Frontiers in Neurorobotics

Introduction

Vertailemalla monisormiseen näppärään käteen, kahden sormen bionisella kädellä on yksinkertainen mekaaninen rakenne ja se on helppo liikesuunnitteluun, joten sitä käytetään aina hedelmien sadonkorjuuroboteissa (Bac et al., 2017; Silwal et al., 2017). Hedelmäkorjuurobottien työympäristö on kuitenkin erittäin monimutkainen, kuten kasvissa olevat hedelmät eroavat toisistaan kooltaan, muodoltaan, asennoltaan ja sijainniltaan (Li et al., 2019a, b), ja nykyiset kahden sormen bioniset kädet ovat vaikeita täyttämään hedelmäkorjuun tarttumisvaatimukset (Li et al., 2013), joten robotteja ei ole vielä toistaiseksi käytetty käytännön hedelmäkorjuuseen. Aivo- ja silmäkoordinaation avulla yksilöitä pidetään aina luotettavina suorittajina, kun he pystyvät suorittamaan kohdehedelmän tarttumisen, liikuttamisen ja vapauttamisen tehtävät käyttämällä vain peukaloa ja etusormea, ja tämän vakaan manipulaatiojärjestelmän kokonaissuorituskyky on kohtuullinen. Ihmiskäsi on tehokas monitoiminen työkalu, ja sen kykyjen tutkiminen auttaa tutkijoita määrittelemään kohtuullisen tartuntamassan ja -koon bioniselle robottikädelle, jonka tarkoituksena on jäljitellä sen kykyjä (Feix et al., 2014; Chen et al., 2019). Ergonomian näkökulmasta hedelmänpoimintarobottien suunnittelijoiden on ymmärrettävä ihmisen peukalo-indeksisormen yhteistoiminnallisia tarttumiskykyjä sekä sormen pituuden ja tarttumiskykyjen välistä kvantitatiivista korrelaatiota äskettäin suunniteltujen kaksisormisten bionisten käsien osalta, jotta niiden tarttumissuorituskykyä voidaan parantaa (Yussof ja Ohka, 2012; Wang ja Ahn, 2017).

Ihmisen peukalo-indeksisormen tarttumakäyttäytymistä esiin tuovia tutkimuksia on julkaistu viimeisen vuosikymmenen aikana. Jotkut tutkijat paljastivat, että otteen vakauteen manipulaation aikana vaikuttivat ensisijaisesti esineen paino, sormenpäiden ja esineen pinnan välinen suhteellinen kaarevuus ja kitkavoima sekä kahden kosketuspisteen välinen etäisyys, kun esinettä puristettiin peukalo-indeksisormella (Li et al., 2013; Luciw et al., 2014). Biegstraaten ym. (2006) päättelivät, että kurotus- ja nostoliikkeet olivat melko riippumattomia, kun esineeseen tartuttiin tarkkuusotteen avulla (Biegstraaten ym., 2006). Vigouroux et al. (2011) ehdottivat, että kun ihmisen peukalo-indeksisormi tarttui esineisiin, joilla oli eri leveyksiä, niin sorminivelen asennot, lihasvoima ja tartuntavoima vaihtelivat merkittävästi esineen leveyden mukaan, ja mielenkiintoinen tulos oli se, että suurten fleksorilihasten lihasvoima/tartuntavoima-suhteet pysyvät erityisen vakaina leveyden suhteen, kun taas muiden lihasten suhdeluvut poikkesivat toisistaan suuresti. Lisäksi ihmisen viiden sormen tarttumiskyvystä on tehty erilaisia tutkimuksia (Vigouroux et al., 2011). Eksioglu (2004) osoitti, että yksilön käden antropometriaan suhteutettu optimaalinen otepituus oli noin 2 cm lyhyempi kuin hänen modifioidun peukalon jalkopituutensa, joka perustui maksimaalisen tahdonalaisen isometrisen otepitovoiman, lihasaktiivisuuden ja subjektiivisen arvioinnin arviointikriteereihin. Seo ja Armstrong (2008) havainnollistivat, että kun sylinterimäisiä kahvoja otettiin kiinni voimakahva-asennossa, kahvan halkaisijan ja käden pituuden suhde voi selittää 62 %, 57 % ja 71 % kahvavoiman, normaalivoiman ja kosketuspinta-alan vaihteluista, Seo ja Armstrong (2008). Li ym. (2010) ennakoivat, että käden ympärysmitta useiden antropometristen parametrien, kuten pituuden, painon, ranteen ja kyynärvarren sekä käden ja kämmenen pituuksien, joukossa korreloi voimakkaimmin maksimaalisen otevoiman kanssa. Bansode ym. (2014) paljastivat, että dominoivan käden otepitovoima miehillä ja naisilla korreloi merkitsevästi positiivisesti iän, pituuden, painon ja painoindeksin sekä dominoivan käden pituuden kanssa, kun taas sillä ei ollut selvää korrelaatiota vyötärönympäryksen ja vyötärön ja lonkan suhteen kanssa. Feix ym. (2014) havaitsivat, että ihmisen käden optimaalinen tarttumiskyky oli massaltaan alle 500 g ja esineen leveys tarttumiskohdassa alle 7 cm.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tällä alalla on tapahtunut merkittävää edistystä. Vähemmän huomiota on kuitenkin kiinnitetty ihmisen peukalon ja etusormen yhteistoiminnalliseen tarttumiskykyyn ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Tämä tarkoittaa, että on olemassa tekninen aukko sellaisten robottikäsien ergonomisessa suunnittelussa, joiden tarkoituksena on jäljitellä ihmiskäden kykyä. Siksi teimme olemassa olevien kirjallisuustietojen perusteella tutkimuksia, joissa pyrimme selvittämään ihmiskehon ominaisuuksien (esim, ikä, sukupuoli, ruumiinrakenne, käytetty käsi, peukalon ja etusormen pituuksien summa sekä etusormen ja peukalon pituuden suhde) peukalon ja etusormen tarttumiskykyyn eli maksimaaliseen tarttumismassaan ja peukalon ja etusormen halkaisijaan käyttämällä moninkertaista epälineaarista regressioanalyysimenetelmää.

Materiaalit ja menetelmät

Materiaali

Ihmisen peukalo-indeksisormen yhteistoiminnallisten tartuntakykyjen tutkimiseksi valmistettiin elokuussa 2017 tartuntakohteiksi 20 erimassaista massiivista sylinteriä ja 15 erimittaista ulkohalkaisijaltaan erilaista rengasta. Kiinteät sylinterit, joiden halkaisija dc oli 40 mm, valmistettiin C45-hiiliteräksestä, jolla oli seuraavat ominaisuudet: tiheys 7,85 g/cm3 ja pinnankarheus Ra = 0,1 μm (kuva 1A). Renkaat, joiden korkeus hr oli 40 mm, valmistettiin akryylistä, ja niiden tiheys oli 1,2 g/cm3 ja pinnankarheus Ra = 0,05 μm (kuva 1B). Kiinteän sylinterin ja renkaiden toimintaparametrit, kuten niiden korkeudet, halkaisijat ja massat, esitetään taulukossa 1. Kiinteitä sylintereitä käytettiin tutkimaan ihmiskehon ominaisuuksien vaikutusta peukalo- ja etusormella tarttuvien esineiden maksimimassaan, kun taas renkaita käytettiin tutkimaan ihmiskehon ominaisuuksien vaikutusta peukalo- ja etusormella tarttuvien esineiden maksimihalkaisijaan. Monitekijäiset tarttumisen vapautumistestit suoritettiin 72 tunnin kuluessa huoneenlämmössä (24 ± 1 °C, 50-55 % RH).

Osallistujat

Tässä tutkimuksessa otettiin Henanin ammattikorkeakoulusta, HPU:n päiväkodista ja Hexiangin peruskoulusta yhteensä 108 vapaaehtoista (54 miestä ja 54 naista) osallistumaan tarttumis- ja vapautumistesteihin. Heidän ominaisuuksiensa keskiarvo oli seuraava: ikä 11,9 (6,8) vuotta, pituus 141,5 (23,8) cm, peukalon pituus 41,9 (7,7) mm ja etusormen pituus 56,6 (10,0) mm. Kaikille osallistujille annettiin yksityiskohtainen kuvaus kokeen tavoitteista ja vaatimuksista, minkä jälkeen yli 16-vuotiailta osallistujilta ja alle 16-vuotiaiden osallistujien vanhemmilta pyydettiin kirjallinen suostumus. Kaikki vapaaehtoiset olivat oikeakätisiä, heillä oli normaali kuulo ja korjattu tai normaali näkö, eikä heillä ollut aiemmin ollut käsiin kohdistuneita vammoja, mielisairauksia tai fyysisiä vammoja. Tämä tutkimus toteutettiin Baselin julistuksen periaatteiden ja Kiinan institutionaalisten eettisten komiteoiden perustamista koskevien suositusten mukaisesti.

Menettelyt

Osallistujat pesivät kätensä saippualla ja vedellä ja kuivasivat ne pyyhkeellä noin 5 minuuttia ennen testejä. Kunkin osallistujan pituus mitattiin taittoviivaimella 1 mm:n tarkkuudella. Kutakin osallistujaa helpotettiin kalibrointilapun paikkaamisella käsiin, ja hänen peukalonsa ja etusormensa avattiin, jotta hänestä voitiin ottaa kuva digitaalikameralla (Canon IXUS 95IS) kämmenen yläosasta (kuva 1C). Otetut kuvat välitettiin tietokoneeseen, jonka jälkeen niitä käsiteltiin Digimizer-ohjelmalla versio 4.2.6.0 kahden sormen pituuksien poimimiseksi. Peukalon ja etusormen pituudet mitattiin etäisyydellä sormen proksimaalisesta taivutusrypistyksestä kyseisen sormen kärkeen (kuva 1C), mikä oli sopusoinnussa Kanchanin ja Krishanin (2011), Ishak ym. (2012) ja Jee ym. (2015) kanssa. Tämän jälkeen tarttuneet esineet asetettiin pöydälle, ja jokainen osallistuja ohjattiin istumaan toimistotuolissa pöydän edessä siten, että oikea olkavarsi oli vartalon suuntainen, kyynärpää lepäsi oikealla reidellä ja kyynärvarsi oli ojennettuna anteriorisesti. Osallistujaa pyydettiin nostamaan ja siirtämään esinettä asennosta toiseen käyttäen luonnollisesti oikean käden peukaloa ja etusormea. 15 sekuntia myöhemmin osallistuja siirsi esineen takaisin käyttäen vasemman käden peukaloa ja etusormea. Tarttumisen aikana keskisormi, rengassormi, pikkusormi ja kämmen eivät voineet koskettaa esinettä.

Ihmisen peukalon ja etusormen yhteistoiminnallinen tarttumisprosessi oli käden, aivojen ja silmän koordinaatiokäyttäytymistä, ja se voidaan jakaa viiteen vaiheeseen (kuva 2). 1. vaihe: objektin paikantaminen ja aistiminen näköjärjestelmällä aivojen ohjaamana; 2. vaihe: aivot käsittelevät näköjärjestelmästä saatua tietoa ja tekevät strategisen päätöksen (esim, pre-grasp-tyyppi, tarttumisvoima ja tarttumisasento) vakaata tarttumista varten; 3. vaihe: aivot käskevät kättä tavoittamaan ja tarttumaan esineeseen; 4. vaihe: tuntoaistitieto palautettiin aivoille jatkopäätöksentekoa varten, ja tarvittaessa tarttumisasentoa ja -voimaa säädellään aivojen käskystä; 5. vaihe: käsi tarttuu esineeseen vakaasti ja siirtää sen toiseen asentoon.

Tässä kokeessa tarttuvat esineet olivat eri massaisia kiinteitä sylintereitä (kuva 1A) ja erikokoisia renkaita (kuva 1B). Kukin osallistuja tarttui kiinteisiin sylintereihin niiden massan perusteella järjestyksessä kevyestä raskaaseen ja tarttui sitten renkaisiin niiden ulkohalkaisijan perusteella järjestyksessä pienestä suureen. Ihmisen peukalon ja etusormen maksimaalinen tarttumismassa osoitti niiden esineiden maksimimassan, joihin peukalon ja etusormen avulla voidaan tarttua. Ihmisen peukalon ja etusormen maksimaaliset tarttumishalkaisijat osoittivat niiden esineiden suurimman halkaisijan, joihin peukalon ja etusormen avulla voidaan tarttua. Jokaisen tarttumistehtävän jälkeen ammattitaitoinen tarkkailija kirjasi huolellisesti ylös tarttumistuloksen eli onnistumisen tai epäonnistumisen. Tartuntakokeilua pidettiin onnistuneena, jos tarttumis- ja irrotusprosessi oli vakaa eikä etusormen, peukalon ja esineen välillä tapahtunut suhteellista liukumista; muussa tapauksessa sitä pidettiin epäonnistuneena. Kokeessa oli yhteensä 7560 tarttumiskokeilua (108 vapaaehtoista × 2 kättä × 20 kiinteää sylinteriä + 108 vapaaehtoista × 2 kättä × 15 rengasta).

ei-lineaarinen regressioanalyysi

Tässä tutkimuksessa käytetään ei-lineaarista regressioanalyysimenetelmää löytämään kaksi potentiaalista matemaattista mallia riippuvaisten muuttujien (nimittäin maksimaalisen tarttumismassan ja peukalo-indeksisormen läpimitan ja riippumattomien muuttujien joukon välisistä riippuvuussuhteista (esim, ikä, sukupuoli, käytetty käsi ja peukalon ja etusormen pituuksien summa, etusormen ja peukalon pituuden suhde). Koska ihmisen peukalo ja etusormi ovat rinnakkain ja niiden pituudet ovat monikollineaarisia, regressioanalyysissä peukalon ja etusormen pituuksia kuvaamaan valittiin kaksi suhteellista riippumatonta muuttujaa: peukalon ja etusormen pituuksien summa ja etusormen ja peukalon pituuden suhde. Koska Abdel-Malek et al. (1990) ennakoivat, että pituuskasvu ja sormenpituuksien summa korreloivat voimakkaasti keskenään, sormenpituuksien summa otettiin huomioon seuraavassa regressioanalyysissä, mutta pituuskasvua ei otettu huomioon. Ihmiskehon ominaisuuksia, kuten ikää ja peukalon ja etusormen pituuksien summaa, pidettiin alkuperäisinä riippumattomina muuttujina, ja suurin tarttumamassa ja peukalon ja etusormen halkaisija asetettiin ensimmäiseksi ja toiseksi riippuvaiseksi muuttujaksi. Kokeiden jälkeen lineaariset (esim. y = kx) ja epälineaariset (esim, y = kx2, y = klnx) funktionaaliset suhteet iän ja maksimaalisen tarttumismassan, peukalo-indeksisormen pituuksien summan ja maksimaalisen tarttumismassan, iän ja maksimaalisen tarttumishalkaisijan sekä peukalo-indeksisormen pituuksien summan ja maksimaalisen tarttumishalkaisijan välillä estimoitiin IBM SPSS Statistics 24.0 -ohjelman ”curve estimation” -ohjelmalla (IBM Corporation, Yhdysvallat, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, versio 24.0, arvioituina. Suurempi R2 osoitti, että vastaava funktionaalinen suhde soveltuu paremmin näiden kahden muuttujan välisten kokeellisten tietojen sovittamiseen. Vakiota ei sisällytetty kuhunkin regressioyhtälöön.

Kun alkuperäisten kvantitatiivisten riippumattomien muuttujien ja riippuvaisten muuttujien väliset optimaaliset funktiot oli saatu, kutakin epälineaarista funktiota pidettiin uutena riippumattomana muuttujana, jota käytettiin seuraavassa moninkertaisessa lineaarisessa regressioanalyysissä, ja merkitsevyystasoksi asetettiin 0,05. Koska sukupuoli ja käytetty käsi olivat kategorisia muuttujia, ennen lineaarista regressioanalyysia sukupuolen kaksi tasoa, mies ja nainen, koodattiin vastaavasti 0:ksi ja 1:ksi, ja käytetyn käden kaksi tasoa, vasen käsi ja oikea käsi, koodattiin myös 0:ksi ja 1:ksi. Lopuksi käytettiin moninkertaista lineaarista regressioanalyysia kahden mahdollisen matemaattisen mallin rakentamiseksi. Vakio ei sisältynyt kumpaankaan regressiomalliin. Soveltuvuustestillä mitattiin, kuinka hyvin havaitut tiedot vastaavat kutakin regressiomallia, F-testillä testattiin kunkin regressiomallin yleistä merkitsevyyttä ja t-testillä määritettiin, oliko riippumattomalla muuttujalla tilastollisesti merkittävä vaikutus riippuvaan muuttujaan kussakin mallissa.

Tulokset ja keskustelu

Kokeellisten tulosten kuvaukset

Kuvassa 3 on esitetty ihmisen peukalo-indeksisormen maksimaaliset tartuntamassat erilaisissa ihmiskehon ominaisuuksien olosuhteissa (esim, sukupuoli, käytetty käsi, ikä ja peukalon ja etusormen pituuksien summa). Tässä tutkimuksessa osallistujien peukaloindeksisormen suurimmat tartuntamassat vaihtelivat välillä 690,2-9859,6 g. Miesosallistujien peukaloindeksisormen suurimmat tartuntamassat olivat 5057,6 ± 2695,6 g (keskiarvo ± keskihajonta), mikä oli huomattavasti suurempi kuin naisosallistujien 3265,5 ± 1853,5 g (kuva 3A). Osallistujien vasemman ja oikean käden peukalon ja etusormen suurimmissa tartuntamassoissa ei kuitenkaan ollut merkittävää eroa; vasemman käden peukalon ja etusormen suurimmat tartuntamassat olivat 4102,7 ± 2449,4 g, mikä oli hieman vähemmän kuin oikean käden 4220,5 ± 2513,1 g (kuva 3B). Tässä tutkimuksessa osallistujien ikä vaihteli välillä 3∼27 vuotta, ja peukalon ja etusormen pituuksien summa vaihteli välillä 56,9-132,6 mm. Ilmeisesti osallistujien peukalon ja etusormen suurimmilla tarttumismassoilla oli epälineaarinen (esim. kvadraattinen funktio, logaritminen funktio) kasvava trendi iän ja peukalon ja etusormen pituuksien summan kasvaessa (kuvat 3C,D).

Kuviossa 4 on esitetty ihmisen peukaloindeksisormen maksimaaliset tarttumishalkaisijat erilaisissa ihmiskehon ominaisuuksia kuvaavissa olosuhteisssa (esim, sukupuoli, käytetty käsi, ikä ja peukalon ja etusormen pituuksien summa). Tässä tutkimuksessa osallistujien peukalon ja etusormen suurimmat tarttumishalkaisijat vaihtelivat 70 ja 170 mm:n välillä. Miesosallistujien peukalo-indeksisormen maksimihalkaisijat olivat 129,0 ± 22,2 mm, mikä oli hieman suurempi kuin naisosallistujien 119,9 ± 25,2 mm (kuva 4A). Vasemman käden peukalon ja etusormen suurimmat halkaisijat olivat 124,0 ± 24,1 mm, mikä oli lähes sama kuin oikean käden halkaisijat (kuva 4B). Samoin kuin kuvioissa 3C,D, osallistujien peukalon ja etusormen suurimmissa tarttumishalkaisijoissa näkyi myös epälineaarinen (esim. kvadraattinen funktio, logaritminen funktio) kasvava trendi iän ja peukalon ja etusormen pituuksien summan kasvaessa (kuvat 4C,D).

Taulukkoon 2 on koottu lineaaristen ja epälineaaristen regressiomallien oikaistut määritystekijät kvantitatiivisten riippumattomien ja toisistaan riippuvaisten muuttujien välisten riippumattoman ja riippuvan muuttujan välillä. Vertailemalla kolmentyyppisten funktioiden oikaistuja määrityskertoimia havaittiin, että lineaarinen funktio tarjosi optimaalisen funktionaalisen suhteen iän ja maksimaalisen tarttumismassan sekä peukalo-indeksisormien pituuksien summan ja maksimaalisen tarttumishalkaisijan välillä; kvadraattinen funktio tuotti optimaaliset funktionaaliset suhteet peukalo-indeksisormien pituuksien summan ja maksimaalisen tarttumismassan välillä; ja logaritminen funktio tarjosi optimaalisen funktionaalisen suhteen iän ja maksimaalisen tarttumishalkaisijan välillä. Näitä tuloksia käytettiin seuraavassa regressioanalyysissä.

Tekijät, jotka vaikuttavat ihmisen peukalo-indeksisormen maksimaaliseen tarttumismassaan

Ei-lineaarinen regressiomalli maksimaalisen tarttumismassan riippuvuudelle sukupuolesta, iästä ja peukalo-indeksisormien pituuksien summasta on esitetty yhtälössä 1. Mukautettu determinaatiokerroin, jota merkitään R2:lla, oli 0,97, mikä viittaa siihen, että malli sopi hyvin aineistoon, ja osoittaa, että tämä malli voi selittää 97 % sukupuolen, iän ja peukalo-indeksisormien pituuksien summan ennustamasta maksimaalisen tarttumismassan vaihtelusta. F-testin perusteella todettiin, että yleinen sopivuus oli merkitsevä (P < 0,05). t-testit osoittivat, että niiden esineiden maksimimassa, joihin osallistujat pystyivät tarttumaan peukalo-indeksisormella, riippui sukupuolesta, iästä ja peukalo-indeksisormien pituuksien summasta (P < 0,05), mutta ei käytetystä kädestä ja etusormen ja peukalon pituuden suhteesta (P > 0.05).

jossa Mmax – maksimaalinen tarttumamassa, g; G – sukupuoli; A – osallistujien ikä, vuotta; ja Lo – sormenpituuksien summa, mm.

Osallistujien ikä vaihteli välillä 3∼27 vuotta, mikä on ihmisen lihasten kasvu- ja kehitysvaiheessa (Lexell ym, 1992), joten iällä oli positiivinen merkitsevä vaikutus ihmisen peukalo-indeksisormen maksimaaliseen tarttumismassaan. Peukalon ja etusormen pituuksien summa oli positiivisessa yhteydessä ihmisen peukalon ja etusormen maksimaaliseen tarttumismassaan, mikä johtuu siitä, että osallistujilla, joilla on suuret kädet, on pitkät sormet ja heillä on yleensä suuri lihasvoima (Seo ja Armstrong, 2008). Arvot G = 0 tai 1, eli mies tai nainen, korvattiin yhtälöön 1 kuvaamaan osallistujien maksimaalista tarttumamassaa. Miesten ja naisten peukalon ja etusormen maksimaalisten tartuntamassojen ero oli 1070,5 g. Samankaltaiset tutkimustulokset osoittivat, että miesten tartuntavoima oli merkittävästi suurempi kuin naisten (Puh, 2009) ja käden pituudella oli merkittävä vaikutus ihmisen viiden sormen tartuntavoimaan (Li ym., 2010). Sukupuolen ja kahden sormen maksimaalisen tarttumamassan välinen merkitsevä yhteys voi johtua siitä, että miesten maksimaalinen tahdonalainen supistusvoima on aina suurempi kuin samanpituisten naisten (Shurrab ym., 2017). Siksi maksimaalisen tahdonalaisen supistumisvoiman kasvattaminen voi parantaa ihmisen kahden sormen maksimaalista tarttumamassaa. Tartuntavoima on samanlainen parametri kuin maksimaalinen tarttumamassa ihmisen sormien tarttumiskykyä mitattaessa. Nämä havainnot osoittivat, että sormen pituuden summa ja maksimaalinen tahdonalainen supistumisvoima vaikuttaisivat yhdessä peukalon ja etusormen maksimaaliseen tarttumismassaan, mikä viittasi siihen, että nämä kaksi tekijää olisi otettava huomioon yhdessä robottikäsien maksimaalisen tarttumismassan parantamiseksi ergonomisen suunnittelun aikana.

Tekijät, jotka vaikuttavat ihmisen peukalo-indeksisormen maksimaaliseen tarttumishalkaisijaan

Yhtälössä 2 on esitetty epälineaarinen regressiomalli maksimaalisen tarttumishalkaisijan riippuvuudelle iästä, peukalo-indeksisormen pituuksien summasta ja etusormen ja peukalon pituuden suhteesta. Sovitettu determinaatiokerroin, jota kutsutaan R2:ksi, oli 0,99, mikä osoittaa, että malli sopi hyvin aineistoon ja että tämä malli voi selittää 99 prosenttia maksimaalisen tarttumishalkaisijan varianssista, joka ennustettiin iän, peukalo-indeksisormien pituuksien summan ja etusormen ja peukalon pituuden suhteen perusteella. F-testin perusteella todettiin, että yleinen sopivuus oli merkitsevä (P < 0,05). t-testit osoittivat, että niiden esineiden maksimihalkaisija, joihin osallistujat pystyivät tarttumaan peukalo-indeksisormella, riippui iästä, peukalo-indeksisormien pituuksien summasta ja etusormen ja peukalon pituuden suhteesta (P < 0,05), mutta ei sukupuolesta ja käytetystä kädestä (P > 0,05).

joissa Dmax – maksimaalinen tarttumishalkaisija, mm; Lo – peukalo- ja etusormen pituuksien summa, mm; Lr – etusormen ja peukalon pituuden suhde.

Peukalo- ja etusormien pituuksien summan vaihteluväli oli välillä 56.9-132.6 mm ja etusormen ja peukalon pituuden välinen suhde vaihteli 1.09:n 1.65:ään. Peukalon ja etusormen pituuksien summa oli positiivisesti verrannollinen maksimaaliseen tarttumishalkaisijaan. Mitä pidempi peukalon ja etusormen pituuksien summa oli, sitä suurempi oli kahden sormenpään välinen jänneväli; näin ollen sitä suurempi oli peukaloa ja etusormea käyttävien osallistujien maksimaalinen tarttumishalkaisija. Kun peukalon ja etusormen pituuksien summa kasvoi 1 mm:llä, peukalon ja etusormen suurin tarttumishalkaisija kasvoi 0,98 mm. Kun etusormen ja peukalon pituuden suhde kasvoi 0,01:llä, peukalon ja etusormen suurin tarttumishalkaisija kasvoi 0,0967 mm. Etusormen ja peukalon pituuden suhde oli positiivisessa yhteydessä maksimaaliseen tarttumishalkaisijaan, mikä osoitti, että lyhyen peukalon ja pitkän etusormen yhdistelmä lisäisi peukalon ja etusormen maksimaalista tarttumishalkaisijaa. Tärkein syy tähän on se, että kun esineeseen tartutaan kahdella sormella, erityisesti voimakouristustyypissä, lyhyt peukalo toimii helposti tukipisteenä, joka vastaa pitkää etusormea esineen ääriviivojen peittämisessä voiman sulkemistason muodostamiseksi. Lyhyttä peukaloa ei ole helppo rajoittaa esineen muodolla, ja kosketustasossa voidaan saavuttaa vakaa, voiman sulkeutumiseen perustuva ote, joka perustuu Li et al. (2013) raportoimiin otevakauskriteereihin. Kirjallisuudessa on vain vähän tietoa tästä aiheesta.

Keskustelu

Yhtälö 1 kohdassa ”Factors Affecting the Maximum Grasping Mass of Human Thumb-Index Finger” kuvasi kvantitatiivisesti peukalon ja etusormen pituuksien summan ja maksimaalisen tarttumismassan välistä yhteyttä. Kahden sormen bionista robottikättä kehitettäessä, jos mahdollisten kohdekappaleiden massat ovat tiedossa, robottisormen ja -peukalon optimaalinen pituus voidaan määrittää yhtälön 1 ja lisäehdon avulla: etusormen ja peukalon pituuden keskimääräinen suhde on 1,36. Vastaavasti kohdassa ”Ihmisen peukalon ja etusormen maksimaaliseen tarttumishalkaisijaan vaikuttavat tekijät” oleva yhtälö 2 kuvasi kvantitatiivisesti peukalon ja etusormen pituuksien summan, etusormen ja peukalon pituuden suhteen ja maksimaalisen tarttumishalkaisijan välistä suhdetta. Kahden sormen bionista robottikättä kehitettäessä voidaan yhtälön 2 avulla päätellä robotin peukalon ja etusormen sopiva pituus, jos mahdollisten kohdekappaleiden halkaisijat ovat tiedossa. Näin ollen kaksi epälineaarista regressiomallia olivat käyttökelpoisia sellaisten robottikäsien optimaalisen koon suunnittelussa, joiden tarkoituksena on jäljitellä peukalon ja etusormen tarttumiskykyä. Kun käsittelemme uutta esinettä, aistipalaute antaa meille tietoa sen fyysisistä ominaisuuksista, kuten massasta, ja sen jälkeen aivojen ajatellaan valitsevan keskushermostossamme ylläpidetyn sopivimman mallin kulloisenkin tehtävän kannalta (Lemon et al., 1995; Davidson ja Wolpert, 2004). Peukalo-indeksisormen maksimaalisen tarttumismassasarjan mukaan voidaan kehittää syväoppimisalgoritmi, jolla voidaan perustella, täyttävätkö jotkin strukturoimattomassa työympäristössä olevat esineet bionisten robottikäsien tarttumisvaatimukset. Jos strukturoimattomassa työympäristössä on joitakin epäsäännöllisiä esineitä (esim. muki), peukalon ja etusormen maksimaalista tarttumishalkaisijajoukkoa voidaan käyttää tekemään tarttumissuunnittelualgoritmeja, joilla valitaan optimaaliset tarttumakohdat epäsäännöllisen esineen pinnalla bioniselle robottikädelle. Lisäksi robottisormien kinemaattisissa ohjausongelmissa on aina monia ajassa muuttuvia ongelmia, ja vaihtelevan parametrin konvergentti differentiaalinen neuroverkko olisi tehokas ja tarkka menetelmä tämän tarttumisen suunnitteluongelman ratkaisemiseen (Zhang et al., 2018a, b).

Tulokset

Tässä tutkimuksessa tutkittiin ihmisen peukalon ja etusormen maksimaalista yhteistoiminnallista tarttumismassaa ja -läpimittaa laajassa valikoimassa strukturoimattomissa tehtävissä. Osallistujien ikä vaihteli välillä 3∼27 vuotta ja heidän peukalon ja etusormen pituuksiensa summa vaihteli välillä 56,9-132,6 mm. Tulokset osoittivat, että osallistujien peukalon ja etusormen suurimmat tartuntamassat ja halkaisijat vaihtelivat välillä 690,2-9859,6 g ja 70-170 mm. Osallistujien peukalo-indeksisormen suurin tarttumamassa riippui sukupuolesta, iästä ja peukalo-indeksisormen pituuksien summasta (P < 0,05), mutta ei käytetystä kädestä ja etusormen ja peukalon pituuden suhteesta (P > 0,05). Osallistujien peukalo-indeksisormen suurin tarttumishalkaisija riippui iästä, peukalo-indeksisormien pituuksien summasta ja etusormen ja peukalon pituuden suhteesta (P < 0.05), mutta ei sukupuolesta ja käytetystä kädestä (P > 0.05).

Maksimaalisen tarttumismassan riippuvuudelle sukupuolesta, iästä ja peukalo-indeksisormien pituuksien summasta löytyi epälineaarinen regressiomalli ja toinen epälineaarinen regressiomalli maksimaalisen tarttumishalkaisijan riippuvuudelle iästä, peukalo-indeksisormien pituuksien summasta ja etusormen ja peukalon pituuden suhteesta. Kaksi regressiomallia olivat hyödyllisiä sellaisten robottikäsien optimaalisen koon suunnittelussa, joiden tarkoituksena on jäljitellä peukalon ja etusormen tarttumiskykyä. Tämä tutkimus voi auttaa määrittelemään paitsi kohtuullisen tarttumismassan ja -koon bioniselle robottikädelle myös käden kuntoutuksen vaatimukset.

Tietojen saatavuusilmoitus

Kaikki tätä tutkimusta varten tuotetut tietokokonaisuudet sisältyvät artikkeliin/täydentävään aineistoon.

Tekijöiden panos

XC ja ZL suunnittelivat ja suorittivat kokeet ja kirjoittivat käsikirjoituksen. YW, JL ja DZ tarkistivat ja valvoivat työtä.

Rahoitus

Tätä työtä ovat tukeneet eurooppalainen Marie Curie International Incoming Fellowship (326847 ja 912847), Luoteis-A&F-yliopiston lahjakkuuksien erityissäätiö (Z111021801), Shaanxin tiede- ja teknologiatoiminnan hanke ulkomailta palaaville (2018030) ja Shaanxin maakunnan keskeisen tutkimus- ja kehityssuunnitelman (2019NY-172).

Interintäristiriita

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.