手功能障礙患者的福音來了！

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授、金虎副教授和王柳特任教授基于手指皮膚非均勻形變機(jī)制和手部精細(xì)動作康復(fù)運(yùn)動機(jī)理，研制了一種具備精細(xì)動作訓(xùn)練的低成本便攜式柔性康復(fù)手套機(jī)器人，系統(tǒng)僅重490克，有望服務(wù)全球數(shù)千萬手功能障礙患者的精細(xì)動作康復(fù)與日常生活輔助。

10月5日，相關(guān)成果以研究長文在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·機(jī)器智能》（Nature Machine Intelligence）。

柔性康復(fù)手套機(jī)器人

研究人員綜合手指皮膚褶皺結(jié)構(gòu)的仿生原理和霍爾傳感機(jī)制，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了集柔順運(yùn)動與精確感知一體的仿生指套結(jié)構(gòu)，并據(jù)此開發(fā)了融合傳感系統(tǒng)、形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動與智能控制系統(tǒng)、供能與熱控系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)的柔性康復(fù)手套。

該機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用了類肌肉-肌腱的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了用于SMA冷卻的可控風(fēng)道系統(tǒng)，提高了SMA指套的驅(qū)動頻率，使得SMA驅(qū)動的位移、力和驅(qū)動頻率適用于手功能康復(fù)需求。

此外，通過模仿手指背部褶皺皮膚，提出了一種非均勻剛度柔性指套的仿生設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了基于霍爾傳感元件的關(guān)節(jié)傳感系統(tǒng)，通過與柔性指套的非均勻剛度結(jié)構(gòu)適配，大大降低了指套運(yùn)動對傳感系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的手指狀態(tài)感知。

采用閉環(huán)反饋控制算法，獲取SMA指套的精確運(yùn)動控制和精細(xì)動作運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)了患者手指精細(xì)運(yùn)動的多模式康復(fù)訓(xùn)練。

▍視頻1:柔性康復(fù)手套機(jī)器人期望動作驗(yàn)證

研究人員首先在健康志愿者手上測試康復(fù)手套機(jī)器人的性能，并通過肌電信號表明志愿者零用力，確保測試實(shí)驗(yàn)的可靠性。結(jié)果顯示，柔性康復(fù)手套機(jī)器人能夠精確控制手指完成期望動作（視頻1）。

▍視頻2:柔性康復(fù)手套機(jī)器人臨床測試

人手可以通過執(zhí)行單一動作或其組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作。生活中90%的手部日常精細(xì)動作來源于拇指對指、指尖對指、三指捏、圓柱握、側(cè)捏、握拳等六種單一動作及其組合。

恢復(fù)手部運(yùn)動功能障礙患者的精細(xì)運(yùn)動能力是康復(fù)的最終目的，研究人員在腦卒中患者手上進(jìn)行柔性康復(fù)手套機(jī)器人臨床實(shí)驗(yàn)，通過無佩戴手套與佩戴手套的動作對比，驗(yàn)證康復(fù)手套機(jī)器人可輔助手功能障礙患者實(shí)現(xiàn)手部精細(xì)動作輸出，開展精細(xì)動作技能康復(fù)（視頻2）。

▍視頻3:柔性康復(fù)手套機(jī)器人日常生活輔助

柔性康復(fù)手套機(jī)器人的輕質(zhì)與高集成設(shè)計(jì)使其具有極高的便攜性，使得患者的手功能康復(fù)訓(xùn)練脫離醫(yī)院等固定康復(fù)場所，實(shí)現(xiàn)了如家庭、公園、辦公室等場景的康復(fù)訓(xùn)練。

由于SMA驅(qū)動不會像流體驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等產(chǎn)生噪音，研究人員也驗(yàn)證了其在低噪聲環(huán)境的使用可行性，如圖書館等。此外，臨床實(shí)驗(yàn)表明患者通過人機(jī)交互界面輸入期望動作，柔性康復(fù)手套機(jī)器人能夠輔助患者完成如梳頭、刷牙、拆吃零食、喝藥、寫字等復(fù)雜任務(wù)；通過將患者的康復(fù)訓(xùn)練與日常生活需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)動作技能康復(fù)與輔助患者生活的融合，極大拓展和提升了柔性康復(fù)手套機(jī)器人的應(yīng)用場景和康復(fù)效果。(視頻3)。

工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系博士生隨夢理、歐陽一鳴，金虎副教授為論文第一作者。工程科學(xué)學(xué)院金虎副教授、王柳特任教授和張世武教授為論文通訊作者。論文的合作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)許旻副教授，澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授等。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金的支持。

近年來，中國科大工程學(xué)院機(jī)器人與智能裝備研究所團(tuán)隊(duì)在形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動器的精確控制方面開展深入研究，取得了系列進(jìn)展，為康復(fù)手套機(jī)器人的精細(xì)運(yùn)動控制奠定了良好基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)首先針對基于SMA彈簧的柔性臂模塊進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模，結(jié)合霍爾傳感和PID方法，實(shí)現(xiàn)了SMA柔性臂模塊的階梯彎曲運(yùn)動以及空間三維精確位置控制（視頻4）。成果發(fā)表在IEEE Transactions on Industrial Electronics。接著，團(tuán)隊(duì)通過SMA本構(gòu)方程的線性簡化建模及模型反饋控制，實(shí)現(xiàn)了更加輕便的SMA薄片驅(qū)動器的位置和速度控制，突破了SMA軟體機(jī)器人應(yīng)用瓶頸（視頻5）。成果分別發(fā)表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics和2021 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (Finalist of Best Student Paper Award)。

▍視頻4:SMA軟體臂空間運(yùn)動位置控制

▍視頻5:SMA薄板驅(qū)動器負(fù)載下精確速度控制

來源：機(jī)器人大講堂