【儀表網 研發(fā)快訊】近日，中國科學技術大學工程科學學院/人形機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自由度的輕質仿生靈巧手，能夠復現(xiàn)人手級別的功能，有望服務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，并應用于人形機器人靈巧操作。相關成果1月22日以"A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions"為題在線發(fā)表于國際學術期刊《Nature Communications》。
人手具備23個自由度，重量僅為人體重量約1/150，但運動功能占全身運動功能的54%，是體現(xiàn)人類以及人形機器人工作能力的關鍵部件。然而，現(xiàn)實中，包括人形機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用面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)假肢靈巧手通常使用電機驅動，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，遠不及人手的靈活性。這些限制導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動和舒適佩戴的設計方法是假肢靈巧手領域的重要科學問題之一。
研究團隊以高功重比形狀記憶合金(SMA)為人工肌肉驅動，仿生設計了類肌腱傳動系統(tǒng)放大SMA的驅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嵌入23組傳感單元實現(xiàn)關節(jié)精確運動控制，并集成包含冷卻模塊的38組陣列式SMA驅動器，實現(xiàn)了假肢靈巧手的19主動自由度運動，如圖1所示。得益于仿生設計方法和高度集成方法，所設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操作任務，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假肢靈巧手結構
通過與語音識別技術結合，假肢靈巧手具備簡單、友好且低成本的人機交互能力，支持60種語言和20種方言，具備95%的識別準確率和毫秒級的響應時間，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，成功完成了多項標準假肢手功能評估實驗中的代表性任務，包括南安普頓手功能評估程序(SHAP)和沃爾夫運動功能測試(WMFT)。值得一提的是，該假肢靈巧手還展現(xiàn)了操作剪刀、使用手機以及完成復雜的手語手勢的能力，完美復現(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的工程應用前景，可為人形機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
工程科學學院精密機械與精密儀器系特任副研究員楊浩、博士生陶哲，安徽大學電氣工程與自動化學院教授楊健為論文第一作者。工程科學學院精密機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技術大學許旻副教授，澳大利亞伍倫貢大學李衛(wèi)華教授，中國科學技術大學附屬第一醫(yī)院(安徽省立醫(yī)院)康復醫(yī)學科吳鳴技師長，該項研究工作得到了國家自然科學基金及安徽科技創(chuàng)新攻堅計劃重大項目支持。
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