柔性康復(fù)手套機器人，實現(xiàn)手功能精細(xì)運動

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)動作技能。重復(fù)與持續(xù)的手部運動訓(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、柔順運動等優(yōu)勢，可突破傳統(tǒng)剛性手套安全冗余度低等缺點。但由于柔順本體易發(fā)生大形變不利于運動感知、以及多傳感及驅(qū)動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)僅能實現(xiàn)基于開環(huán)控制的康復(fù)運動，使得手部精細(xì)運動技能精康復(fù)仍極具挑戰(zhàn)。

該研究基于手指皮膚非均勻形變機制和手部精細(xì)動作康復(fù)運動機制，以高功重比形狀記憶合金（SMA）彈簧為驅(qū)動，提出了一種具備精細(xì)動作訓(xùn)練的便攜式柔性康復(fù)手套機器人，有望服務(wù)全球數(shù)千萬手功能障礙患者的精細(xì)動作康復(fù)與日常生活輔助。

在這項研究中，研究團(tuán)隊綜合手指皮膚褶皺結(jié)構(gòu)的仿生原理和霍爾傳感機制，創(chuàng)新性設(shè)計了集柔順運動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(fù)手套集成化設(shè)計方法。

得益于SMA高功重比和集成化設(shè)計，柔性康復(fù)手套機器人自重僅490克，且具備獨立工作能力。進(jìn)一步，提出了多模態(tài)精細(xì)動作康復(fù)訓(xùn)練方法，從而實現(xiàn)手功能障礙患者便攜、精和安全的康復(fù)訓(xùn)練。臨床試驗初步驗證了該便攜式、低成本柔性康復(fù)手套機器人在精細(xì)運動康復(fù)以及生活輔助等方面的優(yōu)勢。

柔性康復(fù)手套機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用了類肌肉-肌腱的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，以高功重比形狀記憶合金（SMA）彈簧為驅(qū)動，后置于手臂組件中，利用具備多級力放大的繩索機構(gòu)將SMA驅(qū)動形變傳動至指套結(jié)構(gòu)處，帶動手指實現(xiàn)彎曲/伸展運動；同時在手臂設(shè)計了用于SMA冷卻的可控風(fēng)道系統(tǒng)，提高了SMA指套的驅(qū)動頻率；從而使SMA驅(qū)動的位移、力和驅(qū)動頻率的適應(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)計方法，并以柔順仿生運動為優(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。

人手可以通過執(zhí)行單一動作或其組合實現(xiàn)復(fù)雜操作。生活中90%的手部日常精細(xì)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。通過研究上述六種單一精細(xì)動作和組合動作的仿生運動機理，作者提出了精細(xì)動作康復(fù)策略及運動規(guī)劃方法。利用所設(shè)計的指套感知系統(tǒng)精確獲取手指運動狀態(tài)，采用閉環(huán)反饋控制算法，實現(xiàn)了SMA指套的精確運動控制和精細(xì)動作運動，實現(xiàn)了患者手指精細(xì)運動的多模式康復(fù)訓(xùn)練。

柔性康復(fù)手套機器人的輕質(zhì)與高集成設(shè)計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)場所，實現(xiàn)了如家庭、公園、辦公室等場景的康復(fù)訓(xùn)練。由于形狀記憶合金（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)境中的使用可行性，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(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，實現(xiàn)精細(xì)動作技能康復(fù)與輔助患者生活的融合，大大拓展了柔性康復(fù)手套機器人的應(yīng)用場景。

近年來，中國科大工程科學(xué)學(xué)院機器人與智能裝備研究所團(tuán)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(jìn)展，為康復(fù)手套機器人的精細(xì)運動控制奠定了良好基礎(chǔ)。