黑科技機(jī)械手套，戴上秒變大力士
有這樣一雙“手套”，戴上它，穿戴者秒變大力士，雙手可以翻起200多公斤的石板，雙手“吊單杠”時(shí)間翻倍，手提重物行走疲勞感大大減輕……
這款黑科技機(jī)械手套正是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任教授孫帥帥課題組與合作者，聯(lián)合研發(fā)的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)人體手部抓握耐力與抓握力，有望應(yīng)用在地震救援、物流搬運(yùn)、工業(yè)生產(chǎn)等場(chǎng)景。
用小功耗獲得大力量
靈活的雙手在人類發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。然而，在救援、搬運(yùn)等應(yīng)用場(chǎng)景中，雙手不僅要足夠靈活，還需要足夠力量，以支撐長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)載的工作。
近幾十年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，研究人員有望能夠研發(fā)像“鋼鐵俠”機(jī)甲一樣的可穿戴外骨骼，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)，大幅提升人類極限，其中手部外骨骼是研究熱點(diǎn)之一。
“實(shí)際上，目前學(xué)術(shù)界與企業(yè)界已出現(xiàn)多種手部外骨骼，主要是用于輔助中風(fēng)、偏癱患者康復(fù)的。它們往往是基于電機(jī)、液壓致動(dòng)，又或是采用氣動(dòng)技術(shù)。”孫帥帥介紹，這些致動(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。
因此，面對(duì)大負(fù)載場(chǎng)景，手部外骨骼的難點(diǎn)是研發(fā)一種體積小、輕量便攜，但又輸出力大、背驅(qū)能力好的致動(dòng)器。
孫帥帥團(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，用在僅需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。
“也就是說(shuō)，我們用很小的功耗得到了很大的力�！睂O帥帥解釋道，這意味著磁流變手部外骨骼的續(xù)航時(shí)間相較于普通外骨骼系統(tǒng)能夠大幅提升。
磁流變智能材料“顯神通”
在中國(guó)科大人形機(jī)器人研究院實(shí)驗(yàn)室，記者見(jiàn)到了這款黑科技。別看它體積小，背后也是一個(gè)系統(tǒng)工程。
論文第一作者、中國(guó)科大博士生麥賢龍介紹，“這款手部外骨骼系統(tǒng)主要分為外骨骼、磁流變致動(dòng)器、指尖力傳感器和控制背包幾個(gè)部分。它的工作原理是將外界的負(fù)載轉(zhuǎn)移至外骨骼，通過(guò)調(diào)節(jié)磁流變致動(dòng)器的輸出力，做到在大負(fù)載時(shí)外骨骼具有大承載能力，即變‘硬’，而在不需要助力時(shí)，手套會(huì)變‘軟’，幾乎不會(huì)影響手指的靈活運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)飛輪儲(chǔ)能，在不需要任何外部動(dòng)力源的情況下，增強(qiáng)穿戴者的瞬時(shí)抓握力。”
這款手套“軟硬”可控的奧秘在于磁流變致動(dòng)器中使用的磁流變智能材料。
“磁流變是一種獨(dú)特的智能材料，其性能在磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生顯著變化。在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，這種材料像脂一樣具有較好的流動(dòng)性；當(dāng)加了磁場(chǎng)后，材料就會(huì)變成半固體�！睂O帥帥一邊展示一邊向記者解釋，正是基于這種特性，將其應(yīng)用在手部外骨骼系統(tǒng)上，可實(shí)現(xiàn)手套的“軟硬”可控。
為了驗(yàn)證手套性能，研究團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間提拉重物的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量穿戴與不穿戴手套受試者前臂的肌電信號(hào)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)前者的表面肌電信號(hào)顯著降低，表明肌肉收縮力減弱，疲勞程度減輕。此外，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了“吊單杠”實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果顯示穿戴手套的參與者堅(jiān)持時(shí)間增加了一倍。
在握力增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中，受試者分別使用和不使用手套進(jìn)行快速抓握。結(jié)果顯示穿戴手套時(shí)，平均握力增加85.8牛，比不使用高出41.8%。
此外，研究團(tuán)隊(duì)注意到在地震救援中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，很多設(shè)備難以進(jìn)場(chǎng)，多依靠救援人員徒手清理重物，因此他們還進(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，這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%。
除了以上常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景，孫帥帥還介紹了一種令人興奮的場(chǎng)景——主端從端的遙操作。
“我們可以利用磁流變材料的阻尼特性，設(shè)計(jì)能夠提供力反饋的手部外骨骼和手臂外骨骼，同時(shí)結(jié)合關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)捕捉，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)械臂、機(jī)械手的遙操作，并同時(shí)提供真實(shí)的力反饋，以進(jìn)行深空探測(cè)作業(yè)�！睂O帥帥說(shuō)。
研發(fā)更智能與舒適的新一代手套
“接下來(lái)，我們將進(jìn)一步提升手部外骨骼系統(tǒng)功能。比如，加入人體意圖識(shí)別的功能，更精準(zhǔn)地根據(jù)穿戴者意圖調(diào)整外骨骼的輸出。同時(shí)，我們希望改進(jìn)外骨骼的結(jié)構(gòu)，利用復(fù)合材料和3D打印技術(shù)在減輕重量的同時(shí)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此外，還希望改進(jìn)人機(jī)交互設(shè)計(jì)，使外骨骼滿足人手運(yùn)動(dòng)的大部分自由度，減少與人手之間的滑移與不舒適感�！睂O帥帥表示。
據(jù)了解，《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》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。
相關(guān)論文信息：https://ieeexplore.ieee.org/document/11080110
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)(王敏)
