【儀表網 研發快訊】近日，中國科大工程科學學院、人形機器人研究院孫帥帥特任教授課題組聯合澳大利亞伍倫貢大學李衛華教授、中國科大贠國霖特任教授和張世武教授，成功研發了一種基于磁流變技術的手部外骨骼系統，能夠極大增強手部抓握耐力與抓握力，有望服務于地震救援、工業生產等應用場景。相關成果以“Non-motorized Hand Exoskeleton for Rescue and Beyond: Substantially Elevating Grip Endurance and Strength”為題在線發表于機器人領域著名國際期刊《IEEE Transactions on Robotics》。
人手的抓握功能對于人類發展至關重要。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很快疲勞，影響地震、火災救援等工作的開展。可穿戴的手部外骨骼機器人能夠利用機械結構及致動器共同作用給予人手助力，從而增強人手功能表現，是當前機器人領域的研究熱點之一。然而，現有的外骨骼研究中使用的電機、液壓、氣動等致動器普遍存在著輸出力小、體積大和重量大等問題，難以解決大幅增強手部抓握耐力和抓握力的難題。
研究團隊利用磁流變智能材料模量可調的特性，創新地設計了基于磁流變軸承和滾珠絲桿結構的被動致動器，在僅需5瓦功耗下實現了最高1046牛的大輸出力，力-功率比相較其他方案提升一個數量級，在同樣輸出力下節省了97.7%的能量消耗。將其應用到手部外骨骼上時，整手可提供788N的最大助力。同時，磁流變致動器在結合飛輪后，人手穿戴外骨骼可以在無需外部能量輸入情況下提升41.8%的瞬時抓握力。
圖1.手部外骨骼與磁流變致動器結構，以及磁流變軸承工作原理
研究團隊對磁流變手部外骨骼進行了地震救援模擬應用實驗。在營救被壓人員和運送傷員的任務中，受試者指屈肌的肌電信號幅度均大幅減小，意味著控制手指抓握的肌肉活動度大幅降低。在運送傷員任務中，受試者呼吸率相較無外骨骼情況平均降低了20%，最大運送距離提升了110%。實驗表明，團隊研發的磁流變手部外骨骼可大幅提升人手抓握耐力、降低重體力勞動中的運動代謝、提高救援工作任務效率，該項工作有望應用于地震、火災救援與工業生產領域。
圖2.磁流變手部外骨骼在地震救援中的應用實驗
工程科學學院精密機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李衛華教授以及近代力學系贠國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科大工程科學學院張世武教授、龔興龍教授，西安電子科技大學機電工程學院訾斌教授、安徽大學楊健教授以及中國科大在讀博士生黎雷等。該項研究工作得到了國家自然科學基金、中國科大科研啟動資金、中央高校基本科研業務資金、中國科大雛鷹基金以及英國皇家學會-牛頓國際獎學金的支持。《IEEE Transactions on Robotics》(T-RO)為機器人學領域公認的國際頂級期刊之一，要求論文在理論及工程實踐上均能為機器人學發展做出重要貢獻，其每年全球發文量約200篇，接收率極低，刊發的相關成果代表了機器人領域先進的重大進展。
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