Fronteras en Neurorobótica

Introducción

En comparación con las manos diestras de varios dedos, la mano biónica de dos dedos tiene una estructura mecánica simple y es fácil para la planificación del movimiento, por lo que siempre se utiliza en los robots de recolección de frutas (Bac et al, 2017; Silwal et al., 2017). Sin embargo, el entorno de trabajo de los robots de recolección de frutas es extremadamente complejo, como las frutas en una planta son diferentes en tamaño, forma, postura y posición (Li et al., 2019a, b), y las manos biónicas de dos dedos existentes son difíciles de cumplir con los requisitos de agarre de la recolección de frutas (Li et al., 2013), por lo que los robots aún no se utilizan para la recolección práctica de frutas hasta ahora. Con la ayuda de la coordinación del cerebro y los ojos, los individuos se consideran siempre fiables cuando son capaces de completar las tareas de agarre, movimiento y liberación de una fruta objetivo utilizando sólo el pulgar y el dedo índice, y el rendimiento general de este sistema de manipulación estable es razonable. La mano humana es una poderosa herramienta multifuncional, y la exploración de sus capacidades ayuda a los investigadores a definir una masa y un tamaño de agarre razonables para una mano robótica biónica, con la intención de replicar sus capacidades (Feix et al., 2014; Chen et al., 2019). Desde el punto de vista de la ergonomía, los diseñadores de robots recolectores de fruta deben comprender las capacidades de agarre cooperativo del dedo pulgar-índice humano y la correlación cuantitativa entre la longitud de los dedos y las capacidades de agarre para las manos biónicas de dos dedos recién diseñadas, a fin de mejorar su rendimiento de agarre (Yussof y Ohka, 2012; Wang y Ahn, 2017).

Durante la última década se han publicado estudios que destacan los comportamientos de agarre del dedo pulgar-índice humano. Algunos investigadores revelaron que la estabilidad del agarre durante la manipulación se veía afectada principalmente por el peso del objeto, la curvatura relativa y la fuerza de fricción entre las yemas de los dedos y la superficie del objeto, y la distancia entre dos puntos de contacto cuando un objeto era pellizcado por el dedo pulgar-índice (Li et al., 2013; Luciw et al., 2014). Biegstraaten et al. (2006) concluyeron que los movimientos de alcance y elevación eran bastante independientes cuando se agarraba un objeto con un agarre de precisión (Biegstraaten et al., 2006). Vigouroux et al. (2011) propusieron que cuando el dedo pulgar-índice humano agarraba objetos que tenían diferentes anchuras, entonces las posturas de las articulaciones de los dedos, la fuerza muscular y la fuerza de agarre variaban significativamente en función de la anchura del objeto, y un resultado interesante fue que las relaciones fuerza muscular/fuerza de agarre de los principales músculos flexores permanecían particularmente estables con respecto a la anchura, mientras que otras relaciones musculares diferían ampliamente. Además, también se han llevado a cabo varios estudios de investigación sobre la capacidad de agarre de los cinco dedos del ser humano (Vigouroux et al., 2011). Eksioglu (2004) demostró que la amplitud de agarre óptima en relación con la antropometría de la mano de un individuo era aproximadamente 2 cm más corta que la longitud modificada de la entrepierna del pulgar, basándose en los criterios de juicio de la fuerza de agarre isométrica voluntaria máxima, la actividad muscular y la valoración subjetiva. Seo y Armstrong (2008) ilustraron que cuando se agarraban mangos cilíndricos en una postura de agarre de potencia, la relación entre el diámetro del mango y la longitud de la mano puede explicar el 62%, el 57% y el 71% de las variaciones en la fuerza de agarre, la fuerza normal y el área de contacto, respectivamente, Seo y Armstrong (2008). Li et al. (2010) anticiparon que la circunferencia de la mano, entre varios parámetros antropométricos como la altura, el peso, la muñeca y el antebrazo, las longitudes de la mano y la palma de la mano, tenían la correlación más fuerte con la fuerza de agarre máxima. Bansode et al. (2014) revelaron que la fuerza de agarre de la mano dominante en hombres y mujeres tenía una correlación positiva significativa con la edad, la altura, el peso y el índice de masa corporal y la envergadura de la mano dominante, mientras que no tenía una correlación evidente con la circunferencia de la cintura y la relación cintura-cadera. Feix et al. (2014) descubrieron que la capacidad óptima de agarre de la mano humana era inferior a 500 g en términos de masa, y la anchura del objeto en el lugar de agarre era inferior a 7 cm.

En resumen, se han realizado importantes avances en este campo. Sin embargo, se ha prestado menos atención a la capacidad de agarre cooperativo del pulgar y el dedo índice humanos y a sus factores de influencia. Esto significa que existe un vacío técnico para el diseño ergonómico de las manos robóticas que pretenden replicar la capacidad de la mano humana. Por lo tanto, basándonos en los datos de la literatura existente, realizamos estudios para investigar el efecto de las características del cuerpo humano (por ejemplo la edad, el sexo, la estatura, el uso de la mano, la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice y la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar) sobre la capacidad de agarre del dedo pulgar e índice, es decir, la masa máxima de agarre y el diámetro del dedo pulgar e índice, utilizando un método de análisis de regresión no lineal múltiple.

Materiales y métodos

Material

Para investigar las capacidades de agarre cooperativo del dedo pulgar-índice humano, se fabricaron 20 masas diferentes de cilindros sólidos y 15 diámetros externos diferentes de anillos como objetos de agarre en agosto de 2017. Los cilindros macizos con un diámetro dc de 40 mm se fabricaron con acero al carbono C45 con las siguientes características: densidad de 7,85 g/cm3 y rugosidad superficial Ra = 0,1 μm (Figura 1A). Los anillos con una altura hr de 40 mm eran de acrílico y tenían una densidad de 1,2 g/cm3 y una rugosidad superficial Ra = 0,05 μm (Figura 1B). Los parámetros operativos de los cilindros macizos y los anillos, como sus alturas, diámetros y masas, se enumeran en la Tabla 1. Los cilindros macizos se utilizaron para estudiar los efectos de las características del cuerpo humano en la masa máxima de los objetos que se pueden agarrar con el dedo pulgar-índice, mientras que los anillos se utilizaron para estudiar los efectos de las características del cuerpo humano en el diámetro máximo de los objetos que se pueden agarrar con el dedo pulgar-índice. Las pruebas de agarre-liberación multifactoriales se realizaron en un plazo de 72 h a temperatura ambiente (24 ± 1°C, 50-55% HR).

Participantes

Un total de 108 voluntarios (54 hombres y 54 mujeres) fueron reclutados de la Universidad Politécnica de Henan, el Jardín de Infancia HPU y la Escuela Primaria Hexiang para participar en las pruebas de agarre-liberación en este estudio. Sus características eran las siguientes {medias}: edad, 11,9 (6,8) años; altura, 141,5 (23,8) cm; longitud del pulgar, 41,9 (7,7) mm y longitud del dedo índice, 56,6 (10,0) mm. A todos los colaboradores se les proporcionó una descripción detallada de los objetivos y requisitos del experimento y, a continuación, se obtuvo el consentimiento informado por escrito de los participantes mayores de 16 años y de los padres de los participantes menores de 16 años. Todos los voluntarios eran diestros, con audición normal y visión corregida a normal, y no tenían antecedentes de lesiones en las manos, enfermedades mentales o discapacidades físicas. Este estudio se llevó a cabo de acuerdo con los principios de la Declaración de Basilea y las recomendaciones del Establecimiento de Comités de Ética Institucional en China.

Procedimientos

Los participantes se lavaron las manos con agua y jabón y se secaron con una toalla unos 5 min antes de las pruebas. La estatura de cada participante se midió con una regla plegable con una precisión de 1 mm. A cada participante se le facilitó una etiqueta de calibración pegada en las manos, y se le abrieron los dedos pulgar e índice para tomar una foto con una cámara digital (Canon IXUS 95IS) desde la parte superior de la palma (Figura 1C). Las imágenes capturadas se transmitieron al ordenador y luego se procesaron con la versión 4.2.6.0 de Digimizer para extraer las longitudes de los dos dedos. Las longitudes de los dedos pulgar e índice se midieron por la distancia desde el pliegue de flexión proximal del dedo hasta la punta del dedo respectivo (Figura 1C), lo que coincidía con Kanchan y Krishan (2011), Ishak et al. (2012) y Jee et al. (2015). Posteriormente, los objetos agarrados se colocaron en una mesa, y se indicó a cada participante que se sentara en una silla de oficina frente a la mesa con la parte superior del brazo derecho paralela al tronco, el codo apoyado en su muslo derecho y el antebrazo extendido anteriormente. Se pidió al participante que levantara y moviera un objeto de una posición a otra utilizando los dedos pulgar e índice de la mano derecha de forma natural. 15 s después, el participante volvió a mover el objeto utilizando los dedos pulgar e índice de la mano izquierda. Durante el agarre, los dedos corazón, anular, meñique y la palma de la mano no podían tocar el objeto.

El proceso de agarre cooperativo del pulgar y el índice humanos era un comportamiento de coordinación mano-cerebro-ojo y puede dividirse en cinco pasos (Figura 2). 1er paso: localización y detección de un objeto por el sistema de visión con la guía del cerebro; 2º paso: el cerebro procesa la información obtenida del sistema de visión y toma una decisión estratégica (p. ej, 3ª etapa: el cerebro ordena a la mano que alcance y agarre el objeto; 4ª etapa: la información sensorial táctil se transmite al cerebro para la toma de decisiones y, si es necesario, la postura y la fuerza de agarre se ajustan con la orden del cerebro; 5ª etapa: la mano agarra el objeto de forma estable y lo mueve a otra posición.

En este experimento, los objetos agarrados eran cilindros sólidos de varias masas (Figura 1A) y anillos de varios tamaños (Figura 1B). Cada participante agarró los cilindros macizos en función de su masa, desde los más ligeros hasta los más pesados, y luego agarró los anillos en función de su diámetro exterior, desde los más pequeños hasta los más grandes. La masa máxima de agarre del dedo pulgar-índice humano indicaba la masa máxima de los objetos que se pueden agarrar con el dedo pulgar-índice. Los diámetros máximos de agarre del dedo pulgar-índice humano indicaban el diámetro máximo de los objetos que se pueden agarrar con el dedo pulgar-índice. Después de cada tarea de agarre, un observador experto registraba cuidadosamente el resultado del agarre, es decir, el éxito o el fracaso. Un ensayo de agarre se caracterizaba como exitoso si el proceso de agarre-liberación era estable y no se producía un deslizamiento relativo entre el dedo índice, el pulgar y el objeto; de lo contrario, se caracterizaba como un ensayo fallido. En total, se realizaron 7560 ensayos de agarre (108 voluntarios × 2 manos × 20 cilindros sólidos + 108 voluntarios × 2 manos × 15 anillos) en el experimento.

Análisis de regresión no lineal

En este estudio, se utiliza un método de análisis de regresión no lineal para encontrar dos posibles modelos matemáticos de las relaciones entre las variables dependientes (a saber, la masa máxima de agarre, y el diámetro del dedo índice-pulgar) y un conjunto de variables independientes (por ejemplo, edad, sexo, mano utilizada y suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice, relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar). Dado que el pulgar y el dedo índice humanos coexisten y sus longitudes presentan multicolinealidad, se seleccionaron dos parámetros independientes relativos: la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice y la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar para caracterizar las longitudes de los dedos pulgar e índice en el análisis de regresión. Teniendo en cuenta la fuerte correlación entre la estatura y la suma de las longitudes de los dedos, anticipada por Abdel-Malek et al. (1990), en el siguiente análisis de regresión se tuvo en cuenta la suma de las longitudes de los dedos, pero no la estatura. Las características del cuerpo humano, como la edad y la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice, se consideraron las variables independientes originales, y la masa máxima de agarre y el diámetro del dedo pulgar e índice se establecieron como primera y segunda variables dependientes, respectivamente. Después de los experimentos, se han establecido las variables lineales (por ejemplo, y = kx) y no lineales (por ejemplo, y = kx2, y = klnx) las relaciones funcionales entre la edad y la masa máxima de agarre, entre la suma de las longitudes de los dedos índice-pulgar y la masa máxima de agarre, entre la edad y el diámetro máximo de agarre, y entre la suma de las longitudes de los dedos índice-pulgar y el diámetro máximo de agarre, se estimaron utilizando la «estimación de curvas» de IBM SPSS Statistics 24.0 (versión 24.0, IBM Corporation, Estados Unidos) y luego se compararon para seleccionar una relación funcional óptima entre las dos variables basándose en el coeficiente de determinación R2 ajustado. Un R2 mayor indica que la relación funcional correspondiente es más adecuada para ajustar los datos experimentales entre las dos variables. La constante no se incluyó en cada ecuación de regresión.

Una vez obtenidas las funciones óptimas entre las variables independientes cuantitativas originales y las variables dependientes, cada función no lineal se consideró como una nueva variable independiente que se utilizaría en el siguiente análisis de regresión lineal múltiple y el nivel de significación se fijó en 0,05. Dado que el género y la mano utilizada eran variables categóricas, antes del análisis de regresión lineal, los dos niveles de género, a saber, masculino y femenino, se codificaron como «0» y «1», respectivamente, y los dos niveles de la mano utilizada, a saber, mano izquierda y mano derecha, también se codificaron como «0» y «1», respectivamente. Por último, se utilizó un análisis de regresión lineal múltiple para construir dos posibles modelos matemáticos. La constante no se incluyó en cada modelo de regresión. La prueba de bondad de ajuste se utilizó para medir la correspondencia de los datos observados con cada modelo de regresión, la prueba F se utilizó para comprobar la significación global de cada modelo de regresión, y la prueba t se utilizó para determinar si una variable independiente tenía un efecto estadísticamente significativo sobre la variable dependiente en cada modelo.

Resultados y discusión

Descripciones de los resultados experimentales

La figura 3 muestra las masas máximas de agarre del dedo pulgar-índice humano bajo diferentes condiciones de características del cuerpo humano (por ejemplo, género, mano utilizada, edad y suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice). En este estudio, las masas máximas de agarre del dedo pulgar-índice de los participantes oscilaron entre 690,2 y 9859,6 g. Las masas máximas de agarre del dedo pulgar-índice de los participantes masculinos fueron de 5057,6 ± 2695,6 g (media ± desviación estándar), significativamente mayores que las de las participantes femeninas 3265,5 ± 1853,5 g (Figura 3A). Sin embargo, no hubo diferencias significativas en las masas máximas de agarre del dedo pulgar-índice en las manos izquierda y derecha de los participantes; las masas máximas de agarre del dedo pulgar-índice de la mano izquierda fueron de 4102,7 ± 2449,4 g, ligeramente inferiores a las de la mano derecha 4220,5 ± 2513,1 g (Figura 3B). En este estudio, la edad de los participantes oscilaba entre los 3∼27 años y la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice oscilaba entre 56,9 y 132,6 mm. Obviamente, las masas máximas de agarre de los dedos pulgar e índice de los participantes tenían una tendencia de aumento no lineal (por ejemplo, función cuadrática, función logarítmica) con el aumento de la edad y la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice (Figuras 3C,D).

La figura 4 muestra los diámetros máximos de agarre del dedo índice-pulgar humano en diferentes condiciones de características corporales humanas (por ejemplo, género, mano utilizada, edad y suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice). En este estudio, los diámetros máximos de agarre del dedo pulgar-índice de los participantes oscilaron entre 70 y 170 mm. Los diámetros máximos de agarre del dedo pulgar-índice de los participantes masculinos fueron de 129,0 ± 22,2 mm, ligeramente mayores que los de las participantes femeninas, 119,9 ± 25,2 mm (Figura 4A). Los diámetros máximos de agarre del dedo pulgar-índice de la mano izquierda fueron de 124,0 ± 24,1 mm, casi iguales a los de la mano derecha (Figura 4B). Al igual que en las Figuras 3C,D, los diámetros máximos de agarre del dedo pulgar-índice de los participantes también mostraron una tendencia de aumento no lineal (por ejemplo, función cuadrática, función logarítmica) con el aumento de la edad y la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice (Figuras 4C,D).

La tabla 2 enumera los coeficientes de determinación ajustados de los modelos de regresión lineal y no lineal entre las variables cuantitativas independientes y dependientes. Al comparar los coeficientes de determinación ajustados de tres tipos de funciones, la función lineal proporcionó la relación funcional óptima entre la edad y la masa máxima de agarre, y entre la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice y el diámetro máximo de agarre; la función cuadrática produjo las relaciones funcionales óptimas entre la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice y la masa máxima de agarre; y la función logarítmica proporcionó la relación funcional óptima entre la edad y el diámetro máximo de agarre. Estos resultados se utilizaron en el siguiente análisis de regresión.

Factores que afectan a la masa máxima de agarre del dedo índice-pulgar humano

El modelo de regresión no lineal para la dependencia de la masa máxima de agarre del sexo, la edad y la suma de las longitudes de los dedos índice-pulgar se presenta en la Ec. 1. El coeficiente de determinación ajustado, denominado R2, fue de 0,97, lo que sugiere que el modelo se ajusta a los datos e indica que este modelo puede explicar el 97% de la varianza de la masa máxima de prensión predicha por el sexo, la edad y la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice. Las pruebas t demostraron que la masa máxima de los objetos que los participantes podían agarrar utilizando el dedo índice-pulgar dependía del género, la edad y la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice (P < 0,05), pero no de la mano utilizada ni de la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar (P > 0,05).05).

donde Mmáx – masa máxima de agarre, g; G – género; A – edad de los participantes, años; y Lo – suma de las longitudes de los dedos, mm.

La edad de los participantes oscilaba entre los 3∼27 años, que se encuentra en la etapa de crecimiento y desarrollo del músculo humano (Lexell et al., 1992), por lo que la edad mostró un efecto positivo significativo en la masa máxima de agarre del dedo pulgar-índice humano. La suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice se relacionó positivamente con la masa máxima de agarre del dedo pulgar-índice humano, la razón es que los participantes con manos grandes tienen dedos largos y tienden a tener una gran fuerza muscular (Seo y Armstrong, 2008). Los valores G = 0 o 1, es decir, hombre o mujer, se sustituyeron en la ecuación 1 para describir las masas máximas de agarre de los participantes. La diferencia en las masas máximas de agarre del dedo pulgar-índice de hombres y mujeres fue de 1070,5 g. Resultados de investigaciones similares demostraron que la fuerza de agarre de los hombres era significativamente mayor que la de las mujeres (Puh, 2009) y que la longitud de la mano tenía un efecto significativo en la fuerza de agarre de los cinco dedos humanos (Li et al., 2010). La relación significativa entre el género y la masa máxima de agarre de dos dedos puede atribuirse a que la fuerza de contracción voluntaria máxima de los varones es siempre mayor que la de las mujeres de altura similar (Shurrab et al., 2017). Por lo tanto, el aumento de la fuerza de contracción voluntaria máxima puede mejorar la masa de agarre máxima de los dos dedos humanos. La fuerza de agarre es un parámetro similar a la masa máxima de agarre para medir la capacidad de agarre de los dedos humanos. Estos resultados ilustran que la suma de la longitud de los dedos y la fuerza de contracción voluntaria máxima afectarían conjuntamente a la masa de agarre máxima del dedo pulgar-índice, lo que sugiere que los dos factores deberían considerarse conjuntamente para mejorar la masa de agarre máxima de las manos robóticas durante el diseño ergonómico.

Factores que afectan al diámetro máximo de agarre del dedo índice-pulgar humano

El modelo de regresión no lineal para la dependencia del diámetro máximo de agarre de la edad, la suma de las longitudes del dedo índice-pulgar y la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar se presenta en la Ec. 2. El coeficiente de determinación ajustado, denominado R2, fue de 0,99, lo que demuestra que el modelo se ajustó bien a los datos y que puede explicar el 99% de la varianza del diámetro máximo de prensión que predijeron la edad, la suma de las longitudes de los dedos índice y pulgar y la proporción de la longitud de los dedos índice y pulgar. Las pruebas t mostraron que el diámetro máximo de los objetos que los participantes podían agarrar utilizando el dedo pulgar-índice dependía de la edad, la suma de las longitudes de los dedos pulgar-índice y la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar (P < 0,05), pero no del sexo ni de la mano utilizada (P > 0,05).

donde Dmáx – diámetro máximo de agarre, mm; Lo – suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice, mm; Lr – relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar.

La suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice osciló entre 56,9 y 132,6 mm y la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar osciló entre 1,09 y 1,65. La suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice fue positivamente proporcional al diámetro máximo de agarre. Cuanto más larga es la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice, mayor es la distancia entre las dos puntas de los dedos; por lo tanto, mayor es el diámetro máximo de agarre de los participantes que utilizan el dedo pulgar e índice. Cuando la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice aumentó en 1 mm, el diámetro máximo de agarre del dedo pulgar-índice aumentó en 0,98 mm. Cuando la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar aumentó en 0,01, el diámetro máximo de agarre del dedo pulgar-índice se incrementó en 0,0967 mm. La relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar estaba relacionada positivamente con el diámetro máximo de agarre, lo que indicaba que la combinación de un pulgar corto y un dedo índice largo aumentaría el diámetro máximo de agarre del pulgar-índice. La razón principal es que cuando un objeto es agarrado por dos dedos, especialmente con el tipo de agarre de fuerza, el pulgar corto sirve fácilmente como punto de apoyo para que coincida con el dedo índice largo en envolver el contorno del objeto para formar un plano de cierre de fuerza. El pulgar corto no es fácil de ser restringido por la forma del objeto y un agarre estable de cierre de fuerza se puede lograr en el plano de contacto basado en el criterio de estabilidad de agarre que fueron reportados por Li et al. (2013). Hay poca información sobre este tema en la literatura.

Discusión

La Ec. 1 en ver la sección «Factores que afectan a la masa máxima de agarre del pulgar-dedo índice humano» describió cuantitativamente la relación entre la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice y la masa máxima de agarre. Al desarrollar una mano robótica biónica de dos dedos, si se dan las masas de los posibles objetos de destino, puede deducirse un diseño óptimo de la longitud de los dedos pulgar e índice robóticos utilizando la Ec. 1 y una condición adicional: la relación media entre la longitud del dedo índice y la del pulgar es de 1,36. Del mismo modo, la ecuación 2 de la sección «Factores que afectan al diámetro máximo de agarre del pulgar y el índice humanos» describe cuantitativamente la relación entre la suma de las longitudes de los dedos pulgar e índice, la relación entre la longitud del dedo índice y el pulgar y el diámetro máximo de agarre. Al desarrollar una mano robótica biónica de dos dedos, si se dan los diámetros de los posibles objetos de destino, puede deducirse un diseño adecuado de la longitud de los dedos pulgar e índice robóticos utilizando la Ec. 2. Por tanto, los dos modelos de regresión no lineal resultaron útiles para el diseño del tamaño óptimo de las manos robóticas que pretenden replicar la capacidad de agarre de los dedos pulgar e índice. Al manipular un objeto nuevo, la retroalimentación sensorial nos proporciona información sobre sus propiedades físicas, como la masa, y luego se cree que el cerebro selecciona el modelo más apropiado mantenido en nuestro sistema nervioso central para la tarea actual (Lemon et al., 1995; Davidson y Wolpert, 2004). Según el conjunto de masa máxima de agarre del dedo pulgar-índice, se puede desarrollar un algoritmo de aprendizaje profundo para justificar si algunos objetos de un entorno de trabajo no estructurado cumplen los requisitos de agarre de las manos robóticas biónicas. Además, si hay algunos objetos irregulares (por ejemplo, una taza) en el entorno no estructurado, el conjunto de diámetro de agarre máximo del dedo pulgar-índice puede utilizarse para crear algoritmos de planificación de agarre para seleccionar las ubicaciones de agarre óptimas en una superficie de objeto irregular para una mano robótica biónica. Además, siempre existen muchos problemas variables en el tiempo en los problemas de control cinemático de los dedos robóticos y la red neuronal diferencial convergente de parámetros variables sería un método eficiente y preciso para resolver este problema de planificación de agarre (Zhang et al., 2018a, b).

Conclusión

En este estudio, se investigó la masa y el diámetro de agarre cooperativo máximo del pulgar y el dedo índice humanos en una amplia gama de tareas no estructuradas. La edad de los participantes oscilaba entre los 3∼27 años y la suma de las longitudes de sus dedos pulgar e índice oscilaba entre 56,9 y 132,6 mm. Los resultados mostraron que las masas máximas de agarre y los diámetros de los dedos pulgar e índice de los participantes oscilaban entre 690,2 y 9859,6 g y entre 70 y 170 mm. La masa máxima de agarre del dedo índice-pulgar de los participantes dependía del sexo, la edad y la suma de las longitudes de los dedos índice-pulgar (P < 0,05), pero no de la mano utilizada ni de la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar (P > 0,05). El diámetro máximo de agarre del dedo pulgar-índice de los participantes dependía de la edad, la suma de las longitudes de los dedos pulgar-índice y la relación entre la longitud del dedo índice y la del pulgar (P < 0,05), pero no del sexo ni de la mano utilizada (P > 0,05).

Hubo un modelo de regresión no lineal para la dependencia de la masa máxima de agarre del género, la edad y la suma de las longitudes de los dedos índice y pulgar y otro modelo de regresión no lineal para la dependencia del diámetro máximo de agarre de la edad, la suma de las longitudes de los dedos índice y pulgar y la relación de la longitud de los dedos índice y pulgar. Los dos modelos de regresión resultaron útiles para el diseño del tamaño óptimo de las manos robóticas que pretenden reproducir la capacidad de agarre de los dedos pulgar e índice. Esta investigación puede ayudar a definir no sólo una masa y un tamaño de agarre razonables para una mano robótica biónica, sino también los requisitos para la rehabilitación de la mano.

Declaración de disponibilidad de datos

Todos los conjuntos de datos generados para este estudio se incluyen en el artículo/material complementario.

Contribuciones de los autores

XC y ZL diseñaron y realizaron los experimentos y redactaron el manuscrito. YW, JL y DZ revisaron y supervisaron el trabajo.

Financiación

Este trabajo fue apoyado por una beca europea Marie Curie International Incoming Fellowship (326847 y 912847), una Fundación Especial para Talentos de la Universidad A&F del Noroeste (Z111021801), un Proyecto Shaanxi de Actividades de Ciencia y Tecnología para el Retorno del Extranjero (2018030), y un Plan Clave de Investigación y Desarrollo de la Provincia de Shaanxi (2019NY-172).

Conflicto de intereses

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.