Frontiers in Neurorobotics

Introduction

In vergelijking met meervingerige handvaardige handen, heeft tweevingerige bionische hand een eenvoudige mechanische structuur en is gemakkelijk voor bewegingsplanning, dus het wordt altijd gebruikt in de fruitoogstrobots (Bac et al, 2017; Silwal et al., 2017). De werkomgeving van de fruitoogstrobots is echter uiterst complex, zoals de vruchten in een plant verschillen in grootte, vorm, houding en positie (Li et al., 2019a, b), en de bestaande tweevingerige bionische handen zijn moeilijk om te voldoen aan de grijpeisen van fruitoogst (Li et al., 2013), dus de robots worden tot nu toe nog steeds niet gebruikt voor praktische fruitoogst. Met de hulp van hersen- en oogcoördinatie worden individuen altijd als betrouwbare performers beschouwd wanneer ze in staat zijn de taken van het vastgrijpen, verplaatsen en loslaten van een doelfruit te voltooien door alleen de duim en wijsvinger te gebruiken, en de algemene prestaties van dit stabiele manipulatiesysteem zijn redelijk. De menselijke hand is een krachtig multifunctioneel instrument, en onderzoek naar de mogelijkheden ervan helpt onderzoekers om een redelijke grijpmassa en -grootte te definiëren voor een bionische robothand, met de bedoeling om de capaciteiten ervan te repliceren (Feix et al., 2014; Chen et al., 2019). Vanuit het oogpunt van ergonomie moeten ontwerpers van fruitoogstrobots de coöperatieve grijpmogelijkheden van de menselijke duim-indexvinger en de kwantitatieve correlatie tussen vingerlengte en grijpmogelijkheden voor nieuw ontworpen tweevingerige bionische handen begrijpen om hun grijpprestaties te verbeteren (Yussof en Ohka, 2012; Wang en Ahn, 2017).

Studies die het grijpgedrag van de menselijke duim-indexvinger belichten, zijn in het afgelopen decennium gepubliceerd. Sommige onderzoekers onthulden dat de grijpstabiliteit tijdens manipulatie voornamelijk werd beïnvloed door het objectgewicht, de relatieve kromming en wrijvingskracht tussen de vingertoppen en het objectoppervlak, en de afstand tussen twee contactpunten wanneer een object werd vastgeknepen door de duim-indexvinger (Li et al., 2013; Luciw et al., 2014). Biegstraaten et al. (2006) concludeerden dat de reik- en tilbewegingen tamelijk onafhankelijk waren wanneer een voorwerp werd vastgepakt met een precisiegreep (Biegstraaten et al., 2006). Vigouroux et al. (2011) stelden dat wanneer de menselijke duim-wijsvinger voorwerpen met verschillende breedtes vastgreep, de vingergewrichtshoudingen, spierkracht en grijpkracht aanzienlijk varieerden naargelang de breedte van het voorwerp, en een interessant resultaat was dat de spierkracht/grijpkrachtverhoudingen van de grote buigspieren bijzonder stabiel bleven met betrekking tot de breedte, terwijl andere spierverhoudingen sterk verschilden. Verder zijn er ook verschillende onderzoeken uitgevoerd naar de menselijke grijpmogelijkheden met vijf vingers (Vigouroux et al., 2011). Eksioglu (2004) toonde aan dat de optimale grijpwijdte ten opzichte van de antropometrie van de hand van een individu ongeveer 2 cm korter was dan zijn aangepaste duimkruislengte op basis van de beoordelingscriteria van maximale vrijwillige isometrische grijpkracht, spieractiviteit en subjectieve beoordeling. Seo en Armstrong (2008) toonden aan dat wanneer cilindrische handvatten werden vastgepakt in een krachtige grijphouding, de verhouding tussen de diameter van het handvat en de lengte van de hand respectievelijk 62%, 57% en 71% van de variaties in grijpkracht, normale kracht en contactoppervlak kan verklaren. Li et al. (2010) verwachtten dat de handomtrek, van verschillende antropometrische parameters zoals lengte, gewicht, pols, en onderarm, lengtes van hand en handpalm, de sterkste correlatie had met de maximale grijpkracht. Bansode et al. (2014) onthulden dat de grijpkracht van de dominante hand bij mannen en vrouwen een significante positieve correlatie had met de leeftijd, lengte, gewicht en body mass index en de spanwijdte van de dominante hand, terwijl het geen duidelijke correlatie had met de tailleomtrek en taille-heup ratio. Feix et al. (2014) vonden dat het optimale grijpvermogen van de menselijke hand minder was dan 500 g in termen van massa, en de breedte van het object op de grijplocatie was minder dan 7 cm.

Samenvattend is er aanzienlijke vooruitgang geboekt op dit gebied. Toch is er minder aandacht besteed aan het coöperatieve grijpvermogen van de menselijke duim en wijsvinger en de factoren die daarop van invloed zijn. Dit betekent dat er een technische leemte bestaat voor het ergonomische ontwerp van robothanden die het vermogen van de menselijke hand willen nabootsen. Daarom hebben wij, op basis van de bestaande literatuurgegevens, studies uitgevoerd in een poging om het effect van menselijke lichaamskenmerken te onderzoeken (b.v, leeftijd, geslacht, gestalte, gebruikte hand, som van duim- en wijsvingerlengte en verhouding van duim- en wijsvingerlengte) op het grijpvermogen van de duim-indexvinger, namelijk de maximale grijpmassa en de diameter van de duim-indexvinger met behulp van een meervoudige niet-lineaire regressieanalysemethode.

Materialen en methoden

Materiaal

Om de coöperatieve grijpmogelijkheden van de menselijke duim-indexvinger te onderzoeken, werden in augustus 2017 20 verschillende massa’s van massieve cilinders en 15 verschillende buitendiameters van ringen vervaardigd als grijpobjecten. De massieve cilinders met een diameter dc van 40 mm werden gemaakt van C45 koolstofstaal met de volgende kenmerken: dichtheid van 7,85 g/cm3 en oppervlakteruwheid Ra = 0,1 μm (figuur 1A). De ringen met een hoogte hr van 40 mm waren gemaakt van acryl en hadden een dichtheid van 1,2 g/cm3 en een oppervlakteruwheid Ra = 0,05 μm (figuur 1B). De operatieve parameters van de massieve cilinders en ringen, zoals hun hoogten, diameters en massa’s, zijn vermeld in tabel 1. De massieve cilinders werden gebruikt om de effecten van menselijke lichaamskenmerken op de maximummassa van voorwerpen die met de duim-indexvinger kunnen worden vastgepakt te bestuderen, terwijl de ringen werden gebruikt om de effecten van menselijke lichaamskenmerken op de maximumdiameter van voorwerpen die met de duim-indexvinger kunnen worden vastgepakt te bestuderen. Multi-factor grijp-release tests werden uitgevoerd binnen 72 uur bij kamertemperatuur (24 ± 1°C, 50-55% RH).

Deelnemers

Er werden in totaal 108 vrijwilligers (54 mannen en 54 vrouwen) gerekruteerd van de Henan Polytechnic University, HPU Kindergarten en de Hexiang Primary School om deel te nemen aan de grijp-ontgrendelingstests in deze studie. Hun kenmerken waren als volgt {gemiddelde}: leeftijd, 11,9 (6,8) jaar; lengte, 141,5 (23,8) cm; duimlengte, 41,9 (7,7) mm en wijsvingerlengte, 56,6 (10,0) mm. Alle deelnemers kregen een gedetailleerde beschrijving van de doelstellingen en vereisten van het experiment en vervolgens werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van de deelnemers ouder dan 16 jaar en van de ouders van de deelnemers jonger dan 16 jaar. Alle vrijwilligers waren rechtshandig, hadden een normaal gehoor en een gecorrigeerd tot normaal gezichtsvermogen, en hadden geen voorgeschiedenis van verwondingen aan hun handen, geestesziekten of lichamelijke handicaps. Deze studie werd uitgevoerd in overeenstemming met de principes van de Verklaring van Bazel en aanbevelingen van de Oprichting van Institutionele Ethische Commissies in China.

Procedures

De deelnemers wasten hun handen met water en zeep en droogden ze af met een handdoek ongeveer 5 minuten voor de tests. Het postuur van elke deelnemer werd gemeten met een duimstok met een nauwkeurigheid van 1 mm. Elke deelnemer kreeg een kalibratielabel op zijn handen geplakt, en zijn duim en wijsvinger werden geopend om met een digitale camera (Canon IXUS 95IS) een foto te nemen van de bovenkant van de handpalm (figuur 1C). De gemaakte beelden werden doorgestuurd naar de computer en vervolgens verwerkt door de Digimizer versie 4.2.6.0 om de lengtes van de twee vingers te extraheren. De lengtes van de duim en wijsvinger werden gemeten aan de hand van de afstand van de proximale buigplooi van de vinger tot de top van de respectieve vinger (figuur 1C), wat overeenkwam met Kanchan en Krishan (2011), Ishak et al. (2012) en Jee et al. (2015). Vervolgens werden de vastgegrepen objecten op een tafel geplaatst, en werd elke deelnemer geïnstrueerd om in een bureaustoel voor de tafel te gaan zitten met de rechter bovenarm parallel aan de romp, de elleboog rustend op zijn/haar rechter dijbeen en de onderarm anterieur gestrekt. De deelnemer werd gevraagd een voorwerp op te tillen en van de ene positie naar de andere te verplaatsen met de duim en wijsvinger van de rechterhand op natuurlijke wijze. 15 s later bewoog de deelnemer het voorwerp terug met de duim en wijsvinger van de linkerhand. Tijdens het grijpen konden de middelvinger, ringvinger, pink en handpalm het voorwerp niet aanraken.

Het coöperatieve grijpproces van de menselijke duim en wijsvinger was een hand-hersen-oog coördinatie gedrag en kan worden onderverdeeld in vijf stappen (figuur 2). 1e stap: locatie en detectie van een object door vision systeem met gids van de hersenen; 2e stap: de hersenen verwerken informatie verkregen uit vision systeem en maakt een strategische beslissing (bijv, 3e stap: de hersenen geven de hand het commando om het voorwerp te grijpen; 4e stap: de tactiele sensorische informatie wordt teruggekoppeld naar de hersenen voor verdere besluitvorming en indien nodig worden de houding en de grijpkracht aangepast op commando van de hersenen; 5e stap: de hand grijpt het voorwerp stabiel vast en verplaatst het naar een andere positie.

In dit experiment, de gegrepen objecten waren vaste cilinders van verschillende massa’s (figuur 1A) en ringen van verschillende grootte (figuur 1B). Elke deelnemer greep de massieve cilinders op basis van hun massa van licht naar zwaar in volgorde en vervolgens greep de ringen op basis van hun externe diameter van klein naar groot in volgorde. De maximale grijpmassa van de menselijke duim-wijsvinger gaf de maximale massa aan van voorwerpen die met de duim-wijsvinger kunnen worden vastgepakt. De maximale grijpdiameter van de menselijke wijsvinger gaf de maximale diameter aan van voorwerpen die met de wijsvinger kunnen worden vastgepakt. Na elke grijptaak werd het grijpresultaat, namelijk succes of mislukking, zorgvuldig genoteerd door een ervaren waarnemer. Een grijpproef werd als succesvol gekarakteriseerd als het proces van grijpen en loslaten stabiel was en er geen relatieve slip optrad tussen de wijsvinger, duim en het voorwerp; anders werd het gekarakteriseerd als een mislukte proef. In totaal waren er 7560 grijpproeven (108 vrijwilligers × 2 handen × 20 massieve cilinders + 108 vrijwilligers × 2 handen × 15 ringen) in het experiment.

Non-lineaire regressieanalyse

In deze studie wordt een niet-lineaire regressieanalysemethode gebruikt om twee potentiële wiskundige modellen te vinden van de relaties tussen de afhankelijke variabelen (namelijk de maximale grijpmassa, en de diameter van de duim-indexvinger) en een reeks onafhankelijke variabelen (bijv, leeftijd, geslacht, gebruikte hand, en som van de lengtes van duim en wijsvinger, verhouding van de lengte van duim en wijsvinger). Omdat de menselijke duim en wijsvinger naast elkaar bestaan en hun lengten multicollineariteit vertonen, werden twee relatieve onafhankelijke parameters: de som van de duim- en wijsvingerlengten en de verhouding van de lengte van de wijsvinger tot de duim, geselecteerd om de duim- en wijsvingerlengten in de regressieanalyse te karakteriseren. Gezien de sterke correlatie tussen de lichaamslengte en de vingellengte, die werd verwacht door Abdel-Malek et al. (1990), werd de vingellengte wel meegenomen in de volgende regressieanalyse, maar de lichaamslengte niet. Menselijke lichaamskenmerken zoals leeftijd en de som van de duim-index vingerlengtes werden beschouwd als de oorspronkelijke onafhankelijke variabelen, en de maximale grijpmassa en de diameter van de duim-index vinger werden respectievelijk als de eerste en tweede afhankelijke variabelen gesteld. Na de experimenten werden de lineaire (b.v. y = kx) en niet-lineaire (b.v, y = kx2, y = klnx) functionele relaties tussen leeftijd en maximale grijpmassa, tussen de som van de lengte van de duim-indexvinger en maximale grijpmassa, tussen leeftijd en maximale grijpdiameter, en tussen de som van de lengte van de duim-indexvinger en maximale grijpdiameter, geschat met behulp van de “curve estimation” van IBM SPSS Statistics 24.0 (versie 24.0, IBM Corporation, Verenigde Staten) en vervolgens vergeleken om een optimale functionele relatie tussen de twee variabelen te selecteren op basis van de aangepaste determinatiecoëfficiënt R2. Een grotere R2 gaf aan dat de overeenkomstige functierelatie geschikter is om de experimentele gegevens tussen de twee variabelen te passen. De constante werd niet opgenomen in elke regressievergelijking.

Nadat de optimale functies tussen de oorspronkelijke kwantitatieve onafhankelijke variabelen en de afhankelijke variabelen waren verkregen, werd elke niet-lineaire functie beschouwd als een nieuwe onafhankelijke variabele die in de volgende meervoudige lineaire regressieanalyse moest worden gebruikt en werd het significantieniveau op 0,05 gesteld. Omdat het geslacht en de gebruikte hand categorische variabelen waren, werden vóór de lineaire regressieanalyse de twee niveaus van het geslacht, namelijk mannelijk en vrouwelijk, gecodeerd als respectievelijk “0” en “1”, en de twee niveaus van de gebruikte hand, namelijk linker- en rechterhand, werden ook gecodeerd als respectievelijk “0” en “1”. Ten slotte werd een meervoudige lineaire regressieanalyse gebruikt om twee potentiële mathematische modellen te construeren. De constante werd niet opgenomen in elk regressiemodel. De goodness-of-fit test werd gebruikt om te meten hoe goed de waargenomen gegevens overeenkomen met elk regressiemodel, de F-test werd gebruikt om de algemene significantie van elk regressiemodel te testen, en de t-test werd gebruikt om te bepalen of een onafhankelijke variabele een statistisch significant effect had op de afhankelijke variabele in elk model.

Resultaten en Discussie

Beschrijvingen van Experimentele Resultaten

Figuur 3 toont de maximale grijpmassa’s van de menselijke duim-wijsvinger onder verschillende condities van menselijke lichaamskenmerken (bijv, geslacht, gebruikte hand, leeftijd, en som van duim-index vinger lengtes). In deze studie varieerden de maximale grijpmassa’s van de duim-wijsvinger van deelnemers van 690,2 tot 9859,6 g. De maximale grijpmassa’s van de duim-wijsvinger van mannelijke deelnemers waren 5057,6 ± 2695,6 g (gemiddelde ± standaardafwijking), significant hoger dan die van vrouwelijke deelnemers 3265,5 ± 1853,5 g (figuur 3A). Er was echter geen significant verschil in de maximale grijpmassa’s van de duim-indexvinger in de linker- en rechterhanden van de deelnemers; de maximale grijpmassa’s van de duim-indexvinger van de linkerhand bedroegen 4102,7 ± 2449,4 g, iets lager dan die van de rechterhand 4220,5 ± 2513,1 g (Figuur 3B). In deze studie varieerde de leeftijd van de deelnemers van 3∼27 jaar oud en de som van de duim- en wijsvingerlengte varieerde van 56,9 tot 132,6 mm. Het is duidelijk dat de maximale grijpmassa’s van de duim-indexvinger van de deelnemers een niet-lineaire (bijv. kwadratische functie, logaritmische functie) stijgende trend vertoonden met toenemende leeftijd en de som van de duim- en wijsvingerlengtes (Figuren 3C,D).

Figuur 4 toont de maximale grijpkrachtdiameters van de menselijke duim-indexvinger onder verschillende omstandigheden met betrekking tot de menselijke lichaamskenmerken (bijv, geslacht, gebruikte hand, leeftijd, en de som van duim-index vinger lengtes). In deze studie varieerde de maximale grijpdiameter van de duim-indexvinger van de deelnemers van 70 tot 170 mm. De maximale grijp diameters van de duim-index vinger van de mannelijke deelnemers waren 129.0 ± 22.2 mm, iets groter dan die van de vrouwelijke deelnemers 119.9 ± 25.2 mm (Figuur 4A). De maximale grijp diameters van de duim-index vinger van de linkerhand waren 124.0 ± 24.1 mm, bijna gelijk aan die van de rechterhand (figuur 4B). Vergelijkbaar met figuren 3C,D, vertoonden de maximale grijp diameters van de duim-index vinger van de deelnemers ook een niet-lineaire (b.v., kwadratische functie, logaritmische functie) stijgende trend met toenemende leeftijd en de som van de duim en wijsvinger lengte (figuren 4C,D).

Tabel 2 geeft een overzicht van de aangepaste determinatiecoëfficiënten van de lineaire en niet-lineaire regressiemodellen tussen de kwantitatieve onafhankelijke en afhankelijke variabelen. Door de aangepaste determinatiecoëfficiënten van drie soorten functies te vergelijken, leverde de lineaire functie de optimale functionele relatie op tussen leeftijd en maximale grijpmassa, en tussen de som van de lengte van de duim-indexvingers en de maximale grijpdiameter; de kwadratische functie leverde de optimale functionele relaties op tussen de som van de lengte van de duim-indexvingers en de maximale grijpmassa; en de logaritmische functie leverde de optimale functionele relatie op tussen leeftijd en maximale grijpdiameter. Deze resultaten werden gebruikt in de volgende regressieanalyse.

Factoren die van invloed zijn op de maximale grijpmassa van de menselijke duim-indexvinger

Het niet-lineaire regressiemodel voor de afhankelijkheid van de maximale grijpmassa van geslacht, leeftijd en som van de lengte van de duim-indexvinger wordt weergegeven in Eq. 1. De aangepaste determinatiecoëfficiënt, die wordt aangeduid als R2, was 0,97, wat erop wijst dat het model goed bij de gegevens paste en aangeeft dat dit model 97% van de variantie in de maximale grijpmassa kan verklaren die werd voorspeld door het geslacht, de leeftijd en de som van de duim-index vingerlengtes. Uit de F-test bleek dat de algemene fit significant was (P < 0.05). t-tests toonden aan dat de maximum massa van de voorwerpen die de deelnemers konden vastgrijpen met de duim-index vinger afhing van geslacht, leeftijd en de som van de duim-index vinger lengtes (P < 0.05), maar niet van de gebruikte hand en de verhouding van de wijsvinger tot de duim lengte (P > 0.05).

waar Mmax – maximale grijpmassa, g; G – geslacht; A – leeftijd van de deelnemers, jaren; en Lo – som van de vingerlengte, mm.

De leeftijd van de deelnemers varieerde van 3∼27 jaar oud, wat in het stadium van groei en ontwikkeling van de menselijke spieren is (Lexell et al, 1992), zodat de leeftijd een positief significant effect had op de maximale grijpmassa van de menselijke duim-indexvinger. De som van de duim- en wijsvingerlengte was positief gerelateerd aan de maximale grijpmassa van de menselijke duim-indexvinger, omdat deelnemers met grote handen lange vingers hebben en over het algemeen een hoge spierkracht bezitten (Seo en Armstrong, 2008). De waarden G = 0 of 1, namelijk mannelijk of vrouwelijk, werden in Eq. 1 gesubstitueerd om de maximale grijpmassa’s van de deelnemers te beschrijven. Het verschil in de maximale grijpkracht van de duim-indexvinger van mannen en vrouwen bedroeg 1070,5 g. Vergelijkbare onderzoeksresultaten toonden aan dat de grijpkracht van mannen significant hoger was dan die van vrouwen (Puh, 2009) en dat de handlengte een significant effect had op de grijpkracht van de menselijke vijfvinger (Li et al., 2010). De significante relatie tussen geslacht en de maximale grijpmassa van twee vingers kan worden toegeschreven aan het feit dat de maximale vrijwillige contractiekracht van mannen altijd groter is dan die van vrouwen van vergelijkbare lengte (Shurrab et al., 2017). Daarom kan het verhogen van de maximale vrijwillige contractiekracht de maximale grijpmassa van menselijke twee vingers verbeteren. De grijpkracht is een vergelijkbare parameter als de maximale grijpmassa voor het meten van de grijpcapaciteit van menselijke vingers. Deze bevindingen toonden aan dat de som van de vingerlengte en de maximale vrijwillige contractiekracht samen de maximale grijpmassa van de duim-wijsvinger beïnvloeden, wat suggereert dat de twee factoren samen in aanmerking moeten worden genomen om de maximale grijpmassa van robothanden te verbeteren tijdens het ergonomische ontwerp.

Factoren die de maximale grijpdiameter van de duim-wijsvinger beïnvloeden

Het niet-lineaire regressiemodel voor de afhankelijkheid van de maximale grijpdiameter van de leeftijd, de som van de lengte van de duim-wijsvinger en de verhouding tussen de lengte van de wijsvinger en de duim wordt weergegeven in Eq. 2. De aangepaste determinatiecoëfficiënt, die wordt aangeduid als R2, was 0,99, wat aantoont dat het model goed bij de gegevens paste en dat dit model 99% van de variantie in de maximale grijpdiameter kan verklaren die werd voorspeld door de leeftijd, de som van de duim- wijsvingerlengtes en de verhouding tussen duim- wijsvingerlengte en duimlengte. Uit de F-test bleek dat de algemene fit significant was (P < 0.05). Uit t-tests bleek dat de maximale diameter van de voorwerpen die de deelnemers met de duim-index vinger konden vastgrijpen afhing van de leeftijd, de som van de duim-index vingerlengtes en de verhouding tussen de lengte van de duim-index vinger en de lengte van de duim (P < 0.05), maar niet van het geslacht en de gebruikte hand (P > 0.05).

waar Dmax – maximale grijpdiameter, mm; Lo – som van duim- en wijsvingerlengtes, mm; Lr – verhouding van de lengte van de wijsvinger tot de duim.

De som van de duim- en wijsvingerlengtes varieerde van 56,9 tot 132,6 mm en de verhouding van de lengte van de wijsvinger tot de duim varieerde van 1,09 tot 1,65. De som van de duim- en wijsvingerlengtes was positief evenredig met de maximale grijpdiameter. Hoe langer de som van de duim- en wijsvingerlengtes, hoe groter de spanwijdte tussen twee vingertoppen; dus hoe groter de maximale grijpdiameter van de deelnemers die de duim-indexvinger gebruikten. Wanneer de som van de duim- en wijsvingerlengtes met 1 mm toeneemt, neemt de maximale grijpdiameter van de duim-indexvinger met 0,98 mm toe. Wanneer de verhouding tussen de lengte van de duim en de wijsvinger met 0,01 toeneemt, neemt de maximale grijpdiameter van de duim-indexvinger met 0,0967 mm toe. De verhouding tussen de lengte van de wijsvinger en de duim was positief gerelateerd aan de maximale grijpdiameter, wat aangeeft dat de combinatie van een korte duim en een lange wijsvinger de maximale grijpdiameter van de duim-indexvinger vergroot. De belangrijkste reden hiervoor is dat wanneer een voorwerp door twee vingers wordt vastgepakt, vooral bij het type ‘power-grasp’, de korte duim gemakkelijk dient als steunpunt om de lange wijsvinger te ondersteunen bij het omhullen van de omtrek van het voorwerp om zo een krachtsluitend vlak te vormen. De korte duim wordt niet gemakkelijk beperkt door de vorm van het voorwerp en een stabiele greep kan worden bereikt in het contactvlak op basis van het criterium voor grijpstabiliteit dat door Li et al. (2013) werd gemeld. Er is weinig informatie over dit onderwerp in de literatuur.

Discussie

De Eq. 1 in zie sectie “Factors Affecting the Maximum Grasping Mass of Human Thumb-Index Finger” beschreef kwantitatief het verband tussen de som van de duim- en wijsvingerlengtes en de maximale grijpmassa. Bij de ontwikkeling van een tweevingerige bionische robothand kan, als de massa’s van potentiële doelobjecten bekend zijn, een optimaal lengteontwerp van robotduim en -wijsvinger worden afgeleid aan de hand van Eq. 1 en een aanvullende voorwaarde: de gemiddelde verhouding tussen de lengte van de wijsvinger en de duim is 1,36. Op dezelfde manier beschreef Eq. 2 in het hoofdstuk “Factors Affecting the Maximum Grasping Diameter of Human Thumb-Index Finger” op kwantitatieve wijze het verband tussen de som van de duim- en wijsvingerlengte, de verhouding tussen de lengte van de wijsvinger en de duim en de maximale grijpdiameter. Bij de ontwikkeling van een tweevingerige bionische robothand, als de diameters van potentiële doelobjecten gegeven zijn, kan een geschikt lengteontwerp van robotduim en -wijsvinger worden afgeleid met behulp van Eq. 2. Vandaar dat de twee niet-lineaire regressiemodellen nuttig waren in het optimale grootte-ontwerp van robothanden met de bedoeling de grijpcapaciteit van duim en wijsvinger te repliceren. Bij het manipuleren van een nieuw voorwerp, geeft zintuiglijke feedback ons informatie over de fysische eigenschappen zoals massa en dan wordt gedacht dat de hersenen het meest geschikte model selecteren dat in ons centraal zenuwstelsel wordt bijgehouden voor de huidige taak (Lemon et al., 1995; Davidson and Wolpert, 2004). Op basis van de maximale grijpmassaset van duim-wijsvinger kan een deep learning algoritme worden ontwikkeld om te verantwoorden of sommige objecten in een ongestructureerde werkomgeving voldoen aan de grijpeisen van bionische robothanden. Bovendien, als er een aantal onregelmatige objecten (bijvoorbeeld mok) in de ongestructureerde omgeving, kan de maximale grijpen diameter set van duim-wijsvinger worden gebruikt om greep planning algoritmen te maken voor het selecteren van de optimale grijpen locaties op een onregelmatig object oppervlak voor een bionische robot hand. Bovendien bestaan er altijd veel tijdvariërende problemen in de kinematische besturingsproblemen van robotvingers en het convergente differentiële neurale netwerk met variërende parameters zou een efficiënte en nauwkeurige methode zijn voor het oplossen van dit grijpplanningsprobleem (Zhang et al., 2018a, b).

Conclusie

In deze studie werden de maximale coöperatieve grijpmassa en -diameter van de menselijke duim en wijsvinger in een breed scala aan ongestructureerde taken onderzocht. De leeftijd van de deelnemers varieerde van 3∼27 jaar oud en de som van de lengte van duim en wijsvinger varieerde van 56,9 tot 132,6 mm. De resultaten toonden aan dat de maximale grijpmassa en de diameter van de duim-indexvinger van de deelnemers varieerden van 690,2 tot 9859,6 g en 70 tot 170 mm. De maximale grijpkracht van de wijsvinger van de deelnemers was afhankelijk van geslacht, leeftijd en de som van de lengte van de wijsvingers (P < 0.05), maar niet van de gebruikte hand en de verhouding tussen de lengte van de wijsvinger en de duim (P > 0.05). De maximale grijpdiameter van de duim-wijsvinger van de deelnemers hing af van de leeftijd, de som van de duim-wijsvingerlengtes en de verhouding tussen de lengte van de wijsvinger en de duim (P < 0.05), maar niet van het geslacht en de gebruikte hand (P > 0.05).

Er was een niet-lineair regressiemodel voor de afhankelijkheid van de maximale grijpmassa van geslacht, leeftijd en de som van de duim-index vingerlengtes en een ander niet-lineair regressiemodel voor de afhankelijkheid van de maximale grijpdiameter van de leeftijd, de som van de duim-index vingerlengtes en de verhouding tussen de duim-index vingerlengte en de duimlengte. Twee regressiemodellen waren nuttig voor het optimale ontwerp van robothanden die de grijpvaardigheid van duim-indexvinger moeten nabootsen. Dit onderzoek kan helpen bij het definiëren van niet alleen een redelijke grijpmassa en -grootte voor een bionische robothand, maar ook de vereisten voor handrevalidatie.

Data Availability Statement

Alle datasets die voor deze studie zijn gegenereerd, zijn opgenomen in het artikel/aanvullend materiaal.

Author Contributions

XC en ZL ontwierpen en voerden de experimenten uit en schreven het manuscript. YW, JL, en DZ beoordeeld en onder toezicht van het werk.

Funding

Dit werk werd ondersteund door een Europese Marie Curie International Incoming Fellowship (326847 en 912847), een Speciale Stichting voor Talenten van de Northwest A&F University (Z111021801), een Shaanxi Project of Science and Technology Activities for Returning from Overseas (2018030), en een Key Research and Development Plan van de provincie Shaanxi (2019NY-172).

Conflict of Interest

De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd in de afwezigheid van commerciële of financiële relaties die kunnen worden opgevat als een potentieel belangenconflict.