中科大便攜式柔性康復手套機器人登Nature子刊！可實(shí)現手部精細動(dòng)作康復

手功能障礙患者的福音來(lái)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制和手部精細動(dòng)作康復運動(dòng)機理，研制了一種具備精細動(dòng)作訓練的低成本便攜式柔性康復手套機器人，系統僅重490克，有望服務(wù)全球數千萬(wàn)手功能障礙患者的精細動(dòng)作康復與日常生活輔助。

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

柔性康復手套機器人

研究人員綜合手指皮膚褶皺結構的仿生原理和霍爾傳感機制，創(chuàng )新性設計了集柔順運動(dòng)與精確感知一體的仿生指套結構，并據此開(kāi)發(fā)了融合傳感系統、形狀記憶合金（SMA）驅動(dòng)與智能控制系統、供能與熱控系統和人機交互系統的柔性康復手套。

該機器人的驅動(dòng)系統采用了類(lèi)肌肉-肌腱的仿生結構設計，同時(shí)設計了用于SMA冷卻的可控風(fēng)道系統，提高了SMA指套的驅動(dòng)頻率，使得SMA驅動(dòng)的位移、力和驅動(dòng)頻率適用于手功能康復需求。

此外，通過(guò)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計方法，并設計了基于霍爾傳感元件的關(guān)節傳感系統，通過(guò)與柔性指套的非均勻剛度結構適配，大大降低了指套運動(dòng)對傳感系統的干擾，實(shí)現穩定、精確的手指狀態(tài)感知。

采用閉環(huán)反饋控制算法，獲取SMA指套的精確運動(dòng)控制和精細動(dòng)作運動(dòng)，從而實(shí)現了患者手指精細運動(dòng)的多模式康復訓練。

▍視頻1:柔性康復手套機器人期望動(dòng)作驗證

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

▍視頻2:柔性康復手套機器人臨床測試

人手可以通過(guò)執行單一動(dòng)作或其組合實(shí)現復雜操作。生活中90%的手部日常精細動(dòng)作來(lái)源于拇指對指、指尖對指、三指捏、圓柱握、側捏、握拳等六種單一動(dòng)作及其組合。

恢復手部運動(dòng)功能障礙患者的精細運動(dòng)能力是康復的最終目的，研究人員在腦卒中患者手上進(jìn)行柔性康復手套機器人臨床實(shí)驗，通過(guò)無(wú)佩戴手套與佩戴手套的動(dòng)作對比，驗證康復手套機器人可輔助手功能障礙患者實(shí)現手部精細動(dòng)作輸出，開(kāi)展精細動(dòng)作技能康復（視頻2）。

▍視頻3:柔性康復手套機器人日常生活輔助

柔性康復手套機器人的輕質(zhì)與高集成設計使其具有極高的便攜性，使得患者的手功能康復訓練脫離醫院等固定康復場(chǎng)所，實(shí)現了如家庭、公園、辦公室等場(chǎng)景的康復訓練。

由于SMA驅動(dòng)不會(huì )像流體驅動(dòng)、電機驅動(dòng)等產(chǎn)生噪音，研究人員也驗證了其在低噪聲環(huán)境的使用可行性，如圖書(shū)館等。此外，臨床實(shí)驗表明患者通過(guò)人機交互界面輸入期望動(dòng)作，柔性康復手套機器人能夠輔助患者完成如梳頭、刷牙、拆吃零食、喝藥、寫(xiě)字等復雜任務(wù)；通過(guò)將患者的康復訓練與日常生活需求相結合，實(shí)現精細動(dòng)作技能康復與輔助患者生活的融合，極大拓展和提升了柔性康復手套機器人的應用場(chǎng)景和康復效果。(視頻3)。

工程科學(xué)學(xué)院精密機械與精密儀器系博士生隨夢(mèng)理、歐陽(yáng)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)李衛華教授等。該項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)計劃、安徽省自然科學(xué)基金及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專(zhuān)項資金的支持。

近年來(lái)，中國科大工程學(xué)院機器人與智能裝備研究所團隊在形狀記憶合金（SMA）驅動(dòng)器的精確控制方面開(kāi)展深入研究，取得了系列進(jìn)展，為康復手套機器人的精細運動(dòng)控制奠定了良好基礎。

團隊首先針對基于SMA彈簧的柔性臂模塊進(jìn)行運動(dòng)學(xué)建模，結合霍爾傳感和PID方法，實(shí)現了SMA柔性臂模塊的階梯彎曲運動(dòng)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(zhù)，團隊通過(guò)SMA本構方程的線(xiàn)性簡(jiǎn)化建模及模型反饋控制，實(shí)現了更加輕便的SMA薄片驅動(dòng)器的位置和速度控制，突破了SMA軟體機器人應用瓶頸（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軟體臂空間運動(dòng)位置控制

▍視頻5:SMA薄板驅動(dòng)器負載下精確速度控制

來(lái)源：機器人大講堂