人手的重量?jī)H占人體重量的約1/150，但運(yùn)動(dòng)功能占全身運(yùn)動(dòng)功能的54%。手是體現(xiàn)人類(lèi)以及人形機(jī)器人工作能力的關(guān)鍵部件。人手可以實(shí)現(xiàn)33種不同的抓握動(dòng)作，可以完成復(fù)雜的手語(yǔ)手勢(shì)，可以完成剪刀操作、手機(jī)使用等精細(xì)操作任務(wù)。
然而，目前人形機(jī)器人的靈巧手以及全球超過(guò)一千萬(wàn)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(dòng)，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(guò)人手重量的靈巧手會(huì)讓患者感到嚴(yán)重不適，由于自由度較低(通常少于10個(gè))，靈巧手僅能實(shí)現(xiàn)有限的抓握動(dòng)作，而真正的人手具備23個(gè)自由度，因此人形機(jī)器人靈巧手的靈活性遠(yuǎn)不及人手。
針對(duì)這一難題，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院/人形機(jī)器人研究院的張世武教授以及合作者團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種具備19自由度的輕質(zhì)仿生靈巧手，兼顧高自由度靈巧運(yùn)動(dòng)和舒適佩戴，能夠復(fù)現(xiàn)人手級(jí)別的功能，有望服務(wù)全球上千萬(wàn)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)成果已于1月22日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》。
研究團(tuán)隊(duì)以高功重比形狀記憶合金(SMA)為人工肌肉驅(qū)動(dòng)，仿生設(shè)計(jì)了類(lèi)肌腱傳動(dòng)系統(tǒng)放大SMA的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)減小傳動(dòng)阻力，基于類(lèi)肌腱分離傳動(dòng)特征在手指及手腕內(nèi)嵌入23組傳感單元實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)精確運(yùn)動(dòng)控制，并集成包含冷卻模塊的38組陣列式SMA驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了假肢靈巧手的19主動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)。得益于仿生設(shè)計(jì)方法和高度集成方法，所設(shè)計(jì)的假肢靈巧手僅重0.37千克，具備人手級(jí)別的靈巧操作能力，可完成諸如梳頭、寫(xiě)字、握手、遞名片和下棋等日常精細(xì)操作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了佩戴舒適性、高自由度和精確可控的兼顧。此外，高集成形狀記憶合金確保假肢手的抓握能力，最大負(fù)載達(dá)2.5千克，滿足患者日常所需。
通過(guò)與科大訊飛語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)結(jié)合，假肢靈巧手具備簡(jiǎn)單、友好且低成本的人機(jī)交互能力，支持60種語(yǔ)言和20種方言，具備95%的識(shí)別準(zhǔn)確率和毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，適于在截肢患者中普及。在臨床測(cè)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)假肢手功能評(píng)估實(shí)驗(yàn)中的代表性任務(wù)。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(yǔ)手勢(shì)的能力，完美復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)的33種人手抓握動(dòng)作，還能夠完成6種更高難度的新抓握動(dòng)作，使用場(chǎng)景豐富。
責(zé)任編輯：陸迪
