导 语
近日，马德里卡洛斯三世大学研究团队开发了一种便携、舒适并保持刚性外骨骼性能的手部外骨骼，能够根据手功能障碍患者的运动意图单独伸展和弯曲每个手指，为未来低成本、高效率的机器人疗法提供了积极的启示。相关研究成果已发表在《IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS》。
1、研究背景
外骨骼可以用于恢复患者的不同关节，但是由于人手的复杂性和灵巧性，手外骨骼是最难实现的。人手有许多自由度，在日常生活活动（ADL）期间，手部运动非常复杂。软机器人技术的几项研究使用人造肌肉纤维来复制人体肌肉的性能，其中形状记忆合金（SMA）被用作人造肌肉纤维，这种生物启发的执行器被用来独立地移动每个手指或移动整个手，具有应用于手部运动康复外骨骼的潜力。
2、研究概述
基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动。
在专注于中风、脑瘫、肌肉萎缩症或创伤性脑损伤等不同疾病后的上肢康复中，通过布线实现人工肌腱的正确张力是最终肌腱布线的关键问题，尤其是在伸展运动期间，其肌腱路由被修改。该研究通过试错法确定肌腱布线方案，同时在测试过程中评估了拇指对立运动，以正确完成整个运动。最终的肌腱布线方案如图1所示。
图1：肌腱布线
（图片来自原文）
该研究开发的基于SMA的执行器结构由SMA导线、聚四氟乙烯（PTFE）管和Bowden线组成。SMA线插入PTFE管中，然后，将带有PTFE管的电线放入Bowden电缆中，为执行器提供灵活性。导线的一侧用端子单元固定，而另一侧则未连接。因此，Bowden线能够传输 SMA线的运动。因此，产生了所需的位移。基于SMA的执行器和原理图组装概念如图2所示。
图2：SMA执行器机构
（图片来自原文）
为了计算致动器长度，需要计算外手套肌腱的最大位移。实验发现，根据建议的路线，成年男性肌腱的位移约为80毫米，肌腱的位移取决于手套的大小和患者的手部尺寸。考虑到基于SMA的致动器产生其总长度4%的位移，致动器需要至少2m长才能为成年男性产生80mm的位移。这个长度过大，因此，先前开发了一种基于机械解决方案的位移乘法器，每个执行器中都有一个皮带轮，如图3所示。它复制了运动，使肌腱线长为1 m。由于执行器的柔性特性，它可以采取人体形状，适应上肢。
图3：传感盒和表示在导轨内移动的圆柱块
（图片来自原文）
该研究建造了一个带有人工手的人造手臂来模拟身高175厘米人类上肢，臂的长度是其身高的14.6%，因此为25.5厘米。手的长度是其高度的10.8%，因此它是18.9厘米。这只手设计有灵活的部件，以模仿人类的动作。所有指关节均在3D打印机中用柔性塑料制成。手指可以像人的手一样实现完整的运动范围，包括拇指的对立。这种运动对ADL很重要。如图4所示，在测试台上进行了简单手势，如握拳、张手和捏合测试，以评估外手套的运动范围。
图4：外骨骼任务测试
（图片来自原文）
3、研究意义
这项工作的主要贡献是开发了一个外骨骼手套，它可以产生拇指对指，这是能够实现抓握和抓住物体的重要运动。另一方面，患者需要恢复运动能力来进行日常生活活动。出于这个原因，它选择了一些手势来抓住日常用品，如刀或螺丝刀。拿刀需要更多的灵活性，因为它需要中指和拇指的运动来支撑刀，需要食指向刀刃上施加力。这一工作的另一个贡献是手套也可以驱动手指的屈曲运动和伸展运动。这些动作对于实现像球体一样的完全抓握和握持是很重要的。后期将在手套上放置传感器来测量手的真实位置，至少实现估计手的真实位置，之后，外骨骼手套在真正的病人身上进行验证。这些治疗将包括重复的握拳、张手和捏合，以进行一个完整的康复治疗。
参考文献：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
