Frontiers in Neurorobotics

Introduzione

Con il confronto con le mani destre a più dita, la mano bionica a due dita ha una struttura meccanica semplice ed è facile per la pianificazione del movimento, quindi è sempre utilizzata nei robot di raccolta della frutta (Bac et al, 2017; Silwal et al., 2017). Tuttavia, l’ambiente di lavoro dei robot di raccolta della frutta è estremamente complesso, come i frutti in una pianta sono differenza di dimensioni, forma, postura e posizione (Li et al., 2019a, b), e le mani bioniche esistenti a due dita sono difficili da soddisfare i requisiti di presa della raccolta della frutta (Li et al., 2013), quindi i robot non sono ancora utilizzati per la raccolta pratica della frutta finora. Con l’assistenza della coordinazione cerebrale e oculare, gli individui sono sempre considerati esecutori affidabili quando sono in grado di completare i compiti di afferrare, spostare e rilasciare un frutto target utilizzando solo il pollice e l’indice, e la performance complessiva di questo sistema di manipolazione stabile è ragionevole. La mano umana è un potente strumento multifunzionale, e l’esplorazione delle sue capacità aiuta i ricercatori a definire una massa di presa e dimensioni ragionevoli per una mano robotica bionica, con l’intenzione di replicare le sue capacità (Feix et al., 2014; Chen et al., 2019). Dal punto di vista dell’ergonomia, i progettisti di robot per la raccolta della frutta hanno bisogno di capire le capacità di presa cooperativa del dito pollice-indice umano e la correlazione quantitativa tra la lunghezza delle dita e le capacità di presa per le mani bioniche a due dita di nuova progettazione, in modo da migliorare le loro prestazioni di presa (Yussof e Ohka, 2012; Wang e Ahn, 2017).

Studi che evidenziano i comportamenti di presa del dito pollice-indice umano sono stati pubblicati nell’ultimo decennio. Alcuni ricercatori hanno rivelato che la stabilità della presa durante la manipolazione è stata principalmente influenzata dal peso dell’oggetto, dalla curvatura relativa e dalla forza di attrito tra la punta delle dita e la superficie dell’oggetto, e dalla distanza tra due punti di contatto quando un oggetto è stato pizzicato dal dito pollice-indice (Li et al., 2013; Luciw et al., 2014). Biegstraaten et al. (2006) hanno concluso che i movimenti di raggiungimento e sollevamento sono abbastanza indipendenti quando un oggetto viene afferrato con una presa di precisione (Biegstraaten et al., 2006). Vigouroux et al. (2011) hanno proposto che quando il pollice-indice umano afferrava oggetti di diverse larghezze, le posture delle articolazioni delle dita, la forza muscolare e la forza di presa variavano significativamente in base alla larghezza dell’oggetto, e un risultato interessante era che i rapporti forza muscolare/forza di presa dei muscoli flessori principali rimanevano particolarmente stabili rispetto alla larghezza, mentre gli altri rapporti muscolari erano molto diversi. Inoltre, diverse ricerche sono state condotte anche sulle capacità umane di presa a cinque dita (Vigouroux et al., 2011). Eksioglu (2004) ha dimostrato che l’ampiezza ottimale della presa relativa all’antropometria della mano di un individuo era di circa 2 cm più corta della lunghezza modificata del pollice in base ai criteri di giudizio della massima forza di presa isometrica volontaria, dell’attività muscolare e della valutazione soggettiva. Seo e Armstrong (2008) hanno illustrato che quando le impugnature cilindriche sono state afferrate in una postura di presa di potenza, il rapporto tra il diametro dell’impugnatura e la lunghezza della mano può spiegare rispettivamente il 62%, il 57% e il 71% delle varianze della forza di presa, della forza normale e dell’area di contatto, Seo e Armstrong (2008). Li et al. (2010) hanno anticipato che la circonferenza della mano, tra diversi parametri antropometrici come altezza, peso, polso e avambraccio, lunghezze della mano e del palmo, aveva la più forte correlazione con la forza di presa massima. Bansode et al. (2014) hanno rivelato che la forza di presa della mano dominante nei maschi e nelle femmine aveva una significativa correlazione positiva con l’età, l’altezza, il peso e l’indice di massa corporea e la portata della mano dominante, mentre non aveva alcuna correlazione evidente con la circonferenza della vita e il rapporto vita-fianchi. Feix et al. (2014) hanno scoperto che la capacità di presa ottimale della mano umana era inferiore a 500 g in termini di massa, e la larghezza dell’oggetto nel punto di presa era inferiore a 7 cm.

In sintesi, sono stati fatti progressi significativi in questo campo. Tuttavia, è stata prestata meno attenzione alla capacità di presa cooperativa del pollice e dell’indice umano e ai suoi fattori di influenza. Questo significa che c’è una lacuna tecnica per la progettazione ergonomica delle mani robotiche che intendono replicare l’abilità della mano umana. Pertanto, sulla base dei dati della letteratura esistente, abbiamo condotto studi nel tentativo di indagare l’effetto delle caratteristiche del corpo umano (ad es, età, sesso, statura, mano utilizzata, somma delle lunghezze del pollice e dell’indice e rapporto tra la lunghezza del dito indice e quella del pollice) sulle capacità di presa del pollice-indice, cioè la massa massima di presa e il diametro del pollice-indice utilizzando un metodo di analisi di regressione non lineare multipla.

Materiali e metodi

Materiale

Per studiare le capacità di presa cooperativa del dito pollice-indice umano, 20 diverse masse di cilindri solidi e 15 diversi diametri esterni di anelli sono stati prodotti come oggetti afferrati nell’agosto 2017. I cilindri solidi con un diametro dc di 40 mm sono stati realizzati in acciaio al carbonio C45 con le seguenti caratteristiche: densità di 7,85 g/cm3 e rugosità superficiale Ra = 0,1 μm (Figura 1A). Gli anelli con un’altezza hr di 40 mm erano fatti di acrilico e avevano una densità di 1,2 g/cm3 e una rugosità superficiale Ra = 0,05 μm (Figura 1B). I parametri operativi dei cilindri solidi e degli anelli come le loro altezze, diametri e masse sono elencati nella tabella 1. I cilindri solidi sono stati utilizzati per studiare gli effetti delle caratteristiche del corpo umano sulla massa massima degli oggetti che possono essere afferrati con il pollice-indice, mentre gli anelli sono stati utilizzati per studiare gli effetti delle caratteristiche del corpo umano sul diametro massimo degli oggetti che possono essere afferrati con il pollice-indice. I test di presa-rilascio a più fattori sono stati eseguiti entro 72 ore a temperatura ambiente (24 ± 1°C, 50-55% RH).

Partecipanti

Un totale di 108 volontari (54 maschi e 54 femmine) sono stati reclutati dalla Henan Polytechnic University, HPU Kindergarten e Hexiang Primary School per partecipare ai test di presa e rilascio in questo studio. Le loro caratteristiche erano le seguenti {media }: età, 11.9 (6.8) anni; altezza, 141.5 (23.8) cm; lunghezza del pollice, 41.9 (7.7) mm e lunghezza del dito indice, 56.6 (10.0) mm. A tutti i partecipanti è stata fornita una descrizione dettagliata degli obiettivi e dei requisiti dell’esperimento e poi è stato ottenuto il consenso informato scritto dai partecipanti di età superiore ai 16 anni e dai genitori dei partecipanti di età inferiore ai 16 anni. Tutti i volontari erano destrorsi, con un udito normale e una vista da corretta a normale, e non avevano una storia di ferite alle mani, malattie mentali o disabilità fisiche. Questo studio è stato condotto secondo i principi della Dichiarazione di Basilea e le raccomandazioni dell’Establishment of Institutional Ethics Committees in China.

Procedure

I partecipanti si sono lavati le mani con acqua e sapone e le hanno asciugate con un asciugamano circa 5 minuti prima dei test. La statura di ogni partecipante è stata misurata con un righello pieghevole con una precisione di 1 mm. Ogni partecipante è stato agevolato con un’etichetta di calibrazione applicata sulle mani, e il pollice e l’indice sono stati aperti per scattare una foto con una fotocamera digitale (Canon IXUS 95IS) dalla parte superiore del palmo (Figura 1C). Le immagini catturate sono state trasmesse al computer e poi elaborate dal Digimizer versione 4.2.6.0 per estrarre le lunghezze delle due dita. Le lunghezze del pollice e dell’indice sono state misurate dalla distanza dalla piega di flessione prossimale del dito alla punta del rispettivo dito (Figura 1C), che era in accordo con Kanchan e Krishan (2011), Ishak et al. (2012) e Jee et al. (2015). Successivamente, gli oggetti afferrati sono stati posti su un tavolo e ogni partecipante è stato invitato a sedersi su una sedia da ufficio di fronte al tavolo con il braccio superiore destro parallelo al tronco, il gomito appoggiato sulla coscia destra e l’avambraccio esteso anteriormente. Al partecipante è stato chiesto di sollevare e spostare un oggetto da una posizione all’altra usando il pollice e l’indice della mano destra in modo naturale. 15 s dopo il partecipante ha spostato l’oggetto indietro usando il pollice e l’indice della mano sinistra. Durante la presa, il dito medio, l’anulare, il mignolo e il palmo non potevano toccare l’oggetto.

Il processo di presa cooperativa del pollice e dell’indice umano era un comportamento di coordinazione mano-cervello-occhio e può essere diviso in cinque passi (Figura 2). 1° passo: localizzazione e rilevamento di un oggetto da parte del sistema di visione con la guida del cervello; 2° passo: il cervello elabora le informazioni ottenute dal sistema di visione e prende una decisione strategica (es, tipo di pre-afferramento, forza di presa e posizione di presa) per una presa stabile; 3a fase: il cervello comanda alla mano di raggiungere e afferrare l’oggetto; 4a fase: le informazioni sensoriali tattili sono state riportate al cervello per ulteriori decisioni e se necessario la postura e la forza di presa saranno regolate con il comando del cervello; 5a fase: la mano afferra l’oggetto stabilmente e lo sposta in un’altra posizione.

In questo esperimento, gli oggetti afferrati erano cilindri solidi di varie masse (Figura 1A) e anelli di varie dimensioni (Figura 1B). Ogni partecipante ha afferrato i cilindri solidi in base alla loro massa da leggera a pesante in ordine e poi ha afferrato gli anelli in base al loro diametro esterno da piccolo a grande in ordine. La massa massima di presa del pollice-indice umano ha indicato la massa massima degli oggetti che possono essere afferrati con il pollice-indice. I diametri massimi di presa del dito pollice-indice umano indicavano il diametro massimo degli oggetti che possono essere afferrati con il dito pollice-indice. Dopo ogni compito di presa, il risultato della presa, cioè il successo o il fallimento, è stato registrato attentamente da un osservatore esperto. Una prova di presa è stata caratterizzata come successo se il processo di rilascio della presa era stabile e non si è verificato alcuno slittamento relativo tra il dito indice, il pollice e l’oggetto; altrimenti, è stata caratterizzata come una prova fallita. In totale, c’erano 7560 prove di presa (108 volontari × 2 mani × 20 cilindri solidi + 108 volontari × 2 mani × 15 anelli) nell’esperimento.

Analisi di regressione non lineare

In questo studio, un metodo di analisi di regressione non lineare viene utilizzato per trovare due potenziali modelli matematici delle relazioni tra le variabili dipendenti (cioè, la massa massima di presa, e il diametro del pollice-indice) e un insieme di variabili indipendenti (ad es, età, sesso, mano utilizzata, e somma delle lunghezze del pollice-indice, rapporto tra la lunghezza del dito indice e quella del pollice). Poiché il pollice e l’indice umani coesistono e le loro lunghezze sono multicollineari, sono stati selezionati due parametri indipendenti relativi: la somma delle lunghezze del pollice e dell’indice e il rapporto tra il dito indice e la lunghezza del pollice per caratterizzare le lunghezze del pollice e dell’indice nell’analisi di regressione. In considerazione della forte correlazione tra la statura e la somma delle lunghezze delle dita, anticipata da Abdel-Malek et al. (1990), la somma delle lunghezze delle dita è stata considerata nella seguente analisi di regressione, ma la statura non è stata considerata. Le caratteristiche del corpo umano come l’età e la somma delle lunghezze del dito pollice-indice sono state considerate come le variabili indipendenti originali, e la massa massima di presa e il diametro del dito pollice-indice sono stati fissati come la prima e la seconda variabile dipendente, rispettivamente. Dopo gli esperimenti, le variabili lineari (ad esempio, y = kx) e non lineari (ad esempio, y = kx2, y = klnx) tra l’età e la massa massima di presa, tra la somma delle lunghezze delle dita pollice-indice e la massa massima di presa, tra l’età e il diametro massimo di presa, e tra la somma delle lunghezze delle dita pollice-indice e il diametro massimo di presa, sono stati stimati utilizzando la “stima della curva” di IBM SPSS Statistics 24.0 (versione 24.0, IBM Corporation, Stati Uniti) e poi confrontati al fine di selezionare una relazione funzionale ottimale tra le due variabili in base al coefficiente di determinazione R2. Un R2 più grande ha indicato che la relazione funzionale corrispondente è più adatta per adattare i dati sperimentali tra le due variabili. La costante non è stata inclusa in ogni equazione di regressione.

Dopo aver ottenuto le funzioni ottimali tra le variabili indipendenti quantitative originali e le variabili dipendenti, ogni funzione non lineare è stata considerata come una nuova variabile indipendente da utilizzare nella seguente analisi di regressione lineare multipla e il livello di significatività è stato fissato a 0,05. Poiché il genere e la mano utilizzata erano variabili categoriche, prima dell’analisi di regressione lineare, i due livelli di genere, cioè maschio e femmina, sono stati codificati come “0” e “1”, rispettivamente, e i due livelli della mano utilizzata, cioè mano sinistra e mano destra, sono stati anche codificati come “0” e “1”, rispettivamente. Infine, un’analisi di regressione lineare multipla è stata utilizzata per costruire due potenziali modelli matematici. La costante non è stata inclusa in ogni modello di regressione. Il test di bontà dell’adattamento è stato utilizzato per misurare quanto bene i dati osservati corrispondano a ciascun modello di regressione, il test F è stato utilizzato per testare la significatività complessiva di ciascun modello di regressione, e il test t è stato utilizzato per determinare se una variabile indipendente avesse un effetto statisticamente significativo sulla variabile dipendente in ciascun modello.

Risultati e discussione

Descrizione dei risultati sperimentali

La figura 3 mostra le masse massime di presa del pollice-indice umano in diverse condizioni di caratteristiche del corpo umano (es, sesso, mano utilizzata, età e somma delle lunghezze di pollice-indice). In questo studio, le masse massime di presa del dito pollice-indice dei partecipanti variavano da 690.2 a 9859.6 g. Le masse massime di presa del dito pollice-indice dei partecipanti maschi erano 5057.6 ± 2695.6 g (media ± deviazione standard), significativamente superiori a quelle dei partecipanti femminili 3265.5 ± 1853.5 g (Figura 3A). Tuttavia, non c’era una differenza significativa nelle masse massime di presa del pollice-indice nella mano sinistra e destra dei partecipanti; le masse massime di presa del pollice-indice della mano sinistra erano 4102.7 ± 2449.4 g, leggermente inferiori a quelle della mano destra 4220.5 ± 2513.1 g (Figura 3B). In questo studio, l’età dei partecipanti variava da 3∼27 anni e la somma delle lunghezze del pollice e dell’indice variava da 56,9 a 132,6 mm. Ovviamente, le masse massime di presa del pollice-indice dei partecipanti avevano una tendenza all’aumento non lineare (ad esempio, funzione quadratica, funzione logaritmica) con l’aumentare dell’età e della somma delle lunghezze del pollice e dell’indice (Figure 3C,D).

La figura 4 mostra i diametri massimi di presa del dito pollice-indice umano in diverse condizioni di caratteristiche del corpo umano (es, sesso, mano utilizzata, età e somma delle lunghezze di pollice-indice). In questo studio, i diametri massimi di presa del dito pollice-indice dei partecipanti variavano da 70 a 170 mm. I diametri massimi di presa del dito pollice-indice dei partecipanti maschi erano 129.0 ± 22.2 mm, leggermente più grande di quello dei partecipanti femminili 119.9 ± 25.2 mm (Figura 4A). I diametri massimi di presa del pollice-indice della mano sinistra erano 124.0 ± 24.1 mm, quasi uguale a quello della mano destra (Figura 4B). Simile alle figure 3C,D, i diametri massimi di presa del pollice-indice dei partecipanti hanno anche mostrato una tendenza non lineare (ad esempio, funzione quadratica, funzione logaritmica) aumentata con l’aumentare dell’età e la somma delle lunghezze del pollice e dell’indice (figure 4C,D).

La tabella 2 elenca i coefficienti aggiustati di determinazione dei modelli di regressione lineare e non lineare tra le variabili quantitative indipendenti e dipendenti. Confrontando i coefficienti aggiustati di determinazione di tre tipi di funzioni, la funzione lineare ha fornito la relazione funzionale ottimale tra l’età e la massa massima di presa, e tra la somma delle lunghezze delle dita pollice-indice e il diametro massimo di presa; la funzione quadratica ha prodotto le relazioni funzionali ottimali tra la somma delle lunghezze delle dita pollice-indice e la massa massima di presa; e la funzione logaritmica ha fornito la relazione funzionale ottimale tra età e diametro massimo di presa. Questi risultati sono stati utilizzati nella seguente analisi di regressione.

Fattori che influenzano la massa massima di presa del dito indice del pollice umano

Il modello di regressione non lineare per la dipendenza della massa massima di presa dal sesso, dall’età e dalla somma delle lunghezze del dito indice del pollice è presentato in Eq. 1. Il coefficiente di determinazione aggiustato, che è indicato come R2, era 0,97, che suggerisce che il modello si adattava bene ai dati e indica che questo modello può spiegare il 97% della varianza nella massa massima di presa che è stata prevista dal sesso, età e somma delle lunghezze delle dita pollice-indice. È stato concluso dal test F che l’adattamento complessivo era significativo (P < 0,05). t-test ha dimostrato che la massa massima degli oggetti che i partecipanti potevano afferrare usando il pollice-indice dipendeva dal sesso, dall’età e dalla somma delle lunghezze del pollice-indice (P < 0,05), ma non dalla mano utilizzata e dal rapporto tra la lunghezza del dito indice e del pollice (P > 0. 05).05).

dove Mmax – massa massima di presa, g; G – sesso; A – età dei partecipanti, anni; e Lo – somma di lunghezza delle dita, mm.

L’età dei partecipanti variava da 3∼27 anni, che è allo stadio di crescita e sviluppo del muscolo umano (Lexell et al, 1992), quindi l’età ha mostrato un effetto significativo positivo sulla massa massima di presa del pollice-indice umano. La somma delle lunghezze del pollice e dell’indice era positivamente correlata alla massa massima di presa del pollice-indice umano, il motivo è che i partecipanti con mani grandi hanno dita lunghe e tendono ad avere un’elevata forza muscolare (Seo e Armstrong, 2008). I valori G = 0 o 1, cioè maschio o femmina, sono stati sostituiti nell’Eq. 1 per descrivere le masse massime di presa dei partecipanti. La differenza nelle masse massime di presa del pollice-indice di maschi e femmine era di 1070,5 g. Risultati di ricerche simili hanno dimostrato che la forza di presa dei maschi era significativamente più alta di quella delle femmine (Puh, 2009) e la lunghezza della mano aveva un effetto significativo sulla forza di presa delle cinque dita umane (Li et al., 2010). La relazione significativa tra il genere e la massa massima di presa di due dita può essere attribuita al fatto che la forza di contrazione volontaria massima dei maschi è sempre maggiore di quella delle femmine di altezza simile (Shurrab et al., 2017). Pertanto, l’aumento della forza di contrazione massima volontaria può migliorare la massa massima di presa delle due dita umane. La forza di presa è un parametro simile alla massa massima di presa per misurare la capacità di presa delle dita umane. Questi risultati hanno illustrato che la somma della lunghezza delle dita e la forza di contrazione massima volontaria influenzano congiuntamente la massa massima di presa del dito pollice-indice, il che suggerisce che i due fattori dovrebbero essere considerati insieme per migliorare la massa massima di presa delle mani robotiche durante la progettazione ergonomica.

Fattori che influenzano il diametro massimo di presa del pollice-indice umano

Il modello di regressione non lineare per la dipendenza del diametro massimo di presa dall’età, dalla somma delle lunghezze del pollice-indice e dal rapporto tra la lunghezza del dito indice e quella del pollice è presentato nella Eq. 2. Il coefficiente di determinazione aggiustato, che è indicato come R2, era 0,99, il che dimostra che il modello si adattava bene ai dati e questo modello può spiegare il 99% della varianza nel diametro massimo di presa che è stato predetto dall’età, dalla somma delle lunghezze delle dita pollice-indice e dal rapporto tra il dito indice e la lunghezza del pollice. È stato concluso dal test F che l’adattamento complessivo era significativo (P < 0,05). t-test ha mostrato che il diametro massimo degli oggetti che i partecipanti potevano afferrare usando il dito pollice-indice dipendeva dall’età, dalla somma delle lunghezze del dito pollice-indice e dal rapporto tra il dito indice e la lunghezza del pollice (P < 0,05), ma non dal sesso e dalla mano utilizzata (P > 0,05).

dove Dmax – diametro massimo di presa, mm; Lo – somma delle lunghezze del pollice-indice, mm; Lr – rapporto del dito indice alla lunghezza del pollice.

La somma delle lunghezze del pollice e del dito indice variava da 56.9 a 132.6 mm e il rapporto del dito indice alla lunghezza del pollice variava da 1.09 a 1.65. La somma delle lunghezze del pollice e dell’indice era positivamente proporzionale al diametro massimo di presa. Più lunga è la somma delle lunghezze del pollice e dell’indice, più grande è la distanza tra le due punte delle dita; quindi, più grande è il diametro massimo di presa dei partecipanti che usano il pollice e l’indice. Quando la somma delle lunghezze del pollice e dell’indice aumentava di 1 mm, il diametro massimo di presa del dito pollice-indice aumentava di 0,98 mm. Quando il rapporto tra la lunghezza del dito indice e quella del pollice è aumentato di 0,01, il diametro massimo di presa del dito pollice-indice è aumentato di 0,0967 mm. Il rapporto tra la lunghezza del dito indice e quella del pollice era correlato positivamente al diametro massimo di presa, il che indicava che la combinazione di un pollice corto e un indice lungo avrebbe aumentato il diametro massimo di presa del pollice-indice. La ragione principale è che quando un oggetto viene afferrato da due dita, specialmente con il tipo power-grasp, il pollice corto serve facilmente come punto d’appoggio per abbinare il dito indice lungo nell’avvolgere il contorno dell’oggetto per formare un piano di chiusura della forza. Il pollice corto non è facile da essere vincolato dalla forma dell’oggetto e una presa stabile di chiusura della forza può essere raggiunta nel piano di contatto sulla base del criterio di stabilità della presa che sono stati riportati da Li et al. (2013). Ci sono poche informazioni su questo argomento in letteratura.

Discussione

L’Eq. 1 nella sezione “Fattori che influenzano la massa massima di presa del pollice-indice umano” ha descritto quantitativamente la relazione tra la somma delle lunghezze di pollice e indice e la massa massima di presa. Quando si sviluppa una mano robotica bionica a due dita, se le masse dei potenziali oggetti di destinazione sono date, un design di lunghezza ottimale del pollice e dell’indice robotico può essere dedotto usando l’Eq. 1 e una condizione aggiuntiva: il rapporto medio tra la lunghezza del dito indice e quella del pollice è 1,36. Allo stesso modo, l’Eq. 2 nella sezione “Fattori che influenzano il diametro massimo di presa del pollice-indice umano” ha descritto quantitativamente la relazione tra la somma delle lunghezze del pollice e dell’indice, il rapporto tra la lunghezza del dito indice e del pollice e il diametro massimo di presa. Quando si sviluppa una mano robotica bionica a due dita, se i diametri dei potenziali oggetti da afferrare sono dati, si può dedurre un adeguato design della lunghezza del pollice e dell’indice robotici usando l’Eq. 2. Quindi, i due modelli di regressione non lineare sono stati utili nella progettazione delle dimensioni ottimali delle mani robotiche che intendono replicare la capacità di presa del pollice e dell’indice. Quando si manipola un nuovo oggetto, il feedback sensoriale ci fornisce informazioni sulle sue proprietà fisiche come la massa e poi si pensa che il cervello selezioni il modello più appropriato mantenuto nel nostro sistema nervoso centrale per il compito corrente (Lemon et al., 1995; Davidson e Wolpert, 2004). Secondo l’insieme della massa massima di presa del pollice-indice, un algoritmo di apprendimento profondo può essere sviluppato per giustificare se alcuni oggetti in un ambiente di lavoro non strutturato soddisfano i requisiti di presa delle mani robotiche bioniche. Inoltre, se ci sono alcuni oggetti irregolari (ad esempio, tazza) nell’ambiente non strutturato, l’insieme del diametro massimo di presa del dito pollice-indice può essere utilizzato per fare algoritmi di pianificazione della presa per selezionare le posizioni ottimali di presa su una superficie irregolare dell’oggetto per una mano robotica bionica. Inoltre, molti problemi variabili nel tempo esistono sempre nei problemi di controllo cinematico delle dita robotiche e la rete neurale differenziale convergente a parametri variabili sarebbe un metodo efficiente e accurato per risolvere questo problema di pianificazione della presa (Zhang et al., 2018a, b).

Conclusione

In questo studio, sono stati studiati la massa e il diametro massimo di presa cooperativa del pollice e dell’indice umani in una vasta gamma di compiti non strutturati. L’età dei partecipanti variava da 3∼27 anni e la somma delle lunghezze del loro pollice e indice variava da 56,9 a 132,6 mm. I risultati hanno mostrato che le masse massime di presa e i diametri del pollice-indice dei partecipanti variavano da 690,2 a 9859,6 g e da 70 a 170 mm. La massa massima di presa del pollice-indice dei partecipanti dipendeva dal sesso, dall’età e dalla somma delle lunghezze del pollice-indice (P < 0,05), ma non dalla mano utilizzata e dal rapporto tra la lunghezza del dito indice e del pollice (P > 0,05). Il diametro massimo di presa del dito pollice-indice dei partecipanti dipendeva dall’età, dalla somma delle lunghezze del dito pollice-indice e dal rapporto tra la lunghezza del dito indice e quella del pollice (P < 0,05), ma non dal sesso e dalla mano utilizzata (P > 0,05).

C’era un modello di regressione non lineare per la dipendenza della massa massima di presa su sesso, età e la somma delle lunghezze delle dita pollice-indice e un altro modello di regressione non lineare per la dipendenza del diametro massimo di presa sull’età, la somma delle lunghezze delle dita pollice-indice e il rapporto del dito indice alla lunghezza del pollice. Due modelli di regressione sono stati utili nella progettazione della dimensione ottimale delle mani robotiche che intendono replicare la capacità di presa del pollice-indice. Questa ricerca può aiutare a definire non solo una massa e una dimensione di presa ragionevole per una mano robotica bionica, ma anche i requisiti per la riabilitazione della mano.

Data Availability Statement

Tutti i set di dati generati per questo studio sono inclusi nell’articolo/materiale supplementare.

Author Contributions

XC e ZL hanno progettato ed eseguito gli esperimenti e scritto la sceneggiatura. YW, JL e DZ hanno rivisto e supervisionato il lavoro.

Finanziamento

Questo lavoro è stato sostenuto da una borsa di studio europea Marie Curie International Incoming (326847 e 912847), una Fondazione speciale per i talenti della Northwest A&F University (Z111021801), uno Shaanxi Project of Science and Technology Activities for Returning from Overseas (2018030) e un Key Research and Development Plan of Shaanxi Province (2019NY-172).

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.