超輕便超實用！科學家研發新型柔性外骨骼手套僅重148g

導讀

全球範圍內有超過5千萬人由於中風或脊柱損傷導致永久性的手部損傷，手是人類與周圍環境相交互最重要的器官之一，一旦喪失了手部功能，一個人獨立生活的能力和生活質量將大大受到影響，連吃飯喝水都將變得充滿挑戰。機器人外骨骼手套可以協助手部失能的人，為他們提供一些抓握能力從而幫助他們獨立生活。近來研究者們也推出了幾款經典的外骨骼手套，然而對於大多數設計來說，安全，用戶友好，並且集成強大而精細的輔助抓握能力的外骨骼手套還是一個挑戰。為了解決這一問題，來自歐洲頂尖名校蘇黎世聯邦理工（ETH）和日本九州大學（Kyushu University）的研究者們共同提出了一款名為RELab tenoexo 的可穿戴的柔性外骨骼手套。這款外骨骼手套本體重量僅有148g，手套的遠程驅動系統（僅重達720g，和一瓶礦泉水差不多重）可以背到後背上。通過巧妙的結構設計，RELabtenoexo 可以實現多達四種常用的抓取模式，通過評估測試，這款手套可以輔助穿戴者完成80%的日常抓取活動。

ETH蘇黎世理工研發的RELab tenoexo 柔性外骨骼手套設備

柔性外骨骼手套抓取杯子

一. 148g的超輕外骨骼手套幫助手部損傷患者重獲抓握能力

手是人類創造一切的根本，從鑽木取火，到精密雕刻（大家都學習過的《核舟記》），可以說人類被解放的雙手幫助我們徵服了大自然，發展了高度文明的現代社會。使用手機，電腦，吃飯喝水，駕車出行都離不開雙手（學術研究表明，人手的自由度可多達27個，可做出上百種不同的姿勢），毫不誇張，我們的雙手可能是全身最靈活的部位了！然而，全球範圍內由於中風或者是脊柱損傷遭受著永久性的手部損傷有超過5千萬人。手是人類與周圍環境相交互最重要的器官之一，一旦喪失了手部功能，一個人獨立生活的能力和生活質量將大大受到影響，吃飯喝水都將變得充滿挑戰！

人類的生活離不開靈活的雙手

隨著科學技術的發展，科學家們研製出了可以輔助肢體有障礙的人的智能穿戴設備，其中，機器人外骨骼手套可以協助手部失能的人，為他們提供一些最基本的抓握能力，從而執行一些基本的日常活動，例如抓取水杯獨立喝水，抓勺子獨立吃飯等。近來研究者們和市場上均推出了幾款外骨骼手套。

幾種常見的外骨骼手套

然而對於大多數外骨骼手套設計來說，同時實現安全，用戶友好，體積緊湊，重量輕，並且集成強大而精細的抓握輔助能力的外骨骼手套還是一個挑戰。為了解決這一問題，來自歐洲頂尖名校蘇黎世聯邦理工（ETH）和日本九州大學（Kyushu University）的研究者們共同提出了一款名為RELabtenoexo 的可穿戴的柔性外骨骼手套。研究者指出，和市面上具有類似功能的外骨骼手套相比，他們的外骨骼手套極其輕便。手套本體重量僅有148g，手套的遠程驅動系統（僅重達720g，不到1斤）可以背到後背上。通過巧妙的結構設計，RELab tenoexo 可以實現四種最常用的抓取模式，通過評估測試，這款手套可以輔助穿戴者完成80%的日常抓取活動。

極其輕便的外骨骼手套

RELab tenoexo整套設備由手部模塊（有兩個主動自由度和一個被動的大拇指驅動），以及一個背包（包括電機，控制電路和電池）構成。手部模塊和背包之間用線傳動結構連接，極其方便，用卡扣的結構可以瞬間連接。一個健康人在不到一分鐘時間內就可以穿上整個外骨骼背包和手部模塊，可以說是非常的實用和輕便了。外骨骼手套背負有一塊11V的鋰電池，在一次性充電以後，可以實現1200次抓取（2秒鐘開合），持續工作2小時，這基本可以滿足了日常的需求。

30秒穿戴完畢！

這款柔性外骨骼手套可以實現4種基本的抓握姿勢，包括：手掌捏握palmarpinch，中度抓握medium wrap，平行抓握parallelextension，側向捏握lateral pinch。利用這些姿勢，可以涵蓋大約80%的日常抓握任務，很大程度上可以幫助手部損傷患者獲得自理的能力，通過訓練患者甚至可以抓握筆，鑰匙等比較細小的物品。具體來說，研究者測試了12種不同重量，大小形狀的物品，其中成功抓取了11種物品，最重的抓取包括一個500ml裝滿水的水杯。

比較典型的日常四種抓握

小編在這裡先向大家展示一下這款RELab手套的抓握能力，其中包括有抓握柔順性展示，和手部損傷患者抓取展示，在文末有完整視頻和文章信息喔！更詳細的內容，在第二部分為大家介紹這款手套的結構設計和驅動。

小球的抓握和移動

抓取類似鑰匙柄的物品

大小木塊都可以抓取

可以抓取水瓶和筆

研究者請一些手部損傷患者對RELab手套進行測試，有一位遭受了脊柱損傷的患者（4年病患），手部功能受到了嚴重的損傷，手指幾乎不可動，但是這位患者可以彎曲肘部和手腕。可以看到，在未穿戴手套時，幾乎無法完成給定的任務。

患者無法抓取方塊並抬起

患者在穿戴柔性外骨骼手套後，短時間內成功抓起了方塊並且抬高放到了指定地點。

成功抓取方塊放到高處

成功抓取水瓶倒水

二. 柔性外骨骼手套的驅動原理和結構設計

本小節著重向大家介紹一下這款超輕便外骨骼手套的驅動原理以及設計。外骨骼手套主要目的就是驅動手指彎曲和伸展來實現抓握，為患者的手指提供一定的手指運動和足夠的抓握力。RELab tenoexo這款手套採用了一種三層的滑動彈簧結構來實現了柔性外骨骼機構的可控的往復運動。通過在輸入端推動滑動彈簧，上下彈簧的相對長度發生了變化，上面的彈簧較長，下面的彈簧長度不變，由此導致了整個結構的被動彎曲。在彈簧上添加三個固定件，就可以模仿人手指的關節變形結構。

外骨骼手套的結構設計

研究者為了能夠獲得較大的指端力，設計了一種V型的有一定夾角的滑動彈簧片並聯結構來改善這種驅動方式的效果。通過改良後進行測試，得到了近乎於之前設計兩倍的輸出力，每根手指可以得到6牛的指尖力。

改進後的V型驅動彈簧片

為了讓患者在穿戴外骨骼手套時有一個比較舒適且實用的姿勢，外骨骼手指在最初安裝的時候就有一定的張開角度（大概10到15度左右），在閉合後則是5根手指靠在一起，這樣的設計更加符合人手在抓握中的變化。

外骨骼手套的張開和閉合狀態

另一個設計亮點是在手套的大拇指根部關節CMC（拇指手腕手掌關節）處增加了一個微微轉動的自由度，同時為了保證了結構的緊湊性，研究者把大拇指的驅動關節安裝在了MCP處，這樣在驅動時，可以產生從CMC到IP的逐漸彎曲的一個過程。

大拇指根部增加額外的被動旋轉自由度

值得注意的是，我們人手在實現不同的抓握姿態時，大拇指相對於其餘4指的位置是變化的，比如說在抓握杯子時，大拇指近乎和其他4指相對，在抓握鑰匙時，大拇指則和其他幾個手指在一個平面內。為了實現多種抓取模式，研究者設計了一個可以讓大拇指切換位置的結構，不過目前還需要額外的輔助才可以實現切換。

切換大拇指位置的調節

為了減輕柔性外骨骼手套本身的重量，研究者將驅動器設計到了遠端的驅動單元裡，當輸入端的電機轉動時，絞輪扭轉並且繞起繩子，從而通過齒輪齒條傳動來帶動輸出絞輪，從而帶動手指打開和閉合。通過個性化的特別設計，整個驅動結構實現了輕量化。

遠端驅動設計

研究者設計的驅動單元和控制器都集中在一個10釐米見方的小黑盒子內，整個系統通過一個微型的控制板可以實現控制，包括有按鈕，滑動開關和滑動變阻器，根據用戶需要進行不同模式的控制。

驅動單元內部的電機，控制器和傳感器

這款手套可以實現多模式控制，從而為不同的手部損傷人士進行個性化設計。

按鈕控制手指打開閉合

肌肉信號控制手掌打開閉合

三. 總結和未來展望

RELab tenoexo這款手套巧妙地結合了柔性材料和剛性材料，實現了結構輕便，重量輕，穿戴舒適，抓握能力適應性強等特點，很好的平衡了「功能性」和「實用性」這兩點。但研究者指出，它還有這一些限制和發展空間，例如目前來看，手套的抓握能力較小，只有6.4N的指端力，在未來期望達到10N的指端力，從而能夠抓取物品完成更複雜的任務。另外，這款外骨骼手套的大拇指的驅動還沒有實現自動化，還需要人手的輔助來調整大拇指的姿態，在未來希望通過結構和軟體設計來徹底實現自主控制。

其他穿戴這款手套的患者

我們看到，當手部損傷患者穿戴外骨骼手套能夠實現一些自主動作後，他們仿佛重獲新生！他們曾經也是肢體健全的人，可能因為病痛遭受了一段時間的生活上的不便，雖然通過家人的幫助也能夠生活，但是心裡可能還是會覺得拖累了家人。現在有了這些先進的穿戴醫療設備，幫助患者儘可能的獲得獨立自主的生活能力，我們也確實應該感謝這些從事著可穿戴醫療設備研究的科學家們，是他們的認真和探索精神在一定程度上讓這些肢體不便的人看到了希望，甚至重新獲得了運動的能力！