超轻便超实用！苏黎世联邦理工等研发新型“柔性外骨骼手套”仅重148g！
导读
全球范围内有超过5千万人由于中风或脊柱损伤导致永久性的手部损伤，手是人类与周围环境相交互最重要的器官之一，一旦丧失了手部功能，一个人独立生活的能力和生活质量将大大受到影响，连吃饭喝水都将变得充满挑战。机器人外骨骼手套可以协助手部失能的人，为他们提供一些抓握能力从而帮助他们独立生活。近来研究者们也推出了几款经典的外骨骼手套，然而对于大多数设计来说，安全，用户友好，并且集成强大而精细的辅助抓握能力的外骨骼手套还是一个挑战。为了解决这一问题，来自欧洲顶尖名校苏黎世联邦理工（ETH）和日本九州大学（Kyushu University）的研究者们共同提出了一款名为RELab tenoexo 的可穿戴的柔性外骨骼手套。这款外骨骼手套本体重量仅有148g，手套的远程驱动系统（仅重达720g，和一瓶矿泉水差不多重）可以背到后背上。通过巧妙的结构设计，RELabtenoexo 可以实现多达四种常用的抓取模式，通过评估测试，这款手套可以辅助穿戴者完成80%的日常抓取活动。
ETH苏黎世理工研发的RELab tenoexo 柔性外骨骼手套设备
柔性外骨骼手套抓取杯子
一. 148g的超轻外骨骼手套帮助手部损伤患者重获抓握能力
手是人类创造一切的根本，从钻木取火，到精密雕刻（大家都学习过的《核舟记》），可以说人类被解放的双手帮助我们征服了大自然，发展了高度文明的现代社会。使用手机，电脑，吃饭喝水，驾车出行都离不开双手（学术研究表明，人手的自由度可多达27个，可做出上百种不同的姿势），毫不夸张，我们的双手可能是全身最灵活的部位了！然而，全球范围内由于中风或者是脊柱损伤遭受着永久性的手部损伤有超过5千万人。手是人类与周围环境相交互最重要的器官之一，一旦丧失了手部功能，一个人独立生活的能力和生活质量将大大受到影响，吃饭喝水都将变得充满挑战！
人类的生活离不开灵活的双手
随着科学技术的发展，科学家们研制出了可以辅助肢体有障碍的人的智能穿戴设备，其中，机器人外骨骼手套可以协助手部失能的人，为他们提供一些最基本的抓握能力，从而执行一些基本的日常活动，例如抓取水杯独立喝水，抓勺子独立吃饭等。近来研究者们和市场上均推出了几款外骨骼手套。
几种常见的外骨骼手套
然而对于大多数外骨骼手套设计来说，同时实现安全，用户友好，体积紧凑，重量轻，并且集成强大而精细的抓握辅助能力的外骨骼手套还是一个挑战。为了解决这一问题，来自欧洲顶尖名校苏黎世联邦理工（ETH）和日本九州大学（Kyushu University）的研究者们共同提出了一款名为RELabtenoexo 的可穿戴的柔性外骨骼手套。研究者指出，和市面上具有类似功能的外骨骼手套相比，他们的外骨骼手套极其轻便。手套本体重量仅有148g，手套的远程驱动系统（仅重达720g，不到1斤）可以背到后背上。通过巧妙的结构设计，RELab tenoexo 可以实现四种最常用的抓取模式，通过评估测试，这款手套可以辅助穿戴者完成80%的日常抓取活动。
极其轻便的外骨骼手套
RELab tenoexo整套设备由手部模块（有两个主动自由度和一个被动的大拇指驱动），以及一个背包（包括电机，控制电路和电池）构成。手部模块和背包之间用线传动结构连接，极其方便，用卡扣的结构可以瞬间连接。一个健康人在不到一分钟时间内就可以穿上整个外骨骼背包和手部模块，可以说是非常的实用和轻便了。外骨骼手套背负有一块11V的锂电池，在一次性充电以后，可以实现1200次抓取（2秒钟开合），持续工作2小时，这基本可以满足了日常的需求。
30秒穿戴完毕！
这款柔性外骨骼手套可以实现4种基本的抓握姿势，包括：手掌捏握palmarpinch，中度抓握medium wrap，平行抓握parallelextension，侧向捏握lateral pinch。利用这些姿势，可以涵盖大约80%的日常抓握任务，很大程度上可以帮助手部损伤患者获得自理的能力，通过训练患者甚至可以抓握笔，钥匙等比较细小的物品。具体来说，研究者测试了12种不同重量，大小形状的物品，其中成功抓取了11种物品，最重的抓取包括一个500ml装满水的水杯。
比较典型的日常四种抓握
小编在这里先向大家展示一下这款RELab手套的抓握能力，其中包括有抓握柔顺性展示，和手部损伤患者抓取展示，在文末有完整视频和文章信息喔！更详细的内容，在第二部分为大家介绍这款手套的结构设计和驱动。
小球的抓握和移动
抓取类似钥匙柄的物品
大小木块都可以抓取
可以抓取水瓶和笔
研究者请一些手部损伤患者对RELab手套进行测试，有一位遭受了脊柱损伤的患者（4年病患），手部功能受到了严重的损伤，手指几乎不可动，但是这位患者可以弯曲肘部和手腕。可以看到，在未穿戴手套时，几乎无法完成给定的任务。
患者无法抓取方块并抬起
患者在穿戴柔性外骨骼手套后，短时间内成功抓起了方块并且抬高放到了指定地点。
成功抓取方块放到高处
成功抓取水瓶倒水
二. 柔性外骨骼手套的驱动原理和结构设计
本小节着重向大家介绍一下这款超轻便外骨骼手套的驱动原理以及设计。外骨骼手套主要目的就是驱动手指弯曲和伸展来实现抓握，为患者的手指提供一定的手指运动和足够的抓握力。RELab tenoexo这款手套采用了一种三层的滑动弹簧结构来实现了柔性外骨骼机构的可控的往复运动。通过在输入端推动滑动弹簧，上下弹簧的相对长度发生了变化，上面的弹簧较长，下面的弹簧长度不变，由此导致了整个结构的被动弯曲。在弹簧上添加三个固定件，就可以模仿人手指的关节变形结构。
外骨骼手套的结构设计
研究者为了能够获得较大的指端力，设计了一种V型的有一定夹角的滑动弹簧片并联结构来改善这种驱动方式的效果。通过改良后进行测试，得到了近乎于之前设计两倍的输出力，每根手指可以得到6牛的指尖力。
改进后的V型驱动弹簧片
为了让患者在穿戴外骨骼手套时有一个比较舒适且实用的姿势，外骨骼手指在最初安装的时候就有一定的张开角度（大概10到15度左右），在闭合后则是5根手指靠在一起，这样的设计更加符合人手在抓握中的变化。
外骨骼手套的张开和闭合状态
另一个设计亮点是在手套的大拇指根部关节CMC（拇指手腕手掌关节）处增加了一个微微转动的自由度，同时为了保证了结构的紧凑性，研究者把大拇指的驱动关节安装在了MCP处，这样在驱动时，可以产生从CMC到IP的逐渐弯曲的一个过程。
大拇指根部增加额外的被动旋转自由度
值得注意的是，我们人手在实现不同的抓握姿态时，大拇指相对于其余4指的位置是变化的，比如说在抓握杯子时，大拇指近乎和其他4指相对，在抓握钥匙时，大拇指则和其他几个手指在一个平面内。为了实现多种抓取模式，研究者设计了一个可以让大拇指切换位置的结构，不过目前还需要额外的辅助才可以实现切换。
切换大拇指位置的调节
为了减轻柔性外骨骼手套本身的重量，研究者将驱动器设计到了远端的驱动单元里，当输入端的电机转动时，绞轮扭转并且绕起绳子，从而通过齿轮齿条传动来带动输出绞轮，从而带动手指打开和闭合。通过个性化的特别设计，整个驱动结构实现了轻量化。
远端驱动设计
研究者设计的驱动单元和控制器都集中在一个10厘米见方的小黑盒子内，整个系统通过一个微型的控制板可以实现控制，包括有按钮，滑动开关和滑动变阻器，根据用户需要进行不同模式的控制。
驱动单元内部的电机，控制器和传感器
这款手套可以实现多模式控制，从而为不同的手部损伤人士进行个性化设计。
按钮控制手指打开闭合
肌肉信号控制手掌打开闭合
三. 总结和未来展望
RELab tenoexo这款手套巧妙地结合了柔性材料和刚性材料，实现了结构轻便，重量轻，穿戴舒适，抓握能力适应性强等特点，很好的平衡了“功能性”和“实用性”这两点。但研究者指出，它还有这一些限制和发展空间，例如目前来看，手套的抓握能力较小，只有6.4N的指端力，在未来期望达到10N的指端力，从而能够抓取物品完成更复杂的任务。另外，这款外骨骼手套的大拇指的驱动还没有实现自动化，还需要人手的辅助来调整大拇指的姿态，在未来希望通过结构和软件设计来彻底实现自主控制。
其他穿戴这款手套的患者
我们看到，当手部损伤患者穿戴外骨骼手套能够实现一些自主动作后，他们仿佛重获新生！他们曾经也是肢体健全的人，可能因为病痛遭受了一段时间的生活上的不便，虽然通过家人的帮助也能够生活，但是心里可能还是会觉得拖累了家人。现在有了这些先进的穿戴医疗设备，帮助患者尽可能的获得独立自主的生活能力，我们也确实应该感谢这些从事着可穿戴医疗设备研究的科学家们，是他们的认真和探索精神在一定程度上让这些肢体不便的人看到了希望，甚至重新获得了运动的能力！
文末视频：
文章链接：
Bützer, T., Lambercy, O., Arata, J., &Gassert, R. (2020). Fully Wearable Actuated Soft Exoskeleton for Grasping Assistancein Everyday Activities. Soft Robotics.
https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2019.0135
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