5W功耗实现1046N输出力？多校联合研发超级手部外骨骼登IEEE TRO

景点排名 2025年08月22日 19:20 0 aa

手作为人类进化和功能实现的核心器官，承担着从力量型抓握到精细操作等多种任务，但其容易疲劳、力量有限的特点限制了长时间或高负荷作业的能力。如何提升手部的握力与持久性、减轻肢体负担已成为重要研究方向。可穿戴的手部外骨骼机器人，能够利用机械结构及致动器共同作用给予人手助力，从而增强人手功能表现，也因此成为机器人领域的研究热点之一。

过去二十年来，可穿戴的手部外骨骼机器人虽在康复、日常生活辅助与任务训练等领域取得一定进展，却受限于驱动方式，难以提供足够强的抓握支持。现有驱动技术如直流/伺服电机输出力有限，气动方案依赖笨重气源，形状记忆合金响应慢且能效低，静电离合器则存在能耗与集成难度问题。这些限制导致现有外骨骼仅能提供每指20N以下的有限辅助力，难以解决大幅增强手部抓握耐力和抓握力的难题。

▍研发新型手部外骨骼系统MRHE，助力提升抓握力与救援效率

针对手部抓握耐力与抓握力提升难题，由中国科大工程科学学院、人形机器人研究院孙帅帅特任教授课题组，联合澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授、中国科大贠国霖特任教授和张世武教授组成的联合团队前不久进行了深入研究，并成功研发了一款基于磁流变（MR）执行器的手部外骨骼系统MRHE。该系统能够显著提升使用者的手部抓握耐力与抓握力，并借助人体自身能量实现驱动与储能，无需依赖外部动力源。

研究团队利用磁流变材料的模量可调特性，设计出一种基于磁流变轴承与滚珠丝杆结构的被动致动器。该致动器在仅5W功耗的条件下，实现了最高1046N的输出力，其力-功率比相比现有方案提升了一个数量级，同等输出力下能量消耗降低97.7%。应用于手部外骨骼时，系统整手最大助力可达788N。此外，结合飞轮结构后，该磁流变致动器可在无外部能量输入的情况下，使穿戴者的瞬时抓握力提高41.8%。

为验证该系统在实际应用中的性能，研究团队开展多项实验，包括对手部握力与耐力的量化测试，以及模拟地震救援场景的应用试验。实验结果表明，该磁流变手部外骨骼能有效延长持续抓握时间，降低重体力作业中的运动代谢水平，并提升救援任务执行效率。未来，该技术有望应用于地震与火灾救援、工业生产等高强度作业环境。

近日，该研究的相关研究成果已以“Non-motorized Hand Exoskeleton for Rescue and Beyond: Substantially Elevating Grip Endurance and Strength”为题，发表于机器人领域国际期刊《IEEE Transactions on Robotics》。

论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院精密机械与精密仪器系博士生麦贤龙，通讯作者为孙帅帅特任教授、李卫华教授和贠国霖特任教授。共同作者还包括中国科学技术大学张世武教授、龚兴龙教授，西安电子科技大学訾斌教授、安徽大学杨健教授及中国科学技术大学在读博士生黎雷等。

接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！

▍磁流变执行器MR actuator：MRHE关键部件创新设计与性能突破

作为外骨骼手的关键部件，磁流变执行器MR actuator的设计目标是提高握力、延长握持时间并最大限度地降低能耗。

研究团队设计的MR actuator执行器采用创新结构，并集成了滚珠丝杠、内外套筒、轴承、线圈、磁流变轴承（MR bearing ）、连接件及飞轮。滚珠丝杠用于高效、精确地将旋转运动转换为直线运动，而导程较长的滚珠丝杠（6毫米）被选用以提高MR actuator执行器的背驱（backdrivability）能力。滚珠丝杠的螺母和轴的直径分别设计为14毫米和6毫米，以适应手背侧的有限空间。内套筒和外套筒则采用ASTM 1020低碳钢制成以提高磁导率，内套筒与螺母过盈配合实现同步转动。而磁流变轴承（MR bearing ）则通过将磁流变脂注入深沟球轴承而制成，用于在磁场作用下控制内套筒和螺母的旋转，从而调节执行器的输出。

在分析MR actuator执行器的性能时，研究团队重点考察了MR bearing 中磁流变脂的颗粒质量分数对执行器性能的影响。实验表明，颗粒分数为40%时MR bearing 轴承在锁定扭矩与旋转阻力之间达到较优平衡，高场强下（0.5 T）具有较高锁紧扭矩，零场时阻力仍处于可接受水平，优于50%分数配置。为提升磁场利用效率，研究团队将线圈设计为套在内套筒上，并位于两轴承之间，以集中磁通量并形成回路。通过COMSOL Multiphysics模拟和实际测量，研究团队验证了这种设计的有效性。测试结果显示，尽管在部分测量点仿真与实测存在一定偏差，但该结构可实现磁场集中，尤其在MR bearing 轴承区域磁通密度较高。

研究团队也进一步对使用最佳颗粒分数为40%的MR actuator执行器进行了性能测试。拉伸实验表明，MR actuator执行器峰值保持力与线圈电流呈正相关，在0.5 A时，保持力峰值为1046 N，具备宽范围可调的出力能力。电气测试中，线圈电流因温升在10分钟内略有下降，电压几乎稳定，功耗维持在2.5–3.2 W之间，适用于间歇性高强度作业场景。

与传统手部外骨骼执行器相比，研究团队提出的MR actuator执行器在保持力和功耗方面表现出色。其保持力超出已有最优设计4.55倍，力功率比最高209.2N/W，比其他执行器提高7.95倍，同等出力下能耗降低了97.7%，是手部外骨骼系统执行器中极具潜力的替代品。

▍手部外骨骼系统：MRHE的设计到原理与工作机制解析

在原型设计上，MRHE包含六个主要物理组件，分别是用于增强握力和耐力的MR执行器、管理电源与传感器数据转换传输的电源和压力传感器控制板、在MR执行器和外骨骼间传输力的连杆、包裹手的外骨骼、连接手与外骨骼的魔术贴以及两个检测握力意图的压力传感器。

包裹手的外骨骼由铝粉烧结（三维打印）制成，通过覆盖手背为手指提供支撑力。传输力的连杆负责在MR执行器和手指间传递力，采用了7075铝合金（机械加工），以保证高力传输的结构强度。为确保同步运动、避免手指错位，每个手指外骨骼的相邻部件通过铰链连接，且铰链与相应手指关节旋转中心精确对齐，魔术贴则用于固定手指，适应不同手型。

电源和压力传感器控制板设计方面，为分析和控制握持状态，研究团队在食指指尖背部和腹部设置了两个压阻式压力传感器测量指尖压力，传感器信号经传感器印刷电路板PCB处理后，通过蓝牙模块发送到控制背包。PCB由锂电池独立供电。控制背包由两组分别用于左右手外骨骼的电气元件组成，包括STM32微控制器和蓝牙模块、锂电池、数模（DAC）转换器和功率放大器。微控制器和蓝牙模块接收传感器信号并运行控制算法，电池为相关电气元件供电，DAC转换器将数字信号转换为模拟信号，经功率放大器增大电池电压后为MR执行器供电。

控制方法上，MRHE可基于MR执行器结合滚珠丝杠与飞轮构成的逆变系统，根据用户意图在握力增强和握力耐力增强间切换。

增强握力时，MRHE无需供电，依靠在握持过程中积蓄的人体能量驱动，并在用力握持时产生惯性力。滚珠丝杠将直线运动转换为旋转运动，低旋转阻尼时，直线运动可有效转换为旋转能量并重新转换为势能，储存的势能随后用于产生惯性力增强握力。提升握持耐久性时，高旋转阻尼使滚珠丝杠锁定，MR执行器承载能力增强，手部重量由执行器支撑，从而减轻手部疲劳，延长握持时间。

▍性能评估与测试：MRHE效果验证与实际应用能力检验

为系统评估磁流变（MR）执行器及MRHE手部外骨骼在握力增强与耐力维持方面的效果，研究团队开展多组实验，并在模拟真实场景下检验其实际应用能力。

在握力增强测试中，研究团队利用材料测试系统（MTS）对执行器产生的惯性力进行测量。测试数据显示，丝杠轴上的实际峰值惯性力随速度增加而提高，与理论预测趋势一致，平均比率为 93.08%，模型总体准确，但因忽略MRG轴承的旋转阻尼和能量耗散，存在一定偏差。

在实际抓握测试中，受试者分别使用和不使用MRHE进行快速抓握动作，结果显示使用MRHE时平均握力增加85.8 N，比不使用时高出41.8%，约为理论值的82.2%，这种握力增强无需外部能量消耗。此外，通过高速摄像机记录抓握过程，研究团队发现带飞轮的MRHE会增加抓握时间，但不带飞轮的MRHE能有效降低手指运动阻力，提升抓握耐力。

增强耐力评估环节，研究团队通过提拉重物实验和悬挂挑战测试了MRHE的效果。实验中，参与者在佩戴MRHE时手部肌肉的表面肌电图（sEMG）信号显著降低，表明肌肉收缩力减弱，疲劳程度减轻。

在提拉重物实验中，五名参与者中有四名在佩戴MRHE后握力损失减少了60%以上，平均减少71.7%。在悬挂挑战中，佩戴MRHE的参与者耐力时间增加了一倍，从“高级”级别跃升至“精英”级别。此外，MRHE在独立抓握支撑测试中表现出色，能够提供高达788N的夹持力，远超同类手外骨骼产品。这一结果凸显出MRHE在高效输出力方面的优势。