陳學(xué)斌，高海鵬，劉文勇，高敏，安崢

1.中日友好醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，北京100029；2.北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191

手外骨骼康復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

陳學(xué)斌1，高海鵬1，劉文勇2，高敏1，安崢1

1.中日友好醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，北京100029；2.北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191

手功能損傷嚴(yán)重影響人們的日常生活，中風(fēng)是引起手部功能損傷的重要原因。目前對(duì)中風(fēng)后患手功能恢復(fù)主要依賴于醫(yī)護(hù)人員的手動(dòng)訓(xùn)練，手部外骨骼作為一種手部功能自主訓(xùn)練的康復(fù)輔具逐漸受到關(guān)注。本文總結(jié)了手部外骨骼的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了目前手部外骨骼常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)組成、驅(qū)動(dòng)模式及控制模式等，以期對(duì)手部外骨骼的康復(fù)技術(shù)發(fā)展提供一些技術(shù)支持。

手外骨骼；康復(fù)輔具；控制模式；驅(qū)動(dòng)模式；自由度

0 前言

中風(fēng)是導(dǎo)致人類死亡的主要原因，更是導(dǎo)致患者致殘的首要原因。手功能損傷在中風(fēng)后幸存患者中較為常見(jiàn)，中風(fēng)后為恢復(fù)手的功能需要患者進(jìn)行高強(qiáng)度持續(xù)性的康復(fù)訓(xùn)練。研究顯示持續(xù)高強(qiáng)度的重復(fù)訓(xùn)練可以提高中風(fēng)后患者手部肌肉的力量，有助于手部功能的恢復(fù)[1]。目前對(duì)手功能的康復(fù)治療主要是依靠醫(yī)護(hù)人員的手動(dòng)治療方式，手外骨骼這種既能滿足患者康復(fù)治療的需求，又能使患者自主進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)訓(xùn)練裝置引起了人們的關(guān)注。

手部外骨骼是一種固定于人手上的主動(dòng)控制的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠帶動(dòng)手指同步活動(dòng)，而手指和外骨骼受力運(yùn)動(dòng)的過(guò)程是互相反饋，相互變換的[2]。手部外骨骼可以協(xié)助患者進(jìn)行重復(fù)性的手指康復(fù)訓(xùn)練，在此過(guò)程中手部外骨骼可以通過(guò)不同的控制模式帶動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)不同自由度的動(dòng)作以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。研究顯示利用手外骨骼進(jìn)行手的康復(fù)訓(xùn)練能夠明顯提高中風(fēng)后患者手部功能的恢復(fù)[3]。本文從中風(fēng)后手部功能損傷及康復(fù)治療方式為切入點(diǎn)，從手外骨骼的結(jié)構(gòu)及控制模式等方面介紹了目前國(guó)內(nèi)外手外骨骼的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。

1 手部功能損傷及康復(fù)訓(xùn)練

1.1 手部功能損傷及康復(fù)治療需求

手是人體重要的組成器官，人手由27塊骨骼組成，可以實(shí)現(xiàn)20個(gè)自由度的活動(dòng)。食指、中指、無(wú)名指和小指由3個(gè)關(guān)節(jié)組成，分別是遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)、近端指關(guān)節(jié)和指掌關(guān)節(jié)，這3個(gè)關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)伸展、彎曲2個(gè)自由度，指掌關(guān)節(jié)還能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)收和外展2個(gè)自由度。拇指也是有3個(gè)關(guān)節(jié)組成，分別是指關(guān)節(jié)、指掌關(guān)節(jié)和腕掌關(guān)節(jié)，其中指關(guān)節(jié)和指掌關(guān)節(jié)能夠完成伸展和彎曲2個(gè)自由度，腕掌關(guān)節(jié)同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)收和外展2個(gè)自由度。這樣每個(gè)手指都能完成4個(gè)自由度的活動(dòng)，因此人的整個(gè)手能夠完成20個(gè)自由度的活動(dòng)[1-2]。對(duì)物體的操縱和觸覺(jué)感知是人手的2大重要功能。手對(duì)物體的操縱功能主要是指手在骨骼、肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)的共同作用下完成對(duì)物體抓握、捏取以及對(duì)精細(xì)動(dòng)作控制的能力[5]。手部功能的損傷嚴(yán)重影響人們的日常生活。外力、燒傷以及疾病等多種原因都能夠?qū)е氯耸止δ艿膿p傷，其中由于中風(fēng)引起的人手功能損傷最為常見(jiàn)。

世界衛(wèi)生組織的報(bào)告顯示全球每年新發(fā)中風(fēng)患者有1500萬(wàn)，其中有500萬(wàn)患者死亡，幸存者會(huì)出現(xiàn)失明、失語(yǔ)、半身癱瘓以及思維混亂等后遺癥，其中500萬(wàn)患者會(huì)導(dǎo)致永久性的殘疾，給家庭和社會(huì)造成沉重負(fù)擔(dān)[3-4]。目前中風(fēng)后的康復(fù)治療重點(diǎn)是對(duì)患者的步行能力和日常生活能力中獨(dú)立活動(dòng)能力的訓(xùn)練，而往往忽略了患手和上肢功能的鍛煉，患手恢復(fù)的潛能無(wú)法得到充分的發(fā)揮，而患手功能恢復(fù)關(guān)系到患者的預(yù)后和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示在中風(fēng)6個(gè)月后，有65%的患者患手功能缺失，不能進(jìn)行日常操作，需要進(jìn)行患手手部功能的康復(fù)訓(xùn)練[6]。對(duì)患者進(jìn)行手部功能的康復(fù)訓(xùn)練可以提高患者獨(dú)立生活能力，提高患者的自我認(rèn)可程度，使患者更容易重新融入社會(huì)。

1.2 手功能損傷的康復(fù)治療方案

中風(fēng)后患者手部功能的損傷狀態(tài)可以分為2大類：① 手指處于攣縮狀態(tài)，此種情況下手部肌肉的攣縮和形態(tài)學(xué)上的改變導(dǎo)致患手一直處于彎曲狀態(tài)，手指伸展肌肉無(wú)力使手指無(wú)法伸展，這是中風(fēng)后手部功能的主要表現(xiàn)類型；② 手指的強(qiáng)制狀態(tài)，此種情況下患者腕部關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍小，患手指處于伸直狀態(tài)[5]。人手的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組織結(jié)構(gòu)精密，手部功能精細(xì)，因此中風(fēng)后手部功能的恢復(fù)需要長(zhǎng)期的康復(fù)訓(xùn)練。目前的手部康復(fù)訓(xùn)練措施對(duì)醫(yī)護(hù)人員的依賴程度較大，需要醫(yī)護(hù)人員的手動(dòng)輔助。

鑒于目前醫(yī)療資源的限制及康復(fù)成本壓力，且中風(fēng)后患者一般會(huì)出現(xiàn)行動(dòng)不便等癥狀，因此迫切需要一種能夠輔助患者進(jìn)行手部功能訓(xùn)練的自主訓(xùn)練裝置。利用手外骨骼這種康復(fù)訓(xùn)練裝置對(duì)受損傷的手進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是一種很有前景的康復(fù)方式。手外骨骼通過(guò)模擬人手的活動(dòng)帶動(dòng)手指的活動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者患手的康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)手指功能的恢復(fù)[7]。根據(jù)使用功能不同可將手部外骨骼分為康復(fù)性外骨骼和輔助性外骨骼。康復(fù)性手部外骨骼可專門用來(lái)對(duì)手部進(jìn)行鍛煉，是以恢復(fù)手部功能為目的的一類外骨骼；輔助性手部外骨骼是用于支持手部功能損傷的患者進(jìn)行日常手部操作的設(shè)備，輔助性手部外骨骼也可以作為康復(fù)性外骨骼進(jìn)行使用。

2 目前手部外骨骼的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

手部外骨骼的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代，其來(lái)源于工業(yè)機(jī)械手的研制，隨著技術(shù)的進(jìn)步及研究的深入，手外骨骼的結(jié)構(gòu)和功能都經(jīng)歷由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。早期的手部外骨骼是一種主動(dòng)控制的手部矯形器，只具有1個(gè)自由度的活動(dòng)[8]。日本科學(xué)家L.Turki在1995年研制的LRP Master Hand手部外骨骼是一種遠(yuǎn)程控制的外骨骼，該外骨骼的運(yùn)動(dòng)軌跡由1個(gè)角度傳感器來(lái)測(cè)定[9]。1997年日本的T.Kitada等研制的手部外骨骼可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的活動(dòng)[10]。同年美國(guó)田納西州立大學(xué)的研究人員研制的手外骨骼可輔助宇航員在電機(jī)的帶動(dòng)下完成抓握與伸展動(dòng)作[11]。早期的外骨骼設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠控制手部活動(dòng)的自由度較少，對(duì)手指活動(dòng)軌跡的控制與監(jiān)控較弱。2000年以后，手外骨骼的研究逐漸引起人們的關(guān)注，越來(lái)越多設(shè)計(jì)精密、功能完善的的手部外骨骼被研制出來(lái)。德國(guó)的A.Wege等研制的手部外骨骼通過(guò)手部16塊肌肉來(lái)控制外骨骼的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)手部20個(gè)自由度的活動(dòng)[12]。2007年在第十屆國(guó)際康復(fù)機(jī)器人大會(huì)上，Worsnopp等匯報(bào)了一種針對(duì)食指康復(fù)的手部外骨骼，該設(shè)備能夠模擬食指3個(gè)自由度的活動(dòng)，且安裝有角度和壓力傳感器在保護(hù)手指的情況下能夠更好的控制外骨骼的活動(dòng)[13]。2009年在日本舉辦的國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)中，F(xiàn)ontana等提出了一種針對(duì)食指和拇指功能恢復(fù)的外骨骼，該外骨骼能夠?qū)崿F(xiàn)食指3個(gè)自由度的活動(dòng)，拇指3個(gè)自由度的活動(dòng)，并且在指端安裝有雙向力傳感器在手指的抓握物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生力學(xué)反饋?zhàn)饔肹14]。2010年日本東京工業(yè)大學(xué)研制的手部外骨骼使用肌電控制模式，通過(guò)氣動(dòng)橡膠肌肉來(lái)驅(qū)動(dòng)手指的活動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)手部10個(gè)自由度的活動(dòng)[15]。2015年美國(guó)伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的科研人員發(fā)現(xiàn)利用手部外骨骼對(duì)患者的患手進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，能夠明顯提高患手的活動(dòng)范圍及靈活度，具有較好的康復(fù)訓(xùn)練效果[3]。

近年來(lái)，我國(guó)手部外骨骼的研究也取得了一些進(jìn)展，在外骨骼的位置控制及活動(dòng)自由度等方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2008年研制的針對(duì)食指康復(fù)訓(xùn)練的手部外骨骼可以實(shí)現(xiàn)食指彎曲伸展、內(nèi)收外展等動(dòng)作，在該外骨骼上安裝有多種位置傳感器和壓力傳感器，能夠保障外骨骼的正常運(yùn)行和手指的安全[7,16]。南京大學(xué)2009年報(bào)道的手部外骨骼是一種針對(duì)單個(gè)手指的康復(fù)訓(xùn)練裝置，該外骨骼通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。在外骨骼的傳動(dòng)裝置上安裝有4個(gè)位置傳感器，在外骨骼與手指的接觸點(diǎn)上具有雙向的力學(xué)傳感器，利用該外骨骼可以直接進(jìn)行單手指的康復(fù)訓(xùn)練或在虛擬端進(jìn)行虛擬控制訓(xùn)練[17]。北京航天航空大學(xué)2011年報(bào)道的手外骨骼主要針對(duì)食指和拇指進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，在外骨骼的每個(gè)指關(guān)節(jié)處都裝有角度傳感器，控制外骨骼的動(dòng)作，在指端裝有力學(xué)傳感器，可以進(jìn)行力學(xué)的虛擬反饋，該外骨骼可以模擬食指和拇指各自4個(gè)自由度的活動(dòng)[18-19]。

3 手外骨骼的結(jié)構(gòu)及控制模式

目前手部外骨骼的研究逐漸增多。不同的外骨骼在控制模式、傳感器、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)模式及其實(shí)現(xiàn)的功能等方面各有不同。目前常見(jiàn)的手外骨骼，見(jiàn)表1。

表1 目前常見(jiàn)的手外骨骼

3.1 手外骨骼的控制模式

目前對(duì)于手部外骨骼的控制模式主要可分為3大類：① 主從控制模式；② 生物電控制模式；③ 預(yù)先設(shè)定模式。傳感器是對(duì)手外骨骼的控制模式的重要反饋，能夠保障外骨骼功能的實(shí)施及手指的安全。

3.1.1 主從控制模式

主從控制模式中手部外骨骼分別位于“主動(dòng)手”和“從動(dòng)手”上，“主動(dòng)手”的操縱帶動(dòng)其上外骨骼的活動(dòng)，與此同時(shí)位于“從動(dòng)手”上的外骨骼重復(fù)主動(dòng)手上外骨骼的活動(dòng)軌跡，從而帶動(dòng)從動(dòng)手的活動(dòng)。在中風(fēng)后手部的康復(fù)訓(xùn)練中以未受影響的手為主動(dòng)手，以患手為從動(dòng)手，主動(dòng)手的活動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)手的活動(dòng)，以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。日本東京大學(xué)的H.Yamaura等研制的手部康復(fù)外骨骼中就使用了該模式，在主動(dòng)手的控制模塊中安裝了位置傳感器，主動(dòng)手手指的活動(dòng)帶動(dòng)其上位置傳感器的活動(dòng)，位置傳感器將手指的運(yùn)動(dòng)軌跡傳輸給從動(dòng)手外骨骼的控制電機(jī)，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)手手指的活動(dòng)，進(jìn)而協(xié)助患手完成手指的伸展和彎曲動(dòng)作[29-30]。日本岐阜大學(xué)H.Kawasak等2007年研制的針對(duì)手部功能康復(fù)使用的手部外骨骼也是主從式控制，相較于其他的手部康復(fù)外骨骼而言，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)手部18個(gè)自由度的活動(dòng)，同時(shí)該外骨骼通過(guò)力傳感器檢測(cè)手指和外骨骼之間的相互作用力，對(duì)手指能夠起到保護(hù)作用，但是該外骨骼的體積較大，重量較沉，患者的使用舒適度不佳[20,31]。日本九州大學(xué)的Jumpei等2014年研制的橡膠手也是一種主從控制的手部外骨骼，在主動(dòng)手外骨骼上安裝有角度和位移傳感器，通過(guò)測(cè)定主動(dòng)手手指位移的變化來(lái)控制從動(dòng)橡膠手手指位移的改變，該設(shè)備的從動(dòng)裝置也能夠作為手部外骨骼控制手指的活動(dòng)[32]。研究表明，中風(fēng)后雙手的同時(shí)康復(fù)訓(xùn)練與單手康復(fù)訓(xùn)練相比，手指活動(dòng)的協(xié)調(diào)性會(huì)更好，手指活動(dòng)的幅度明顯增大[21]。因此主從模式的訓(xùn)練可能對(duì)中風(fēng)后患者的治療具有較好的應(yīng)用前景。

3.1.2 生物電控制模式

生物電信號(hào)控制模式首先是外骨骼從機(jī)體的腦部或手部獲得肌肉活動(dòng)的生物電信號(hào)，通過(guò)對(duì)生物電信號(hào)的分析獲得手指動(dòng)作的意圖，進(jìn)而將指令傳輸給手部外骨骼的控制電機(jī)，通過(guò)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)患手的活動(dòng)。Benjuya等于1990年首先研制出了一種能夠利用手部肌電信號(hào)控制的手部矯形器，但該矯形器只能對(duì)手指實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的動(dòng)作[33]。德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)于2006年研制的依靠肌電信號(hào)控制的手部外骨骼，該外骨骼有16個(gè)關(guān)節(jié)，能控制除拇指外的其他4個(gè)手指的16個(gè)自由度的活動(dòng)[34]。香港理工大學(xué)2011年研制的手部康復(fù)訓(xùn)練外骨骼是通過(guò)檢測(cè)拇指短肌和伸指總肌的肌電信號(hào)來(lái)控制外骨骼的伸展和彎曲動(dòng)作。該手部外骨骼能按照使用者肌電圖信號(hào)的強(qiáng)弱設(shè)定控制閾值，研究者對(duì)8個(gè)中風(fēng)受試者每周進(jìn)行3～5個(gè)周期的訓(xùn)練，總共完成20個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，研究者發(fā)現(xiàn)患者的手部運(yùn)動(dòng)功能得到了明顯提高[35]。Jimson等在2013年完成一種依靠手部肌肉肌電控制的手部外骨骼系統(tǒng)，本研究中研究者首先用角位移傳感器測(cè)定分析正常手指在彎曲和伸展一定角度時(shí)的肌電信號(hào)，通過(guò)正常手活動(dòng)的肌電信號(hào)控制中風(fēng)患者患手手部外骨骼的彎曲和伸展的角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)患手的康復(fù)訓(xùn)練[36]。德國(guó)的Soekadar等研制的手部康復(fù)輔助外骨骼是利用腦電信號(hào)與眼部肌電信號(hào)的共同作用控制的，研究者發(fā)現(xiàn)該控制模式能夠增強(qiáng)患者利用手部外骨骼輔助患者進(jìn)行日常操作的適應(yīng)性[37]。生物電信號(hào)控制的外骨骼因?yàn)槠淇刂颇Ｊ接缮镫娦盘?hào)控制符合人體的生理機(jī)能，因此是一種很有應(yīng)用前景的控制模式，但也有其局限性，由于生物電檢測(cè)是非創(chuàng)傷性的，而控制手部活動(dòng)的肌肉相互之間是互相重疊的，因此無(wú)法對(duì)手指活動(dòng)的所有肌肉或腦部的信號(hào)進(jìn)行采集及分析鑒別，因此外骨骼動(dòng)作的靈活性會(huì)受限制。

3.1.3 預(yù)先設(shè)定及虛擬觸覺(jué)交互控制模式

預(yù)先設(shè)定控制模式是目前研究較多的外骨骼控制模式。預(yù)先設(shè)定是指在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)已預(yù)先設(shè)定好外骨骼的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)外骨骼的活動(dòng)帶動(dòng)手部的活動(dòng)[9]。該模式能夠提高患者訓(xùn)練的趣味性，增加患者主動(dòng)參與的主動(dòng)性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的手部外骨骼系統(tǒng)[16]以及北航的手部外骨骼系統(tǒng)[19]都采用了預(yù)先設(shè)定的控制模式。Sergei等的手部外骨骼系采用了預(yù)設(shè)定控制模式，在康復(fù)訓(xùn)練中通過(guò)虛擬端設(shè)備模擬手部的彎曲動(dòng)作、彈琴及力量測(cè)試等任務(wù)。研究者選擇了8位中風(fēng)后手部功能損傷的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練后，研究者發(fā)現(xiàn)受試者手指的活動(dòng)范圍和活動(dòng)速度均有所提高，在臨床測(cè)試中患者完成任務(wù)的時(shí)間有明顯降低[38]。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的手部外骨骼也是預(yù)設(shè)定控制模式，其利用手部外骨骼的虛擬端進(jìn)行日常生活用品的操作任務(wù)訓(xùn)練，如倒水、取食等任務(wù)，訓(xùn)練1個(gè)月后6名受試者虛擬操作的能力增強(qiáng)，臨床檢測(cè)也顯示患者手指的靈活性增強(qiáng)[3]。預(yù)設(shè)定模式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)手部活動(dòng)的控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定可靠，且重復(fù)性好，但缺點(diǎn)是該模式的動(dòng)作固定，患者手指的活動(dòng)是一種被動(dòng)活動(dòng)過(guò)程，降低了患者參與康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)參與性。

3.2 傳感器對(duì)手外骨骼的控制反饋

傳感器是手外骨骼控制反饋的重要組成部件，其不僅能夠調(diào)控反映外骨骼完成動(dòng)作的狀態(tài)而且能夠保障手指的安全。隨著手外骨骼功能的越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行外骨骼進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器的類型和功能也在增多。功能簡(jiǎn)單的手外骨骼只含有一種傳感器，如日本東京大學(xué)H.Yamaura等研發(fā)的手外骨骼系統(tǒng)只含有1個(gè)位置傳感器，該外骨骼的缺點(diǎn)是沒(méi)有壓力傳感器，無(wú)法檢測(cè)手外骨骼對(duì)手指的施力情況，容易造成手指的損傷[34]。常規(guī)手外骨骼有2種傳感器，位置傳感器和壓力傳感器，其中位置傳感器可以監(jiān)控外骨骼的活動(dòng)位置，也可以檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；壓力傳感器可以檢測(cè)外骨骼對(duì)手指所受的壓力，也可以監(jiān)測(cè)動(dòng)力傳動(dòng)裝置對(duì)外骨骼所施加的力量。功能更復(fù)雜的的手外骨骼會(huì)含有多種類型的傳感器，如柏林大學(xué)研制的通過(guò)肌電模式控制的手外骨骼含有5種不同的傳感器，分別是兩種角度測(cè)量傳感器、壓力傳感器、肌電描記器傳感器和電流傳感器。在該手外骨骼中肌電描記器傳感器通過(guò)從控制手部活動(dòng)的肌肉中獲取肌電信號(hào)來(lái)控制手外骨骼的活動(dòng)；兩種角度測(cè)量傳感器分別通過(guò)測(cè)量外骨骼的活動(dòng)角度和驅(qū)動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)的電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)監(jiān)控外骨骼的活動(dòng)位置；在外骨骼每個(gè)手指都有6個(gè)壓力傳感器，分別位于手指指節(jié)與手外骨骼接觸的部位的上方和下方，可以監(jiān)測(cè)手外骨骼對(duì)手指所施加的壓力。電流傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)手外骨骼活動(dòng)的電機(jī)中的電流，通過(guò)對(duì)電流的分析可以獲得電機(jī)扭矩的變化進(jìn)而也可以推算出電機(jī)對(duì)外骨骼所施加的力量[39]。傳感器的使用使得手外骨骼的控制更加精細(xì)，使用更加安全。

3.3 手外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)模式

外骨骼是固定于手部的驅(qū)動(dòng)手指活動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，由于手部的骨骼多且小，因此手部外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，目前常見(jiàn)的手部外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是連桿裝置、滑輪機(jī)構(gòu)及齒輪裝置等。直流電機(jī)系統(tǒng)控制的驅(qū)動(dòng)裝置和氣動(dòng)系統(tǒng)控制的驅(qū)動(dòng)裝置是目前手部外骨骼活動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源。

3.3.1 連桿裝置

連桿裝置是外骨骼的結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的應(yīng)用機(jī)構(gòu)。L.Turki等在1995年研制的手部外骨骼就是一種由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)組成的的手部外骨骼，該外骨骼能夠?qū)崿F(xiàn)人手的14個(gè)自由度[24]，四連桿機(jī)構(gòu)手外骨骼結(jié)構(gòu)[20]，見(jiàn)圖1。T.Kitada等在1997年研制的手部外骨骼是一種連桿裝置的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的，該外骨骼能夠完成20個(gè)自由度的活動(dòng)[10]。意大利米蘭大學(xué)2005年時(shí)研制的手康復(fù)外骨骼[40]，是通過(guò)連桿裝置將四個(gè)手指固定在一起，由直流電機(jī)帶動(dòng)手指的活動(dòng)。Frisoli等于2007年研制的食指康復(fù)外骨骼是一種六連桿裝置，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)外骨骼的伸展活動(dòng)帶動(dòng)食指的運(yùn)動(dòng)[41]。我國(guó)南京大學(xué)2009年研制的觸覺(jué)虛擬交互模式的外骨骼是連桿結(jié)構(gòu)的，該外骨骼通過(guò)一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)與手指相連，由氣動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)外骨骼的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)手指的運(yùn)動(dòng)[17]。北京航空航天大學(xué)2012年報(bào)道的針對(duì)食指康復(fù)的手部外骨骼是基于連桿裝置構(gòu)成的，通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)其能夠?qū)崿F(xiàn)食指全部4個(gè)自由度的活動(dòng)[42]。Nasi?owski等2014年設(shè)計(jì)的一種手部外骨骼通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)控制手指活動(dòng)[43]。連桿裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，活動(dòng)靈活，但是連桿裝置在手指自由度實(shí)現(xiàn)方面往往受到限制，且連桿裝置的外骨骼體積相對(duì)較大。

圖1 四連桿機(jī)構(gòu)手外骨骼結(jié)構(gòu)[20]

3.3.2 滑輪機(jī)構(gòu)和齒輪裝置

在手部的外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，滑輪機(jī)構(gòu)[13]（圖2）和齒輪裝置[24]（圖3）也是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。A.Chiri等設(shè)計(jì)的手部外骨骼是通過(guò)滑輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的，在該外骨骼中直流電機(jī)通過(guò)纜線帶動(dòng)外骨骼上滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)手指的活動(dòng)[28]。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研制的食指外骨骼由4個(gè)滑輪機(jī)構(gòu)組成，其中3個(gè)控制食指的彎曲伸展活動(dòng)，一個(gè)滑輪控制食指的內(nèi)收和外展活動(dòng)，每個(gè)滑輪機(jī)構(gòu)都各有一個(gè)直流電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力[44]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在2008年研制的手部外骨骼是基于齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而控制手指活動(dòng)的外骨骼，每個(gè)指關(guān)節(jié)的活動(dòng)都有一個(gè)扇形齒輪和正齒輪控制，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手指的彎曲和伸展活動(dòng)，齒輪的活動(dòng)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)手指2個(gè)自由度的活動(dòng)[16]。Loureiro等報(bào)道的手部外骨骼系統(tǒng)能夠控制拇指和其他4個(gè)手指的活動(dòng)，其外骨骼的活動(dòng)是基于齒輪和螺紋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)帶動(dòng)螺紋的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)外骨骼的活動(dòng)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)手指3個(gè)自由度的活動(dòng)[45]。Worsnopp等設(shè)計(jì)的手外骨骼是以食指康復(fù)訓(xùn)練為目的，在該裝置中使用了線傳動(dòng)的正齒輪和扇形齒輪機(jī)構(gòu)，該外骨骼能夠模擬食指的3個(gè)自由度的活動(dòng)[13]。東京大學(xué)2005年研制的手部外骨骼也是由齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，在該外骨骼系統(tǒng)中研究者使用了條形齒輪和扇形齒輪，通過(guò)直流電機(jī)帶動(dòng)2種齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)手部實(shí)現(xiàn)彎曲伸展的動(dòng)作[46]?；喓妄X輪裝置在手外骨骼自由度的實(shí)現(xiàn)方面具有一定的優(yōu)越性，但是其活動(dòng)速度減慢且增大了外骨骼活動(dòng)的摩擦力，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力要求較高。

圖2 滑輪機(jī)構(gòu)手外骨骼結(jié)構(gòu)[13]

圖3 齒輪機(jī)構(gòu)手外骨骼結(jié)構(gòu)[24]

3.3.3 驅(qū)動(dòng)模式

直流電機(jī)是目前外骨骼系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力的主要來(lái)源，以上介紹的外骨骼系統(tǒng)主要是由直流電機(jī)提供動(dòng)力的，除此之外氣動(dòng)系統(tǒng)也是手部外骨骼常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。哈佛大學(xué)2005年研制的手部康復(fù)外骨骼的驅(qū)動(dòng)力就是由兩個(gè)氣動(dòng)桿提供的，氣動(dòng)桿的末端和手指端外骨骼通過(guò)控制桿相連，進(jìn)而氣動(dòng)桿的動(dòng)作帶動(dòng)手指的活動(dòng)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)手指彎曲和伸展2個(gè)自由度的活動(dòng)[26]。匹茲堡大學(xué)研制的食指外骨骼的驅(qū)動(dòng)力也是有氣動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)，在該裝置中氣動(dòng)桿通過(guò)線傳動(dòng)裝置與外骨骼相連，氣動(dòng)桿的活動(dòng)通過(guò)纜線的活動(dòng)帶動(dòng)手指的伸展和彎曲，該外骨骼系統(tǒng)能夠完成食指的2個(gè)自由度的活動(dòng)[23]。日本崗山大學(xué)的手部外骨骼是通過(guò)氣動(dòng)的橡膠肌肉來(lái)控制手部的活動(dòng)的，通過(guò)控制橡膠肌肉氣體的體積進(jìn)而引起橡膠肌肉的伸展和彎曲進(jìn)而帶動(dòng)手指完成6個(gè)自由度的活動(dòng)[47]。除此外羅格斯大學(xué)2002年研制的手部外骨骼[25]，南京大學(xué)2009年研制的食指外骨骼[17]都是有氣動(dòng)系統(tǒng)作為外骨骼活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力的。

4 存在的問(wèn)題及前景展望

利用手外骨骼進(jìn)行手功能的康復(fù)訓(xùn)練是一種非常有前景的康復(fù)訓(xùn)練手段，但目前手部外骨骼的應(yīng)用也存在一些問(wèn)題：① 手部外骨骼的重量及舒適度問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)手部功能的更好恢復(fù)，需要設(shè)計(jì)自由度更多、功能更強(qiáng)的手部外骨骼，而這必然會(huì)造成手部外骨骼的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積增大，重量增加，容易造成患者訓(xùn)練過(guò)程中手的不適與疲勞；② 手部外骨骼與患者手部的契合度問(wèn)題，不同患者的手具有各自的差異性，而外骨骼的設(shè)計(jì)是固定的，因此外骨骼與患手之間的契合程度也是研究者應(yīng)該考慮的問(wèn)題，契合度不好的外骨骼也會(huì)影響康復(fù)訓(xùn)練的效果，在該方面意大利的Marco等已進(jìn)行初步的探索[27]；③ 對(duì)于外骨骼康復(fù)訓(xùn)練有效性的問(wèn)題。例如如何控制手外骨骼持續(xù)使用的時(shí)間、使用的模式等，才能達(dá)到最好的康復(fù)效果。目前手功能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是通過(guò)一系列的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試問(wèn)卷來(lái)完成，外骨骼訓(xùn)練模式對(duì)手部功能恢復(fù)的有效性，能否從肌電腦電等生物電信號(hào)、手部伸展彎曲的活動(dòng)程度及力學(xué)強(qiáng)度等進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的評(píng)價(jià)，有待于進(jìn)一步研究。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步及研究的深入，手部外骨骼的功能將越來(lái)越完善，手部外骨骼作為一種手部康復(fù)輔具必將受到人們的重視。

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Research on the Development of Hand Exoskeleton as a Rehabilitation Technology

CHEN Xue-bin1, GAO Hai-peng1, LIU Wen-yong2,GAO Min1, AN Zheng1
1.Department of Medical Engineering, China-Japan Friendship Hospital, Beijing 100029, China; 2.College of Biological and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China

Hand function deficiencies have strong impact on people’s activities of daily living. Stroke is one of the most common causes of hand function deficiencies. At present the hand rehabilitation after stroke mainly depends on manual training from the medical staff. Hand exoskeleton, a technical aid that can assist the rehabilitation of hands through patients autonomous training, has caught more attention from researchers. In this review, we summarized the development of hand-exoskeleton at home and broad, and analyzed the common structures, driving patterns and control modes of hand exoskeleton, which may provide useful technical support for follow-up researches on the development of hand exoskeleton as a rehabilitation technology.

R197.39；TP242.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.02.022

1674-1633(2016)02-0086-06

2015-08-17

2015-11-30

作者郵箱：chenxuebin116@163.com

Abstract:: hand exoskeleton; rehabilitation technical aid; control modes; driving patterns; degree of freedom