意外傷害和疾病導致的肢體缺失或功能障礙會嚴重影響患者的正常生活。肢體殘疾已經成為我國人口的重大殘疾病之一。肢體的殘疾給患者的生活帶來了很多不便，也為整個社會帶來了很大的負擔。我國為保障殘疾人的生活質量，出臺了眾多政策，《關于進一步加強殘疾人康復工作的意見》和國務院印發(fā)的《“十三五”加快殘疾人小康進程規(guī)劃綱要》都對增進殘疾人民生福祉、促進殘疾人全面發(fā)展、幫助殘疾人享受生活做出了重要部署。“讓傷殘人士都能過上有尊嚴的生活”不僅是一句口號，也是所有醫(yī)護人員都應該身體力行的救治理念。

        具有力觸覺感知功能的肌電假手是一種極具應用前景的上肢功能重建裝置，與其相關的研究在近幾十年來取得了很大進展，其中商業(yè)化的假肢結構簡單、功能單一，基本上只能起到機械支撐和美觀的作用，雖然能在一定程度上代替患者已丟失的肢體，但是依然不能使患者滿意。相關調查顯示，30.5%的上臂缺失患者不能很好地使用假手。探索幫助殘疾者恢復肢體功能的新方法、新技術，改善和提高患者的運動功能，減輕和消除身體功能的缺陷成了當今假肢研究的重點。因此，研發(fā)更加智能的假肢控制系統(tǒng)，改善假肢的操控體驗，使肢體殘疾人最大限度地恢復生活和工作能力，不僅能提高廣大截肢者的生活品質，增加其就業(yè)機會，還能減輕家庭與社會的負擔，增進社會和諧。

       東南大學機器人傳感與控制技術研究所致力于提高肌電假手對不同殘疾人的適應能力，增強假手的可控性和可感知能力，研制出具有自主學習能力和力觸覺感知反饋能力的肌電假手。該肌電假手通過采集人體手臂部位的肌電信號，結合安裝在假手手指部位的力觸覺傳感器，使用模糊比例控制算法實現對假手開合速度和握力的比例控制，同時將假手的握力情況通過振動器反饋給假手佩戴者，使得假手佩戴者能感知到假手的握力情況，及時調整控制策略，增強了假手對于佩戴者的本體感。設計的假手具有自主學習功能，能主動適應不同佩戴者的肌電信號強度，縮短了使用假手的學習時間。

        商業(yè)化的肌電假手多為單自由度假手，采用一對肌電傳感器，將其貼合在佩戴者手臂的一對拮抗肌上進行肌電信號的測量，測量得到的肌電信號經過整流、濾波后用于識別佩戴者的動作意圖。由于經過放大、整流和濾波處理后的肌電信號與測量部位的肌肉收縮程度相關，因此將一對拮抗肌上的肌電信號做差分運算即可得到假手的開合控制命令。這種控制模式使用簡單、操作方便，然而在實際應用中，由于未充分考慮佩戴者肌電信號的個體差異性，而給患者使用帶來了不便，因此仍然存在缺陷。因為在肌電假手中，肌電信號是假手控制指令的來源，而由于肌電信號存在很強的個體差異，不同佩戴者在同一部位測量得到的肌電信號強度差異較大；測量部位不確定，同樣會帶來肌電信號的差異，同一佩戴者，在其手臂不同部位測量得到的肌電信號也是存在差異的，而傳感器在手臂上的貼合位置在使用過程中會發(fā)生變化，這會導致使用過程中肌電信號發(fā)生變化；此外，環(huán)境溫、濕度的變化會引起傳感器和皮膚之間阻抗的變化，從而導致測量得到的肌電信號發(fā)生變化。這些因素導致殘疾人在安裝佩戴假手時，需要先對其殘臂上的肌電信號進行測量，然后根據其肌電信號的強度對假手的控制參數進行調整，并且往往需要經過一段較長時間的訓練、適應，佩戴者才能夠較為靈活地控制假手。此外，對于同一個佩戴者，在使用假手的過程中，其假手的控制參數也可能需要重新進行調整，造成了極大的不便。甚至，有部分患者為了追求假手的可靠控制而放棄了使用肌電假手，選擇了功能單一卻更為可靠的開關控制假手。

        東南大學機器人傳感與控制技術研究所針對商業(yè)化假手在實際使用中存在的上述問題，研制了具有肌電信號自適應學習能力的肌電假手，該假手能夠主動根據佩戴者的肌電信號動態(tài)調整假手的控制參數，使得殘疾人在安裝佩戴假手的時候無須進行參數調整，就可以在短時間內靈活自如地控制假手。

       對于手部缺失的殘疾人而言，雖然假手在一定程度上重建了手部的運動功能，但是由于缺失了手部的觸覺感受器，殘疾人在使用假手抓取物體的過程中并不能很好地感知假手的抓取狀態(tài)。在實際使用中，殘疾人往往需要將注意力特別是視線集中在假手上，通過視覺來判斷假手是否按照自身的意愿抓取了物體，在光線較暗或有視覺死角的情況下，殘疾人往往不能及時地判斷假手是否已經按自己的意愿抓取了物體。這樣一方面增加了殘疾人的精神負擔，另一方面也限制了假手的使用。

       人體擁有龐大而復雜的神經系統(tǒng)，分布在人體體表的游離神經末梢能感受溫度、痛覺、觸覺等多種感覺，這些感覺與人類的日常活動息息相關，能幫助我們更好地和環(huán)境相處。在眾多感覺中，觸覺是人體一種重要的但未被充分利用的信息獲取方式，它是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱。研究觸覺再現感知技術，用于幫助殘疾人快速準確地感知假手的狀態(tài)，將幫助殘疾人以較短的時間適應和使用假手，并使得假手的控制更加地直觀，從而改善假手的控制效果和提高假手對于殘疾人的可接受度。

         東南大學機器人傳感與控制技術研究所以增強假手對于佩戴者的本體感，增加佩戴者和假手間的信息交互為目標，研制出具有力觸覺感知反饋能力的假手。該假手以其佩戴者為主導，佩戴者根據需要發(fā)出控制指令控制假手的抓握/開合，安裝在假手上的力觸覺傳感器將檢測到的握力、三維推拉力等信息一方面反饋給假手的控制器，用于實現握力跟蹤控制，另一方面通過力觸覺刺激反饋給佩戴者。在視覺反饋的幫助下，佩戴者可以及時地獲取假手的抓握信息，并根據需要調整控制指令，從而提高假手的抓取控制效果。

        為了方便使用，將振動觸覺刺激裝置設計成袖帶形式，主要包括微型振動器陣列、振動驅動模塊、振動控制微控制單元（MCU）藍牙模塊以及鋰電池等。使用時，假手的控制器將力觸覺傳感器檢測到的假手力觸覺信息（握力、三維推拉力、物體的滑動狀態(tài)）通過藍牙模塊發(fā)送給振動袖帶，振動袖帶根據接收到的力觸覺信息控制振動器有序振動，從而實現將假手的力觸覺信息反饋給佩戴者。

        東南大學機器人傳感與控制技術研究所從假手用戶的實際需求出發(fā)，致力于提升商業(yè)化假手的控制性能，目前已經研發(fā)了三代肌電假手，其中第一代、第二代自2009年開始已經在江蘇省丹陽假肢廠有限公司進行生產銷售，取得了顯著的社會效益和經濟效益。第三代肌電假手于2016年日內瓦國際發(fā)明展覽會上展出，得到專家評委的普遍認可，獲得了此次日內瓦國際發(fā)明展“銀獎”。

 作者：宋愛國、吳常鋮

（宋愛國，東南大學儀器科學與工程學院教授，博士生導師。國家杰出青年科學基金獲得者，中國青年科技獎獲得者，新世紀百千萬人才工程國家級人選，全國優(yōu)秀科技工作者，江蘇省特聘教授。作為項目負責人先后主持完成國家973項目二級課題1項、國家863高技術項目9項、國家自然科學基金項目6項、國家十一五科技支撐項目1項、載人航天921預研項目2項、國防預研項目2項、江蘇省自然科學基金項目2項、霍英東青年教師基金項目1項、江蘇省高技術產業(yè)化項目1項、國際合作項目1項等重要課題42項。）