天博中国科大在手功能精细运动康复机器人方向获重要进展—新闻—科学网 来源：天博企业 发表时间: 2024-05-14

近日，中国科学技能年夜学张世武传授、金虎副传授与王柳特任传授基在手指皮肤非匀称形变机制以及手部邃密动作痊愈运念头制，以高功重比外形影象合金（SMA）弹簧为驱动，提出了一种具有邃密动作练习的便携式柔性痊愈手套呆板人，无望办事全世界数万万手功效障碍患者的邃密动作痊愈与一样平常糊口辅助。相干结果以 "A soft-packaged and portable rehabilitation glove capable of closed-loop fine motor skills" 为题的研究长文，10月5日于线揭晓在国际学术期刊《天然 呆板智能》(Nature Machine Intelligence)。

全世界手功效障碍患者群体日趋重大，仅因脑卒中每一年新增近万万人。因为指间协调性、肌张力等异样，患者掉去手部邃密动作技术。反复与连续的手部运动练习可刺激年夜脑皮层与神经元，到达手功效痊愈目的。柔性痊愈手套具备轻质本体、和婉运动等上风，可冲破传统刚性手套保险冗余度低等错误谬误。但因为和婉本体易发生年夜形变倒霉在运动感知、和多传感及驱动集成极易使手套繁冗倒霉在便携化等缘故原由，现有柔性痊愈手套大都仅能实现基在开环节制的痊愈运动，使到手部邃密运动技术精准痊愈仍极具应战。

针对于以上应战，研究职员综合手指皮肤褶皱布局的仿生道理以及霍尔传感机制，立异性设计了集和婉运动与切确感知一体的仿生指套布局，并据此提出了交融传感体系、外形影象合金（SMA）驱动与智能节制体系、供能与热控体系以及人机交互体系的柔性痊愈手套集成化设计要领。患上益在SMA高功重比以及集成化设计，柔性痊愈手套呆板人自重仅490克，且具有自力事情威力。进一步，提出了多模态邃密动作痊愈练习要领，从而实现手功效障碍患者便携、精准以及保险的痊愈练习。临床实验开端验证了该便携式、低成本柔性痊愈手套呆板人于邃密运动痊愈和糊口辅助等方面的上风。

图1.柔性痊愈手套呆板人体系设计

柔性痊愈手套呆板人的驱动体系接纳了类肌肉-肌腱的仿生布局设计（图1），以高功重比外形影象合金（SMA)弹簧为驱动，后置在手臂组件中，哄骗具有多级力放年夜的绳子机构将SMA驱动形变传动至指套布局处，动员手指实现弯曲/舒展运动；�첩同时于手臂设计了用在SMA冷却的可控风道体系，提高了SMA指套的驱动频次；从而使SMA驱动的位移、力以及驱动频次的顺应在手功效痊愈需求。此外，经由过程模拟手指违部褶皱皮肤，提出了一种非匀称刚度柔性指套的仿生设计要领，并以和婉仿生运动为优化方针，开展柔性指套的构型优化阐发；进一步，设计基在霍尔传感元件的枢纽关头传感体系，经由过程与柔性指套的非匀称刚度布局适配，降低了指套运动对于传感体系的滋扰，实现不变、切确的手指状况感知。

图2.手部邃密动作运动计划与痊愈练习

人手可以经由过程履行单一动作或者其组合实现繁杂操作。糊口中90%的手部一样平常邃密动作来历在拇指对于指、指尖对于指、三指捏、圆柱握、侧捏、握拳等六种单一动作及其组合。经由过程研究上述六种单一邃密动作以及组合动作的仿生运念头理，作者提出了邃密动作痊愈计谋及运动计划要领。哄骗所设计的指套感知体系切确获取手指运动状况，接纳闭环反馈节制算法，实现了SMA指套的切确运动节制以及邃密动作运动，实现了患者手指邃密运动的多模式痊愈练习（图2）。

图3.柔性痊愈手套呆板人的多场景运用与糊口辅助功效

柔性痊愈手套呆板人的轻质与高集成设计使其具备极高的便携性，使患上患者的手功效痊愈练习离开病院等固定痊愈场合，实现了如家庭、公园、办公室等场景的痊愈练习（图3）。因为外形影象合金（SMA）驱动不会像流体驱动、机电驱动等孕育发生乐音，研究职员也验证了其于低噪声情况中的使用可行性，如藏书楼等。此外，临床试验注解患者经由过程人机交互界面输入指望动作，柔性痊愈手套可以或许辅助患者完成如梳头、刷牙、拆吃零食、喝药、写字等繁杂使命；经由过程将患者的痊愈练习与一样平常糊口需求相联合，实现邃密动作技术痊愈与辅助患者糊口的交融，年夜年夜拓展了柔性痊愈手套呆板人的运用场景。

项目科学学院周详机械与周详仪器系玻士生随梦理、欧阳一鸣，金虎副传授为论文第一作者。项目科学学院金虎副传授、王柳特任传授以及张世武传授为论文通信作者。论文的互助者还包孕中国科学技能年夜学许旻副传授，Australia伍伦贡年夜学李卫华传授等。中国科学技能年夜学从属第一病院（安徽省立病院）痊愈医学科吴鸣技师长以及安徽医科年夜学第一从属病院小儿神经痊愈中央许晓燕副主任医师别离于手功效临床试验以及邃密动作技术痊愈方面提供了专业引导，该项研究事情获得了国度天然科学基金、安徽省重点研发规划、安徽省天然科学基金及中心高校基本科研营业专项资金的撑持。

最近几年来，由中国科年夜项目科学学院呆板人与智能设备研究所团队于外形影象合金（SMA）驱动器的切确节制方面开展深切研究，取患了系列进展，为痊愈手套呆板人的邃密运动节制奠基了精良根蒂根基。团队起首针对于基在SMA弹簧的柔性臂模块举行运动学建模，联合霍尔传感以及PID要领，实现了SMA柔性臂模块的阶梯弯曲运动和空间三维切确位置节制。结果以"Design and Implementation of a Soft Robotic Arm Driven by SMA Coils"为题揭晓于IEEE Transactions on Industrial Electronics。接着，团队对于更轻的SMA丝驱动的薄片驱动器举行研究，经由过程SMA本构方程的线性简化建模及模子反馈节制，实现了SMA薄片驱动器的位置以及速率节制，冲破了SMA软体呆板人运用瓶颈。结果别离以"Modeling and Motion Control of a Soft SMA Planar Actuator"为题揭晓于IEEE/ASME Transactions on Mechatronics以及以"ShapeandForceSensingof a Soft SMA Planar Actuator for Soft Robots"为题揭晓于2021 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (Finalist of Best Student Paper Award)。

论文链接：

NatureMachineIntelligence论文：

https://www.nature.com/articles/s42256-023-00728-z

IEEE Transactions on Industrial Electronics论文

https://ieeexplore.ieee.org/document/8478187

IEEE/ASME Transactions on Mechatronics论文：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9411719

IEEERobio2021论文

https://ieeexplore.ieee.org/document/9739439

（项目科学学院、科研部）

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