基于正常人手指結構與運動仿生原理，對人體手部生物學特性進行分析，設計了一種可用于腦卒中或創傷后手功能康復治療的外骨骼式手功能康復訓練器。該訓練器包括外骨骼機械結構和肌電控制系統，具有可適應不同人手指長度的調節機構，通過采集使用者前臂肌電對外骨骼機構的運動狀態進行控制，從而驅動使用者的手指進行屈曲/伸展康復訓練。最后通過機構仿真實驗和實驗樣機實驗驗證了訓練器的機械結構仿生性、力學性能和訓練效果。
引用本文： 胡鑫, 張穎, 李繼才, 易金花, 喻洪流, 何榮榮. 一種外骨骼式手功能康復訓練器的研究*. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(1): 23-30. doi: 10.7507/1001-5515.20160006 復制
0 引言
據統計，我國40歲以上腦卒中患者已達1 036萬人，每年新發病患者高達200萬人以上。在腦卒中患者中，大部分患者會在發病后會出現各種程度的后遺癥，其中偏癱是諸多后遺癥中發生率最高的一種，而手部運動功能的恢復則是偏癱康復最大的難題之一[1]。因腦卒中發生手部偏癱的患者，在偏癱后期其手部往往因肌肉痙攣而蜷縮浮腫，所以如不在早期及時治療將導致嚴重后果。考慮到人手部靈活、多自由度等特點，需要對其反復進行人工牽拉按摩等治療過程，這些治療往往費時費力。
外骨骼機器人技術是一種新興的可穿戴機器人技術，它是傳感技術、機電控制技術、仿生科學和信息信號處理技術的綜合應用[2-3]。在手運動功能恢復訓練中，關鍵是要控制患肢活動的力度，針對偏癱早期患者的被動訓練要求動作輕緩，且在訓練中不可引起患者無法忍受的疼痛或不適，否則會造成二次損傷。通過對患肢的牽拉可改善其肌腱和關節的活動情況，防止其出現肌腱粘連、關節僵硬等癥狀并可促進血液循環[4]。依據現代循證醫學(evidence based medicine,EBM)和連續被動運動(continuous passive motion,CPM)理論，通過佩戴外骨骼式手訓練器，患者可在無需醫護人員全程協助的情況下依照偏癱情況不同進行主/被動康復訓練，這種高效的治療方式可使患者更快地恢復健康，并可在一定程度上彌補我國康復醫療資源不足的現狀。目前,針對手指康復的外骨骼手研究已經成為康復工程及機器人學科的一個熱點方向，涌現了一批相關研究成果。如德國柏林工業大學的力反饋式外骨骼手康復設備、悉尼科技大學的傳感控制對側手訓練設備和意大利ARTLab實驗室的索控HANDEXOS手訓練系統等[5-8]。
目前我國的外骨骼式手功能康復訓練器大多結構復雜沉重、不易攜帶，無法滿足大量手功能受損患者日常輔助訓練的需求，如浙江大學外骨骼手訓練器和哈爾濱工程工業大學的臺式外骨骼手訓練系統等[9-11]。因此本文設計了一種便攜外骨骼式手功能康復訓練器，對訓練器進行了簡化機構設計，通過兩個電動機驅動使用者的手指進行屈曲/伸展的抓握訓練運動。訓練器的可調穿戴機構可以適應不同人手長度，使整個機構設計具有良好的仿生性，讓使用者的佩戴更加安全舒適。運用此訓練器可將日常生活活動(activities of daily living,ADL)與康復訓練結合起來，使手指康復運動更加有效[12]。
1 外骨骼手訓練器機構設計及建模
1.1 人手生物學特性分析
經分析，如圖1所示正常人手部結構有如下特點：除大拇指外的4個手指都有包括掌指關節(metacarpophalangeal point,MP)、近側指間關節(proximal interphalangeal point,PIP)和遠側指間關節(distal interphalangeal point,DIP)的三個相對手掌的運動關節；各關節對應的自由度為：MP有兩個自由度，PIP和DIP各有一個自由度。而大拇指只包括MP和DIP，且其MP關節和DIP關節各只有一個自由度。相加可知，全部手指共有18個自由度。
圖1
人手運動學模型
Figure1.
Kinematic model of human hand
正常人手指的運動有如下特點：①各手指關節屈曲/伸展運動被生理結構限制在一定范圍內(如MP關節的運動范圍在0～90°)；②大拇指和四指各段指骨的運動都限制在同一個平面內；③四指PIP和DIP之間的運動具有一定的約束關系，在沒有施加外力的條件下，當PIP屈曲時，DIP也會隨之屈曲，反之亦然[10]。
根據如上分析所得人手指結構和運動特點，設計訓練器的機械結構大拇指只需包括MP，四指只需包括MP和PIP關節(每關節各一個自由度)，就可以實現預想抓握訓練動作。
1.2 外骨骼式手功能康復訓練器機構設計
1.2.1 總體機構設計
外骨骼式手功能康復訓練器主要由用于佩戴的手掌面板和兩個動力訓練機構組成。兩個動力訓練機構分別由兩個規格不同的微型直線電機驅動并固定安裝在手掌面板上(見圖2)。拇指的動作由一個規格較小的微型直線電機單獨驅動完成，其余四指的動作由另一個直線電機通過機械結構聯動控制。
圖2
外骨骼式手功能訓練器三維模型
Figure2.
Three-dimensional model of the exoskeleton hand function training device
本訓練器采用輕量化設計，使用者通過環繞在手指上的彈性綁帶穿著，貼合使用者手部，還可依據手指長短進行適當調整。在使用過程中使用者的MP、PIP由訓練器帶動進行被動訓練。由于訓練器具有結構緊湊、輕巧便攜的特點，使用者還可以使用訓練器來輔助行動不便的患肢進行簡單的日常活動(抓握物品等)，將康復訓練與日常生活相結合以達到更好的訓練效果。
1.2.2 手掌面板
手掌面板是用于貼合佩戴在使用者患側手手背的面板，主要有以下作用：①安裝固定拇指動力訓練機構的微型直線電機和連桿機構；②安裝固定四指動力訓練機構的微型直線電機和連桿機構；③四指動力訓練機構的四指之間依照人手正常位置留有合理間隙，可以起到分指和防止患肢攣縮的效果。四指和拇指安裝平面間呈正常手部結構角度(120°)，可以對使用者攣縮癱軟的患側手的姿態起到矯正作用。
1.2.3 拇指動力訓練機構
拇指動力訓練機構(見圖3)由固定在手掌面板上的微型直線電機和掌指關節連桿安裝座、掌指關節連桿、拇指近側指間關節和其間的連桿機構組成。拇指掌指關節連桿、拇指近側指間關節、指關節連接件、拇指近側指間關節連桿和拇指遠側指間關節連桿通過鉸接組成的四連桿機構，當直線電機做往復運動的時候，拇指驅動連桿在固定座上滑槽的限位作用下推拉拇指近端連桿上的鉸接點，從而帶動整個機構進行預想的訓練動作。
圖3
拇指動力訓練機構
Figure3.
Powered training structures of the thumb
1.2.4 四指動力訓練機構
四指動力訓練機構(見圖4)包括兩個部分：①固定在手掌面板上的微型直線電機和四指驅動軸結構；②由四指的掌指關節連桿安裝座、掌指關節連桿和近側指間關節為主要組成部分的四指訓練機械結構。
通過電機底座將電機以一定角度固定，電機輸出直線動力推動驅動軸使固定在驅動軸上的四指驅動連桿運動。驅動連桿在固定座上滑槽的限位作用下推/拉四指近端連桿上的鉸接點，從而使四個手指做屈曲/伸展運動，實現抓握訓練。
圖4
四指動力訓練機構
Figure4.
Powered training structures of the other four fingers
2 外骨骼式手功能康復訓練器機械結構相關分析
2.1 運動學分析與仿真
拇指手指機構在微型直線電機的驅動下完成一次屈曲動作的時間t1(s)可以表示為
| $\[{{\text{t}}_{1}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{1}}}{{{\text{v}}_{1}}}\]$ |
四指機構在完成相同過程的時間t2(s)可以表示為
| $\[{{\text{t}}_{2}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{2}}}{{{\text{v}}_{2}}},\]$ |
其中s1、s2分別是拇指和四指的驅動微型直線電機完成動作的行程，v1、v2是微型直線電機運行的速度。
為驗證訓練器對掌抓握訓練功能，在Solidworks中建立了訓練器機構的仿真模型，并在Solidworks Motion(Motion解算器算法源自ADAMS的解算器)中進行分析，拇指直線電機：v1=5.08 mm/s，s1=4.9 mm；四指直線電機：v2=6.35 mm/s，s2=6.83 mm；t1=1.037 s≈t2=1.076 s。
對Motion仿真數據進行提取處理，可以獲得訓練器在一次對掌抓握訓練過程中，拇指MP活動角位移以及示指的MP、PIP的活動角位移數據。其中拇指MP角位移曲線和示指的MP和PIP角位移曲線(由于四指為同軸聯動，且機械原理相同，所以運動角位移曲線相似，這里取示指的MP和PIP角位移曲線)分別如圖5所示。
圖5
手指關節角位移曲線
Figure5.
Angular displacement curves of the finger joints
2.2 外骨骼式手功能康復訓練器機構力學分析
驅動四指的微型直線電機的相關參數為：在設定運行速度v1=6.35 mm/s下的推/拉力F為150 N，電機行程s2=6.83 mm，因為四指的機械結構相同，所以這里取示指的機械原理圖(見圖6)進行分析。
圖6
示指結構機械原理圖
Figure6.
Mechanical schematics of the index finger
經測量，圖中α=13°，β=46°，γ=27°；BE=14 mm；CE=3.5 mm。圖中A點為四指驅動軸，四指同軸聯動，所以在示指上的分力為
| $\[{{F}_{1}}=\frac{F}{2}\]$ |
對B點受力分析,根據機構簡圖所示：
| $\[{{F}_{2}}\text{=}{{F}_{1}}\cos \left( \alpha +\beta \right)\]$ |
| $\[{{F}_{3}}\text{=}{{F}_{2}}\sin \beta \]$ |
對E點進行分析，桿件3是繞E點的杠桿，根據杠桿原理：
| $\[{{F}_{3}}\times {{l}_{\text{BE}}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{l}_{\text{CE}}},\]$ |
對桿件6、7進行分析，可得：
| $\[{{F}_{5}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{\sin }^{2}}\gamma \]$ |
將數據代入式(1)～(5)，可得出如下數據：F1=37.5 N，F2=19.31 N，F3=13.89 N，F4= 55.56 N，F5=11.80 N，即施加在使用者單個手指MP和PIP上的力分別為13.89 N和11.80 N。
驅動大拇指的微型直線電機在預定速度v1=5.08 mm/s下的推力F為45 N，即F1=45 N，將條件代入式(2)～(5)，可得到拇指MP上的力F3= 16.67 N。
分析結果表明，外骨骼手訓練器的力學性能可以滿足對手部偏癱患者的訓練要求，可以協助其完成康復訓練。
3 外骨骼式手功能康復訓練器控制方法
3.1 外骨骼手訓練器肌電控制系統組成
外骨骼式手功能康復訓練器通過采集使用者前臂拮抗肌表面肌電(electromyography，EMG)的方法進行控制，控制流程如下：訓練器的控制系統采用AT89C2051單片機為核心，以此來控制外骨骼訓練器的整個驅動電路。通過貼附在使用者前臂拮抗肌上的EMG電極來對使用者拮抗肌在握緊/松弛時產生的EMG進行采集，EMG通過前置放大電路放大150倍，然后通過20 Hz高通和500 Hz低通的濾波電路，將和EMG信號頻率無關的信號濾除，再使用雙T濾波去除50 Hz的工頻干擾。
因為不同使用者在使用過程中EMG強度不同，所以系統通過增益可調電路來調節其放大倍數達到所需放大要求。為了使信號符合單片機的處理要求，對放大后的EMG進行了全波整流，使之轉化為正幅形式。最后經過數模轉換后的EMG由微控制器(microcontroller unit,MCU)接收，控制微型直線電機的運動狀態從而實現訓練器的訓練動作。
系統構成如圖7所示。整個系統控制流程實現了EMG的檢出與處理、信號的模數轉換、脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)的占空比調整和外骨骼手驅動電路的控制。
圖7
外骨骼手訓練器控制系統組成
Figure7.
Control system of exoskeleton hand function training device
3.2 外骨骼式手功能康復訓練器軟件控制部分
外骨骼式手功能康復訓練器控制系統核心控制芯片采用的是低電壓、高性能的單片機AT89C2051,經由表面EMG電極采集、濾波和放大處理后的EMG通過模數轉換后進入單片機處理。經過轉換的數字信號通過如圖8所示的算法進行處理，得到與使用者EMG正相關的前臂拮抗肌收縮/舒張驅動強度值，再經計算得到該強度與其對應的PWM占空比的控制參數，并將該PWM信號輸入DCM4010細分驅動器從而驅動直線電機運動，最終驅動外骨骼手指進行屈曲/伸展的訓練動作。
圖8
外骨骼手訓練器系統軟件控制框圖
Figure8.
Block diagram of the system software of the exoskeleton hand
4 外骨骼式手功能康復訓練器佩戴實驗
4.1 外骨骼手訓練器仿生性能實驗
訓練時，使用者用患側手穿戴訓練器，將拇指插入拇指MP上的彈性綁帶固定，與拇指PIP連桿貼合；4個手指分別插入與之相對應的手指MP和PIP的彈性綁帶里，根據使用者手指的長短不同，PIP上的綁帶可在三個位置進行調整，以達到更好的穿戴貼合效果(見圖9)。
圖9
外骨骼手訓練器實驗
Figure9.
Rehabilitation experiment of exoskeleton hand function training device
將一對體表電極貼附在使用者前臂拮抗肌上，當使用者繃緊/放松拮抗肌時,電機采集的EMG使電機驅動外骨骼訓練器手指進行屈曲/伸展運動，從而帶動使用者手部進行訓練。
經測量，在使用外骨骼手訓練器時，訓練器各個手指關節角位移活動范圍如表1所示。將訓練器的數據與正常人手指活動范圍[13]進行對比，可知使用者各手指MP、PIP的運動范圍都在正常人手指運動范圍之內。為了防止使用者肌肉攣縮情況下手指被過度牽張而造成損傷，訓練器的活動角度都設計為正常人手指運動范圍的50.57%～78.1%。
表1
外骨骼手訓練器各關節活動范圍
Table1.
Active range of each joint of the exoskeleton hand function training device
拇指和示指在一次對掌抓握訓練(屈曲/伸展)周期里一個手指關節的位移曲線如圖10所示(反映的是以手掌面板為坐標軸零點向下的位移變化，故圖中值為負)。該曲線較好地反映了人手的實際運動狀態，證明訓練器具有良好的運動仿生性能，可使訓練過程更加安全，避免了不自然機械運動對使用者手部可能的損傷。
圖10
手指節在一個訓練周期內的位移曲線
Figure10.
Displacement curve of the finger joints in one training period
4.2 外骨骼手訓練器控制性能實驗
為驗證外骨骼手訓練器的實際控制效果，選取了8位健康成年人進行了佩戴控制實驗，實驗要求各位測試者分別將體表電極佩戴在左/右前臂拮抗肌上，收緊和放松貼附了體表電極的肌肉，從而控制外骨骼手訓練器進行屈曲/伸展訓練動作，左、右兩側各進行10次訓練(偏癱于兩側肢體都可能發生，具體使用時佩戴在哪一側要視使用者拮抗肌信號強度而定)。實驗以使用者通過前臂拮抗肌收縮/舒張，對應控制外骨骼手訓練器手指完成屈曲/伸展動作作為一次成功控制。
通過對8位測試者的測試結果進行分析，可知外骨骼手訓練器的左側前臂控制成功率為97.50%，右側前臂控制成功率為96.25%，整體平均控制成功率為96.88%。實驗證明訓練器的控制系統具有較高的可靠性，可以達到良好的訓練效果。
5 結論
本文提出了一種便攜外骨骼式手功能康復訓練器的機械設計和控制方案，使用者通過位置可調的彈性綁帶系統將訓練器穿戴在患側手部，再通過貼附在使用者前臂的體表電極采集拮抗肌握緊/放松產生的EMG，從而控制外骨骼手機構運動帶動患肢完成對掌抓握的康復訓練動作。
通過運動仿真取得了外骨骼手訓練器手指的角位移和線性位移曲線，并對外骨骼手指的活動范圍和力學性能進行了分析，將分析結果與正常人手部運動相關參數進行比較，證明此訓練器可以良好地協助腦卒中或創傷后手功能受損患者進行日常康復訓練和生活輔助。最后通過試驗樣機的佩戴實驗驗證了此外骨骼手訓練器的仿生性能及使用效果。
0 引言
據統計，我國40歲以上腦卒中患者已達1 036萬人，每年新發病患者高達200萬人以上。在腦卒中患者中，大部分患者會在發病后會出現各種程度的后遺癥，其中偏癱是諸多后遺癥中發生率最高的一種，而手部運動功能的恢復則是偏癱康復最大的難題之一[1]。因腦卒中發生手部偏癱的患者，在偏癱后期其手部往往因肌肉痙攣而蜷縮浮腫，所以如不在早期及時治療將導致嚴重后果。考慮到人手部靈活、多自由度等特點，需要對其反復進行人工牽拉按摩等治療過程，這些治療往往費時費力。
外骨骼機器人技術是一種新興的可穿戴機器人技術，它是傳感技術、機電控制技術、仿生科學和信息信號處理技術的綜合應用[2-3]。在手運動功能恢復訓練中，關鍵是要控制患肢活動的力度，針對偏癱早期患者的被動訓練要求動作輕緩，且在訓練中不可引起患者無法忍受的疼痛或不適，否則會造成二次損傷。通過對患肢的牽拉可改善其肌腱和關節的活動情況，防止其出現肌腱粘連、關節僵硬等癥狀并可促進血液循環[4]。依據現代循證醫學(evidence based medicine,EBM)和連續被動運動(continuous passive motion,CPM)理論，通過佩戴外骨骼式手訓練器，患者可在無需醫護人員全程協助的情況下依照偏癱情況不同進行主/被動康復訓練，這種高效的治療方式可使患者更快地恢復健康，并可在一定程度上彌補我國康復醫療資源不足的現狀。目前,針對手指康復的外骨骼手研究已經成為康復工程及機器人學科的一個熱點方向，涌現了一批相關研究成果。如德國柏林工業大學的力反饋式外骨骼手康復設備、悉尼科技大學的傳感控制對側手訓練設備和意大利ARTLab實驗室的索控HANDEXOS手訓練系統等[5-8]。
目前我國的外骨骼式手功能康復訓練器大多結構復雜沉重、不易攜帶，無法滿足大量手功能受損患者日常輔助訓練的需求，如浙江大學外骨骼手訓練器和哈爾濱工程工業大學的臺式外骨骼手訓練系統等[9-11]。因此本文設計了一種便攜外骨骼式手功能康復訓練器，對訓練器進行了簡化機構設計，通過兩個電動機驅動使用者的手指進行屈曲/伸展的抓握訓練運動。訓練器的可調穿戴機構可以適應不同人手長度，使整個機構設計具有良好的仿生性，讓使用者的佩戴更加安全舒適。運用此訓練器可將日常生活活動(activities of daily living,ADL)與康復訓練結合起來，使手指康復運動更加有效[12]。
1 外骨骼手訓練器機構設計及建模
1.1 人手生物學特性分析
經分析，如圖1所示正常人手部結構有如下特點：除大拇指外的4個手指都有包括掌指關節(metacarpophalangeal point,MP)、近側指間關節(proximal interphalangeal point,PIP)和遠側指間關節(distal interphalangeal point,DIP)的三個相對手掌的運動關節；各關節對應的自由度為：MP有兩個自由度，PIP和DIP各有一個自由度。而大拇指只包括MP和DIP，且其MP關節和DIP關節各只有一個自由度。相加可知，全部手指共有18個自由度。
圖1
人手運動學模型
Figure1.
Kinematic model of human hand
正常人手指的運動有如下特點：①各手指關節屈曲/伸展運動被生理結構限制在一定范圍內(如MP關節的運動范圍在0～90°)；②大拇指和四指各段指骨的運動都限制在同一個平面內；③四指PIP和DIP之間的運動具有一定的約束關系，在沒有施加外力的條件下，當PIP屈曲時，DIP也會隨之屈曲，反之亦然[10]。
根據如上分析所得人手指結構和運動特點，設計訓練器的機械結構大拇指只需包括MP，四指只需包括MP和PIP關節(每關節各一個自由度)，就可以實現預想抓握訓練動作。
1.2 外骨骼式手功能康復訓練器機構設計
1.2.1 總體機構設計
外骨骼式手功能康復訓練器主要由用于佩戴的手掌面板和兩個動力訓練機構組成。兩個動力訓練機構分別由兩個規格不同的微型直線電機驅動并固定安裝在手掌面板上(見圖2)。拇指的動作由一個規格較小的微型直線電機單獨驅動完成，其余四指的動作由另一個直線電機通過機械結構聯動控制。
圖2
外骨骼式手功能訓練器三維模型
Figure2.
Three-dimensional model of the exoskeleton hand function training device
本訓練器采用輕量化設計，使用者通過環繞在手指上的彈性綁帶穿著，貼合使用者手部，還可依據手指長短進行適當調整。在使用過程中使用者的MP、PIP由訓練器帶動進行被動訓練。由于訓練器具有結構緊湊、輕巧便攜的特點，使用者還可以使用訓練器來輔助行動不便的患肢進行簡單的日常活動(抓握物品等)，將康復訓練與日常生活相結合以達到更好的訓練效果。
1.2.2 手掌面板
手掌面板是用于貼合佩戴在使用者患側手手背的面板，主要有以下作用：①安裝固定拇指動力訓練機構的微型直線電機和連桿機構；②安裝固定四指動力訓練機構的微型直線電機和連桿機構；③四指動力訓練機構的四指之間依照人手正常位置留有合理間隙，可以起到分指和防止患肢攣縮的效果。四指和拇指安裝平面間呈正常手部結構角度(120°)，可以對使用者攣縮癱軟的患側手的姿態起到矯正作用。
1.2.3 拇指動力訓練機構
拇指動力訓練機構(見圖3)由固定在手掌面板上的微型直線電機和掌指關節連桿安裝座、掌指關節連桿、拇指近側指間關節和其間的連桿機構組成。拇指掌指關節連桿、拇指近側指間關節、指關節連接件、拇指近側指間關節連桿和拇指遠側指間關節連桿通過鉸接組成的四連桿機構，當直線電機做往復運動的時候，拇指驅動連桿在固定座上滑槽的限位作用下推拉拇指近端連桿上的鉸接點，從而帶動整個機構進行預想的訓練動作。
圖3
拇指動力訓練機構
Figure3.
Powered training structures of the thumb
1.2.4 四指動力訓練機構
四指動力訓練機構(見圖4)包括兩個部分：①固定在手掌面板上的微型直線電機和四指驅動軸結構；②由四指的掌指關節連桿安裝座、掌指關節連桿和近側指間關節為主要組成部分的四指訓練機械結構。
通過電機底座將電機以一定角度固定，電機輸出直線動力推動驅動軸使固定在驅動軸上的四指驅動連桿運動。驅動連桿在固定座上滑槽的限位作用下推/拉四指近端連桿上的鉸接點，從而使四個手指做屈曲/伸展運動，實現抓握訓練。
圖4
四指動力訓練機構
Figure4.
Powered training structures of the other four fingers
2 外骨骼式手功能康復訓練器機械結構相關分析
2.1 運動學分析與仿真
拇指手指機構在微型直線電機的驅動下完成一次屈曲動作的時間t1(s)可以表示為
| $\[{{\text{t}}_{1}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{1}}}{{{\text{v}}_{1}}}\]$ |
四指機構在完成相同過程的時間t2(s)可以表示為
| $\[{{\text{t}}_{2}}\text{=}\frac{{{\text{s}}_{2}}}{{{\text{v}}_{2}}},\]$ |
其中s1、s2分別是拇指和四指的驅動微型直線電機完成動作的行程，v1、v2是微型直線電機運行的速度。
為驗證訓練器對掌抓握訓練功能，在Solidworks中建立了訓練器機構的仿真模型，并在Solidworks Motion(Motion解算器算法源自ADAMS的解算器)中進行分析，拇指直線電機：v1=5.08 mm/s，s1=4.9 mm；四指直線電機：v2=6.35 mm/s，s2=6.83 mm；t1=1.037 s≈t2=1.076 s。
對Motion仿真數據進行提取處理，可以獲得訓練器在一次對掌抓握訓練過程中，拇指MP活動角位移以及示指的MP、PIP的活動角位移數據。其中拇指MP角位移曲線和示指的MP和PIP角位移曲線(由于四指為同軸聯動，且機械原理相同，所以運動角位移曲線相似，這里取示指的MP和PIP角位移曲線)分別如圖5所示。
圖5
手指關節角位移曲線
Figure5.
Angular displacement curves of the finger joints
2.2 外骨骼式手功能康復訓練器機構力學分析
驅動四指的微型直線電機的相關參數為：在設定運行速度v1=6.35 mm/s下的推/拉力F為150 N，電機行程s2=6.83 mm，因為四指的機械結構相同，所以這里取示指的機械原理圖(見圖6)進行分析。
圖6
示指結構機械原理圖
Figure6.
Mechanical schematics of the index finger
經測量，圖中α=13°，β=46°，γ=27°；BE=14 mm；CE=3.5 mm。圖中A點為四指驅動軸，四指同軸聯動，所以在示指上的分力為
| $\[{{F}_{1}}=\frac{F}{2}\]$ |
對B點受力分析,根據機構簡圖所示：
| $\[{{F}_{2}}\text{=}{{F}_{1}}\cos \left( \alpha +\beta \right)\]$ |
| $\[{{F}_{3}}\text{=}{{F}_{2}}\sin \beta \]$ |
對E點進行分析，桿件3是繞E點的杠桿，根據杠桿原理：
| $\[{{F}_{3}}\times {{l}_{\text{BE}}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{l}_{\text{CE}}},\]$ |
對桿件6、7進行分析，可得：
| $\[{{F}_{5}}\text{=}{{F}_{4}}\times {{\sin }^{2}}\gamma \]$ |
將數據代入式(1)～(5)，可得出如下數據：F1=37.5 N，F2=19.31 N，F3=13.89 N，F4= 55.56 N，F5=11.80 N，即施加在使用者單個手指MP和PIP上的力分別為13.89 N和11.80 N。
驅動大拇指的微型直線電機在預定速度v1=5.08 mm/s下的推力F為45 N，即F1=45 N，將條件代入式(2)～(5)，可得到拇指MP上的力F3= 16.67 N。
分析結果表明，外骨骼手訓練器的力學性能可以滿足對手部偏癱患者的訓練要求，可以協助其完成康復訓練。
3 外骨骼式手功能康復訓練器控制方法
3.1 外骨骼手訓練器肌電控制系統組成
外骨骼式手功能康復訓練器通過采集使用者前臂拮抗肌表面肌電(electromyography，EMG)的方法進行控制，控制流程如下：訓練器的控制系統采用AT89C2051單片機為核心，以此來控制外骨骼訓練器的整個驅動電路。通過貼附在使用者前臂拮抗肌上的EMG電極來對使用者拮抗肌在握緊/松弛時產生的EMG進行采集，EMG通過前置放大電路放大150倍，然后通過20 Hz高通和500 Hz低通的濾波電路，將和EMG信號頻率無關的信號濾除，再使用雙T濾波去除50 Hz的工頻干擾。
因為不同使用者在使用過程中EMG強度不同，所以系統通過增益可調電路來調節其放大倍數達到所需放大要求。為了使信號符合單片機的處理要求，對放大后的EMG進行了全波整流，使之轉化為正幅形式。最后經過數模轉換后的EMG由微控制器(microcontroller unit,MCU)接收，控制微型直線電機的運動狀態從而實現訓練器的訓練動作。
系統構成如圖7所示。整個系統控制流程實現了EMG的檢出與處理、信號的模數轉換、脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)的占空比調整和外骨骼手驅動電路的控制。
圖7
外骨骼手訓練器控制系統組成
Figure7.
Control system of exoskeleton hand function training device
3.2 外骨骼式手功能康復訓練器軟件控制部分
外骨骼式手功能康復訓練器控制系統核心控制芯片采用的是低電壓、高性能的單片機AT89C2051,經由表面EMG電極采集、濾波和放大處理后的EMG通過模數轉換后進入單片機處理。經過轉換的數字信號通過如圖8所示的算法進行處理，得到與使用者EMG正相關的前臂拮抗肌收縮/舒張驅動強度值，再經計算得到該強度與其對應的PWM占空比的控制參數，并將該PWM信號輸入DCM4010細分驅動器從而驅動直線電機運動，最終驅動外骨骼手指進行屈曲/伸展的訓練動作。
圖8
外骨骼手訓練器系統軟件控制框圖
Figure8.
Block diagram of the system software of the exoskeleton hand
4 外骨骼式手功能康復訓練器佩戴實驗
4.1 外骨骼手訓練器仿生性能實驗
訓練時，使用者用患側手穿戴訓練器，將拇指插入拇指MP上的彈性綁帶固定，與拇指PIP連桿貼合；4個手指分別插入與之相對應的手指MP和PIP的彈性綁帶里，根據使用者手指的長短不同，PIP上的綁帶可在三個位置進行調整，以達到更好的穿戴貼合效果(見圖9)。
圖9
外骨骼手訓練器實驗
Figure9.
Rehabilitation experiment of exoskeleton hand function training device
將一對體表電極貼附在使用者前臂拮抗肌上，當使用者繃緊/放松拮抗肌時,電機采集的EMG使電機驅動外骨骼訓練器手指進行屈曲/伸展運動，從而帶動使用者手部進行訓練。
經測量，在使用外骨骼手訓練器時，訓練器各個手指關節角位移活動范圍如表1所示。將訓練器的數據與正常人手指活動范圍[13]進行對比，可知使用者各手指MP、PIP的運動范圍都在正常人手指運動范圍之內。為了防止使用者肌肉攣縮情況下手指被過度牽張而造成損傷，訓練器的活動角度都設計為正常人手指運動范圍的50.57%～78.1%。
表1
外骨骼手訓練器各關節活動范圍
Table1.
Active range of each joint of the exoskeleton hand function training device
拇指和示指在一次對掌抓握訓練(屈曲/伸展)周期里一個手指關節的位移曲線如圖10所示(反映的是以手掌面板為坐標軸零點向下的位移變化，故圖中值為負)。該曲線較好地反映了人手的實際運動狀態，證明訓練器具有良好的運動仿生性能，可使訓練過程更加安全，避免了不自然機械運動對使用者手部可能的損傷。
圖10
手指節在一個訓練周期內的位移曲線
Figure10.
Displacement curve of the finger joints in one training period
4.2 外骨骼手訓練器控制性能實驗
為驗證外骨骼手訓練器的實際控制效果，選取了8位健康成年人進行了佩戴控制實驗，實驗要求各位測試者分別將體表電極佩戴在左/右前臂拮抗肌上，收緊和放松貼附了體表電極的肌肉，從而控制外骨骼手訓練器進行屈曲/伸展訓練動作，左、右兩側各進行10次訓練(偏癱于兩側肢體都可能發生，具體使用時佩戴在哪一側要視使用者拮抗肌信號強度而定)。實驗以使用者通過前臂拮抗肌收縮/舒張，對應控制外骨骼手訓練器手指完成屈曲/伸展動作作為一次成功控制。
通過對8位測試者的測試結果進行分析，可知外骨骼手訓練器的左側前臂控制成功率為97.50%，右側前臂控制成功率為96.25%，整體平均控制成功率為96.88%。實驗證明訓練器的控制系統具有較高的可靠性，可以達到良好的訓練效果。
5 結論
本文提出了一種便攜外骨骼式手功能康復訓練器的機械設計和控制方案，使用者通過位置可調的彈性綁帶系統將訓練器穿戴在患側手部，再通過貼附在使用者前臂的體表電極采集拮抗肌握緊/放松產生的EMG，從而控制外骨骼手機構運動帶動患肢完成對掌抓握的康復訓練動作。
通過運動仿真取得了外骨骼手訓練器手指的角位移和線性位移曲線，并對外骨骼手指的活動范圍和力學性能進行了分析，將分析結果與正常人手部運動相關參數進行比較，證明此訓練器可以良好地協助腦卒中或創傷后手功能受損患者進行日常康復訓練和生活輔助。最后通過試驗樣機的佩戴實驗驗證了此外骨骼手訓練器的仿生性能及使用效果。
