中國科大在手功能精細(xì)運動康復(fù)機器人方向取得重要進展

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授、金虎副教授與王柳特任教授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。相關(guān)成果以 "A soft-packaged and portable rehabilitation glove capable of closed-loop fine motor skills" 為題的研究長文，10月5日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·機器智能》(Nature Machine Intelligence)。
 

　　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)運動技能精準(zhǔn)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(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、精準(zhǔn)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。
 

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(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(xì)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(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(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(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。
 

　　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(xì)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)基金及中央高校基本科研業(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(xì)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)