基于正常人手指结构与运动仿生原理，对人体手部生物学特性进行分析，设计了一种可用于脑卒中或创伤后手功能康复治疗的外骨骼式手功能康复训练器。该训练器包括外骨骼机械结构和肌电控制系统，具有可适应不同人手指长度的调节机构，通过采集使用者前臂肌电对外骨骼机构的运动状态进行控制，从而驱动使用者的手指进行屈曲/伸展康复训练。最后通过机构仿真实验和实验样机实验验证了训练器的机械结构仿生性、力学性能和训练效果。
引用本文： 胡鑫, 张颖, 李继才, 易金花, 喻洪流, 何荣荣. 一种外骨骼式手功能康复训练器的研究*. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(1): 23-30. doi: 10.7507/1001-5515.20160006 复制
0 引言
据统计，我国40岁以上脑卒中患者已达1 036万人，每年新发病患者高达200万人以上。在脑卒中患者中，大部分患者会在发病后会出现各种程度的后遗症，其中偏瘫是诸多后遗症中发生率最高的一种，而手部运动功能的恢复则是偏瘫康复最大的难题之一[1]。因脑卒中发生手部偏瘫的患者，在偏瘫后期其手部往往因肌肉痉挛而蜷缩浮肿，所以如不在早期及时治疗将导致严重后果。考虑到人手部灵活、多自由度等特点，需要对其反复进行人工牵拉按摩等治疗过程，这些治疗往往费时费力。
外骨骼机器人技术是一种新兴的可穿戴机器人技术，它是传感技术、机电控制技术、仿生科学和信息信号处理技术的综合应用[2-3]。在手运动功能恢复训练中，关键是要控制患肢活动的力度，针对偏瘫早期患者的被动训练要求动作轻缓，且在训练中不可引起患者无法忍受的疼痛或不适，否则会造成二次损伤。通过对患肢的牵拉可改善其肌腱和关节的活动情况，防止其出现肌腱粘连、关节僵硬等症状并可促进血液循环[4]。依据现代循证医学(evidence based medicine,EBM)和连续被动运动(continuous passive motion,CPM)理论，通过佩戴外骨骼式手训练器，患者可在无需医护人员全程协助的情况下依照偏瘫情况不同进行主/被动康复训练，这种高效的治疗方式可使患者更快地恢复健康，并可在一定程度上弥补我国康复医疗资源不足的现状。目前,针对手指康复的外骨骼手研究已经成为康复工程及机器人学科的一个热点方向，涌现了一批相关研究成果。如德国柏林工业大学的力反馈式外骨骼手康复设备、悉尼科技大学的传感控制对侧手训练设备和意大利ARTLab实验室的索控HANDEXOS手训练系统等[5-8]。
目前我国的外骨骼式手功能康复训练器大多结构复杂沉重、不易携带，无法满足大量手功能受损患者日常辅助训练的需求，如浙江大学外骨骼手训练器和哈尔滨工程工业大学的台式外骨骼手训练系统等[9-11]。因此本文设计了一种便携外骨骼式手功能康复训练器，对训练器进行了简化机构设计，通过两个电动机驱动使用者的手指进行屈曲/伸展的抓握训练运动。训练器的可调穿戴机构可以适应不同人手长度，使整个机构设计具有良好的仿生性，让使用者的佩戴更加安全舒适。运用此训练器可将日常生活活动(activities of daily living,ADL)与康复训练结合起来，使手指康复运动更加有效[12]。
1 外骨骼手训练器机构设计及建模
1.1 人手生物学特性分析
经分析，如图1所示正常人手部结构有如下特点：除大拇指外的4个手指都有包括掌指关节(metacarpophalangeal point,MP)、近侧指间关节(proximal interphalangeal point,PIP)和远侧指间关节(distal interphalangeal point,DIP)的三个相对手掌的运动关节；各关节对应的自由度为：MP有两个自由度，PIP和DIP各有一个自由度。而大拇指只包括MP和DIP，且其MP关节和DIP关节各只有一个自由度。相加可知，全部手指共有18个自由度。
图1
人手运动学模型
Figure1.
Kinematic model of human hand
正常人手指的运动有如下特点：①各手指关节屈曲/伸展运动被生理结构限制在一定范围内(如MP关节的运动范围在0～90°)；②大拇指和四指各段指骨的运动都限制在同一个平面内；③四指PIP和DIP之间的运动具有一定的约束关系，在没有施加外力的条件下，当PIP屈曲时，DIP也会随之屈曲，反之亦然[10]。
根据如上分析所得人手指结构和运动特点，设计训练器的机械结构大拇指只需包括MP，四指只需包括MP和PIP关节(每关节各一个自由度)，就可以实现预想抓握训练动作。
1.2 外骨骼式手功能康复训练器机构设计
1.2.1 总体机构设计
外骨骼式手功能康复训练器主要由用于佩戴的手掌面板和两个动力训练机构组成。两个动力训练机构分别由两个规格不同的微型直线电机驱动并固定安装在手掌面板上(见图2)。拇指的动作由一个规格较小的微型直线电机单独驱动完成，其余四指的动作由另一个直线电机通过机械结构联动控制。
图2
外骨骼式手功能训练器三维模型
Figure2.
Three-dimensional model of the exoskeleton hand function training device
本训练器采用轻量化设计，使用者通过环绕在手指上的弹性绑带穿着，贴合使用者手部，还可依据手指长短进行适当调整。在使用过程中使用者的MP、PIP由训练器带动进行被动训练。由于训练器具有结构紧凑、轻巧便携的特点，使用者还可以使用训练器来辅助行动不便的患肢进行简单的日常活动(抓握物品等)，将康复训练与日常生活相结合以达到更好的训练效果。
1.2.2 手掌面板
手掌面板是用于贴合佩戴在使用者患侧手手背的面板，主要有以下作用：①安装固定拇指动力训练机构的微型直线电机和连杆机构；②安装固定四指动力训练机构的微型直线电机和连杆机构；③四指动力训练机构的四指之间依照人手正常位置留有合理间隙，可以起到分指和防止患肢挛缩的效果。四指和拇指安装平面间呈正常手部结构角度(120°)，可以对使用者挛缩瘫软的患侧手的姿态起到矫正作用。
1.2.3 拇指动力训练机构
拇指动力训练机构(见图3)由固定在手掌面板上的微型直线电机和掌指关节连杆安装座、掌指关节连杆、拇指近侧指间关节和其间的连杆机构组成。拇指掌指关节连杆、拇指近侧指间关节、指关节连接件、拇指近侧指间关节连杆和拇指远侧指间关节连杆通过铰接组成的四连杆机构，当直线电机做往复运动的时候，拇指驱动连杆在固定座上滑槽的限位作用下推拉拇指近端连杆上的铰接点，从而带动整个机构进行预想的训练动作。
图3
拇指动力训练机构
Figure3.
Powered training structures of the thumb
1.2.4 四指动力训练机构
四指动力训练机构(见图4)包括两个部分：①固定在手掌面板上的微型直线电机和四指驱动轴结构；②由四指的掌指关节连杆安装座、掌指关节连杆和近侧指间关节为主要组成部分的四指训练机械结构。
通过电机底座将电机以一定角度固定，电机输出直线动力推动驱动轴使固定在驱动轴上的四指驱动连杆运动。驱动连杆在固定座上滑槽的限位作用下推/拉四指近端连杆上的铰接点，从而使四个手指做屈曲/伸展运动，实现抓握训练。
图4
四指动力训练机构
Figure4.
Powered training structures of the other four fingers
2 外骨骼式手功能康复训练器机械结构相关分析
2.1 运动学分析与仿真
拇指手指机构在微型直线电机的驱动下完成一次屈曲动作的时间t1(s)可以表示为
| $\[{{\text{t}}_{1}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{1}}}{{{\text{v}}_{1}}}\]$ |
四指机构在完成相同过程的时间t2(s)可以表示为
| $\[{{\text{t}}_{2}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{2}}}{{{\text{v}}_{2}}},\]$ |
其中s1、s2分别是拇指和四指的驱动微型直线电机完成动作的行程，v1、v2是微型直线电机运行的速度。
为验证训练器对掌抓握训练功能，在Solidworks中建立了训练器机构的仿真模型，并在Solidworks Motion(Motion解算器算法源自ADAMS的解算器)中进行分析，拇指直线电机：v1=5.08 mm/s，s1=4.9 mm；四指直线电机：v2=6.35 mm/s，s2=6.83 mm；t1=1.037 s≈t2=1.076 s。
对Motion仿真数据进行提取处理，可以获得训练器在一次对掌抓握训练过程中，拇指MP活动角位移以及示指的MP、PIP的活动角位移数据。其中拇指MP角位移曲线和示指的MP和PIP角位移曲线(由于四指为同轴联动，且机械原理相同，所以运动角位移曲线相似，这里取示指的MP和PIP角位移曲线)分别如图5所示。
图5
手指关节角位移曲线
Figure5.
Angular displacement curves of the finger joints
2.2 外骨骼式手功能康复训练器机构力学分析
驱动四指的微型直线电机的相关参数为：在设定运行速度v1=6.35 mm/s下的推/拉力F为150 N，电机行程s2=6.83 mm，因为四指的机械结构相同，所以这里取示指的机械原理图(见图6)进行分析。
图6
示指结构机械原理图
Figure6.
Mechanical schematics of the index finger
经测量，图中α=13°，β=46°，γ=27°；BE=14 mm；CE=3.5 mm。图中A点为四指驱动轴，四指同轴联动，所以在示指上的分力为
| $\[{{F}_{1}}=\frac{F}{2}\]$ |
对B点受力分析,根据机构简图所示：
| $\[{{F}_{2}}\text{=}{{F}_{1}}\cos \left( \alpha +\beta \right)\]$ |
| $\[{{F}_{3}}\text{=}{{F}_{2}}\sin \beta \]$ |
对E点进行分析，杆件3是绕E点的杠杆，根据杠杆原理：
| $\[{{F}_{3}}\times {{l}_{\text{BE}}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{l}_{\text{CE}}},\]$ |
对杆件6、7进行分析，可得：
| $\[{{F}_{5}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{\sin }^{2}}\gamma \]$ |
将数据代入式(1)～(5)，可得出如下数据：F1=37.5 N，F2=19.31 N，F3=13.89 N，F4= 55.56 N，F5=11.80 N，即施加在使用者单个手指MP和PIP上的力分别为13.89 N和11.80 N。
驱动大拇指的微型直线电机在预定速度v1=5.08 mm/s下的推力F为45 N，即F1=45 N，将条件代入式(2)～(5)，可得到拇指MP上的力F3= 16.67 N。
分析结果表明，外骨骼手训练器的力学性能可以满足对手部偏瘫患者的训练要求，可以协助其完成康复训练。
3 外骨骼式手功能康复训练器控制方法
3.1 外骨骼手训练器肌电控制系统组成
外骨骼式手功能康复训练器通过采集使用者前臂拮抗肌表面肌电(electromyography，EMG)的方法进行控制，控制流程如下：训练器的控制系统采用AT89C2051单片机为核心，以此来控制外骨骼训练器的整个驱动电路。通过贴附在使用者前臂拮抗肌上的EMG电极来对使用者拮抗肌在握紧/松弛时产生的EMG进行采集，EMG通过前置放大电路放大150倍，然后通过20 Hz高通和500 Hz低通的滤波电路，将和EMG信号频率无关的信号滤除，再使用双T滤波去除50 Hz的工频干扰。
因为不同使用者在使用过程中EMG强度不同，所以系统通过增益可调电路来调节其放大倍数达到所需放大要求。为了使信号符合单片机的处理要求，对放大后的EMG进行了全波整流，使之转化为正幅形式。最后经过数模转换后的EMG由微控制器(microcontroller unit,MCU)接收，控制微型直线电机的运动状态从而实现训练器的训练动作。
系统构成如图7所示。整个系统控制流程实现了EMG的检出与处理、信号的模数转换、脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)的占空比调整和外骨骼手驱动电路的控制。
图7
外骨骼手训练器控制系统组成
Figure7.
Control system of exoskeleton hand function training device
3.2 外骨骼式手功能康复训练器软件控制部分
外骨骼式手功能康复训练器控制系统核心控制芯片采用的是低电压、高性能的单片机AT89C2051,经由表面EMG电极采集、滤波和放大处理后的EMG通过模数转换后进入单片机处理。经过转换的数字信号通过如图8所示的算法进行处理，得到与使用者EMG正相关的前臂拮抗肌收缩/舒张驱动强度值，再经计算得到该强度与其对应的PWM占空比的控制参数，并将该PWM信号输入DCM4010细分驱动器从而驱动直线电机运动，最终驱动外骨骼手指进行屈曲/伸展的训练动作。
图8
外骨骼手训练器系统软件控制框图
Figure8.
Block diagram of the system software of the exoskeleton hand
4 外骨骼式手功能康复训练器佩戴实验
4.1 外骨骼手训练器仿生性能实验
训练时，使用者用患侧手穿戴训练器，将拇指插入拇指MP上的弹性绑带固定，与拇指PIP连杆贴合；4个手指分别插入与之相对应的手指MP和PIP的弹性绑带里，根据使用者手指的长短不同，PIP上的绑带可在三个位置进行调整，以达到更好的穿戴贴合效果(见图9)。
图9
外骨骼手训练器实验
Figure9.
Rehabilitation experiment of exoskeleton hand function training device
将一对体表电极贴附在使用者前臂拮抗肌上，当使用者绷紧/放松拮抗肌时,电机采集的EMG使电机驱动外骨骼训练器手指进行屈曲/伸展运动，从而带动使用者手部进行训练。
经测量，在使用外骨骼手训练器时，训练器各个手指关节角位移活动范围如表1所示。将训练器的数据与正常人手指活动范围[13]进行对比，可知使用者各手指MP、PIP的运动范围都在正常人手指运动范围之内。为了防止使用者肌肉挛缩情况下手指被过度牵张而造成损伤，训练器的活动角度都设计为正常人手指运动范围的50.57%～78.1%。
表1
外骨骼手训练器各关节活动范围
Table1.
Active range of each joint of the exoskeleton hand function training device
拇指和示指在一次对掌抓握训练(屈曲/伸展)周期里一个手指关节的位移曲线如图10所示(反映的是以手掌面板为坐标轴零点向下的位移变化，故图中值为负)。该曲线较好地反映了人手的实际运动状态，证明训练器具有良好的运动仿生性能，可使训练过程更加安全，避免了不自然机械运动对使用者手部可能的损伤。
图10
手指节在一个训练周期内的位移曲线
Figure10.
Displacement curve of the finger joints in one training period
4.2 外骨骼手训练器控制性能实验
为验证外骨骼手训练器的实际控制效果，选取了8位健康成年人进行了佩戴控制实验，实验要求各位测试者分别将体表电极佩戴在左/右前臂拮抗肌上，收紧和放松贴附了体表电极的肌肉，从而控制外骨骼手训练器进行屈曲/伸展训练动作，左、右两侧各进行10次训练(偏瘫于两侧肢体都可能发生，具体使用时佩戴在哪一侧要视使用者拮抗肌信号强度而定)。实验以使用者通过前臂拮抗肌收缩/舒张，对应控制外骨骼手训练器手指完成屈曲/伸展动作作为一次成功控制。
通过对8位测试者的测试结果进行分析，可知外骨骼手训练器的左侧前臂控制成功率为97.50%，右侧前臂控制成功率为96.25%，整体平均控制成功率为96.88%。实验证明训练器的控制系统具有较高的可靠性，可以达到良好的训练效果。
5 结论
本文提出了一种便携外骨骼式手功能康复训练器的机械设计和控制方案，使用者通过位置可调的弹性绑带系统将训练器穿戴在患侧手部，再通过贴附在使用者前臂的体表电极采集拮抗肌握紧/放松产生的EMG，从而控制外骨骼手机构运动带动患肢完成对掌抓握的康复训练动作。
通过运动仿真取得了外骨骼手训练器手指的角位移和线性位移曲线，并对外骨骼手指的活动范围和力学性能进行了分析，将分析结果与正常人手部运动相关参数进行比较，证明此训练器可以良好地协助脑卒中或创伤后手功能受损患者进行日常康复训练和生活辅助。最后通过试验样机的佩戴实验验证了此外骨骼手训练器的仿生性能及使用效果。
0 引言
据统计，我国40岁以上脑卒中患者已达1 036万人，每年新发病患者高达200万人以上。在脑卒中患者中，大部分患者会在发病后会出现各种程度的后遗症，其中偏瘫是诸多后遗症中发生率最高的一种，而手部运动功能的恢复则是偏瘫康复最大的难题之一[1]。因脑卒中发生手部偏瘫的患者，在偏瘫后期其手部往往因肌肉痉挛而蜷缩浮肿，所以如不在早期及时治疗将导致严重后果。考虑到人手部灵活、多自由度等特点，需要对其反复进行人工牵拉按摩等治疗过程，这些治疗往往费时费力。
外骨骼机器人技术是一种新兴的可穿戴机器人技术，它是传感技术、机电控制技术、仿生科学和信息信号处理技术的综合应用[2-3]。在手运动功能恢复训练中，关键是要控制患肢活动的力度，针对偏瘫早期患者的被动训练要求动作轻缓，且在训练中不可引起患者无法忍受的疼痛或不适，否则会造成二次损伤。通过对患肢的牵拉可改善其肌腱和关节的活动情况，防止其出现肌腱粘连、关节僵硬等症状并可促进血液循环[4]。依据现代循证医学(evidence based medicine,EBM)和连续被动运动(continuous passive motion,CPM)理论，通过佩戴外骨骼式手训练器，患者可在无需医护人员全程协助的情况下依照偏瘫情况不同进行主/被动康复训练，这种高效的治疗方式可使患者更快地恢复健康，并可在一定程度上弥补我国康复医疗资源不足的现状。目前,针对手指康复的外骨骼手研究已经成为康复工程及机器人学科的一个热点方向，涌现了一批相关研究成果。如德国柏林工业大学的力反馈式外骨骼手康复设备、悉尼科技大学的传感控制对侧手训练设备和意大利ARTLab实验室的索控HANDEXOS手训练系统等[5-8]。
目前我国的外骨骼式手功能康复训练器大多结构复杂沉重、不易携带，无法满足大量手功能受损患者日常辅助训练的需求，如浙江大学外骨骼手训练器和哈尔滨工程工业大学的台式外骨骼手训练系统等[9-11]。因此本文设计了一种便携外骨骼式手功能康复训练器，对训练器进行了简化机构设计，通过两个电动机驱动使用者的手指进行屈曲/伸展的抓握训练运动。训练器的可调穿戴机构可以适应不同人手长度，使整个机构设计具有良好的仿生性，让使用者的佩戴更加安全舒适。运用此训练器可将日常生活活动(activities of daily living,ADL)与康复训练结合起来，使手指康复运动更加有效[12]。
1 外骨骼手训练器机构设计及建模
1.1 人手生物学特性分析
经分析，如图1所示正常人手部结构有如下特点：除大拇指外的4个手指都有包括掌指关节(metacarpophalangeal point,MP)、近侧指间关节(proximal interphalangeal point,PIP)和远侧指间关节(distal interphalangeal point,DIP)的三个相对手掌的运动关节；各关节对应的自由度为：MP有两个自由度，PIP和DIP各有一个自由度。而大拇指只包括MP和DIP，且其MP关节和DIP关节各只有一个自由度。相加可知，全部手指共有18个自由度。
图1
人手运动学模型
Figure1.
Kinematic model of human hand
正常人手指的运动有如下特点：①各手指关节屈曲/伸展运动被生理结构限制在一定范围内(如MP关节的运动范围在0～90°)；②大拇指和四指各段指骨的运动都限制在同一个平面内；③四指PIP和DIP之间的运动具有一定的约束关系，在没有施加外力的条件下，当PIP屈曲时，DIP也会随之屈曲，反之亦然[10]。
根据如上分析所得人手指结构和运动特点，设计训练器的机械结构大拇指只需包括MP，四指只需包括MP和PIP关节(每关节各一个自由度)，就可以实现预想抓握训练动作。
1.2 外骨骼式手功能康复训练器机构设计
1.2.1 总体机构设计
外骨骼式手功能康复训练器主要由用于佩戴的手掌面板和两个动力训练机构组成。两个动力训练机构分别由两个规格不同的微型直线电机驱动并固定安装在手掌面板上(见图2)。拇指的动作由一个规格较小的微型直线电机单独驱动完成，其余四指的动作由另一个直线电机通过机械结构联动控制。
图2
外骨骼式手功能训练器三维模型
Figure2.
Three-dimensional model of the exoskeleton hand function training device
本训练器采用轻量化设计，使用者通过环绕在手指上的弹性绑带穿着，贴合使用者手部，还可依据手指长短进行适当调整。在使用过程中使用者的MP、PIP由训练器带动进行被动训练。由于训练器具有结构紧凑、轻巧便携的特点，使用者还可以使用训练器来辅助行动不便的患肢进行简单的日常活动(抓握物品等)，将康复训练与日常生活相结合以达到更好的训练效果。
1.2.2 手掌面板
手掌面板是用于贴合佩戴在使用者患侧手手背的面板，主要有以下作用：①安装固定拇指动力训练机构的微型直线电机和连杆机构；②安装固定四指动力训练机构的微型直线电机和连杆机构；③四指动力训练机构的四指之间依照人手正常位置留有合理间隙，可以起到分指和防止患肢挛缩的效果。四指和拇指安装平面间呈正常手部结构角度(120°)，可以对使用者挛缩瘫软的患侧手的姿态起到矫正作用。
1.2.3 拇指动力训练机构
拇指动力训练机构(见图3)由固定在手掌面板上的微型直线电机和掌指关节连杆安装座、掌指关节连杆、拇指近侧指间关节和其间的连杆机构组成。拇指掌指关节连杆、拇指近侧指间关节、指关节连接件、拇指近侧指间关节连杆和拇指远侧指间关节连杆通过铰接组成的四连杆机构，当直线电机做往复运动的时候，拇指驱动连杆在固定座上滑槽的限位作用下推拉拇指近端连杆上的铰接点，从而带动整个机构进行预想的训练动作。
图3
拇指动力训练机构
Figure3.
Powered training structures of the thumb
1.2.4 四指动力训练机构
四指动力训练机构(见图4)包括两个部分：①固定在手掌面板上的微型直线电机和四指驱动轴结构；②由四指的掌指关节连杆安装座、掌指关节连杆和近侧指间关节为主要组成部分的四指训练机械结构。
通过电机底座将电机以一定角度固定，电机输出直线动力推动驱动轴使固定在驱动轴上的四指驱动连杆运动。驱动连杆在固定座上滑槽的限位作用下推/拉四指近端连杆上的铰接点，从而使四个手指做屈曲/伸展运动，实现抓握训练。
图4
四指动力训练机构
Figure4.
Powered training structures of the other four fingers
2 外骨骼式手功能康复训练器机械结构相关分析
2.1 运动学分析与仿真
拇指手指机构在微型直线电机的驱动下完成一次屈曲动作的时间t1(s)可以表示为
| $\[{{\text{t}}_{1}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{1}}}{{{\text{v}}_{1}}}\]$ |
四指机构在完成相同过程的时间t2(s)可以表示为
| $\[{{\text{t}}_{2}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{2}}}{{{\text{v}}_{2}}},\]$ |
其中s1、s2分别是拇指和四指的驱动微型直线电机完成动作的行程，v1、v2是微型直线电机运行的速度。
为验证训练器对掌抓握训练功能，在Solidworks中建立了训练器机构的仿真模型，并在Solidworks Motion(Motion解算器算法源自ADAMS的解算器)中进行分析，拇指直线电机：v1=5.08 mm/s，s1=4.9 mm；四指直线电机：v2=6.35 mm/s，s2=6.83 mm；t1=1.037 s≈t2=1.076 s。
对Motion仿真数据进行提取处理，可以获得训练器在一次对掌抓握训练过程中，拇指MP活动角位移以及示指的MP、PIP的活动角位移数据。其中拇指MP角位移曲线和示指的MP和PIP角位移曲线(由于四指为同轴联动，且机械原理相同，所以运动角位移曲线相似，这里取示指的MP和PIP角位移曲线)分别如图5所示。
图5
手指关节角位移曲线
Figure5.
Angular displacement curves of the finger joints
2.2 外骨骼式手功能康复训练器机构力学分析
驱动四指的微型直线电机的相关参数为：在设定运行速度v1=6.35 mm/s下的推/拉力F为150 N，电机行程s2=6.83 mm，因为四指的机械结构相同，所以这里取示指的机械原理图(见图6)进行分析。
图6
示指结构机械原理图
Figure6.
Mechanical schematics of the index finger
经测量，图中α=13°，β=46°，γ=27°；BE=14 mm；CE=3.5 mm。图中A点为四指驱动轴，四指同轴联动，所以在示指上的分力为
| $\[{{F}_{1}}=\frac{F}{2}\]$ |
对B点受力分析,根据机构简图所示：
| $\[{{F}_{2}}\text{=}{{F}_{1}}\cos \left( \alpha +\beta \right)\]$ |
| $\[{{F}_{3}}\text{=}{{F}_{2}}\sin \beta \]$ |
对E点进行分析，杆件3是绕E点的杠杆，根据杠杆原理：
| $\[{{F}_{3}}\times {{l}_{\text{BE}}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{l}_{\text{CE}}},\]$ |
对杆件6、7进行分析，可得：
| $\[{{F}_{5}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{\sin }^{2}}\gamma \]$ |
将数据代入式(1)～(5)，可得出如下数据：F1=37.5 N，F2=19.31 N，F3=13.89 N，F4= 55.56 N，F5=11.80 N，即施加在使用者单个手指MP和PIP上的力分别为13.89 N和11.80 N。
驱动大拇指的微型直线电机在预定速度v1=5.08 mm/s下的推力F为45 N，即F1=45 N，将条件代入式(2)～(5)，可得到拇指MP上的力F3= 16.67 N。
分析结果表明，外骨骼手训练器的力学性能可以满足对手部偏瘫患者的训练要求，可以协助其完成康复训练。
3 外骨骼式手功能康复训练器控制方法
3.1 外骨骼手训练器肌电控制系统组成
外骨骼式手功能康复训练器通过采集使用者前臂拮抗肌表面肌电(electromyography，EMG)的方法进行控制，控制流程如下：训练器的控制系统采用AT89C2051单片机为核心，以此来控制外骨骼训练器的整个驱动电路。通过贴附在使用者前臂拮抗肌上的EMG电极来对使用者拮抗肌在握紧/松弛时产生的EMG进行采集，EMG通过前置放大电路放大150倍，然后通过20 Hz高通和500 Hz低通的滤波电路，将和EMG信号频率无关的信号滤除，再使用双T滤波去除50 Hz的工频干扰。
因为不同使用者在使用过程中EMG强度不同，所以系统通过增益可调电路来调节其放大倍数达到所需放大要求。为了使信号符合单片机的处理要求，对放大后的EMG进行了全波整流，使之转化为正幅形式。最后经过数模转换后的EMG由微控制器(microcontroller unit,MCU)接收，控制微型直线电机的运动状态从而实现训练器的训练动作。
系统构成如图7所示。整个系统控制流程实现了EMG的检出与处理、信号的模数转换、脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)的占空比调整和外骨骼手驱动电路的控制。
图7
外骨骼手训练器控制系统组成
Figure7.
Control system of exoskeleton hand function training device
3.2 外骨骼式手功能康复训练器软件控制部分
外骨骼式手功能康复训练器控制系统核心控制芯片采用的是低电压、高性能的单片机AT89C2051,经由表面EMG电极采集、滤波和放大处理后的EMG通过模数转换后进入单片机处理。经过转换的数字信号通过如图8所示的算法进行处理，得到与使用者EMG正相关的前臂拮抗肌收缩/舒张驱动强度值，再经计算得到该强度与其对应的PWM占空比的控制参数，并将该PWM信号输入DCM4010细分驱动器从而驱动直线电机运动，最终驱动外骨骼手指进行屈曲/伸展的训练动作。
图8
外骨骼手训练器系统软件控制框图
Figure8.
Block diagram of the system software of the exoskeleton hand
4 外骨骼式手功能康复训练器佩戴实验
4.1 外骨骼手训练器仿生性能实验
训练时，使用者用患侧手穿戴训练器，将拇指插入拇指MP上的弹性绑带固定，与拇指PIP连杆贴合；4个手指分别插入与之相对应的手指MP和PIP的弹性绑带里，根据使用者手指的长短不同，PIP上的绑带可在三个位置进行调整，以达到更好的穿戴贴合效果(见图9)。
图9
外骨骼手训练器实验
Figure9.
Rehabilitation experiment of exoskeleton hand function training device
将一对体表电极贴附在使用者前臂拮抗肌上，当使用者绷紧/放松拮抗肌时,电机采集的EMG使电机驱动外骨骼训练器手指进行屈曲/伸展运动，从而带动使用者手部进行训练。
经测量，在使用外骨骼手训练器时，训练器各个手指关节角位移活动范围如表1所示。将训练器的数据与正常人手指活动范围[13]进行对比，可知使用者各手指MP、PIP的运动范围都在正常人手指运动范围之内。为了防止使用者肌肉挛缩情况下手指被过度牵张而造成损伤，训练器的活动角度都设计为正常人手指运动范围的50.57%～78.1%。
表1
外骨骼手训练器各关节活动范围
Table1.
Active range of each joint of the exoskeleton hand function training device
拇指和示指在一次对掌抓握训练(屈曲/伸展)周期里一个手指关节的位移曲线如图10所示(反映的是以手掌面板为坐标轴零点向下的位移变化，故图中值为负)。该曲线较好地反映了人手的实际运动状态，证明训练器具有良好的运动仿生性能，可使训练过程更加安全，避免了不自然机械运动对使用者手部可能的损伤。
图10
手指节在一个训练周期内的位移曲线
Figure10.
Displacement curve of the finger joints in one training period
4.2 外骨骼手训练器控制性能实验
为验证外骨骼手训练器的实际控制效果，选取了8位健康成年人进行了佩戴控制实验，实验要求各位测试者分别将体表电极佩戴在左/右前臂拮抗肌上，收紧和放松贴附了体表电极的肌肉，从而控制外骨骼手训练器进行屈曲/伸展训练动作，左、右两侧各进行10次训练(偏瘫于两侧肢体都可能发生，具体使用时佩戴在哪一侧要视使用者拮抗肌信号强度而定)。实验以使用者通过前臂拮抗肌收缩/舒张，对应控制外骨骼手训练器手指完成屈曲/伸展动作作为一次成功控制。
通过对8位测试者的测试结果进行分析，可知外骨骼手训练器的左侧前臂控制成功率为97.50%，右侧前臂控制成功率为96.25%，整体平均控制成功率为96.88%。实验证明训练器的控制系统具有较高的可靠性，可以达到良好的训练效果。
5 结论
本文提出了一种便携外骨骼式手功能康复训练器的机械设计和控制方案，使用者通过位置可调的弹性绑带系统将训练器穿戴在患侧手部，再通过贴附在使用者前臂的体表电极采集拮抗肌握紧/放松产生的EMG，从而控制外骨骼手机构运动带动患肢完成对掌抓握的康复训练动作。
通过运动仿真取得了外骨骼手训练器手指的角位移和线性位移曲线，并对外骨骼手指的活动范围和力学性能进行了分析，将分析结果与正常人手部运动相关参数进行比较，证明此训练器可以良好地协助脑卒中或创伤后手功能受损患者进行日常康复训练和生活辅助。最后通过试验样机的佩戴实验验证了此外骨骼手训练器的仿生性能及使用效果。
