近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授、金虎副教授與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(dòng)作康復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)制，以高功重比形狀記憶合金(SMA)彈簧為驅(qū)動(dòng)，提出了一種具備精細(xì)動(dòng)作訓(xùn)練的便攜式柔性康復(fù)手套機(jī)器人，有望服務(wù)全球數(shù)千萬手功能障礙患者的精細(xì)動(dòng)作康復(fù)與日常生活輔助。相關(guān)成果以 "A soft-packaged and portable rehabilitation glove capable of closed-loop fine motor skills" 為題的研究長(zhǎng)文，10月5日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·機(jī)器智能》(Nature Machine Intelligence)。
 

　　全球手功能障礙患者群體日益龐大，僅因腦卒中每年新增近千萬人。由于指間協(xié)調(diào)性、肌張力等異常，患者失去手部精細(xì)動(dòng)作技能。重復(fù)與持續(xù)的手部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可刺激大腦皮層與神經(jīng)元，達(dá)到手功能康復(fù)目的。柔性康復(fù)手套具有輕質(zhì)本體、柔順運(yùn)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，可突破傳統(tǒng)剛性手套安全冗余度低等缺點(diǎn)。但由于柔順本體易發(fā)生大形變不利于運(yùn)動(dòng)感知、以及多傳感及驅(qū)動(dòng)集成極易使手套繁冗不利于便攜化等原因，現(xiàn)有柔性康復(fù)手套多數(shù)僅能實(shí)現(xiàn)基于開環(huán)控制的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得手部精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能精準(zhǔn)康復(fù)仍極具挑戰(zhàn)。
 

　　針對(duì)以上挑戰(zhàn)，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(dòng)與精確感知一體的仿生指套結(jié)構(gòu)，并據(jù)此提出了融合傳感系統(tǒng)、形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)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)手套集成化設(shè)計(jì)方法。得益于SMA高功重比和集成化設(shè)計(jì)，柔性康復(fù)手套機(jī)器人自重僅490克，且具備獨(dú)立工作能力。進(jìn)一步，提出了多模態(tài)精細(xì)動(dòng)作康復(fù)訓(xùn)練方法，從而實(shí)現(xiàn)手功能障礙患者便攜、精準(zhǔn)和安全的康復(fù)訓(xùn)練。臨床試驗(yàn)初步驗(yàn)證了該便攜式、低成本柔性康復(fù)手套機(jī)器人在精細(xì)運(yùn)動(dòng)康復(fù)以及生活輔助等方面的優(yōu)勢(shì)。
 

圖1.柔性康復(fù)手套機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 

　　柔性康復(fù)手套機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了類肌肉-肌腱的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖1)，以高功重比形狀記憶合金(SMA)彈簧為驅(qū)動(dòng)，后置于手臂組件中，利用具備多級(jí)力放大的繩索機(jī)構(gòu)將SMA驅(qū)動(dòng)形變傳動(dòng)至指套結(jié)構(gòu)處，帶動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)；同時(shí)在手臂設(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(dòng)頻率；從而使SMA驅(qū)動(dòng)的位移、力和驅(qū)動(dòng)頻率的適應(yīng)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，并以柔順仿生運(yùn)動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，開展柔性指套的構(gòu)型優(yōu)化分析；進(jìn)一步，設(shè)計(jì)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，降低了指套運(yùn)動(dòng)對(duì)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。
 

圖2.手部精細(xì)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與康復(fù)訓(xùn)練
 

　　人手可以通過執(zhí)行單一動(dòng)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(dòng)作來源于拇指對(duì)指、指尖對(duì)指、三指捏、圓柱握、側(cè)捏、握拳等六種單一動(dòng)作及其組合。通過研究上述六種單一精細(xì)動(dòng)作和組合動(dòng)作的仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)理，作者提出了精細(xì)動(dòng)作康復(fù)策略及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。利用所設(shè)計(jì)的指套感知系統(tǒng)精確獲取手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用閉環(huán)反饋控制算法，實(shí)現(xiàn)了SMA指套的精確運(yùn)動(dòng)控制和精細(xì)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了患者手指精細(xì)運(yùn)動(dòng)的多模式康復(fù)訓(xùn)練(圖2)。
 

圖3.柔性康復(fù)手套機(jī)器人的多場(chǎng)景應(yīng)用與生活輔助功能
 

　　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(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)了如家庭、公園、辦公室等場(chǎng)景的康復(fù)訓(xùn)練(圖3)。由于形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)不會(huì)像流體驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等產(chǎn)生噪音，研究人員也驗(yàn)證了其在低噪聲環(huán)境中的使用可行性，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(dòng)作，柔性康復(fù)手套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(dòng)作技能康復(fù)與輔助患者生活的融合，大大拓展了柔性康復(fù)手套機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景。
 

　　工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系博士生隨夢(mèng)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(guó)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。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院(安徽省立醫(yī)院)康復(fù)醫(yī)學(xué)科吳鳴技師長(zhǎng)和安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院小兒神經(jīng)康復(fù)中心許曉燕副主任醫(yī)師分別在手功能臨床實(shí)驗(yàn)和精細(xì)動(dòng)作技能康復(fù)方面提供了專業(yè)指導(dǎo)，該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)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)基金及中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金的支持。
 

　　近年來，由中國(guó)科大工程科學(xué)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(dòng)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(dòng)控制奠定了良好基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)首先針對(duì)基于SMA彈簧的柔性臂模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)以及空間三維精確位置控制。成果以"Design and Implementation of a Soft Robotic Arm Driven by SMA Coils"為題發(fā)表在IEEE Transactions on Industrial Electronics。接著，團(tuán)隊(duì)對(duì)更輕的SMA絲驅(qū)動(dòng)的薄片驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行研究，通過SMA本構(gòu)方程的線性簡(jiǎn)化建模及模型反饋控制，實(shí)現(xiàn)了SMA薄片驅(qū)動(dòng)器的位置和速度控制，突破了SMA軟體機(jī)器人應(yīng)用瓶頸。成果分別以"Modeling and Motion Control of a Soft SMA Planar Actuator"為題發(fā)表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics和以"ShapeandForceSensingof a Soft SMA Planar Actuator for Soft Robots"為題發(fā)表在2021 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (Finalist of Best Student Paper Award)。(工程科學(xué)學(xué)院、科研部)