導 語
近日，馬德里卡洛斯三世大學研究團隊開發(fā)了一種便攜、舒適并保持剛性外骨骼性能的手部外骨骼，能夠根據(jù)手功能障礙患者的運動意圖單獨伸展和彎曲每個手指，為未來低成本、高效率的機器人療法提供了積極的啟示。相關研究成果已發(fā)表在《IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS》。
1、研究背景
外骨骼可以用于恢復患者的不同關節(jié)，但是由于人手的復雜性和靈巧性，手外骨骼是最難實現(xiàn)的。人手有許多自由度，在日常生活活動（ADL）期間，手部運動非常復雜。軟機器人技術的幾項研究使用人造肌肉纖維來復制人體肌肉的性能，其中形狀記憶合金（SMA）被用作人造肌肉纖維，這種生物啟發(fā)的執(zhí)行器被用來獨立地移動每個手指或移動整個手，具有應用于手部運動康復外骨骼的潛力。
2、研究概述
基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機械運動和電活動。
在專注于中風、腦癱、肌肉萎縮癥或創(chuàng)傷性腦損傷等不同疾病后的上肢康復中，通過布線實現(xiàn)人工肌腱的正確張力是最終肌腱布線的關鍵問題，尤其是在伸展運動期間，其肌腱路由被修改。該研究通過試錯法確定肌腱布線方案，同時在測試過程中評估了拇指對立運動，以正確完成整個運動。最終的肌腱布線方案如圖1所示。
圖1：肌腱布線
（圖片來自原文）
該研究開發(fā)的基于SMA的執(zhí)行器結構由SMA導線、聚四氟乙烯（PTFE）管和Bowden線組成。SMA線插入PTFE管中，然后，將帶有PTFE管的電線放入Bowden電纜中，為執(zhí)行器提供靈活性。導線的一側用端子單元固定，而另一側則未連接。因此，Bowden線能夠傳輸 SMA線的運動。因此，產(chǎn)生了所需的位移。基于SMA的執(zhí)行器和原理圖組裝概念如圖2所示。
圖2：SMA執(zhí)行器機構
（圖片來自原文）
為了計算致動器長度，需要計算外手套肌腱的最大位移。實驗發(fā)現(xiàn)，根據(jù)建議的路線，成年男性肌腱的位移約為80毫米，肌腱的位移取決于手套的大小和患者的手部尺寸。考慮到基于SMA的致動器產(chǎn)生其總長度4%的位移，致動器需要至少2m長才能為成年男性產(chǎn)生80mm的位移。這個長度過大，因此，先前開發(fā)了一種基于機械解決方案的位移乘法器，每個執(zhí)行器中都有一個皮帶輪，如圖3所示。它復制了運動，使肌腱線長為1 m。由于執(zhí)行器的柔性特性，它可以采取人體形狀，適應上肢。
圖3：傳感盒和表示在導軌內(nèi)移動的圓柱塊
（圖片來自原文）
該研究建造了一個帶有人工手的人造手臂來模擬身高175厘米人類上肢，臂的長度是其身高的14.6%，因此為25.5厘米。手的長度是其高度的10.8%，因此它是18.9厘米。這只手設計有靈活的部件，以模仿人類的動作。所有指關節(jié)均在3D打印機中用柔性塑料制成。手指可以像人的手一樣實現(xiàn)完整的運動范圍，包括拇指的對立。這種運動對ADL很重要。如圖4所示，在測試臺上進行了簡單手勢，如握拳、張手和捏合測試，以評估外手套的運動范圍。
圖4：外骨骼任務測試
（圖片來自原文）
3、研究意義
這項工作的主要貢獻是開發(fā)了一個外骨骼手套，它可以產(chǎn)生拇指對指，這是能夠實現(xiàn)抓握和抓住物體的重要運動。另一方面，患者需要恢復運動能力來進行日常生活活動。出于這個原因，它選擇了一些手勢來抓住日常用品，如刀或螺絲刀。拿刀需要更多的靈活性，因為它需要中指和拇指的運動來支撐刀，需要食指向刀刃上施加力。這一工作的另一個貢獻是手套也可以驅動手指的屈曲運動和伸展運動。這些動作對于實現(xiàn)像球體一樣的完全抓握和握持是很重要的。后期將在手套上放置傳感器來測量手的真實位置，至少實現(xiàn)估計手的真實位置，之后，外骨骼手套在真正的病人身上進行驗證。這些治療將包括重復的握拳、張手和捏合，以進行一個完整的康復治療。
參考文獻：Serrano D, Copaci D, Arias J, et al. SMA-Based Soft Exo-Glove[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2023. DOI：10.1109/LRA.2023.3295994
