据了解，近期，中国科大张世武教授、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。

近年来，中国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。

可独立工作，自重仅490克

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、柔顺运动等优势，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实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，创新性设计了集柔顺运动与精确感知于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设计方法。

得益于SMA高功重比和集成化设计，柔性康复手套机器人自重仅490克，且具备独立工作能力。研究人员进一步提出多模态精细动作康复训练方法，从而实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优势。

该康复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 soft-packaged and portable rehabilitation glove capable of closed-loop fine motor skills" 为题的研究长文，10月5日在线发表于国际学术期刊《自然·机器智能》(Nature Machine Intelligence)。

手功能精细运作，如何实现？

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，创新性设计了集柔顺运动与精确感知一体的仿生指套结构，并据此开发了融合传感系统、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。该机器人的驱动系统采用了类肌肉-肌腱的仿生结构设计，同时设计了用于SMA冷却的可控风道系统，提高了SMA指套的驱动频率，使得SMA驱动的位移、力和驱动频率适用于手功能康复需求。

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设计方法，并设计了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，大大降低了指套运动对传感系统的干扰，实现稳定、精确的手指状态感知。采用闭环反馈控制算法，获取SMA指套的精确运动控制和精细动作运动，从而实现了患者手指精细运动的多模式康复训练。

研究人员首先在健康志愿者手上测试康复手套机器人的性能，并通过肌电信号表明志愿者零用力，确保测试实验的可靠性。结果显示，柔性康复手套机器人能够精确控制手指完成期望动作。同时，研究人员在脑卒中患者手上进行柔性康复手套机器人临床实验，通过无佩戴手套与佩戴手套的动作对比，验证康复手套机器人可辅助手功能障碍患者实现手部精细动作输出，开展精细动作技能康复。

由于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的使用可行性，如图书馆等。此外，临床实验表明患者通过人机交互界面输入期望动作，柔性康复手套机器人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，实现精细动作技能康复与辅助患者生活的融合，极大拓展和提升了柔性康复手套机器人的应用场景和康复效果。

柔性康复手套机器人的轻质与高集成设计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，实现了如家庭、公园、办公室等场景的康复训练。

突破瓶颈，登《自然·机器智能》

柔性康复手套机器人，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，临床实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，实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，金虎副教授为论文第一作者。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中国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。中国科学技术大学附属第一医院(安徽省立医院)康复医学科吴鸣技师长和安徽医科大学第一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实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国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金及中央高校基本科研业务专项资金的支持。

近年来，由中国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，实现了SMA柔性臂模块的阶梯弯曲运动以及空间三维精确位置控制。

成果以“Design and Implementation of a Soft Robotic Arm Driven by SMA Coils”为题发表在IEEE Transactions on Industrial Electronics。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，实现了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“Modeling and Motion Control of a Soft SMA Planar Actuator”为题发表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics和以“ShapeandForceSensingof a Soft SMA Planar Actuator for Soft Robots”为题发表在2021 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (Finalist of Best Student Paper Award)。

文章来源： 中国科学技术大学，合肥日报，机器人大讲堂