中国"钢铁侠", 世界冠军 ! 嘉立创助力人机共融-嘉立创PCB打样专业工厂-线路板打样

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残缺的右前臂嵌入义肢中，再用这只义肢快速完成提重物、拉拉链、插钥匙、换灯泡、抓纸片、摞杯子、绕铁环、盲盒取物等动作，而且不能有失误……日前，在瑞士苏黎世举行的“第三届全球辅助技术竞赛”（又称“半机械人仿生奥运会”）中，中国选手徐敏与来自美国、法国、德国等数十支全球一流科研团队同台竞技、一决高下，最终以90分的成绩荣获本届大赛“上肢义肢”组冠军，创下了中国选手在全球顶级科技助残赛事中创造的最好成绩。<img src="https://pbt-pub.jlc.com/pbt/cms/2178ba636a0645dd9842fae2ab02d410-39fd7150-aa25-4a61-9e2f-c96ec9623c6e-11.png?fileIndexId=8656272329386827776">全球辅助技术奥运会是由瑞士苏黎世联邦理工学院创立的非营利性项目，每4年举办一届。与残奥会不同的是，其主要是针对残障人士与先进科技辅助设备结合的一项独特的国际性赛事，参赛者使用辅助性的机械动力装置来完成比赛，更像是操纵动力装置的驾驶员而非运动员，目的是促进帮助残障人士的技术发展和加速产业化，让更多残障人士受益于科技进步带来的便利。在此次比赛中，中国科研团队研发打造的人机共融型生机电一体化假肢打破了往届假肢组均为纯机械式假肢的记录，成为本届大赛中唯一能够完成所有比赛任务并最终夺冠的团队。<a href="https://www.jlc.com/" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="font-size: 16px; color: rgb(24, 113, 255);">嘉立创</a>有幸提供了EDA工业软件、电路板智造、SMT、3D打印等一站式技术保障，凭借高度柔性化、智能化和自动化的智造体系，最终实现了“智能手”的快速实现和稳定运行，展现了人机共融“中国智造”辅助技术具备问鼎世界一流的综合实力。穿着酷炫的装备，干着“简单的事情”全球辅助技术奥运会总决赛包括上肢义肢、下肢义肢、服务机器人、助盲机器人、脑机接口、外骨骼机器人、功能性电刺激自行车赛和轮椅代步等8个组别。其中，上肢义肢是该项赛事中竞争最为激烈的组别之一，共吸引9个国家、18支队参赛。与徐敏“并肩作战”的，是东南大学和中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的科研团队。其中有5位科研人员均来自东南大学机器人传感与控制技术研究所宋爱国教授团队，并由中国科学院苏州医工所青年博士后胡旭晖带队。上肢义肢即是为残疾人再造的“智能手”，选手们都失去了部分手臂，需要戴着各自团队研发的电动手臂，一次性完成义肢提重物、双臂协作、精细物体抓取、盲盒抓取等10个义肢操作任务，最终以任务完成数量和完成时间判定成绩。也就是说，谁的电动手臂接收信号越灵敏、越准确，谁就能越快完成比赛。“在此次参赛的义肢中，我们突破了假肢力触觉传感与反馈、体躯-肌电自适应协同控制、机器视觉环境理解与感知等多项关键技术瓶颈，实现了肌电信号解码识别、力感知与力反馈、灵巧机构设计等功能，并在嘉立创提供的电路板上高度集成与稳定运行，确保了义肢能够迅速且精准地完成各项比赛任务。” 团队领队、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所博士后胡旭晖如是说道。那么，义肢是如何与人体配合，以尽可能短的时间完成尽可能多的动作呢？“人在做出某个动作前，是先由大脑感知周围环境，随后产生脑电波。脑电波沿着脊髓神经传输出去，当传递到前臂时，肌电信号就会控制肌肉收缩，继而驱动动作产生。要让残疾人灵活使用义肢，就需要帮助他们做好肌电的解码和识别。”宋爱国解释，研发团队在选手的前臂断肢的皮肤上贴了一对电极片，由它来解读、识别残肢肌电信号，再将其与义肢相连，驱动义肢运动。<img src="https://pbt-pub.jlc.com/pbt/cms/4e70723305bc46c2a7d4a477c603ae78-eb89c5f9-8cc8-4c20-b5e9-d8decc204c78-22.png?fileIndexId=8656268365089665024">比赛中，残疾人选手将操纵义肢手抓取多种物体，但由于残疾人控制义肢的信号源非常有限，确保手指、手腕的可靠运动成为需要攻克的问题。胡旭晖介绍：“我们为徐敏量身定制了穿戴式肩带，肩带内有拉伸传感器，可以监测徐敏弓背时的肩膀运动状态。传感器通过监测肩部位移信号，与残肢端获取的肌电信号协同，控制手指的开合角度以及手腕关节的旋转角度。弓背角度越大，肩部的位移量越大，手指开合度越大。反之亦然。” 比赛中，选手要抓取的物体、完成的动作差异很大，有时要能精细地拧灯泡、反转手腕摞杯子，有时要能提矿泉水瓶、握榔头、拎水壶。那如何控制“手”上的力道？宋爱国介绍：“团队在义肢的手指上植入了力触觉传感器，用它来检测抓取物体时，义肢抓取力的大小和力的分布，可以通过震动刺激将信号传给手臂。如果抓取力越大，震动刺激就越强烈，选手就可以根据震动强度，决定要施加多大的力。” 比赛中的动作虽然都来自日常生活，但抓取一些精细的动作或者特殊的物体，对于上肢残疾人群来说仍有挑战。对此，团队因地制宜地设计义肢，让它们更灵活、稳定。“例如，我们在义肢手指上设置了4个不同的抓取区。第一个功能区做得尽量水平，以便抓取纸片、药匙这些平直物体，第二个功能区做成内嵌的圆弧状，以便能握住榔头、瓶子等物质，第三个功能区做成半球面，可以抓珠子等圆形物体，第四个功能区设置在手指的两个关节处，便于做拎水壶等负重动作时固定物体位置。”胡旭晖说。要在尽量短的时间内，以尽量少的失误完成规定动作，不仅考验义肢研制技术的稳定性、准确性，也要对复杂的赛场环境有很强的感知力。<img src="https://pbt-pub.jlc.com/pbt/cms/5020dd0836e14cceb0d142c61ade41ec-138ef87e-3824-40bb-9cf1-d15f295647f3-33.png?fileIndexId=8656263218288857088">胡旭晖介绍，比赛中有一个项目类似“开盲盒”，要让义肢穿过遮挡的毛刷，在肉眼看不见物体的情况下抓取硬度不同的圆柱体。为了让义肢拥有“眼睛”，团队在义肢手指中安装了摄像头，通过视觉识别技术，将捕捉到的图像信号转化为光信号，辅助徐敏完成了抓取，也让她成为所有参赛团队中唯一完成这项任务的选手。而上述功能的稳定呈现，都离不开一块位于穿戴区高起部位的一块核心主控板上。“电路板在义肢中充当了中枢系统的角色，集成了肌电信号解码、力感知与反馈、多传感器数据融合等关键功能，通过高效处理生物电信号和环境信息，确保了义肢动作的精准控制和高度人机协同。”胡旭晖表示，从研发到比赛，义肢用到的电路板一直都是由嘉立创提供，基于电路板高可靠性的品质和先进的制造工艺，能确保了义肢在复杂环境下的稳定运行和流畅协同。“90后”科研团队与“钢铁侠”的故事让科技应用于有需要的人，永远是激动人心的事。据世界卫生组织统计，全世界有严重残障的人数约为13亿，约占全球人口的16%。而国家统计局的数据显示，截至2023年底，我国残疾人总人数达8591.4万人，其中肢体残疾人口为1735.5万人。如何让科技向善，是胡旭晖团队致力研究上肢义肢的出发点，也是和此次参赛队员徐敏结缘的起点。时间回到1992年，仅有17岁的徐敏在电扇厂里上班时，被60吨的液压冲床压断了右小臂，从此落下残疾，只能学着用左手练习吃饭、写字、搬东西……后来，徐敏所在的工厂倒闭了，她又因为残疾找工作屡屡受挫。2003年，徐敏开始创业，做过房产中介也开过超市。2008年，她又开起了饭店。2017年，交规修订后放开了单侧手掌缺失残疾人的驾驶许可，徐敏马上去考了一个C5驾照，虽然她只能驾驶经过专门机构改装过的车。<img src="https://pbt-pub.jlc.com/pbt/cms/64ee83a6f323436199689d4b132833b0-c3b891e9-08b1-4092-9227-9867e3c8a90b-44.png?fileIndexId=8656255780626313216">2019年，徐敏从苏州市残联了解到有一个“神奇”的装置需要受试者，后来经工作人员介绍，她认识了正在寻找假肢受试者的胡旭晖。这个叫胡旭辉的苏州男孩，在徐敏失去右前臂的时候还没出生。当时他正在东南大学读博士，师从宋爱国教授研究机械手。他去残联的活动，是想得到残疾朋友的“一手信息”。就这样徐敏成了胡旭辉的科研合作伙伴。2022年，胡旭辉从东南大学毕业，去了中科院苏州生物医学工程技术研究所工作。在那里，他继续和宋爱国教授合作进行人机交互机械手的研究。徐敏的右手，换了又换，陪伴科研团队度过两年的“研发——改进——再研发——再改进”的艰辛历程。对正常人来说比较简单的日常活动，往往是残疾人每天都会遇到的难题，例如爬楼梯、挂衣服或摆放餐具，即使现在有很多辅助设备比如轮椅、假肢，它们也不能完美地贴合人体，常出现穿戴不适、辅助效果不佳的情况。为了让实验室研发出更好的辅助设备，更符合残疾人在日常生活中的真实需求，胡旭晖团队选择从最简单的日常活动入手，测试这些辅助设备是不是真的对残疾人有用。胡旭晖表示，“我当时正在设计制作一款‘智能手’，这款‘智能手’可以初步实现正常手臂的作用，所以就邀请徐敏来试戴。为了让她戴得舒服，我不断地调整‘智能手’的细节。”胡旭辉介绍到，由于这个过程需要不断调试、不断迭代，所以需要一个品质好、交付快、一站式的硬件创新服务商，陪伴我们快速实现智能手的迭代落地，嘉立创在这个研发全周期中就帮了很大的忙。“这款“智能手”除了基于嘉立创电路板实现各项功能的稳定运行，也使用了嘉立创的3D打印技术，打造了连接假肢结构件与假肢接受腔的零部件。这样一来，整个‘智能手’的重量很轻，也大大减轻了残疾人的佩戴负担，就像如人手一样灵活，能同步快速控制手和腕两个关节。”胡旭晖补充道。不过，就在万事俱备准备应赛的时候，赛场又给胡旭晖团队出了一个新的难题。“赛场出现了比赛道具设置变化、规则细节调整等一系列新的问题，我们团队连夜调试改进假肢设备、调整比赛策略，最终及时破解临赛前遇到的诸多技术难题。” 胡旭晖回忆道，在这个场外的“时间赛跑”中，嘉立创从电路板智造到SMT，再到3D打印，都给予了团队非常及时的技术保障。<img src="https://pbt-pub.jlc.com/pbt/cms/0a7b54c9a54a48f5b29b0e392892cca6-cf3d88c8-a39a-4504-984c-871195a5071d-55.jpg?fileIndexId=8655920954295390208">“参加这样的比赛一直是我的目标，这项比赛在国际上很有影响力。”胡旭晖说，非常希望通过本次比赛向世界展示中国助残康复机器人领域的前沿成果，以及我国残疾人康复事业取得的成绩。同时能够对标全球助残康复最新技术和产品，学习先进，取长补短，进一步推动我国新一代康复产品的自主研发、推广运用和升级换代，造福残疾人。*文章综合自《科技日报》等

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