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为解决机器人辅助上肢康复治疗中缺乏真实物体互动问题，研究人员开展了对多伦多康复研究所手功能测试（TRI-HFT）3D 打印物体的改良研究。结果显示改良物体能与机器人无缝配合，系统可用性良好，为上肢康复带来新方向。
在现代康复医学领域，中风和颈脊髓损伤（cSCI）患者的上肢功能恢复是一大难题。这些患者因肢体运动障碍，难以独立完成日常生活活动（ADLs），生活质量受到严重影响。传统的康复训练方式往往效率低下，而新兴的机器人康复技术虽能提供精确、重复的训练，却存在与现实脱节的问题。当前多数机器人设备通过屏幕上的游戏活动进行治疗，患者在虚拟环境中训练，无法获得真实物体操作带来的感觉运动体验，这使得康复效果大打折扣。
在此背景下，来自多伦多康复研究所（Toronto Rehabilitation Institute）和多伦多大学（University of Toronto）的研究人员决心攻克这一难题。他们开展了一项极具创新性的研究，旨在改良 3D 打印的多伦多康复研究所手功能测试（TRI-HFT）物体，使其能与机器人辅助疗法更好地融合，同时评估新系统的可用性，确保其安全且技术性能可靠。
最终，研究取得了令人瞩目的成果。研究人员成功重新设计了 3D - TRI-HFT 物体，使其能被配备夹具的机械臂顺利操作。改良后的 3D 打印物体在尺寸和重量上与原始规格高度匹配，多数偏差都在可接受范围内。性能测试表明，机器人操作的成功率高达 100%，在 50 次抓取和放置试验中，没有出现任何物体破损或滑落的情况。可用性评估也收获了积极反馈，参与者认为该系统有趣、实用且舒适。这一研究成果意义重大，它证明了将传统康复工具与机器人系统相结合的可行性，为上肢康复开辟了新的道路，有望显著改善患者的康复效果。该研究成果发表在《BioMedical Engineering OnLine》上。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先是 3D 计算机辅助设计（CAD）技术，利用 SolidWorks 2022 软件对 TRI-HFT 物体进行改良设计，根据物体特点设计出内部手柄、外部手柄和无手柄三种类型。其次是 3D 打印技术，使用 Ultimaker S5 打印机和聚乳酸（PLA）材料打印改良物体，并通过调整填充率等参数满足质量要求。此外，还使用了机器人技术，采用 UR5e 协作机器人和 2F - 85 自适应夹具进行物体操作试验。
研究结果
- TRI-HFT 物体的改良：成功 3D 打印出具有内部手柄、外部手柄和无手柄设计的改良物体。除海绵和纸张外，多数物体物理尺寸复制精度达到 0.1mm 的公差范围内，重量测量与原始 TRI-HFT 物体相比最大误差为 5%，不过手机、铅笔、信用卡和杯子等重量变化可达 10%1。
- 支撑货架的制作：3D 打印制作了支撑货架，空重 1.72kg，用于确保物体放置一致，便于机械臂取放。
- 物体抓取和操作评估：使用配备 2F - 85 自适应夹具的协作机器人进行测试，在三种不同方向（45°、90° 和 180°）对改良物体进行 50 次抓取和放置试验，机器人成功拿起并放回所有物体，成功率达 100%23。
- 参与者测试
- 参与者信息：招募了 5 名上肢功能正常、无神经疾病且无机器人康复经验的参与者，其中男性占 60%，女性占 40%，年龄在 19 - 72 岁之间（平均年龄 = 48.8 岁）4。
- 系统可用性评估
- 定性反馈：通过系统可用性量表（SUS）和内在动机量表（IMI）等收集数据，参与者对系统可用性的总体评分为 75.5%（SD = 17.1），认为系统有趣、有用，操作时感觉舒适，但也指出粗糙方块抓握困难、机器人运行速度慢等问题5。
- 定量反馈：在范围评估任务中，参与者完成任务的平均时间为 33.33s，各轴的伸展范围与标准数据相符；在物体抓取任务中，不同参与者抓取不同物体的时间和用力情况存在差异，反映出个体运动能力和抓握策略的不同67。
研究结论与讨论
研究成功改良了 3D 打印的 TRI-HFT 物体，使其能融入新型机器人康复方法，并且该系统在可用性和技术性能方面表现良好。不过，研究也存在一些有待改进的地方，如部分物体重量变化可能影响夹具性能，需要进一步探索材料选择或制造技术来确保物体一致性；当前设计仅适用于特定夹具，未来需拓展与更多夹具的兼容性。总体而言，这项研究为上肢康复机器人疗法带来了新的突破，为后续研究和临床应用奠定了坚实基础，有望推动上肢康复领域的进一步发展。
