中国科大成功研发 19 自由度仿生灵巧手，能复现人手级别的功能

IT之家 1 月 27 日消息，IT之家从中国科学技术大学官网获悉，近日，中国科学技术大学工程科学学院 / 人形机器人研究院张世武教授、王柳特任教授、金虎副教授与孙帅帅特任教授成功研发了一种具备 19 自由度的轻质仿生灵巧手，能够复现人手级别的功能，有望服务全球上千万上肢截肢患者的手部功能重建与日常生活辅助，并应用于人形机器人灵巧操作。相关成果 1 月 22 日以 "A lightweight prosthetic hand with 19-DOF dexterity and human-level functions" 为题在线发表于国际学术期刊《Nature Communications》。

人手具备 23 个自由度，重量仅为人体重量约 1/150，但运动功能占全身运动功能的 54%，是体现人类以及人形机器人工作能力的关键部件。然而，现实中，包括人形机器人的灵巧手以及全球超过一千万名上肢截肢患者的假肢手应用面临挑战。传统假肢灵巧手通常使用电机驱动，功率密度低，难以在自由度与重量之间找到理想平衡：佩戴超过人手重量（0.4 千克）的灵巧手会让患者感到严重不适，而自由度较低（通常少于 10 个）灵巧手仅能实现有限的抓握动作，远不及人手的灵活性。这些限制导致接近一半的假肢灵巧手被患者放弃使用。因此，兼顾高自由度灵巧运动和舒适佩戴的设计方法是假肢灵巧手领域的重要科学问题之一。

研究团队以高功重比形状记忆合金（SMA）为人工肌肉驱动，仿生设计了类肌腱传动系统放大 SMA 的驱动力同时减小传动阻力，基于类肌腱分离传动特征在手指及手腕内嵌入 23 组传感单元实现关节精确运动控制，并集成包含冷却模块的 38 组阵列式 SMA 驱动器，实现了假肢灵巧手的 19 主动自由度运动，如图 1 所示。得益于仿生设计方法和高度集成方法，所设计的假肢灵巧手仅重 0.37 千克，具备人手级别的灵巧操作能力，可完成诸如梳头、写字、握手、递名片和下棋等日常精细操作任务，实现了佩戴舒适性、高自由度和精确可控的兼顾。

图 1：基于人手的高自由度轻质假肢灵巧手结构

通过与语音识别技术结合，假肢灵巧手具备简单、友好且低成本的人机交互能力，支持 60 种语言和 20 种方言，具备 95% 的识别准确率和毫秒级的响应时间，适于在截肢患者中普及。在临床测试中，一名 60 岁女性截肢患者仅用半天便熟练掌握该假肢灵巧手的使用，成功完成了多项标准假肢手功能评估实验中的代表性任务，包括南安普顿手功能评估程序（SHAP）和沃尔夫运动功能测试（WMFT）。值得一提的是，该假肢灵巧手还展现了操作剪刀、使用手机以及完成复杂的手语手势的能力，完美复现传统的 33 种人手抓握动作，还能够完成 6 种更高难度的新抓握动作，使用场景丰富（图 2）。该假肢灵巧手具有极强的工程应用前景，可为人形机器人灵巧操作及高性能假肢手研究提供有效的解决方案。

图 2：假肢灵巧手的类人手势、抓握、操作功能及患者实验展示

该项研究工作得到了国家自然科学基金及安徽科技创新攻坚计划重大项目支持。