據(jù)隋夢(mèng)麗2023 年10 月5 日（Nat Mach Intell，2023 Oct 5.https://doi.org/10.1038/s42256-023-00728-z）報(bào)道，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院機(jī)器人與智能裝備研究所團(tuán)隊(duì)利用形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)器的精確控制研制出功能精細(xì)柔性康復(fù)手套機(jī)器人。

該研究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，有望為手功能障礙患者的精細(xì)動(dòng)作康復(fù)與日常生活輔助服務(wù)。

研究團(tuán)隊(duì)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)、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 g，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)及生活輔助等方面的優(yōu)勢(shì)。

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)，以高功重比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)一步的設(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。

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%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6 種單一動(dòng)作及其組合。 通過研究上述6 種單一精細(xì)動(dòng)作和組合動(dòng)作的仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)制，研究人員提出了精細(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。

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。 由于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，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，臨床試驗(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。