手外骨骼康复技术研究进展[1]

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：[e-mail]
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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 。
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[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
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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
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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]
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[13]
图3 齿轮机构手外骨骼结构
[2] DIEM.State-of-the-Art of hand exoskeleton systems[D].
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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
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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
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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
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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]
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的 2 个自由度的活动 。日本岗山大学的手部外骨骼是通
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[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]
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研制的手部外骨骼 ，南京大学 2009 年研制的食指外骨
[22]
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利用手外骨骼进行手功能的康复训练是一种非常有前
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景的康复训练手段，但目前手部外骨骼的应用也存在一些
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综 述
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91RESEARCH WORK 研究论著
良反应或并发症出现 ，依从性良好 。在记录仪有效记录期 又能够按照指令在消化道中全方位自主运动，无遗漏地捕
间，12 例患者体内的胶囊均顺利到达回盲部 ，其中 6 例患 获消化道内壁图像的新一代微型机器人内镜诊疗系统。
者的胶囊顺利通过回盲瓣进入大肠。每例患者平均记录图像
[参考文献]
63761 帧（58040~67195 帧） ，下载数据的时间长度约 8.5 h 。
[1] 张智高, 尚庆玲, 李群, 等. 胶囊内镜技术研究进展[J].国际消化
12 粒胶囊均顺利排出体外 ，平均排出时间约 20 h （8~38 h）。
病杂志,2013,33(3):180-181,213.
在 12 例患者中， 检出小肠血管发育不良 6 例， 空肠出血 3 例，
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小肠肿瘤 1 例 ； 对另外 2 名黑便患者 ，胶囊内镜系统的检查
中国实用医刊,2014,41(6):121.
结果为阴性 。该胶囊内镜系统的总体阳性检出率为 83.3 ％，
[3] 周环, 张惠晶, 汪旭, 等.70例胶囊内镜检查的临床应用分析[J].
获取的绝大多数图像清晰可辨 ，表明 HT 型胶囊内镜系统作
内镜杂志,2011,17(1):49-52.
为消化道隐匿性出血的诊断方法具有较好的安全性和有效性。
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本研究开发的 HT 型胶囊内镜系统采用极低功耗数模
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混合集成电路芯片（ECS1020 芯片）和电子系统封装技术
技术,2007,4(4):72-75.
设计，功耗低、性价比高 ； 采用独特的双向通讯机制，拥
[7] 王东旭, 丁国旭, 张天宇, 等. 多层螺旋CT小肠造影与肠胶囊内
有灵活的调控功能，使用新型无损图像压缩技术，可获得
镜联合应用对小肠常见肿瘤的术前评估价值[J].中国医疗设
高分辨率和帧率的图像。
备,2015,30(7):36-39.
HT 型胶囊内镜系统虽然通过降低内部电路能耗，大幅
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延长了胶囊内镜的有效工作时间，提升了成像质量，但仍
研究[D].上海:上海交通大学,2012.
有许多关键技术问题尚未解决。此外，该内镜系统仍然是
[9] 杨鹏举. 胶囊内镜图像工作站系统设计与实现[D].武汉: 华中
一种被动式检查系统，不能自动、准确地完成体内诊疗流
程。因此， 未来本研究会进一步研发既具有直视、 活检功能， 科技大学,2012. C
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