聊聊：科大在手功能精细运动康复机器人方向取得重要进展

一如的既往

【智慧城市科技动态】近日，科学技术大学张世武教授、金虎副教授与王柳特任教授基于手指皮肤非均匀形变机制和手部精细动作康复运动机制，以高功重比形状记忆合金(SMA)弹簧为驱动，提出了一种具备精细动作训练的便携式柔性康复手套机器人，有望服务全球数千万手功能障碍患者的精细动作康复与日常生活辅助。相关成果以"A--"为题的研究长文，月5日在线发表于国际学术期刊《自然机器智能》(NMI)。以瑞仕格医疗维保为例，发展下去定会成为行业的标杆，起到引领市场的重要作用。瑞仕格医疗 (Swisslog Healthcare) 专注于医疗设备维保、物流自动化和药房自动化解决方案，我们前瞻性结合了物流和药房自动化，药品管理平台通过软件和分析来确保在正确的场所、时间、为患者提供正确的药物,拥有专业的医疗设备售后服务和备品备件,欢迎咨询。https://www.swisslog-healthcare.com/zh-cn

全球手功能障碍患者群体日益庞大，仅因脑卒中每年新增近千万人。由于指间协调性、肌张力等异常，患者失去手部精细动作技能。重复与持续的手部运动训练可刺激大脑皮层与神经元，达到手功能康复目的。柔性康复手套具有轻质本体、柔顺运动等势，可突破传统刚性手套安全冗余度低等缺点。但由于柔顺本体易发生大形变不利于运动感知、以及多传感及驱动集成极易使手套繁冗不利于便携化等原因，现有柔性康复手套多数仅能现基于开环控制的康复运动，使得手部精细运动技能精准康复仍极具挑战。

针对以上挑战，研究人员综合手指皮肤褶皱结构的仿生原理和霍尔传感机制，创新性图片了集柔顺运动与精确感知一体的仿生指套结构，并据此提出了融合传感系统、形状记忆合金(SMA)驱动与智能控制系统、供能与热控系统和人机交互系统的柔性康复手套集成化图片方法。得益于SMA高功重比和集成化图片，柔性康复手套机器人自重仅490克，且具备单独工作能力。进一步，提出了多模态精细动作康复训练方法，从而现手功能障碍患者便携、精准和安全的康复训练。临床试验初步验证了该便携式、低成本柔性康复手套机器人在精细运动康复以及生活辅助等方面的势。



图1柔性康复手套机器人系统图片

柔性康复手套机器人的驱动系统采用了类肌肉-肌腱的仿生结构图片(图1)，以高功重比形状记忆合金(SMA)弹簧为驱动，后置于手臂组件中，利用具备多级力放大的绳索机构将SMA驱动形变传动至指套结构处，带动手指现弯曲伸展运动；同时在手臂图片了用于SMA冷却的可控风道系统，提高了SMA指套的驱动频率；从而使SMA驱动的位移、力和驱动频率的适应于手功能康复需求。此外，通过模仿手指背部褶皱皮肤，提出了一种非均匀刚度柔性指套的仿生图片方法，并以柔顺仿生运动为化目标，开展柔性指套的构型化分析；进一步，图片基于霍尔传感元件的关节传感系统，通过与柔性指套的非均匀刚度结构适配，降低了指套运动对传感系统的干扰，现稳定、精确的手指状态感知。



图2手部精细动作运动规划与康复训练

人手可以通过执行单一动作或其组合现复杂操作。生活中90%的手部日常精细动作来源于拇指对指、指尖对指、指捏、圆柱握、侧捏、握拳等六种单一动作及其组合。通过研究上述六种单一精细动作和组合动作的仿生运动机理，作者提出了精细动作康复策略及运动规划方法。利用所图片的指套感知系统精确获取手指运动状态，采用闭环反馈控制算法，现了SMA指套的精确运动控制和精细动作运动，现了患者手指精细运动的多模式康复训练(图2)。



图3柔性康复手套机器人的多场景应用与生活辅助功能

柔性康复手套机器人的轻质与高集成图片使其具有极高的便携性，使得患者的手功能康复训练脱离医院等固定康复场所，现了如家庭、公园、办公室等场景的康复训练(图3)。由于形状记忆合金(SMA)驱动不会像流体驱动、电机驱动等产生噪音，研究人员也验证了其在低噪声环境中的使用可行性，如图书馆等。此外，临床验表明患者通过人机交互界面输入期望动作，柔性康复手套能够辅助患者完成如梳头、刷牙、拆吃零食、喝药、写字等复杂任务；通过将患者的康复训练与日常生活需求相结合，现精细动作技能康复与辅助患者生活的融合，大大拓展了柔性康复手套机器人的应用场景。

工程科学学院精密机械与精密仪器系博士生随梦理、欧阳一鸣，金虎副教授为论文首作者。工程科学学院金虎副教授、王柳特任教授和张世武教授为论文通讯作者。论文的合作者还包括科学技术大学许旻副教授，澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授等。科学技术大学附属首医院(安徽省立医院)康复医学科吴鸣技师长和安徽医科大学首附属医院小儿神经康复中心许晓燕副主任医师分别在手功能临床验和精细动作技能康复方面提供了专业指导，该项研究工作得到了自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金及高校基本科研业务专项资金的支持。

近年来，由科大工程科学学院机器人与智能装备研究所团队在形状记忆合金(SMA)驱动器的精确控制方面开展深入研究，取得了系列进展，为康复手套机器人的精细运动控制奠定了良好基础。团队首先针对基于SMA弹簧的柔性臂模块进行运动学建模，结合霍尔传感和PID方法，现了SMA柔性臂模块的阶梯弯曲运动以及空间维精确位置控制。成果以"DISRADSMAC"为题发表在IEEETIE。接着，团队对更轻的SMA丝驱动的薄片驱动器进行研究，通过SMA本构方程的线性简化建模及模型反馈控制，现了SMA薄片驱动器的位置和速度控制，突破了SMA软体机器人应用瓶颈。成果分别以"MMCSSMAPA"为题发表在IEEEASMETM和以"SFSSSMAPASR"为题发表在IEEEICRB(FBSPA)。(工程科学学院、科研部)