【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院/人形機(jī)器人研究院張世武教授、王柳特任教授、金虎副教授與孫帥帥特任教授成功研發(fā)了一種具備19自由度的輕質(zhì)仿生靈巧手，能夠復(fù)現(xiàn)人手級別的功能，有望服務(wù)全球上千萬上肢截肢患者的手部功能重建與日常生活輔助，并應(yīng)用于人形機(jī)器人靈巧操作。相關(guān)成果1月22日以"A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions"為題在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》。
 

　　人手具備23個自由度，重量僅為人體重量約1/150，但運(yùn)動功能占全身運(yùn)動功能的54%，是體現(xiàn)人類以及人形機(jī)器人工作能力的關(guān)鍵部件。然而，現(xiàn)實中，包括人形機(jī)器人的靈巧手以及全球超過一千萬名上肢截肢患者的假肢手應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)假肢靈巧手通常使用電機(jī)驅(qū)動，功率密度低，難以在自由度與重量之間找到理想平衡：佩戴超過人手重量(0.4千克)的靈巧手會讓患者感到嚴(yán)重不適，而自由度較低(通常少于10個)靈巧手僅能實現(xiàn)有限的抓握動作，遠(yuǎn)不及人手的靈活性。這些限制導(dǎo)致接近一半的假肢靈巧手被患者放棄使用。因此，兼顧高自由度靈巧運(yùn)動和舒適佩戴的設(shè)計方法是假肢靈巧手領(lǐng)域的重要科學(xué)問題之一。
 

　　研究團(tuán)隊以高功重比形狀記憶合金(SMA)為人工肌肉驅(qū)動，仿生設(shè)計了類肌腱傳動系統(tǒng)放大SMA的驅(qū)動力同時減小傳動阻力，基于類肌腱分離傳動特征在手指及手腕內(nèi)嵌入23組傳感單元實現(xiàn)關(guān)節(jié)精確運(yùn)動控制，并集成包含冷卻模塊的38組陣列式SMA驅(qū)動器，實現(xiàn)了假肢靈巧手的19主動自由度運(yùn)動，如圖1所示。得益于仿生設(shè)計方法和高度集成方法，所設(shè)計的假肢靈巧手僅重0.37千克，具備人手級別的靈巧操作能力，可完成諸如梳頭、寫字、握手、遞名片和下棋等日常精細(xì)操作任務(wù)，實現(xiàn)了佩戴舒適性、高自由度和精確可控的兼顧。
 

圖1：基于人手的高自由度輕質(zhì)假肢靈巧手結(jié)構(gòu)
 

　　通過與語音識別技術(shù)結(jié)合，假肢靈巧手具備簡單、友好且低成本的人機(jī)交互能力，支持60種語言和20種方言，具備95%的識別準(zhǔn)確率和毫秒級的響應(yīng)時間，適于在截肢患者中普及。在臨床測試中，一名60歲女性截肢患者僅用半天便熟練掌握該假肢靈巧手的使用，成功完成了多項標(biāo)準(zhǔn)假肢手功能評估實驗中的代表性任務(wù)，包括南安普頓手功能評估程序(SHAP)和沃爾夫運(yùn)動功能測試(WMFT)。值得一提的是，該假肢靈巧手還展現(xiàn)了操作剪刀、使用手機(jī)以及完成復(fù)雜的手語手勢的能力，完美復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)的33種人手抓握動作，還能夠完成6種更高難度的新抓握動作，使用場景豐富(圖2)。該假肢靈巧手具有極強(qiáng)的工程應(yīng)用前景，可為人形機(jī)器人靈巧操作及高性能假肢手研究提供有效的解決方案。
 

圖2：假肢靈巧手的類人手勢、抓握、操作功能及患者實驗展示
 

　　工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系特任副研究員楊浩、博士生陶哲，安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院教授楊健為論文第一作者。工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系張世武教授、孫帥帥特任教授、金虎副教授和近代力學(xué)系王柳特任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，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，該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金及安徽科技創(chuàng)新攻堅計劃重大項目支持。