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近十年来，受人口增长、老龄化、长期疾病等因素的影响，残疾人口以惊人的速度上升。特别是，截肢带来了多方面的挑战，因为它会影响身体的感觉、身体的功能、职业、自我形象和家庭关系。为了解决这个问题，建议使用仿生手臂。仿生手臂通过从截肢者肌肉收集信号来运作。尽管市场上存在基于EMG的仿生手臂，但它们中的大部分成本太高而无法经济地获得，或者长时间佩戴时重量过重。这项提议的工作展示了通过Arduino微控制器控制的具有成本效益、坚固且灵活的仿生臂的构造和工作。设计的仿生手臂由3D打印的手部材料、一个用于监测肌肉活动的myoware传感器、一个arduino处理器、六个电机和一个极其可拉伸的手套组成。使用myoware传感器可以开发仿生手臂以实现手的自然运动。仿生手臂是使用3D打印设计和实现的，并用硅胶材料铸造。低成本仿生手臂已经在截肢者身上进行了实时测试，结果表明它可以有效地抓住各种物体。仿生手臂是使用3D打印设计和实现的，并用硅胶材料铸造。低成本仿生手臂已经在截肢者身上进行了实时测试，结果表明它可以有效地抓住各种物体。仿生手臂是使用3D打印设计和实现的，并用硅胶材料铸造。低成本仿生手臂已经在截肢者身上进行了实时测试，结果表明它可以有效地抓住各种物体。
第一节介绍
在过去的十年中，随着印度人口的不断增长、两轮和四轮汽车的空前使用以及城市化的发展，面临道路交通事故的人数急剧增加。目前，道路交通伤害占印度死亡人数的大部分。根据健康指标和评估研究所(IHME)提供的报告，道路交通伤害是年印度第八大死亡原因。据预测，印度每千人中约有0.62名截肢者人口。它转变为该国近万截肢患者。人体包含许多部分，其中，手是至关重要的部分之一。手部部件非常柔和且结构复杂。这为手部的肌肉和关节提供了多种动作和准确性。手部动作帮助身体执行重要的基本动作，例如推、拉和/或抓握较轻和较重的物体、喂食、玩耍、切割物体、书写等。它象征着多个自由度，能够执行综合功能。
手也很容易受到影响。尽管如此，肌腱、神经纤维、血管和相当薄的骨骼都位于皮肤下方，并被一层薄薄的肌肉和脂肪单独覆盖。通常手掌受到坚固的肌腱垫的保护，这使得握持物体时能够强有力地抓握。一般而言，人的手全天用于进行基本的生计活动，并且经常接触可能有害的物体。因此，手部受伤经常发生。
图1所示的人手，包括拇指、食指、中指、无名指和小指。手总共有二十七块骨头和二十多个关节，还涉及到三十三种不同肌肉的使用。骨骼对手的某一节段内的刚度负有很大责任，关节提供方便的运动自由，肌肉用于将刚性节段相互转移。
图1手和手腕图
手部伤口可分为骨折和脱位、感染、高压损伤、撕裂伤、手部骨折和烧伤等。手部损伤的发生在个人日常活动中表现出意想不到的工作效果，因为手部区域是一个独特的解剖区域，几乎适用于所有职业或专业。因此，即使是小程度的截肢也可能导致残疾，这将限制个人永久执行基本活动，例如推、拉和/或抓握较轻和较重的物体。由于世界上截肢者众多，因此开发假肢势在必行。近年来，世界各地的许多组织已经设计和开发了许多机械手。科学和工程技术的无处不在的发展导致了基于肌肉操作传感器的假手的发展。假肢装置倾向于为个人佩戴者恢复部分（如果不是全部）移动性和功能性。假肢是一种非自然装置，旨在替换缺失的身体部位，例如腿或手，这些部位可能因外伤、传染病、事故或先天缺陷而缺失。假肢的工作原理是基于EMG信号。EMG缩写为ElectroMyo-Graphy。简单来说，EMG信号不过是研究肌肉中的电信号。EMG信号特别用于生物医学或临床应用。我们人体的神经系统控制着肌肉的收缩和放松活动。因此，该信号是一个复杂的信号，取决于肌肉运动的解剖学和生理学特性。当EMG信号遇到人体内的不同组织时，它会被噪声破坏。肌肉组织传导类似于神经细胞的微小电压。典型的EMG信号幅度在(0.1到)Hz的频率范围内在(0-10)mV之间变化。
然而，随着手部截肢人数的增加，文献中报道的作品很少，如下所示：T.Lenzi等人。在他的工作中，研究了十名健康受试者对肘部动力外骨骼的反应。实验结果表明，该系统在不同的动态条件下工作稳定，运行稳定。A.Pantelopoulos等人。系统地分析了可穿戴生物传感器系统实施的最新研究和发展。它主要侧重于多参数传感系统设计、生命体征测量及其背景感知中提出了一种能够测量和处理EMG信号的无线可穿戴设备，用于实时基于EMG的手势识别。还提出了一种支持向量机识别算法。R.Ahsan等人。审议了用于EMG信号分类的各种程序的最新进展和发展，这些程序可用于未来的比较研究。S.Teng等人。介绍了与可配置CMOSIC前端设计相关的工作，用于在nmCMOS技术中记录大范围的生物电势。制作了原型并实际进行了记录。J.Cabibihan等。讨论了通过3D打印和硅胶铸造来创建截肢手臂的精确形状和尺寸的分步方法。设计的假肢在骰子相似系数、相对平均距离和百分比误差方面表现出高度准确的结果。实现了使用arduino微控制器的低成本机器人控制手。设计的3D打印仿生手臂展示了手臂和手的准确自然运动。介绍了具有成本效益的机器人的设计和实现。JKPaik等。提出了一种仿人机器人手臂的新颖设计，该设计可以用8-DoF手精确模仿人体的自然外观和运动。它采用了一种新颖的算法来避开障碍物，灵活的手可以熟练地抓住各种物体。Y.Jiang等。开发了一种精确的简化肌电图假手，其中包括一个带有两个电机的轻型机械手和一个32位微处理器。用于肌电假体的具有成本效益的表面肌电传感器的设计在进行。该传感器在实时应用中进行了测试，重点是响应时间、幅度灵敏度和信噪比。
仿生手臂的实现如下图所示。第二部分详细介绍了仿生手臂的框图、与myoware传感器和3D打印手掌部分相关的细节。第三部分用照片显示了实验设置和工作结果。总而言之，第四节给出了拟议的低成本仿生臂的结论。
第二节仿生手臂的硬件细节
仿生臂的实现如图2所示。它由arduino板、myoware传感器、六个伺服电机和一个3D打印臂组成。在该图中，首先将凝胶涂在截肢者的手上，并固定表面电极以测量肌肉的活动。该系统由六个伺服电机组成，即五个独立的直流电机控制每个手指，一个独立的伺服电机控制扭曲的旋转。EMG信号由一种称为myoware肌肉传感器的流行传感器读取。
A.Myoware传感器
在这项工作中使用myoware肌肉传感器来记录手臂肌肉产生的电活动。它的工作电压为(3-5.2)V，并具有内置的极性保护。该板包括一个用于自动手动增益调整的板载电位计，还包括信号强度LED以便于恢复。与myoware传感器相关的波形如图3所示。myoware传感器的布局如图4所示。
B.3-D打印的手掌部分
这是整个工作的重要组成部分。尽管有许多免费的3D打印手部模型，但它们中的大多数实际上看起来像机器人，不像正常人的手。手腕的运动将控制手指的打开或关闭动作。随着手腕弯曲，整个手指同时合拢，形成拳头。3-D打印的手掌部分显示在图5中。
图2仿生臂的实现
图3与myoware传感器相关的波形
图4Myoware传感器详细信息
图53D打印手掌
第三节实验和工作结果
当一个人，即患有手部残疾的人，将仿生手臂放在手上并弯曲肘部下方的肌肉时，myoware传感器会检测到非常小的电势。这些EMG电位由arduino处理器读取，并根据编写的代码，发生相应的仿生手部运动。即处理器做出正确的决定来控制仿生手臂的一个或多个手指。仿生手臂的闭合和打开运动是由手臂中的相同类型的肌肉发起的。arduino板有六个模拟输入引脚（A0、A1、A2、A3、A4和A5）和十四个可用作输入或输出的数字引脚。
一般来说，一只自然的人手可以表现出数百种不同的手势。但这项工作中提议的仿生手臂旨在执行有限的手势，如点、拳、休息、捏、手腕弯曲和摇摆。表1，展示了仿生手臂提供的不同手势。
表1仿生手臂的各种手势
从以上手势可以看出，手指可以以不同的旋转角度移动，这与人类的自然手部动作几乎相同。所提议的仿生手臂的大约总成本仅为9卢比。图6和图7展示了仿生手臂抓取不同物体的能力：
图6抓住并提起瓶子
图7用笔抓握和书写
第四节结论
拟议的工作有效地展示了开发的低成本仿生手臂，用于抓取各种物体并为残疾人士进行实时活动。在这种仿生手臂实施中考虑的主要物理特性是重量轻、价格较低和自然控制。3D打印技术的最新进展在实现拟议目标方面发挥了重要作用。设计的3D打印仿生手臂由五个手指组成，由六个直流电机实现，一个用于每个手指，最后一个用于手腕。所有的电机都放在手掌内。来自肌肉的EMG信号携带有关神经系统操作的宝贵数据。这些是使用myoware传感器检测到的。在截肢者身上测试的实验结果表明，它可以有效地抓住各种物体，适合年轻人到老年人。为了继续拟议的工作，仿生手臂应该根据孩子的大小和举起更重的物体进行建模。
医工结合
END
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