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

手功能障礙患者的福音來了！

中國科學技術大學張世武教授、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作康復運動機理，研制了一種具備精細動作訓練的低成本便攜式柔性康復手套機器人，系統(tǒng)僅重490克，有望服務全球數(shù)千萬手功能障礙患者的精細動作康復與日常生活輔助。

10月5日，相關成果以研究長文在線發(fā)表于國際學術期刊《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與精確感知一體的仿生指套結構，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)和人機交互系統(tǒng)的柔性康復手套。

該機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用了類肌肉-肌腱的仿生結構設計，同時設計了用于SMA冷卻的可控風道系統(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計方法，并設計了基于霍爾傳感元件的關節(jié)傳感系統(tǒng)，通過與柔性指套的非均勻剛度結構適配，大大降低了指套運動對傳感系統(tǒng)的干擾，實現(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指套的精確運動控制和精細動作運動，從而實現(xiàn)了患者手指精細運動的多模式康復訓練。

▍視頻1:柔性康復手套機器人期望動作驗證

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，并通過肌電信號表明志愿者零用力，確保測試實驗的可靠性。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

人手可以通過執(zhí)行單一動作或其組合實現(xiàn)復雜操作。生活中90%的手部日常精細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。

恢復手部運動功能障礙患者的精細運動能力是康復的最終目的，研究人員在腦卒中患者手上進行柔性康復手套機器人臨床實驗，通過無佩戴手套與佩戴手套的動作對比，驗證康復手套機器人可輔助手功能障礙患者實現(xiàn)手部精細動作輸出，開展精細動作技能康復（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(yī)院等固定康復場所，實現(xiàn)了如家庭、公園、辦公室等場景的康復訓練。

由于SMA驅(qū)動不會像流體驅(qū)動、電機驅(qū)動等產(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，如圖書館等。此外，臨床實驗表明患者通過人機交互界面輸入期望動作，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、寫字等復雜任務；通過將患者的康復訓練與日常生活需求相結合，實現(xiàn)精細動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景和康復效果。(視頻3)。

工程科學學院精密機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。工程科學學院金虎副教授、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技術大學許旻副教授，澳大利亞伍倫貢大學李衛(wèi)華教授等。該項研究工作得到了國家自然科學基金、安徽省重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學基金及中央高校基本科研業(yè)務專項資金的支持。

近年來，中國科大工程學院機器人與智能裝備研究所團隊在形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動器的精確控制方面開展深入研究，取得了系列進展，為康復手套機器人的精細運動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行運動學建模，結合霍爾傳感和PID方法，實現(xiàn)了SMA柔性臂模塊的階梯彎曲運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，團隊通過SMA本構方程的線性簡化建模及模型反饋控制，實現(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軟體臂空間運動位置控制

▍視頻5:SMA薄板驅(qū)動器負載下精確速度控制

來源：機器人大講堂