综 述 REVIEW 手外骨骼康复技术研究进展 Research on the Development of Hand Exoskeleton as a Rehabilitation Technology 1 1 2 [摘 要] 手功能损伤严重影响人们的日常生活,中风是引起手部功能损伤的重要原因。目前对中风 陈学斌 ,高海鹏 ,刘文勇 , 1 1 后患手功能恢复主要依赖于医护人员的手动训练,手部外骨骼作为一种手部功能自主训练的康复 高敏 ,安峥 1.中日友好医院 医学工程处,北京 辅具逐渐受到关注。本文总结了手部外骨骼的国内外研究进展,分析了目前手部外骨骼常见的结 100029;2.北京航空航天大学 生物与 构组成、驱动模式及控制模式等,以期对手部外骨骼的康复技术发展提供一些技术支持。 医学工程学院,北京 100191 [关键词] 手外骨骼;康复辅具;控制模式;驱动模式;自由度 Hand function deficiencies have strong impact on people’s activities of daily living. Stroke is Abstract: 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 1 from researchers. In this review, we summarized the development of hand-exoskeleton at home and CHEN Xue-bin , 1 broad, and analyzed the common structures, driving patterns and control modes of hand exoskeleton, GAO Hai-peng , 2 1 which may provide useful technical support for follow-up researches on the development of hand LIU Wen-yong , GAO Min , 1 exoskeleton as a rehabilitation technology. AN Zheng hand exoskeleton; rehabilitation technical aid; control modes; driving patterns; degree of freedom 1.Department of Medical Engineering, Key words: China-Japan Friendship Hospital, Beijing 100029, China; 2.College of Biological [中图分类号] R197.39;TP242.6 [文献标志码] A doi j issn and Medical Engineering, Beihang :10.3969/ . .1674-1633.2016.02.022 University, Beijing 100191, China [文章编号] 1674-1633(2016)02-0086-06 [3] 的康复训练能够明显提高中风后患者手部功能的恢复 。 0 前言 本文从中风后手部功能损伤及康复治疗方式为切入点,从 中风是导致人类死亡的主要原因,更是导致患者致残 手外骨骼的结构及控制模式等方面介绍了目前国内外手外 的首要原因。手功能损伤在中风后幸存患者中较为常见, 骨骼的研究现状及存在的问题。 中风后为恢复手的功能需要患者进行高强度持续性的康复 训练。研究显示持续高强度的重复训练可以提高中风后患 1 手部功能损伤及康复训练 [1] 者手部肌肉的力量,有助于手部功能的恢复 。目前对手 功能的康复治疗主要是依靠医护人员的手动治疗方式,手 1.1 手部功能损伤及康复治疗需求 外骨骼这种既能满足患者康复治疗的需求,又能使患者自 手是人体重要的组成器官,人手由 27 块骨骼组成, 主进行康复训练的康复训练装置引起了人们的关注。 可以实现 20 个自由度的活动。食指、中指、无名指和小 手部外骨骼是一种固定于人手上的主动控制的机械驱 指由 3 个关节组成,分别是远端指关节、近端指关节和指 动系统,能够带动手指同步活动,而手指和外骨骼受力运 掌关节,这 3 个关节能够实现伸展、弯曲 2 个自由度,指 [2] 动的过程是互相反馈,相互变换的 。手部外骨骼可以协 掌关节还能够实现内收和外展 2 个自由度。拇指也是有 3 助患者进行重复性的手指康复训练,在此过程中手部外骨 个关节组成,分别是指关节、指掌关节和腕掌关节,其中 骼可以通过不同的控制模式带动手指实现不同自由度的动 指关节和指掌关节能够完成伸展和弯曲 2 个自由度,腕掌 作以达到康复训练的目的。研究显示利用手外骨骼进行手 关节同时能够实现内收和外展 2 个自由度。这样每个手指 收稿日期:2015-08-17 修回日期:2015-11-30 都能完成 4 个自由度的活动,因此人的整个手能够完成 作者邮箱:chenxuebin116@163.com 中国医疗设备 2016年第31卷 02期 VOL.31 No.02 86REVIEW 综 述 [4-5] 20 个自由度的活动 。对物体的操纵和触觉感知是人手 业机械手的研制,随着技术的进步及研究的深入,手外骨 的 2 大重要功能。 手对物体的操纵功能主要是指手在骨骼、 骼的结构和功能都经历由简单到复杂的过程。早期的手部 肌肉和神经系统的共同作用下完成对物体抓握、捏取以及 外骨骼是一种主动控制的手部矫形器,只具有 1 个自由度 [6] [12] 对精细动作控制的能力 。手部功能的损伤严重影响人们 的活动 。日本科学家 Turki 在 1995 年研制的 LRP Master 的日常生活。外力、烧伤以及疾病等多种原因都能够导致 Hand 手部外骨骼是一种远程控制的外骨骼 ,该外骨骼 的 运 [13] 人手功能的损伤,其中由于中风引起的人手功能损伤最为 动轨迹由 1 个角度传感器来测定 。1997 年日本的 Kitada [14] 常见。 等 研制的手部外骨骼可以实现多个自由度的活 动 。 同 年 世界卫生组织的报告显示全球每年新发中风患者有 美国田纳西州立大学的研究人员研制的手外骨骼可辅助宇 [15] 1500 万,其中有 500 万患者死亡,幸存者会出现失明、失 航员在电机的带动下完成抓握与伸展动作 。早期的外骨 语、半身瘫痪以及思维混乱等后遗症,其中 500 万患者会 骼设计相对简单,能够控制手部活动的自由度较少,对手 [7-8] 导致永久性的残疾,给家庭和社会造成沉重负担 。目前 指活动轨迹的控制与监控较弱。2000 年以后,手外骨骼的 中风后的康复治疗重点是对患者的步行能力和日常生活能 研究逐渐引起人们的关注,越来越多设计精密、功能完善 [16] 力中独立活动能力的训练,而往往忽略了患手和上肢功能 的的手部外骨骼被研制出来。德国的 Wege 等 研制的手 的锻炼,患手恢复的潜能无法得到充分的发挥,而患手功 部外骨骼通过手部 16 块肌肉来控制外骨骼的运动,可实现 能恢复关系到患者的预后和生活质量。据统计显示在中风 手部 20 个自由度的活动。2007 年在第十届国际康复机器 [17] 6 个月后, 有 65% 的患者患手功能缺失, 不能进行日常操作, 人大会上 ,Worsnopp 等 汇报了一种针对食指康复的手 [9] 需要进行患手手部功能的康复训练 。对患者进行手部功 部外骨骼,该设备能够模拟食指 3 个自由度的活动,且安 能的康复训练可以提高患者独立生活能力,提高患者的自 装有角度和压力传感器在保护手指的情况下能够更好的控 我认可程度,使患者更容易重新融入社会。 制外骨骼的活动。2009 年在日本举办的国际机器人与自动 [18] 1.2 手功能损伤的康复治疗方案 化大会中,Fontana 等 提出了一种针对食指和拇指功能 中风后患者手部功能的损伤状态可以分为 2 大 类 :① 手 恢复的外骨骼,该外骨骼能够实现食指 3 个自由度的活动, 指处于挛缩状态,此种情况下手部肌肉的挛缩和形态学上 拇指 3 个自由度的活动,并且在指端安装有双向力传感器 的改变导致患手一直处于弯曲状态,手指伸展肌肉无力使 在手指的抓握物体时会产生力学反馈作用。2010 年日本 手指无法伸展,这是中风后手部功能的主要表现类型 ; ② 手 东京工业大学研制的手部外骨骼使用肌电控制模式,通过 指的强制状态,此种情况下患者腕部关节的活动范围小, 气动橡胶肌肉来驱动手指的活动,能够实现手部 10 个自 [10] [19] 患手指处于伸直状态 。人手的解剖结构复杂,组织结构 由度的活动 。2015 年美国伊利诺伊大学芝加哥分校的 精密,手部功能精细,因此中风后手部功能的恢复需要长 科研人员发现利用手部外骨骼对患者的患手进行康复训 期的康复训练。目前的手部康复训练措施对医护人员的依 练,能够明显提高患手的活动范围及灵活度,具有较好的 [3] 赖程度较大,需要医护人员的手动辅助。 康复训练效果 。 鉴于目前医疗资源的限制及康复成本压力,且中风后 近年来,我国手部外骨骼的研究也取得了一些进展, 患者一般会出现行动不便等症状,因此迫切需要一种能够 在外骨骼的位置控制及活动自由度等方面都有不错的表现。 辅助患者进行手部功能训练的自主训练装置。利用手外骨 我国哈尔滨工业大学 2008 年研制的针对食指康复训练的手 骼这种康复训练装置对受损伤的手进行康复训练是一种很 部外骨骼可以实现食指弯曲伸展、内收外展等动作,在该 有前景的康复方式。手外骨骼通过模拟人手的活动带动手 外骨骼上安装有多种位置传感器和压力传感器,能够保障 [20-21] 指的活动,进而实现对患者患手的康复训练,实现手指功 外骨骼的正常运行和手指的安全 。南京大学 2009 年报 [11] 能的恢复 。根据使用功能不同可将手部外骨骼分为康复 道的手部外骨骼是一种针对单个手指的康复训练装置,该 性外骨骼和辅助性外骨骼。康复性手部外骨骼可专门用来 外骨骼通过气动系统提供动力。在外骨骼的传动装置上安 对手部进行锻炼,是以恢复手部功能为目的的一类外骨骼 ; 装有 4 个位置传感器,在外骨骼与手指的接触点上具有双 辅助性手部外骨骼是用于支持手部功能损伤的患者进行日 向的力学传感器,利用该外骨骼可以直接进行单手指的康 [22] 常手部操作的设备,辅助性手部外骨骼也可以作为康复性 复训练或在虚拟端进行虚拟控制训练 。北京航天航空 外骨骼进行使用。 大学 2011 年报道的手外骨骼主要针对食指和拇指进行康 复训练,在外骨骼的每个指关节处都装有角度传感器,控 2 目前手部外骨骼的国内外研究现状 制外骨骼的动作,在指端装有力学传感器,可以进行力学 的虚拟反馈,该外骨骼可以模拟食指和拇指各自 4 个自由 [23-24] 手部外骨骼的研发始于 20 世纪 90 年代,其来源于工 度的活动 。 中国医疗设备 2016年第31卷 02期 VOL.31 No.02 87综 述 REVIEW [26] 3 手外骨骼的结构及控制模式 显增大 。因此主从模式的训练可能对中风后患者的治疗 具有较好的应用前景。 目前手部外骨骼的研究逐渐增多。不同的外骨骼在控 3.1.2 生物电控制模式 制模式、传感器、结构、驱动模式及其实现的功能等方面 生物电信号控制模式首先是外骨骼从机体的脑部或手 [14,17,20,25-32] 各有不同。目前常见的手外骨骼,见表 1 。 部获得肌肉活动的生物电信号 ,通过对生物电信号的分析 表1 目前常见的手外骨骼 获得手指动作的意图 ,进而将指令传输给手部外骨骼的控 [12] 实现自 制电机,通过电机的运转带动患手的活动。Benjuya 等 于 名称 控制模式 结构 驱动力 由度 [25] 1990 年首先研制出了一种能够利用手部肌电信号控制的手 东京大学手外骨骼 主从控制 连杆结构 直流电机 2 [20] 柏林大学手外骨骼 肌电控制 连杆结构 直流电机 20 部矫形器 ,但该矫形器只能对手指实现一个自由度的动作 。 [26] 岐阜大学手外骨骼 主从控制 连杆结构 直流电机 18 德国柏林工业大学于 2006 年研制的依靠肌电信号控制的手 [27] AFX手外骨骼 预设定控制 齿轮结构 直流电机 3 部外骨骼 ,该外骨骼有 16 个关节 ,能控制除拇指外的其他 [28] 哈工大手外骨骼 预设定 齿轮结构 直流电机 4 [37] [29] 4 个手指的 16 个自由度的活动 。香港理工大学 2011 年研 HWARD手外骨骼 预设定 连杆装置 气缸 2 [30] Gentle/G 手外骨骼 预设定 齿轮结构 直流电机 3 制的手部康复训练外骨骼是通过检测拇指短肌和伸指总肌 [31] 匹兹堡大学手外骨骼 肌电控制 连杆装置 气缸 2 的肌电信号来控制外骨骼的伸展和弯曲动作。 该手部外骨骼 [17] HANDEXOS 手外骨骼 预设定 滑轮装置 直流电机 5 [14] 能按照使用者肌电图信号的强弱设定控制阈值 ,研究者对 8 北航手外骨骼 预设定 齿轮结构 直流电机 4 [32] 个中风受试者每周进行 3~5 个周期的训练 ,总共完成 20 个 南京大学手外骨骼 预设定 连杆装置 气缸 1 3.1 手外骨骼的控制模式 周期的运动训练后, 研究者发现患者的手部运动功能得到了 [38] [39] 目前对于手部外骨骼的控制模式主要可分为 3 大类 : 明显提高 。Ngeo 等 在 2013 年完成一种依靠手部肌肉 ① 主从控制模式 ; ② 生物电控制模式 ; ③ 预先设定模式。 肌电控制的手部外骨骼系统, 本研究中研究者首先用角位移 传感器是对手外骨骼的控制模式的重要反馈,能够保障外 传感器测定分析正常手指在弯曲和伸展一定角度时的肌电 骨骼功能的实施及手指的安全。 信号, 通过正常手活动的肌电信号控制中风患者患手手部外 3.1.1 主从控制模式 骨骼的弯曲和伸展的角度, 进而实现对患手的康复训练。德 [40] 主从控制模式中手部外骨骼分别位于 “主动手”和 “从 国的 Soekadar 等 研制的手部康复辅助外骨骼是利用脑电 动手”上, “主动手”的操纵带动其上外骨骼的活动,与此同 信号与眼部肌电信号的共同作用控制的, 研究者发现该控制 时位于 “从动手”上的外骨骼重复主动手上外骨骼的活动轨 模式能够增强患者利用手部外骨骼辅助患者进行日常操作 迹 ,从而带动从动手的活动 。在中风后手部的康复训练中以 的适应性。 生物电信号控制的外骨骼因为其控制模式由生物 未受影响的手为主动手 ,以患手为从动手 ,主动手的活动带 电信号控制符合人体的生理机能, 因此是一种很有应用前景 动从动手的活动 ,以达到康复训练的目的 。日本东京大学的 的控制模式,但也有其局限性,由于生物电检测是非创伤性 [33-34] Yamaura 等 研制的手部康复外骨骼中就使用了该模式 , 的,而控制手部活动的肌肉相互之间是互相重叠的,因此无 在主动手的控制模块中安装了位置传感器, 主动手手指的活 法对手指活动的所有肌肉或脑部的信号进行采集及分析鉴 动带动其上位置传感器的活动, 位置传感器将手指的运动轨 别,因此外骨骼动作的灵活性会受限制。 迹传输给从动手外骨骼的控制电机, 通过电机的转动带动从 3.1.3 预先设定及虚拟触觉交互控制模式 动手手指的活动 ,进而协助患手完成手指的伸展和弯曲动 预先设定控制模式是目前研究较多的外骨骼控制模式。 [35] 作 。日本岐阜大学 Kawasaki 等 2007 年研制的针对手部功 预先设定是指在进行康复训练时已预先设定好外骨骼的运 [28] 能康复使用的手部外骨骼也是主从式控制, 相较于其他的手 动路径,通过外骨骼的活动带动手部的活动 。该模式能 部康复外骨骼而言 ,该设备能够实现手部 18 个自由度的活 够提高患者训练的趣味性,增加患者主动参与的主动性。 [21] 动, 同时该外骨骼通过力传感器检测手指和外骨骼之间的相 哈尔滨工业大学的手部外骨骼系统 以及北航的手部外骨 [24] [41] 互作用力,对手指能够起到保护作用,但是该外骨骼的体积 骼系统 都采用了预先设定的控制模式。Sergei 等 的 [25] 较大 ,重量较沉 ,患者的使用舒适度不佳 。日本九州大 手部外骨骼系采用了预设定控制模式,在康复训练中通过 [36] 学的 Jumpei 等 2014 年研制的橡胶手也是一种主从控制的 虚拟端设备模拟手部的弯曲动作、弹琴及力量测试等任务。 手部外骨骼 ,在主动手外骨骼上安装有角度和位移传感器 , 研究者选择了 8 位中风后手部功能损伤的患者进行康复训 通过测定主动手手指位移的变化来控制从动橡胶手手指位 练,结果显示经过一段时间的训练后,研究者发现受试者 移的改变, 该设备的从动装置也能够作为手部外骨骼控制手 手指的活动范围和活动速度均有所提高,在临床测试中患 指的活动。研究表明, 中风后双手的同时康复训练与单手康 者完成任务的时间有明显降低。美国伊利诺伊大学的手部 复训练相比,手指活动的协调性会更好,手指活动的幅度明 外骨骼也是预设定控制模式,其利用手部外骨骼的虚拟端 中国医疗设备 2016年第31卷 02期 VOL.31 No.02 88REVIEW 综 述 [42] 进行日常生活用品的操作任务训练,如倒水、取食等任务, 利米兰大学 2005 年时研制的手康复外骨骼 ,是通过连 训练 1 个月后 6 名受试者虚拟操作的能力增强,临床检测 杆装置将四个手指固定在一起,由直流电机带动手指的活 [3] [43] 也显示患者手指的灵活性增强 。预设定模式的优点是对 动。Frisoli 等 于 2007 年研制的食指康复外骨骼是一种六 手部活动的控制简单,易于实现,稳定可靠,且重复性好, 连杆装置, 通过电机驱动外骨骼的伸展活动带动食指的运动。 但缺点是该模式的动作固定,患者手指的活动是一种被动 我国南京大学 2009 年研制的触觉虚拟交互模式的外骨骼 活动过程,降低了患者参与康复训练的主动参与性。 是连杆结构的,该外骨骼通过一个四连杆机构与手指相 3.2 传感器对手外骨骼的控制反馈 连,由气动系统提供动力来驱动外骨骼的运动,进而带动 [22] 传感器是手外骨骼控制反馈的重要组成部件,其不仅 手指的运动 。北京航空航天大学 2012 年报道的针对食 能够调控反映外骨骼完成动作的状态而且能够保障手指的 指康复的手部外骨骼是基于连杆装置构成的,通过电机的 [44] ? 安全。随着手外骨骼功能的越来越复杂,对其进行外骨骼 驱 动 其能够实现食指全部 4 个自由度的活动 。Nasi owski [45] 进行监测的传感器的类型和功能也在增多。功能简单的手 等 2014 年设计的一种手部外骨骼通过连杆机构控制手指 [33] 外骨骼只含有一种传感器,如日本东京大学 Yamaura 等 活动。连杆装置的结构简单,活动灵活,但是连杆装置在 研发的手外骨骼系统只含有 1 个位置传感器,该外骨骼的 手指自由度实现方面往往受到限制,且连杆装置的外骨骼 缺点是没有压力传感器,无法检测手外骨骼对手指的施力 体积相对较大。 连杆 1 情况,容易造成手指的损伤。常规手外骨骼有 2 种传感器, 连杆 2 位置传感器和压力传感器,其中位置传感器可以监控外骨 骼的活动位置,也可以检测电机的转动力矩 ; 压力传感器 连杆 4 可以检测外骨骼对手指所受的压力,也可以监测动力传动 连杆 3 装置对外骨骼所施加的力量。功能更复杂的的手外骨骼会 连杆结构 弯曲状态 伸展状态 含有多种类型的传感器,如柏林大学研制的通过肌电模式 [25] 图1 四连杆机构手外骨骼结构 控制的手外骨骼含有 5 种不同的传感器,分别是两种角度 测量传感器、 压力传感器、 肌电描记器传感器和电流传感器。 3.3.2 滑轮机构和齿轮装置 [17] 在该手外骨骼中肌电描记器传感器通过从控制手部活动的 在手部的外骨骼结构设计中,滑轮机构 (图 2)和 [13] [32] 肌肉中获取肌电信号来控制手外骨骼的活动 ; 两种角度测 齿轮装置 (图 3)也是常见的结构。Chiri 等 设计的 量传感器分别通过测量外骨骼的活动角度和驱动外骨骼运 手部外骨骼是通过滑轮机构进行控制的,在该外骨骼中直 动的电机的转动角度来监控外骨骼的活动位置 ; 在外骨骼 流电机通过缆线带动外骨骼上滑轮的转动进而带动手指的 每个手指都有 6 个压力传感器,分别位于手指指节与手外 活动。荷兰代尔夫特理工大学研制的食指外骨骼由 4 个滑 骨骼接触的部位的上方和下方,可以监测手外骨骼对手指 轮机构组成,其中 3 个控制食指的弯曲伸展活动,一个滑 所施加的压力。电流传感器用来监测驱动手外骨骼活动的 轮控制食指的内收和外展活动,每个滑轮机构都各有一个 [46] 电机中的电流,通过对电流的分析可以获得电机扭矩的变 直流电机提供驱动力 。哈尔滨工业大学在 2008 年研制的 [37] 化进而也可以推算出电机对外骨骼所施加的力量 。传感 手部外骨骼是基于齿轮转动而控制手指活动的外骨骼 ,每 器的使用使得手外骨骼的控制更加精细,使用更加安全。 个指关节的活动都有一个扇形齿轮和正齿轮控制,齿轮的转 3.3 手外骨骼的机械结构及驱动模式 动 带动手指的弯曲和伸展活动,齿轮的活动由直流电机驱动, [21] [47] 外骨骼是固定于手部的驱动手指活动的机械系统,由 该装置能够实现每个手指 2 个自由度的活动 。 Loureiro 等 于手部的骨骼多且小,因此手部外骨骼的结构设计相对复 报道的手部外骨骼系统能够控制拇指和其他 4 个手指的活 杂,目前常见的手部外骨骼的机械结构主要是连杆装置、 动,其外骨骼的活动是基于齿轮和螺纹结构的转动,直流电 滑轮机构及齿轮装置等。直流电机系统控制的驱动装置和气 机带动螺纹的转动进而通过齿轮驱动外骨骼的活动,该装置 [17] 动系统控制的驱动装置是目前手部外骨骼活动的动力来源。 能够实现手指 3 个自由度的活动 。Worsnopp 等 设计的手 3.3.1 连杆装置 外骨骼是以食指康复训练为目的,在该装置中使用了线传动 连杆装置是外骨骼的结构中最常见的应用机构。Turki 的正齿轮和扇形齿轮机构,该外骨骼能够模拟食指的 3 个自 [13] 等 在 1995 年研制的手部外骨骼就是一种由直流电机驱 由度的活动 。东京大学 2005 年研制的手部外骨骼也是由齿 动 的四连杆机构组成的的手部外骨骼 ,该外骨骼能够实现 轮机构构成的,在该外骨骼系统中研究者使用了条形齿轮和 [25] 人手的 14 个自由度 ,四连杆机构手外骨骼结构 ,见图 1 。 扇形齿轮,通过直流电机带动 2 种齿轮的转动进而带动手部 [14] [48] Kitada 等 在 1997 年研制的手部外骨骼是一种连杆装置的曲 实现弯曲伸展的动作 。滑轮和齿轮装置在手外骨骼自由 柄滑块结构的,该外骨骼能够完成 20 个自由度的活动。意 大 度的实现方面具有一定的优越性,但是其活动速度减慢且增 中国医疗设备 2016年第31卷 02期 VOL.31 No.02 89综 述 REVIEW 大了外骨骼活动的摩擦力,对驱动电机的驱动力要求较高。 问 题 :① 手部外骨骼的重量及舒适度问题,为实现手部 功能的更好恢复,需要设计自由度更多、功能更强的手部 外骨骼,而这必然会造成手部外骨骼的结构复杂,体积增 大, 重量增加, 容易造成患者训练过程中手的不适与疲劳; ② 手 部外骨骼与患者手部的契合度问题,不同患者的手具 指掌关节滑轮 有各自的差异性,而外骨骼的设计是固定的,因此外骨骼 与患手之间的契合程度也是研究者应该考虑的问题,契合 度不好的外骨骼也会影响康复训练的效果,在该方面意大 近指关节滑轮 [31] 利的 Marco 等已进行初步的探索 ;③ 对于外骨骼康复训 远指关节滑轮 练有效性的问题。例如如何控制手外骨骼持续使用的时间、 [17] 图2 滑轮机构手外骨骼结构 使用的模式等,才能达到最好的康复效果。目前手功能评 价标准主要是通过一系列的标准测试问卷来完成,外骨骼 指掌模块 训练模式对手部功能恢复的有效性,能否从肌电脑电等生 近指关节模块 物电信号、手部伸展弯曲的活动程度及力学强度等进行实 远指关节模块 时有效的评价,有待于进一步研究。相信随着技术的进步 及研究的深入,手部外骨骼的功能将越来越完善,手部外 骨骼作为一种手部康复辅具必将受到人们的重视。 锥齿轮 [参考文献] [1] Taub E,Miller NE,Novack TA,et al.Technique to improve chronic motor deficit after stroke[J].Arch Phys Med Rehabil,1993, 直流电机 锥齿轮 74(4):347-354. [13] 图3 齿轮机构手外骨骼结构 [2] DIEM.State-of-the-Art of hand exoskeleton systems[D]. Università diBologna,2011. 3.3.3 驱动模式 [3] Tsoupikova D,Stoykov NS,Corrigan M,et al.Virtual immersion 直流电机是目前外骨骼系统驱动力的主要来源,以上 for post-stroke hand rehabilitation therapy[J].Ann Biomed 介绍的外骨骼系统主要是由直流电机提供动力的,除此之 Eng,2015,43(2):467-477. 外气动系统也是手部外骨骼常见的驱动动力。哈佛大学 [4] Schmidt,Hans-Martin,Lanz,et al.Surgical anatomy of the 2005 年研制的手部康复外骨骼的驱动力就是由两个气动杆 hand[M].Thieme,2003. 提供的,气动杆的末端和手指端外骨骼通过控制杆相连, [5] Buchholz B,Armstrong TJ.A kinematic model of the 进而气动杆的动作带动手指的活动,该装置能够实现手指 [30] human hand to evaluate its prehensile capabilities[J].J 弯曲和伸展 2 个自由度的活动 。匹兹堡大学研制的食指 Biomech,1992,25(2):149-162. 外骨骼的驱动力也是有气动系统通过,在该装置中气动杆 [6] Flanagan JR,Johansson RS.Hand Movements[M].Encyclopedia 通过线传动装置与外骨骼相连,气动杆的活动通过缆线的 of the human brain,2002:399-414. 活动带动手指的伸展和弯曲,该外骨骼系统能够完成食指 [27] [7] WHO.The Atlas of Heart Disease and Stroke[EB/OL].http:// 的 2 个自由度的活动 。日本岗山大学的手部外骨骼是通 www.who.int/cardiovascular_diseases/resources/atlas/en/. 过气动的橡胶肌肉来控制手部的活动的,通过控制橡胶肌 [8] Bruce H,Dobkin MD.Rehabilitation after Stroke[J].N Engl J 肉气体的体积进而引起橡胶肌肉的伸展和弯曲进而带动手 [49] Med,2005,352:1677-1684. 指完成 6 个自由度的活动 。除此外罗格斯大学 2002 年 [29] [9] Kwakkel G,Kollen BJ,van der Grond J,et al.Probability of regaining 研制的手部外骨骼 ,南京大学 2009 年研制的食指外骨 [22] dexterity in the flaccid upper limb:impact of severity of paresis and 骼 都是有气动系统作为外骨骼活动的驱动力的。 time since onset in acute stroke[J].Stroke,2003,34:2181-2186. 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