引言
脑卒中( stroke) 是一种突发性脑血液循环障碍疾病。根据我国“脑卒中高危人群筛查和干预项目”的医改重大专项中期的数据调查分析，我国 40岁以上的脑卒中的患者约有 1 036 万人。在脑卒中众多后遗症中，偏瘫占很大比例。由于人手关节数量多，动作精细程度高，因此，在各类偏瘫的康复治疗中，手功能康复治疗最为困难。医学理论和实践证明，肢体损伤或偏瘫的患者为了防止肌肉废用性萎缩，必须要进行有效的肢体康复训练，而且合理的康复训练还有助于神经系统的重塑。为了让手功能障碍患者自主地进行康复训练，制作一种帮助其恢复手部运动功能的康复器械是十分必要的。
随着传感器技术、材料技术、控制技术、仿生学技术等相关领域的发展，手指康复外骨骼训练器的研究取得了很大的进展。通过对手指康复训练器的发展现状进行研究可知，国内惟一形成比较成熟产品的是香港理工大学的肌动机械手机器人，但该产品体积和重量大，无法实现便携式穿戴。国外的相关研究工作开展得比较早，技术比较成熟并形成产品的代表有意大利 IDＲOGENET 公司的智能手功能康复训练机器人 Gloreha和德国 FESTO 开发的 基 于 脑 电 信 号 控 制 的 外 骨 骼 手 机 器 人ExoHand。上述国内外的 3 个代表性的产品都属于中大型康复设备，其外设模块体形都比较大，另外它们的价格都普遍偏高，不适合家庭购买使用。
为克服现存产品的整体呈中大型设备和价格较高的问题，并能够结合日常生活辅助来提高手功能康复训练效果，本研究提出并设计一款用于脑卒中患者日常生活辅助使用的轻型化外骨骼式手功能训练器。
本研究的目标是研制一款轻便型外骨骼手功能康复训练器，主要适用的对象是具有手功能障碍的脑卒中患者，该类患者穿戴所设计的轻型化外骨骼手功能训练器可以随时随地进行手部康复训练，从而达到手功能部分或全部恢复的效果。外骨骼手功能训练器在满足适合患者手穿戴训练功能的前提下，通过优化结构、选用合适材料等手段尽可能的减轻机械结构的整体重量，从而减轻患者佩戴训练时的承重负担。本研究主要对轻型化外骨骼手功能康复训练器的穿戴式仿生结构进行设计，并完成手指仿生结构的运动仿真分析，以及在实验样机上进行正常人的穿戴实验与关节活动度实验。
1 手指运动仿生机构设计
所研究的轻型化外骨骼手功能康复训练器，其机械机构最基本的功能是能完成驱动手指各关节在一定活动范围内进行屈伸运动，在此基础上外骨骼手功能训练器还要适合患者穿戴进行康复训练。
为简化结构及降低手功能训练器整体的重量，将设计的轻型化外骨骼手功能训练器将分为拇指运动仿生机构和四指运动仿生机构，其中拇指运动仿生机构通过一个电机单独驱动拇指进行康复训练，四指运动仿生机构通过另外一个电机驱动四指同步进行康复训练。
对于拇指掌骨关节和四根手指的近端指间关节，其康复训练均采用指背式的滑槽仿生机构实现该处关节的屈伸运动，如图 1 所示。同时设计近节指骨驱动件与近节指骨的指背贴合并由柔性带连接，中节指骨驱动件与中指指骨的指背贴合也由柔性带连接，以保证患者手指良好的随动性。对于拇指运动仿生机构，仅需一个电机与一个关节仿生机构相连，实现拇指掌骨关节的屈伸运动。对于四指运动仿生机构，采用拟合直线的方法取一条近似通过四指各掌指关节转动中心的直线作为四指掌指关节的共同转轴，该机构的转轴与四指掌指关节的拟合转轴同轴。同时，将四指近节指骨驱动件与 4 个关节仿生机构相连，实现 4 根手指的掌指关节与近端指间关节的同步联动屈伸运动。
因而对于四指运动仿生机构，只需一个电机就能驱动四个手指实现屈伸运动，大大降低了设计的轻型化外骨骼手功能训练器的重量和体积。四指掌骨关节训练仿生机构如图 2 所示。由图 2 可以看出，由于四指运动仿生机构均与四指近节指骨驱动件相连，因而 4 根手指运动的结构及范围完全相同。为确定单个手指运动的稳定性，以驱动食指运动的仿生关节结构为例来计算其自由度。食指运动仿生结构的结构简图如图 3所示。在图 3 中，CD 构件为电机减速机构的输出件，CD 是绕 C 点在平面内旋转的构件。该机构中活动构件数为 7 个，低副数为 10 个，高副数为 0 个。计算食指运动仿生机构的自由度的表达式为:F = 3n － 2PL－ PH= 3 × 7 － 2 × 10 = 1式中，F 为平面机构自由度，n 为平面机构中活动构件的数量，PL为平面机构中低副的数量，PH为平面机构中高副的数量。通过计算可知，食指运动仿生机构只有一个自由度，具有稳定的运动，因而五根手指在两个电机的驱动下均有稳定的运动。
2 手指仿生机构运动仿真分析
为验证所设计的轻型化外骨骼手功能训练器的抓握运动符合正常人手抓握运动规律，利用SolidWorks 中的 motion 模块，进行手功能训练器抓握运动的运动仿真。运动仿真分析以食指运动仿生机构作为研究对象，提取机构中食指掌指关节和近节指间关节的运动仿真曲线，并同摆线运动规律表示的角位移曲线和 3 － 4 － 5 多项式运动规律表示的角位移曲线作对比，从而验证其结构的高度仿生性设计。由于每个人手指长短不同，研究手指标记点的运动轨迹并不能代表大部分人手指的运动规律，因而仿真分析合理的采用了食指的掌骨关节和近端指间关节的角位移作为比较对象。
设定食指近节指骨长度为 L1，中节指骨长度为 L2，远节指骨长度为 L3，掌指关节的转角为 θ1、近端指间关节的转角为 θ2，远端指间关节的转角为 θ3，并建立了食指运动分析模型，如图 4 所示。摆线运动规律研究角位移方法和 3 －4 －5 多项式运动规律研究角位移方法具有的共同特征是两者所表示的角位移轨迹均为随时间周期的从 0 开始以 0 结束、无刚性冲击和柔性冲击的连续无突变曲线。这两种运动规律与人类手指关节屈伸运动的特征基本一致，是目前研究手指运动规律普遍认可的对照规律。
角位移按摆线运动规律随时间变化表示为【1】
角位移按 3 －4 －5 多项式运动规律随时间变化表示为【2】
式中，θ0为关节运动的最大角度，t 为时间变量，t0为角位移完成一次从 0 到最大角位移 θ0的时间。
将食指运动仿生机构简化模型在 SolidWorksmotion 中进行仿真分析，设定 t0= 2. 5 s。得到对应食指仿真分析模型中掌指关节角位移 θ1和近端指间关节角位移 θ2的时间 － 角位移曲线。根据仿真数据，食指在 t =0 s 时，θ1= 10. 18，θ2= 0. 12，因此，式( 1) 和式( 2) 相应的调整为【3-6】
式中，θa和 θb为分别按角位移按摆线运动规律和 3－ 4 － 5 多项式运动规律得到的掌指关节运动角度，θ'a和 θ'b为分别按角位移按摆线运动规律和3 －4 －5 多项式运动规律得到的近端指间关节运动角度。
将仿真分析得到的掌指关节时间 t － 角位移 θ1曲线与式( 3) 表示的摆线运动规律曲线和式( 4) 表示的多项式运动规律曲线进行对比，得到如图 5 所示对比图; 将近端指间关节时间 t － 角位移 θ2曲线与式( 5) 表示的摆线运动规律曲线和式( 6) 表示的多项式运动规律曲线进行对比，得到如图 6 所示的对比图。由图 5、6 可以看出，食指运动仿生机构的掌指关节和近端指间关节的角位移曲线与摆线运动规律曲线，以及 3 －4 － 5 多项式运动规律曲线吻合度较好。因此，本文设计的手指运动仿生机构能很好的模拟人类抓握动作过程的关节运动规律，该机构具有良好的穿戴式外骨骼仿生性。
3 样机实验结果
在完成手指运动仿生机构设计和仿真验证后，根据对 18 ～26 岁的正常成年人手指测量实验并结合 GB 正常成年人手部尺寸，研制了轻型化外骨骼手功能训练器实验样机，该实验样机适用于 90% 的由脑卒中导致的手功能障碍患者。实验样机整体重量仅约为 450 g，非常轻便。为了防止机械结构对患者手部造成摩擦或者其它因素损伤，设计采用一层生物相容性材料内衬垫间接使训练器与患者手部相连，同时设计有弹性的棉质绑带将训练器固定在手功能障碍患者的手上。利用该样机在正常人手上进行穿戴实验和关节活动度测量实验来验证其可穿戴性和仿生性。
( 1) 穿戴实验手指穿戴实验是研究所设计的外骨骼式手功能康复训练器的实验样机对人手的适应性，主要研究外骨骼手功能训练器在伸直状态和握紧状态两个极限位置时，5 根手指对轻型化外骨骼手功能训练器的适应性。图 7 为实验者的手指伸直/握紧状态图。
( 2) 关节活动度测量实验关节活动度测量实验主要是为了得到患者穿戴该训练器后，手指的掌指关节和近端指间关节能达到的最大角度。由于拇指运动仿生机构和四指运动仿生机构均是通过关节仿生机构来实现，且四指运动仿生机构具有同步联动性，因而选用能方便观察的食指运动仿生关节作为测量对象。在外骨骼手功能训练器的食指侧连接铰链、四指近节指骨驱动件连接件、食指近节指骨驱动件和食指中节指骨驱动件四个零件的对应位置上做了红色标记线，来获得食指掌指关节最大屈曲角度 α 和食指近端指间关节最大屈曲角 β 的角度值，图 8 是训练器上标记线位置及测量角注视图。实验者穿戴外骨骼手功能训练器进行 5 次抓握运动，利用照相机拍取每次运动四指屈曲最大位置的图片。通过图片处理，可以得到实验者 5 次屈伸运动α 和 β 的角度值，如表 1 所示。【表1】
4 讨论和结论
由手指穿戴实验可以看出，所设计的轻型化外骨骼手功能训练器具有良好的仿生性和可穿戴性。
内衬垫和可调节松紧程度的弹性棉质绑带既保证了训练器穿戴方便可靠，又使佩戴更具舒适性。合适宽度、厚度和松紧程度的弹性棉质绑带保证了佩戴的松紧度且对手指康复训练负面影响很小，使得各个手指可以灵活转动。手指也不会因为弹性棉质绑带绷紧影响手指血液循环。整个外骨骼手功能训练器通过弹性棉质材料与人手连接，在佩戴时既可以满足患者对舒适性的要求，也不会因为金属材料与人手皮肤接触造成皮肤损伤，很好解决了外骨骼手功能训练器与人手的穿戴配合。
根据人体生理学参数可知，人体手指掌指关节和食指近端指间关节的最大屈曲角度约为 90 °。由手指抓握运动学仿真分析得到食指运动仿生机构的掌指关节的最大屈曲角度为 68. 5 °，近端指间关节最大屈曲角度为 65 °。由关节活动度测量实验得到的表 1 可知，佩戴轻型化外骨骼手功能训练器的实验者，其食指运动仿生机构的掌指关节最大屈曲角度和食指近端指间关节最大屈曲角度，与运动仿真数据十分接近且在理论范围之内，验证了所设计的轻型化外骨骼手功能训练器的可行性及合理性。
本研究通过对手指运动仿生机构设计，实现了对轻型化外骨骼式手功能训练器的结构设计，并试制了实验样机。对手指运动仿生机构的抓握运动进行仿真分析，验证了本文设计得轻型化外骨骼手功能训练器的运动符合正常人手抓握运动规律。
在实验样机上进行穿戴实验和关节活动度测量实验，结果表明，本文研制的轻型化外骨骼手功能训练器具有很强的仿生性，安全可靠，适合手功能障碍患者穿戴进行手部康复训练。本研究还将在样机的基础上，进一步进行电气方面软、硬件设计，实现其自动控制，并尽早投入临床实验，为更好的帮助手功能障碍患者完成手部的康复做出贡献。【图略】
参考文献
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