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　　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，使得手部精細運動技能精準康復(fù)仍極具挑戰(zhàn)。
 

　　針對以上挑戰(zhàn)，研究人員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。進一步，提出了多模態(tài)精細動作康復(fù)訓(xùn)練方法，從而實現(xiàn)手功能障礙患者便攜、精準和安全的康復(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)手套機器人在精細運動康復(fù)以及生活輔助等方面的優(yōu)勢。
 

圖1.柔性康復(fù)手套機器人系統(tǒng)設(shè)計
 

　　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(圖1)，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，開展柔性指套的構(gòu)型優(yōu)化分析；進一步，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。
 

圖2.手部精細動作運動規(guī)劃與康復(fù)訓(xùn)練
 

　　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動作和組合動作的仿生運動機理，作者提出了精細動作康復(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動作運動，實現(xiàn)了患者手指精細運動的多模式康復(fù)訓(xùn)練(圖2)。
 

圖3.柔性康復(fù)手套機器人的多場景應(yīng)用與生活輔助功能
 

　　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(圖3)。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。
 

　　工程科學(xué)學(xué)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(xué)學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)許旻副教授，澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授等。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院(安徽省立醫(yī)院)康復(fù)醫(yī)學(xué)科吳鳴技師長和安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院小兒神經(jīng)康復(fù)中心許曉燕副主任醫(yī)師分別在手功能臨床實驗和精細動作技能康復(fù)方面提供了專業(yè)指導(dǎo)，該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學(xué)基金及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金的支持。
 

　　近年來，由中國科大工程科學(xué)學(xué)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(fù)手套機器人的精細運動控制奠定了良好基礎(chǔ)。團隊首先針對基于SMA彈簧的柔性臂模塊進行運動學(xué)建模，結(jié)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。成果以"Design and Implementation of a Soft Robotic Arm Driven by SMA Coils"為題發(fā)表在IEEE Transactions on Industrial Electronics。接著，團隊對更輕的SMA絲驅(qū)動的薄片驅(qū)動器進行研究，通過SMA本構(gòu)方程的線性簡化建模及模型反饋控制，實現(xiàn)了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(yīng)用瓶頸。成果分別以"Modeling and Motion Control of a Soft SMA Planar Actuator"為題發(fā)表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics和以"ShapeandForceSensingof a Soft SMA Planar Actuator for Soft Robots"為題發(fā)表在2021 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (Finalist of Best Student Paper Award)。(工程科學(xué)學(xué)院、科研部)