskelstyrke (Seo og Armstrong, 2008). Værdierne G = 0 eller 1, nemlig mand eller kvinde, blev indsat i ligning 1 for at beskrive deltagernes maksimale grebsmasse. Forskellen mellem mænds og kvinders maksimale grebsmasse for tommelfinger-indefinger var 1070,5 g. Lignende forskningsresultater viste, at mænds grebsstyrke var betydeligt højere end kvinders (Puh, 2009), og at håndlængden havde en betydelig indvirkning på grebsstyrken for menneskers femfingre (Li et al., 2010). Den signifikante sammenhæng mellem køn og den maksimale grebsmasse af to fingre kan tilskrives, at den maksimale frivillige sammentrækningskraft hos mænd altid er større end hos kvinder med samme højde (Shurrab et al., 2017). Derfor kan en forøgelse af den maksimale frivillige sammentrækningskraft forbedre den maksimale grebsmasse af menneskers to fingre. Grebsstyrken er en lignende parameter som den maksimale gribemasse til måling af de menneskelige fingres gribeevne. Disse resultater illustrerede, at fingerlængdesummen og den maksimale frivillige sammentrækningskraft i fællesskab ville påvirke den maksimale gribemasse for tommelfinger-indefinger, hvilket foreslog, at de to faktorer bør overvejes sammen for at forbedre den maksimale gribemasse for robothænder under ergonomisk design.

Faktorer, der påvirker den maksimale grebsdiameter for menneskelig tommelfinger-indefinger

Den ikke-lineære regressionsmodel for afhængigheden af den maksimale grebsdiameter af alder, summen af tommelfinger-indefingerlængder og forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger er præsenteret i Eq. 2. Den justerede determinationskoefficient, der betegnes R2, var 0,99, hvilket viser, at modellen passede godt til dataene, og at denne model kan forklare 99 % af variansen i den maksimale gribediameter, der blev forudsagt af alder, summen af længder af tommelfinger-indefinger og forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger. Det blev konkluderet ud fra F-testen, at den samlede tilpasning var signifikant (P < 0,05). t-tests viste, at den maksimale diameter af de genstande, som deltagerne kunne gribe ved hjælp af tommelfinger-indefingeren, afhang af alder, summen af tommelfinger-indefingerlængderne og forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger (P < 0,05), men ikke af køn og den anvendte hånd (P > 0,05).

hvor Dmax – maksimal gribediameter, mm; Lo – summen af tommel- og pegefingerlængder, mm; Lr – forholdet mellem pegefinger- og tommelfingerlængde.

Summen af tommel- og pegefingerlængderne varierede fra 56,9 til 132,6 mm, og forholdet mellem pegefinger- og tommelfingerlængder varierede fra 1,09 til 1,65. Summen af tommelfinger- og pegefingerlængderne var positivt proportional med den maksimale gribediameter. Jo længere summen af tommelfinger- og pegefingerlængderne er, jo større er spændvidden mellem to fingerspidser, og jo større er deltagernes maksimale grebsdiameter ved brug af tommelfinger- og pegefinger. Når summen af tommelfinger- og pegefingerlængderne steg med 1 mm, steg den maksimale gribediameter for tommelfinger-pegefinger med 0,98 mm. Når forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger steg med 0,01, steg den maksimale gribediameter for tommelfinger-pegefinger med 0,0967 mm. Forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger var positivt relateret til den maksimale gribediameter, hvilket indikerede, at kombinationen af en kort tommelfinger og en lang pegefinger ville øge den maksimale gribediameter for tommelfinger-pegefinger. Hovedårsagen er, at når en genstand gribes med to fingre, især ved kraftgreb, fungerer den korte tommelfinger let som et støttepunkt, der passer til den lange pegefinger, når den omslutter genstandens kontur og danner et plan for kraftlukning. Den korte tommelfinger er ikke let at blive begrænset af objektets form, og der kan opnås et stabilt greb med kraftlukning i kontaktplanet baseret på kriteriet for grebsstabilitet, som blev rapporteret af Li et al. (2013). Der er kun få oplysninger om dette emne i litteraturen.

Diskussion

Eq. 1 i se afsnittet “Factors Affecting the Maximum Grasping Mass of Human Thumb-Index Finger” beskrev kvantitativt forholdet mellem summen af tommelfinger- og pegefingerlængder og den maksimale grebsmasse. Ved udvikling af en bionisk robothånd med to fingre kan der, hvis masserne af potentielle målobjekter er givet, udledes en optimal længdeudformning af robottens tommelfinger og pegefinger ved hjælp af ligning 1 og en yderligere betingelse: det gennemsnitlige forhold mellem længden af pegefinger og tommelfinger er 1,36. Ligeledes beskrev ligning 2 i afsnittet “Factors Affecting the Maximum Grasping Diameter of Human Thumb-Index Finger” kvantitativt forholdet mellem summen af tommelfinger- og pegefingerlængder, forholdet mellem pegefinger og tommelfingerlængde og den maksimale gribediameter. Ved udvikling af en bionisk robothånd med to fingre kan man, hvis diameteren af potentielle målobjekter er givet, udlede en passende længdeudformning af robottens tommelfinger og pegefinger ved hjælp af ligning 2. De to ikke-lineære regressionsmodeller var derfor nyttige i forbindelse med den optimale størrelsesudformning af robothænder, der har til formål at efterligne evnen til at gribe tommelfinger og pegefinger. Når vi håndterer et nyt objekt, giver sensorisk feedback os oplysninger om dets fysiske egenskaber som f.eks. masse, hvorefter hjernen formodes at vælge den mest hensigtsmæssige model, der opbevares i vores centralnervesystem, til den aktuelle opgave (Lemon et al., 1995; Davidson og Wolpert, 2004). I henhold til den maksimale gribemasse for tommelfinger-indefinger kan der udvikles en dybdeindlæringsalgoritme til at retfærdiggøre, om nogle genstande i et ustruktureret arbejdsmiljø opfylder kravene til greb af bioniske robothænder. Hvis der desuden er nogle uregelmæssige objekter (f.eks. krus) i det ustrukturerede miljø, kan tommelfinger-indefingers maksimale grebsdiameter anvendes til at lave grebsplanlægningsalgoritmer til udvælgelse af de optimale grebssteder på en uregelmæssig objektoverflade for en bionisk robothånd. Derudover findes der altid mange tidsvarierende problemer i kinematiske kontrolproblemer af robotfingre, og det konvergerende differentielle neurale netværk med varierende parametre ville være en effektiv og præcis metode til løsning af dette problem med planlægning af greb (Zhang et al., 2018a, b).

Konklusion

I denne undersøgelse blev den maksimale kooperative gribemasse og diameter af den menneskelige tommelfinger og pegefinger i en bred vifte af ustrukturerede opgaver undersøgt. Deltagernes alder varierede fra 3∼27 år, og summen af deres tommelfinger- og pegefingerlængder varierede fra 56,9 til 132,6 mm. Resultaterne viste, at de maksimale grebsmasser og diametre for deltagernes tommelfinger- og pegefinger varierede fra 690,2 til 9859,6 g og 70 til 170 mm. Den maksimale grebsmasse af deltagernes tommelfinger-indefinger var afhængig af køn, alder og summen af længderne af tommelfinger-indefinger (P < 0,05), men ikke af den hånd, der blev brugt, og forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger (P > 0,05). Den maksimale grebsdiameter for deltagernes tommelfinger-indefinger var afhængig af alder, summen af tommelfinger-indefingerlængderne og forholdet mellem længden af pegefinger og tommelfinger (P < 0,05), men ikke af køn og den anvendte hånd (P > 0,05).

Der var en ikke-lineær regressionsmodel for afhængigheden af den maksimale gribemasse af køn, alder og summen af tommelfinger-indefingerlængder og en anden ikke-lineær regressionsmodel for afhængigheden af den maksimale gribediameter af alder, summen af tommelfinger-indefingerlængder og forholdet mellem pegefinger- og tommelfingerlængde. To regressionsmodeller var nyttige i forbindelse med udformningen af den optimale størrelse af robothænder, der har til formål at efterligne evnen til at gribe efter tommelfinger-indefinger. Denne forskning kan bidrage til at definere ikke kun en rimelig grebsmasse og størrelse for en bionisk robothånd, men også kravene til håndrehabilitering.

Data Availability Statement

Alle datasæt genereret til denne undersøgelse er inkluderet i artiklen/supplementært materiale.

Author Contributions

XC og ZL designede og udførte eksperimenterne og skrev manuskriptet. YW, JL og DZ gennemgik og overvågede arbejdet.

Funding

Dette arbejde blev støttet af et europæisk Marie Curie International Incoming Fellowship (326847 og 912847), en Special Foundation for Talents of Northwest A&F University (Z111021801), et Shaanxi Project of Science and Technology Activities for Returning from Overseas (2018030), og en Key Research and Development Plan of Shaanxi Province (2019NY-172).

Interessekonflikter

Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller finansielle forbindelser, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.