近日，中國(guó)科大工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院孫帥帥特任教授課題組聯(lián)合澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授、中國(guó)科大贠國(guó)霖特任教授和張世武教授，成功研發(fā)了一種基于磁流變技術(shù)的手部外骨骼系統(tǒng)，能夠極大增強(qiáng)手部抓握耐力與抓握力，有望服務(wù)于地震救援、工業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)成果以“Non-motorized Hand Exoskeleton for Rescue and Beyond: Substantially Elevating Grip Endurance and Strength”為題在線發(fā)表于機(jī)器人領(lǐng)域著名國(guó)際期刊《IEEE Transactions on Robotics》。
 

　　人手的抓握功能對(duì)于人類發(fā)展至關(guān)重要。然而，受限于人手和手臂肌肉的大小，人手在承受較大重量時(shí)很快疲勞，影響地震、火災(zāi)救援等工作的開展?？纱┐鞯氖植客夤趋罊C(jī)器人能夠利用機(jī)械結(jié)構(gòu)及致動(dòng)器共同作用給予人手助力，從而增強(qiáng)人手功能表現(xiàn)，是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。然而，現(xiàn)有的外骨骼研究中使用的電機(jī)、液壓、氣動(dòng)等致動(dòng)器普遍存在著輸出力小、體積大和重量大等問(wèn)題，難以解決大幅增強(qiáng)手部抓握耐力和抓握力的難題。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)利用磁流變智能材料模量可調(diào)的特性，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了基于磁流變軸承和滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的被動(dòng)致動(dòng)器，在僅需5瓦功耗下實(shí)現(xiàn)了最高1046牛的大輸出力，力-功率比相較其他方案提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，在同樣輸出力下節(jié)省了97.7%的能量消耗。將其應(yīng)用到手部外骨骼上時(shí)，整手可提供788N的最大助力。同時(shí)，磁流變致動(dòng)器在結(jié)合飛輪后，人手穿戴外骨骼可以在無(wú)需外部能量輸入情況下提升41.8%的瞬時(shí)抓握力。
 

圖1.手部外骨骼與磁流變致動(dòng)器結(jié)構(gòu)，以及磁流變軸承工作原理
 

　　研究團(tuán)隊(duì)對(duì)磁流變手部外骨骼進(jìn)行了地震救援模擬應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。在營(yíng)救被壓人員和運(yùn)送傷員的任務(wù)中，受試者指屈肌的肌電信號(hào)幅度均大幅減小，意味著控制手指抓握的肌肉活動(dòng)度大幅降低。在運(yùn)送傷員任務(wù)中，受試者呼吸率相較無(wú)外骨骼情況平均降低了20%，最大運(yùn)送距離提升了110%。實(shí)驗(yàn)表明，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的磁流變手部外骨骼可大幅提升人手抓握耐力、降低重體力勞動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)代謝、提高救援工作任務(wù)效率，該項(xiàng)工作有望應(yīng)用于地震、火災(zāi)救援與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。
 

圖2.磁流變手部外骨骼在地震救援中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
 

　　工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系博士生麥賢龍為第一作者，該系孫帥帥特任教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)李衛(wèi)華教授以及近代力學(xué)系贠國(guó)霖特任教授為論文共同通訊作者。論文的合作者還包括中國(guó)科大工程科學(xué)學(xué)院張世武教授、龔興龍教授，西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院訾斌教授、安徽大學(xué)楊健教授以及中國(guó)科大在讀博士生黎雷等。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科大科研啟動(dòng)資金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)資金、中國(guó)科大雛鷹基金以及英國(guó)皇家學(xué)會(huì)-牛頓國(guó)際獎(jiǎng)學(xué)金的支持。《IEEE Transactions on Robotics》(T-RO)為機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的國(guó)際頂級(jí)期刊之一，要求論文在理論及工程實(shí)踐上均能為機(jī)器人學(xué)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)，其每年全球發(fā)文量約200篇，接收率極低，刊發(fā)的相關(guān)成果代表了機(jī)器人領(lǐng)域先進(jìn)的重大進(jìn)展。