人形机器人专题（二）：经典五指灵巧手拆机：医疗假肢篇

经典五指灵巧手拆机：医疗假肢篇 ——人形机器人专题（二） 作者：光大环保电新殷中枢、黄帅斌 2023年11月18日 证券研究报告 目录 五指灵巧手在医疗价值领域的应用概述五指灵巧手在医疗价值领域的应用案例 投资建议 风险分析 图1：医疗假肢的控制原理 图2：医疗假肢的控制与反馈 可穿戴式肌电仿生假肢手的控制与反馈机制与人形机器人五指灵巧手高度相符。整体模块可以分为下行控制通路和上行反馈通路两部分。下行控制通路将残肢肌肉的肌电信号进行采集后，输入假肢控制器中的运动控制算法内生成电极控制指令以驱动假肢手指运动。上行反馈通路将假肢手指尖的力、振动等传感器信息通过特征提取算法输入触觉反馈映射算法中，算法输出触觉刺激装置的驱动指令向使用者提供触觉反馈信息。 资料来源：高兆龙《仿生假肢手抓握运动中的控制及电触觉反馈方法研究》 资料来源：GuoyingGu《Asoftneuroprosthetichandprovidingsimultaneousmyoelectriccontrolandtactilefeedback》 图3：假肢手的发展历程（按照功能性） 装饰型假肢手身体驱动型假肢手主动型假肢手 假肢手的发展历程按照功能性可以分为几个阶段：装饰型假肢手、身体驱动型假肢手和主动型假肢手。装饰型假肢手起源最早，但缺乏功能性；身体驱动型假肢手固定在人体躯干部，通过线缆进行控制，能显著提高截肢患者的日常生活质量，但只能完成简单的动作，且占用注意力和体力；主动型假肢手使用电机作为动力源以减少使用者的负担，不仅更加美观，还具有更高的自由度。一方面能更加智能地完成运动任务，另一方面还能根据传感信息提供触觉反馈。 资料来源：高兆龙《仿生假肢手抓握运动中的控制及电触觉反馈方法研究》 图4：肌肉控制信息采集技术 植入电极 侵入式 图5：常用的表面肌电信号采集传感器 图6：常用的表面肌动信号采集传感器 肌动信号（MMG） 肌电信号（sEMG） 控制信息采集 非侵入式 资料来源：高兆龙《仿生假肢手抓握运动中的控制及电触觉反馈方法研究》 资料来源：高兆龙《仿生假肢手抓握运动中的控制及电触觉反馈方法研究》 资料来源：段涛《基于肌动信号与肌电连续信号的假肢手控制研究》 主动型仿生假肢手通常使用佩戴者的生理信号作为控制信号的来源。根据采集传感器侵入性的不同可以分为侵入式和非侵入式两种。侵入式假肢手使用植入中枢神经系统或外周神经系统中的电极作为信号采集装置。 事实上目前市售的绝大多数主动型假肢手多使用的是非侵入式控制信号。而其中使用最多的是表面肌电（Surfaceelectromyograph，sEMG）信号。sEMG信号产生于被神经元所激活的骨骼肌，并从肌肉外的皮肤表面使用电极进行采集。信号包含了神经元发出的运动控制信息，能直接反映人的运动意图。另一种检测肌肉活动的方法是基于肌动信号（Mechanomyography，简称MMG）发生的，它可以测出肌肉收缩过程中的机械信号。机械信号是肌肉收缩时产生的低频振动或声音形式的机械振动，因此可通过机械振动来反映肌肉活动。通常检测MMG的设备有加速度计、声音传感器以及电容传感器等。 图7：海外商业化假肢手 IlimbBebionicVincent 目前国外已经成熟的多自由度商业化假肢手有英国TouchBionics公司研发的Ilimb假肢手，英国RSLSteeper公司研发的Bebionic假肢手以及德国Vincent公司研发的假肢手。特点是自由度多、可以完成例如力量抓握、侧捏、精捏等不同动作，但其价格昂贵（国内购买价格在30万以上），且重量大于500g。 资料来源：郑悦《高仿生性能假肢设计研发及应用研究》 国内产品化的假肢手也是日益增多，包括上海傲意信息科技有限公司研发的Ohand假肢手，深圳市心流科技有限公司研发的BrainRobotics假肢手，上海科生假肢有限公司研发的MH系列假肢手，丹阳假肢厂有限公司研发的FSQ假肢手。这几款都是多自由度的仿人手外观的假肢手，价格与国外相比较低，但仍然存在外观不够仿生，以及重量大等问题。 图8：国产商业化假肢手 OhandBrainRoboticsMH系列FSQ 目录 五指灵巧手在医疗价值领域的应用概述五指灵巧手在医疗价值领域的应用案例 投资建议 风险分析 图9：Össur公司主要产品 下肢上肢 图10：Össur公司营收结构（2022年） 36% 45% 19% 假肢 支撑/护套护理 图11：Össur公司市场前景（2022年） 接受腔全掌 膝关节 脚板 半掌 美洲亚太 中东、欧洲、非洲 资料来源：Össur公司官网 图12：Össur公司股价表现（截至2023年11月10日） 9% 49% 42% 资料来源：Össur公司官网资料来源：Össur公司官网 Össur于1971年成立，1999年首次在冰岛证券交易所上市，通过一系列战略性收购迅速扩张。2009年奥索在纳斯达克哥本哈根股票交易所正式挂牌上市。总部设在冰岛，拥有3000多名员工，跨越18个地区，业务遍布美国、欧洲和亚洲，在多个市场有众多经销商。2022年营收7.2亿美金，其中近一半来自于美洲，营收中45%来自于假肢。在假肢手方面主打产品为ILimb系列。 请务必参阅正文之后的重要声明7 资料来源：Össur公司官网；单位：欧元 图13：Ottobock公司主要产品 下肢 接受腔 膝关节 脚板 上肢 全掌 Ottobock于1919年成立，产品聚焦于微处理器控制的膝关节，如C-腿(可通过应用程序控制)、计算机控制的C-支腿矫正器、多关节的双仿生手、大功率轮椅和用于人体工程学工作场所的外骨骼。2022年营收13亿欧元，在全球近60个国家拥有超过9000名员工，并运营400多个护理中心。 在假肢手领域，Ottobock公司主打产品为Michelangelo米开朗基罗智能仿生手，后收购英国RSLSteeper公司，获得Bebionic毕加索智能仿生手产品。 资料来源：Ottobock公司官网 图14：BebionicHand 资料来源：Ottobock官网 作者：RSLSteeper（英国）；发明时间：2011年； 设计层面：欠驱动结构，具有11个自由度和5个驱动器；高度仿生，是目前最接近人手的假肢之一；每个手指都有独立的电机，可以实现精准抓握。连杆传动以及每根手指2DoF的低自由度设计，具备极佳的可靠性与实用性； 动力源：直流电机驱动；结构形式：驱动器内置；传动方案：连杆传动； 应用领域：商业化产品，用作医疗领域假肢产品。 图15：BebionicHand 资料来源：Youtube平台OttobockProfessionals官方主页 图16：BebionicHand的特点 可屈伸指关节 可选拇指位置 柔性指尖 独立电机自动抓握 图17：BebionicHand的拇指旋转轴（从底部看） 表1：BebionicHand的参数对比 资料来源：Ottobock官网 横向抓握(N) 手掌抓握(N)手指抓握速度大小 iLimbPulse 17.04or32.10 10.82or17.111.2s(powergrasp)180–182mm长，80–75mm宽， 35–45mm厚 Bebionic 17.61 29.471.9s(powergrasp),0.8s(tripod198mm长，90mm宽，50mm厚 grasp),1.5–1.7s(keygrasp) Bebionicv2 16.4 22.530.9s(powergrasp),0.4s(tripod190–200mm长，84–92mm宽，grasp),0.9s(keygrasp)50mm厚 Michelangelo 50.84 78.14 资料来源：JosephT.Belter《Mechanicaldesignandperformancespecificationsofanthropomorphicprosthetichands》 资料来源：JosephT.Belter《Mechanicaldesignandperformancespecificationsofanthropomorphicprosthetichands》 图18：MichelangeloHand 作者：Ottobock；发明时间：2012年； 设计层面：5指结构；具有6个关节和2个驱动器，为欠驱动结构，一个驱动器负责进行抓取，另外一个驱动器来驱动拇指；轻便；传动方案：凸轮连杆； 商业化与否：商业化产品。 资料来源：Ottobock官网、JosephT.Belter《Mechanicaldesignandperformancespecificationsofanthropomorphicprosthetichands》 图19：MichelangeloHand产品特点 仿生手指结构 仿生的手指由特殊的柔性硅胶及坚硬的硬质材料结合，接近自然的手指的触感及外形。 肌电信号控制的独立的拇指功能 拇指可以在不同的位置，通过肌电信号控制，不仅可以实现对掌的运动，还可以内收及外展，实现侧面的抓握动作。灵活实现多种动作，弥补大拇指的功能。同时，手掌可以打开到非常平的状态，可以托举物体。 AxonMaster智能处理器 强大的驱动性能，负责控制抓握动作及抓握力度。主动式驱动组件是拇指、食指和中指。无名指和小指将被动地跟随这些动作。 椭圆形的仿生手腕 椭圆形AxonWrist仿生手腕具有生理腕关节的外观。当置于放松模式的时候，腕关节可以掌伸、掌屈，同时还可以被动 的旋转手腕。自然的放松状态，腕关节非常美观自然，用户还可以与朋友友好的握手。 主驱动装置 基于Axon-Bus智能总线系统的主驱动装置，可以瞬间完成海量数据的精准传输。米开朗基罗智能仿生肌电手的控制是以Axon-Bus系统为基础。这是从航空领域和汽车工业的自动化系统中发展的技术，可以满足假肢装配的要求。带给用户新的体验。 资料来源：Ottobock官网 图20：人手骨骼与关节结构图21：不同假肢手关节耦合结构图22：MichelangeloHand（左手） 资料来源：郑悦《高仿生性能假肢设计研发及应用研究》 资料来源：JosephT.Belter《Mechanicaldesignandperformancespecificationsofanthropomorphicprosthetichands》 资料来源：Ottobock官网 人手骨骼中，食指、中指、无名指和小指分别由3块指骨和一块掌骨组成，三块指骨分别为远节指骨、中节指骨和近节指骨。指骨之间的关节依次是远指关节（DIP关节） 、中指关节(PIP关节)和掌骨关节（MCP关节）。常见的商用假肢手中，Vincent、ilimb、Bebionic各有一个近端关节（类似MCP）和一个远端关节（类似PIP+DIP）。而 MichelangeloHand的手指仅由单端组成，单点驱动的模式，类似于人手的MCP关节。 图23：MichelangeloHand内部结构 资料来源：Ottobock官网 图24：MichelangeloHand驱动部件结构 资料来源：Ottobock官网 MichelangeloHand包含两个驱动单元，其中拇指驱动器使用户能够使用反向或侧向握持；主传动单元负责抓取动作和握力，无名指和小指由手指移动单元被动移动。 图25：执行器结构（爆炸图） 图26：执行器结构图27：执行器的两种运行模式 资料来源：PanipatWattanasiri《DesignofMulti-Grip PatternsProstheticHandWithSingleActuator》 资料来源：PanipatWattanasiri《DesignofMulti-Grip PatternsProstheticHandWithSingleActuator》 资料来源：PanipatWattanasiri《