类型a：这篇文档报告了一项原创研究。
主要作者及机构、发表期刊和时间
本研究的主要作者包括Renghao Liang、Guanghua Xu（IEEE会员）、Min Li（IEEE会员）、Bo He以及Umair Khalique。他们分别隶属于西安交通大学机械工程学院、制造系统工程国家重点实验室以及智能检测与仪器研究所。该研究发表于《IEEE Robotics and Automation Letters》2022年第7卷第2期，出版日期为2021年9月22日，当前版本日期为2022年1月19日。
学术背景
本研究属于康复机器人学（Rehabilitation Robotics）和可穿戴机器人学（Wearable Robotics）领域。手部功能障碍患者，特别是中风后遗症患者，需要辅助设备进行康复训练。然而，现有的手部外骨骼设备在用户友好性设计、轻量化结构和精确的手部运动建模方面仍存在不足。为此，研究人员提出了一种结合拓扑优化（Topology Optimization）和伪刚体模型（Pseudo-Rigid-Body Method）的方法，用于开发一种新型手指外骨骼设备。该研究旨在通过柔性机制（Compliant Mechanisms, CMs）的设计，解决传统刚性外骨骼的局限性，并实现高效、便携且实用的手指康复设备。
研究工作流程
本研究的工作流程分为三个主要部分：拓扑优化方法（SIMP）、伪刚体模型构建以及机构综合（Mechanism Synthesis）。
拓扑优化方法（SIMP）
研究首先使用了固体各向同性材料惩罚法（Solid Isotropic Material with Penalization, SIMP）对柔性机制进行拓扑优化。优化目标是最大化输出端口的位移，同时满足特定边界条件和输入/输出约束。研究设定了一个矩形设计域，并在其中引入半圆形孔以避免手指与外骨骼之间的干涉。通过对设计域中的每个单元定义密度变量，优化算法能够生成最优材料分布方案。
伪刚体模型构建
在拓扑优化的基础上，研究人员构建了一个伪刚体模型，用以替代柔性部分。该模型采用了大变形曲梁柔性铰链（Large-Deflection Curved Beam Flexure Hinge），并利用有限元分析（FEA）验证其特性。柔性铰链的设计解决了应力集中和制造困难的问题，同时保留了柔性机制的优点，如无摩擦、无间隙等。
机构综合
最后，研究使用机构综合方法优化了四杆机构（Four-Bar Mechanism）的参数，以确保外骨骼设备的输出轨迹与人手指尖轨迹一致。研究人员采集了受试者食指指尖的运动轨迹，并将其作为目标轨迹。通过定义三组关键点位置（A、B、C），研究人员计算了连杆长度和关节位置，最终生成了符合实际需求的四杆机构。
实验部分包括以下内容：
- 使用OptiTrack运动捕捉系统记录受试者的指尖轨迹；
- 制作3D打印原型并通过Vicon系统验证其输出轨迹；
- 测量外骨骼设备的驱动力和指尖力。
研究中涉及的创新点包括：拓扑优化与伪刚体模型的融合、大变形柔性铰链的应用以及基于机构综合的参数优化方法。
主要结果
1. 拓扑优化结果
拓扑优化生成了一个高效的四杆机构布局，其输出端口位移与目标轨迹高度匹配。优化结果显示，当总结构体积比（v*）为0.5时，生成的拓扑结构最为稳定且高效。
伪刚体模型验证
伪刚体模型成功替代了柔性部分，验证了其在实际应用中的可行性。柔性铰链的弯曲性能表现出良好的线性关系，且最大驱动力约为4.5N。
机构综合结果
实验结果显示，外骨骼设备的实际输出轨迹与目标轨迹的相关系数高达0.9863，表明其运动精度较高。此外，设备的指尖力测量结果为6N，能够满足日常抓取任务的需求。
结论及意义
本研究成功开发了一种集成柔性机制的手指外骨骼设备，具有轻量化、高精度和用户友好的特点。该设备能够有效模拟人手指尖的运动轨迹，并提供适当的主动驱动力，适用于手部功能障碍患者的康复训练。研究的科学价值在于提出了一种结合拓扑优化、伪刚体模型和机构综合的设计方法，为柔性外骨骼设备的开发提供了新思路。其应用价值体现在医疗康复和虚拟现实领域，特别是在手部康复训练和功能性仿生设备的开发中具有重要意义。
研究亮点
1. 提出了拓扑优化与伪刚体模型相结合的新方法，解决了柔性机制设计中的应力集中和制造难题；
2. 开发了一种大变形柔性铰链，实现了高效的大位移运动；
3. 通过机构综合方法优化了外骨骼设备的参数，使其输出轨迹与实际指尖轨迹高度一致；
4. 制作了3D打印原型，并通过实验验证了其性能，为后续研究提供了实践基础。
其他有价值的内容
研究还讨论了现有手部外骨骼设备的分类及其优缺点，强调了柔性机制在外骨骼设计中的重要性。此外，作者指出未来的研究方向，包括适应不同手型的设计优化、整体结构的轻量化改进以及临床数据的进一步收集。这些内容为相关领域的研究提供了重要的参考依据。