手功能康复机器人技术_李海丽

第30卷第1期2014年2月机械设计与研究

Machine Design and ＲesearchVol．30No．1Feb．，2014

2343（2014）01-024-05文章编号：1006-

手功能康复机器人技术

11，2213

李海丽，谢叻，魏盛凯，蒋峻，俞文伟

（1．上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院，E-mail ：lexie@sjtu．deu．cn ；上海200030，2．上海交通大学数字医学临床转化教育部工程研究中心，上海200030；3．日本千叶大学，日本千叶）

摘要：手功能康复机器人是一种帮助手外伤或偏瘫患者逐步恢复手指运动功能的医疗康复机器人，结

合了康复医疗理论和机器人技术。讨论了国内外手功能康复机器人的研究现状，依据人手生物力学特性和临床康复医疗训练要求，从提供机构驱动力的不同方式出发，围绕现有手功能康复机器人的机械结构设计、运动

控制系统设计、力觉和位置信息反馈等问题展开了阐述，分析了目前手功能康复机器人存在的不学和动力学、

在此基础上，对其研究前景进行了展望。足和解决途径，

关键词：外骨骼康复机器人；手功能康复训练；驱动力中图分类号：TP242文献标识码：A

ＲesearchStatus of ＲehabilitationＲobotfor Hand Function

Li Haili ，Xie Le ，Wei Shengkai ，Jiang Jun ，Yu Wenwei

（1．Institute of Forming Technology＆Equipment ，School of Materials Science and Engineering ，SJTU ，Shanghai 200030，China ；2．Engineering ＲesearchCenter of Digital Medicine Clinical Transiation ，Ministry of Education ，Shanghai 200030，China ；

3．Chiba University in Japan ）

Abstract ：Hand rehabilitation robot is a medical rehabilitation robot to help the hand injuries or the hemiplegia patients recover motion function gradually．It combines medical rehabilitation theory and robotics．This paper discusses an extensive research on the-state-of-the-art of hand rehabilitation robot．In accordance with the requirements of hand biomechanical characteristics and medical training of clinical rehabilitation and the different ways of driven force ，some technologies of current hand rehabilitation robot such as its mechanical structure design ，kinematics and dynamics ，control system design ，haptic and location information feedback and so on are synthesized and studied．On this basis ，it is also analyzed its insufficiency and research prospects．

Key

words ：exoskeleton rehabilitation robot ；hand rehabilitation training ；driven force

用于辅助手部关节进行弯曲/伸展，外展/内收的手指康复训练，通过控制系统实现多种运动策略辅助单个或多个手指完成康复治疗

［4］

手是人体的重要器官之一，但人手运动功能也极易受到损害，导致手功能受损的一个主要原因是脑卒中。脑卒中后患者可出现多种神经功能缺损表现，其中偏瘫和运动障碍最为常见，而患者手功能障碍往往临床表现为屈曲挛缩，手的屈肌张力占优势，指间关节和掌指关节伸展困难，丧失握持、侧捏、对掌及对指等精细的运动功能

［1］

。本文主要研究手功能康复机器人技术的国

内外发展现状，分析其存在的不足和解决途径。

1

1．1

手功能康复机器人国内外研究现状

人手结构分析人手是人体各个

。目前国内外对于因

脑卒中引起的手部偏瘫运动功能损失的改善和康复治疗方法主要是是通过修复或重塑受损神经，加强肌肉肌腱的强度锻炼，完成运动学习来重建或改善中风患者手部的运动功能

［2，3］

关节中自由度最多最集中的部位，其结构也最为复杂，主要由腕骨、掌骨、指骨所组成，指骨又由近端指骨、中指骨和远端指骨组成

［5］

。传统的理疗和职业理疗师的一对一式疗法劳动量

大、费用昂贵，而机器人辅助康复疗法可以很好地解决以上缺陷，手功能康复机器人的研究与应用应运而生。它主要是

收稿日期：2013－07－11

61190120），基金项目：国家自然科学基金资助重大项目（61190124，

国家科技支撑计划资助重点项目（2009BAI71B06），国家高技术

2009AA01Z313），研究发展计划资助项目（863）（2006AA01Z310，

（612111142，60873131），国家自然科学基金项目资助项目上海交

“医工（理）交叉研究基金”通大学资助项目（YG2012MS54）

，其掌部共

▲图1

人手结构图

21个自由度。其中大拇指有5个自由

度，指间关节（IP ）和掌指关节（MCP ）各1个自由度，腕掌关

第1期李海丽等：手功能康复机器人技术25

节（CM ）有3个自由度。其余四指每个手指各4个自由度，其中近端指间关节（PIP ）和远端指间关节（DIP ）各有1个自由度，掌指关节有2个转动自由度。手指的结构及关节定义如图11．2

［6］

成一定比例，因此能精确控制单个手指的关轮半径确定的，

节，且对手指的大小尺寸具有完全适应能力，方便康复训练时因人调整。但该装置的参数模型受佩戴方式的变化而变化，主动关节转角与手指关节转角成非线性关系，不利于控制，因此会影响期望的临床训练效果。

日本岐阜大学的Satoshi Ueki 等人研制了基于虚拟现实

［13］

（VＲ）技术的手部外骨骼康复机器人，如图4。它共18个

所示。

国内外研究现状

人手功能极为精细、灵敏，因而帮助手部运动功能康复

的机器人研制也就相对复杂和多样化。如果对人手的生理结构及其运动和控制规律没有深刻的认识，设计出的手功能临床实用和安全可外骨骼康复机器人就很难满足功能合理、

靠的要求。目前手功能康复机器人的设计基本上是采用外其实现形式主要有两种骨骼式结构，

［7］

自由度，拇指有4个自由度，四指各有3

个自由度，腕部有21个电机实现个自由度

。大拇指靠3个电机实现伸展/屈曲，

外展/内收；其余四指，每根手指都装有3个电机以提供驱动PIP 关节的伸展/屈曲以及MCP 的外展/内收；辅助MCP 、力，

腕部的运动依靠2个电机控制实现。为提高康复训练效率，该机器人建立了基于VＲ技术由临床医生输入的可视化操作指示，患者可独立进行康复训练。同时配有提供双边康复疗法的数据手套，患者可通过戴在健肢手指上的数据手套来实现实时交自主控制戴在患肢上的外骨骼以驱动患肢手指，

互的力觉信息和位置信息。不足是电机控制运动存在一定的安全隐患，且台式设计使它不能和上肢大关节康复设备一起工作，康复效果受限制；结构和控制系统都较为复杂，便携性差，造价高。

：末端直接拉伸式和

多关节驱动式；而为机构提供驱动力的执行器主要有：电机、气缸、气动肌肉和记忆合金，表1是目前手功能康复机器人驱动系统所用的执行器，其中电机驱动正逐步被气缸、气动人工肌肉驱动

［8］

取代。

表1

种类电机

手功能康复机器人的驱动系统执行器优点

缺点

刚性驱动元件，无法满足临床康

复的安全性要求

康复训练时同样存在安全隐患

控制方

便，能方便地实现正反运动控制方便，能方便地实现正反运动

气缸人工记忆合金

安全性高，非线性、时变性、时滞性，不能柔性控制，

噪音小，

清洁卫生速度等精确控制位置、速度快，带负载能力强

存在疲劳和寿命等问题

1．2．1以电机提供驱动力的手功能康复机器人研究现状

▲图4

日本岐阜大学的手部外骨骼康复机器手

意大利学者研制的手功能康复机器人第一代HAN-［9，10］

DEXOS ，。它能克如图2

服偏瘫患者手部伸展、弯曲等运动范围的限制，使其在人手安全范围内做运动功能的康复训练。主要特征是每根手指都有5个独立的模块，每个模块由3个连杆机构组成，其每一连接处的转动中心都与人手关节相对应。掌指关节由类似曲柄滑PIP 、DIP 则由块的机构驱动，

钢缆线传动带动，每根手指由一个执行器独立驱动、拉线传动，控制较方便，且该机

▲图3

柏林工业大学的外骨骼康复机器手▲图2

手功能康复机器人

香港得信集团与香港理工大学自主研发的神经康复机器手Hand of Hope ，如图5［14］。采用的是互动式意念驱动手部训练的康复机器系统，让手部重获运动功能。该机器手每个手指配有专用微型电机提供运动驱动力，

▲图5

香港理工大学的Hand of Hope

总重不到800克。它是通过

采集患者大脑意念驱动患侧肢体的EMG 信号，控制机器手上各个关节的微电机，使患侧实现与机器手共同动作的康复训练。可以促进肌肉再学习能力，鼓励病人以EMG 信号形且不依赖电刺激。利用式通过自身肌肉运动带动患侧动作，

电机协助受损肌肉进行训练，患者还可穿戴该机器手进行日常生活的功能运动，做简单抓握动作。但用电机提供驱动力始终存在安全隐患。实现结构控制，

综合比较分析，可得到如表2所示的上述国内外由电机驱动的手功能康复机器人特点。

由表2可以看出，手功能康复机器人研究初期普遍采用电机驱动，拉线传动，未集成传感器技术，随着当前传感技术越来越多专家学者将力传感器、位置传感器、角度传的发展，

构能适应不同尺寸的手指。但未集成能实时反馈康复训练时的各种运动数据信息的传感器构成一个闭环控制回路，临床康复训练师也难以获得量化数据以评估患者康复训练效果。

德国柏林工业大学Wedge 等人研制的肌电控制外骨骼康复机器手采用的是模块化设计的思想，如图3

［11，12］

。它每

2条钢丝绳牵引，根手指由1个电机驱动、通过驱动3组平面四杆机构实现手指独立的关节运动，因钢丝绳的伸缩是由滑

26机械设计与研究第30卷

感器应用于康复医学工程，达到实时反馈运动信息、力觉信息。但电机控制给康复训练带来一定风险，因此，目前手功

表2

类别

意大利的HANDEXOS 柏林工业大学的外骨骼康复机械手岐阜大学外骨骼康复机器手Hand of Hope

力传递方式线缆、曲柄滑块线缆连杆、

5

能康复机器人正由电机驱动逐步采用气动人工肌肉或气缸与气动人工肌肉相结合作驱动系统的执行器。

电机驱动的手功能康复机器人自由度

无

传感方式

控制方式欠驱动

不足

未集成传感器，不能实时

反馈位置、力觉等信息参数模型受佩戴方式的变化而变化

，不利控制电机控制，结构和控制系

便携性差统较为复杂，

微型电机控制，价格较高

20肌电电极主动运动控制

连杆18健手的关节角度EMG

自运动控制

连杆5主动控制

1．2．2以气缸或气动人工肌肉提供驱动力的手功能康复机另外机构的外观设计也有待进一步的完善。

日本东京工业大学精密智能实验室研发的双向机制的手功能康复机器人也是由气动人工肌肉提供驱动力的，如图9a ［18］。该机构共10个自由度，每根手指2个自由度，但仍欠驱动，因此每根手指通过设置一个双向联动机构来实现手指屈曲运动。同时为实现精确的力辅助运动，在每根手指机构的末端装有一个防水的气囊传感器用于装置的抓握力控制，从而通过压力调节器、伺服阀、压力传感器的气动控制回路按比例放大所提供的外力，实现患手抓握动作训练。该机构还能防水，通过大量实验发现，它能在水中实现3kg 物体的抓握动作，从水中拿出可继续正常用于康复实验，如图9b

［18］

器人研究现状

韩国东义大学研发了两代气动人工肌肉驱动的手功能康复机器人DULEX －Ⅰ，如图6

［15］

所示，其外骨骼由

ABS 塑料制成，包括三根人工肌肉总重为504克。它主要用于康复除大拇指外的其余四指，该机器人共3个自由度，分别是食指、其余三指和腕部。进行康复训练时人冲力小，柔顺性工肌肉收缩，

好，带动手指部分、腕部的机构使患手作伸展运动，重复训练，能使偏瘫患者逐步扩大手部伸展范围。DULEX －Ⅱ

［16］

▲图6韩国的DULEX －

。

（如图7）则对其控制

▲图7韩国的DULEX －

▲图9

▲图8

华中科技大学的气动人工肌肉－扭簧驱动的可穿戴手功能康复机器人

方式作了改善。机构仍有3个自由度，但腕部改由一个双作用气缸来驱动，除拇指外的其余四指由两个线性的电机控制功能完好的手戴上数据手套，运动。进行康复训练实验时，

患手戴上DULEX －Ⅱ，通过主从控制，发现实验结果误差极其微小，该机构能精确控制运动，实现良好康复训练效果。

华中科技大学学者研制了由气动人工肌肉—扭簧驱动的可穿戴手功能康复机器人，如图8

［17］

。该机构结构在轴向

▲图10美国芝加哥康复中心的PneuGlove

将其与扭簧结合，设计上克服了人工肌肉单向运动的缺点，

用于关节驱动，最终实现手指的伸展/屈曲运动。因其结构易穿戴，在进行康复训练时，具一定的舒适性和安全简单，

性。不足在于该机构只能用于康复除拇指外的四指，

控制精确度还不高；同时还未集成力传感器和角度传感器

，不能实位置信息从而改善治疗方案；时反馈手部运动的力觉信息、

美国芝加哥康复中心的Lauri Connelly 等人研发的用于中风病人手部康复的与虚拟现实环境相结合的气动手套

［19］

PneuGlove ，如图10。这款气动手套，可用于通过抓－放日

常生活中的实物进行手指康复运动训练，也可与虚拟康复训练系统装置连接，作抓－放动作，完成虚拟现实三维环境中

第1期李海丽等：手功能康复机器人技术27

抓－放物体的康复训练游戏。通过对比两组中风病人为期六周的康复训练试验结果发现，戴上气动手套PneuGlove 做手指康复训练的中风患者比没带上PneuGlove 而仅做同等程度手指康复训练的康复效果要好得多。经过功能评定分析，

表3

类别

Ⅱ韩国东义大学的DULEX Ⅰ、华科的PM －TS 康复机器手东京工业大学手功能康复机器人

芝加哥康复中心的Pneuglove

力传递方式连杆

3

戴上PneuGlove 进行定期的手部运动康复训练，患者的手部功能较康复训练前有所改善。

综合上述具体分析，可得到如表3所示的由气缸或气动人工肌肉提供驱动力的各个手功能康复机器人的特点。

气缸、气动人工肌肉驱动的手功能康复机器人

自由度

无

传感方式

控制方式主从控制欠驱动被动/

辅助欠驱动，被动主动控制/辅助

不足

Ⅰ代控制不精功能单一，

确，Ⅱ代刚性大功能单一，未集成传感器实时反馈

国内还没有相应规格的气动人工肌肉

不能独立控制手指关节运动

连杆1无

压力、气囊传感

EMG 器、

位置、角度传感器

连杆10

充气2

由表3分析比较可发现，由气动人工肌肉构成气动控制柔顺回路驱动手功能康复机器人多是采用连杆结构传递力，性较好，结构较简单，一般为欠驱动控制，机构灵活性较大。但若使康复训练模式多样化，增加其自由度，整体设计较为复杂繁琐，采用气动人工肌肉驱动时还需考虑因其单向性给结构规划设计时带来的影响。1．2．3

以形状记忆合金提供驱动力的手功能康复机器人的

研究现状

记忆合金是一种较新颖的用于康复医学工程上的驱动目前基本上不以记忆合金作为驱动系统执行器．采执行器，

用这种驱动方式比较成功的案例的是Makara 等人研制的WHO ［20］。采用形状记忆合金驱动方式，驱动速度快，负载能力强，但是因记忆合金存在较严重的疲劳和寿命问题，很少采用。

实现早日康复。

可见对于手功能康复机器人的研究还有很多很大的进步空间，针对上述手功能康复机器人存在的一些关键问题，可提出以下解决途径。

（1）设计更多自由度的手功能康复机器人，控制力度、平衡性贴近实际，协调关节运动，使康复训练模式由单一的运动训练转为功能训练，实现患手复杂的康复训练运动。

（2）设计机械结构时充分考虑机构的“安全舒适、轻便可靠”要求，设计小巧、安全性高、舒适性好的手功能康复机器人，如采用ABS 塑料制造，外骨骼联接在硅胶手套外等。

（3）进一步研究和改进机构的控制系统和控制方式，以提高控制系统增加机构在患者进行康复训练运动的稳定性，的适应性。

（4）利用虚拟现实技术设计形象生动的康复训练虚拟增加康复训练过程的趣味性，使患者心情愉悦，重现实环境，

充分调动患者参与性，让患者更早更好地塑患者的信心，康复。

（5）利用集成技术，建立有效的康复训练效果反馈机制，集成人体EMG 信号、位置传感器、力传感器等，实时反馈患者在进行康复训练时手的关节速度、位置、力等信息。

（6）建立有效的康复训练评估系统，并将其与运动训练使其可针对不同残障状态的患者进行相应的康系统相结合，

复运动训练，节省患者康复治疗的周期，并最大限度地恢复患者手部的运动功能。

通过综合分析与归纳，查阅大量文献参考资料，研究采用PLC 控制器、比例调压阀、气动肌腱等设计气动控制回路，机构主要根据人体仿生学设计成欠驱动控制的外骨骼结构，通过连杆传递力，实现达到患手的康复训练运动。

2

目前手功能康复机器人存在的不足和解决途径

康复工程技术日新月异，虽然各国的专家学者都在积极致力于手部功能康复机器人的研究，目前手功能康复机器人的发展仍处于初步阶段，还有很多普遍的关键问题亟需解决。

总结有以下几个方面需要进一步的研究与改进：（1）康复训练运动功能还比较单一［21］，对于腕关节运动、关节的外展/内收运动的实现，其研究相对比较少，因此无法满足人们生活实际的要求；

（2）手功能康复机器人的机械结构和控制系统还有待在康复训练过程中，缺乏对患者手指关节力矩、进一步改善，

关节角度、关节速度等参数进行实时精确地控制。

（3）机构的结构过于复杂，体积一般较大，不便携带，安全性、舒适性有待提高。

（4）康复训练效果的反馈机制有待完善，还无法精确反映患手戴上康复机器手进行康复训练运动的位置和力的反馈信息，感知能力不足，因而影响了康复训练的评价，对患者降低了效率。的训练进行及时有效的评估与反馈，

（5）康复训练过程单一、枯燥乏味，不利患者参与训练

3结论

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料计算机科学以及机器人学等其他诸多领域，已经成为了学、

国际机器人领域的一个研究热点

［22，23］

而随着人们的生活水

平不断提升，人们对手功能康复机器人的期望和要求也越来

28机械设计与研究第30卷

越高。而随着当今世界各种先进机器人技术的广泛应用，将其应用到康复工程领域也是手功能康复机器人发展的推动力，比如传感技术、计算机技术、虚拟现实技术、遥控操作技术、导航技术

［24］

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作者简介：李海丽（1988－），女，硕士性；主要研究方向：康复机

器人的设计与控制等，已发表论文1篇。

等。同时，还可引入各种先进的机器人控制

［25］

技术、微驱动技术、人机接口脑机接口等技术，在做康复

［26，27，28］

训练时直接由脑电信号控制机构的运动，实现由被动转为主动，自适应反馈控制与临床康复治疗相结合

，使患者

和医生能实时地进行沟通与交流，从而改善康复运动训练的节省患者的康复治疗周期，节省成本，提高效率。治疗方案，

最终，手功能康复机器人也会像其他康复机器人在日常生活创造出更大的价值，逐步平民化、产品化、市中的广泛应用，

场化，真正走入残疾人和老年人的实际生活中，提供及时有效的帮助，提高生活质量，增加幸福感。

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李海丽，谢叻，魏盛凯，蒋峻，俞文伟

（1．上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院，E-mail ：lexie@sjtu．deu．cn ；上海200030，2．上海交通大学数字医学临床转化教育部工程研究中心，上海200030；3．日本千叶大学，日本千叶）

摘要：手功能康复机器人是一种帮助手外伤或偏瘫患者逐步恢复手指运动功能的医疗康复机器人，结

合了康复医疗理论和机器人技术。讨论了国内外手功能康复机器人的研究现状，依据人手生物力学特性和临床康复医疗训练要求，从提供机构驱动力的不同方式出发，围绕现有手功能康复机器人的机械结构设计、运动

控制系统设计、力觉和位置信息反馈等问题展开了阐述，分析了目前手功能康复机器人存在的不学和动力学、

在此基础上，对其研究前景进行了展望。足和解决途径，

关键词：外骨骼康复机器人；手功能康复训练；驱动力中图分类号：TP242文献标识码：A

ＲesearchStatus of ＲehabilitationＲobotfor Hand Function

Li Haili ，Xie Le ，Wei Shengkai ，Jiang Jun ，Yu Wenwei

（1．Institute of Forming Technology＆Equipment ，School of Materials Science and Engineering ，SJTU ，Shanghai 200030，China ；2．Engineering ＲesearchCenter of Digital Medicine Clinical Transiation ，Ministry of Education ，Shanghai 200030，China ；

3．Chiba University in Japan ）

Abstract ：Hand rehabilitation robot is a medical rehabilitation robot to help the hand injuries or the hemiplegia patients recover motion function gradually．It combines medical rehabilitation theory and robotics．This paper discusses an extensive research on the-state-of-the-art of hand rehabilitation robot．In accordance with the requirements of hand biomechanical characteristics and medical training of clinical rehabilitation and the different ways of driven force ，some technologies of current hand rehabilitation robot such as its mechanical structure design ，kinematics and dynamics ，control system design ，haptic and location information feedback and so on are synthesized and studied．On this basis ，it is also analyzed its insufficiency and research prospects．

Key

words ：exoskeleton rehabilitation robot ；hand rehabilitation training ；driven force

用于辅助手部关节进行弯曲/伸展，外展/内收的手指康复训练，通过控制系统实现多种运动策略辅助单个或多个手指完成康复治疗

［4］

手是人体的重要器官之一，但人手运动功能也极易受到损害，导致手功能受损的一个主要原因是脑卒中。脑卒中后患者可出现多种神经功能缺损表现，其中偏瘫和运动障碍最为常见，而患者手功能障碍往往临床表现为屈曲挛缩，手的屈肌张力占优势，指间关节和掌指关节伸展困难，丧失握持、侧捏、对掌及对指等精细的运动功能

［1］

。本文主要研究手功能康复机器人技术的国

内外发展现状，分析其存在的不足和解决途径。

1

1．1

手功能康复机器人国内外研究现状

人手结构分析人手是人体各个

。目前国内外对于因

脑卒中引起的手部偏瘫运动功能损失的改善和康复治疗方法主要是是通过修复或重塑受损神经，加强肌肉肌腱的强度锻炼，完成运动学习来重建或改善中风患者手部的运动功能

［2，3］

关节中自由度最多最集中的部位，其结构也最为复杂，主要由腕骨、掌骨、指骨所组成，指骨又由近端指骨、中指骨和远端指骨组成

［5］

。传统的理疗和职业理疗师的一对一式疗法劳动量

大、费用昂贵，而机器人辅助康复疗法可以很好地解决以上缺陷，手功能康复机器人的研究与应用应运而生。它主要是

收稿日期：2013－07－11

61190120），基金项目：国家自然科学基金资助重大项目（61190124，

国家科技支撑计划资助重点项目（2009BAI71B06），国家高技术

2009AA01Z313），研究发展计划资助项目（863）（2006AA01Z310，

（612111142，60873131），国家自然科学基金项目资助项目上海交

“医工（理）交叉研究基金”通大学资助项目（YG2012MS54）

，其掌部共

▲图1

人手结构图

21个自由度。其中大拇指有5个自由

度，指间关节（IP ）和掌指关节（MCP ）各1个自由度，腕掌关

第1期李海丽等：手功能康复机器人技术25

节（CM ）有3个自由度。其余四指每个手指各4个自由度，其中近端指间关节（PIP ）和远端指间关节（DIP ）各有1个自由度，掌指关节有2个转动自由度。手指的结构及关节定义如图11．2

［6］

成一定比例，因此能精确控制单个手指的关轮半径确定的，

节，且对手指的大小尺寸具有完全适应能力，方便康复训练时因人调整。但该装置的参数模型受佩戴方式的变化而变化，主动关节转角与手指关节转角成非线性关系，不利于控制，因此会影响期望的临床训练效果。

日本岐阜大学的Satoshi Ueki 等人研制了基于虚拟现实

［13］

（VＲ）技术的手部外骨骼康复机器人，如图4。它共18个

所示。

国内外研究现状

人手功能极为精细、灵敏，因而帮助手部运动功能康复

的机器人研制也就相对复杂和多样化。如果对人手的生理结构及其运动和控制规律没有深刻的认识，设计出的手功能临床实用和安全可外骨骼康复机器人就很难满足功能合理、

靠的要求。目前手功能康复机器人的设计基本上是采用外其实现形式主要有两种骨骼式结构，

［7］

自由度，拇指有4个自由度，四指各有3

个自由度，腕部有21个电机实现个自由度

。大拇指靠3个电机实现伸展/屈曲，

外展/内收；其余四指，每根手指都装有3个电机以提供驱动PIP 关节的伸展/屈曲以及MCP 的外展/内收；辅助MCP 、力，

腕部的运动依靠2个电机控制实现。为提高康复训练效率，该机器人建立了基于VＲ技术由临床医生输入的可视化操作指示，患者可独立进行康复训练。同时配有提供双边康复疗法的数据手套，患者可通过戴在健肢手指上的数据手套来实现实时交自主控制戴在患肢上的外骨骼以驱动患肢手指，

互的力觉信息和位置信息。不足是电机控制运动存在一定的安全隐患，且台式设计使它不能和上肢大关节康复设备一起工作，康复效果受限制；结构和控制系统都较为复杂，便携性差，造价高。

：末端直接拉伸式和

多关节驱动式；而为机构提供驱动力的执行器主要有：电机、气缸、气动肌肉和记忆合金，表1是目前手功能康复机器人驱动系统所用的执行器，其中电机驱动正逐步被气缸、气动人工肌肉驱动

［8］

取代。

表1

种类电机

手功能康复机器人的驱动系统执行器优点

缺点

刚性驱动元件，无法满足临床康

复的安全性要求

康复训练时同样存在安全隐患

控制方

便，能方便地实现正反运动控制方便，能方便地实现正反运动

气缸人工记忆合金

安全性高，非线性、时变性、时滞性，不能柔性控制，

噪音小，

清洁卫生速度等精确控制位置、速度快，带负载能力强

存在疲劳和寿命等问题

1．2．1以电机提供驱动力的手功能康复机器人研究现状

▲图4

日本岐阜大学的手部外骨骼康复机器手

意大利学者研制的手功能康复机器人第一代HAN-［9，10］

DEXOS ，。它能克如图2

服偏瘫患者手部伸展、弯曲等运动范围的限制，使其在人手安全范围内做运动功能的康复训练。主要特征是每根手指都有5个独立的模块，每个模块由3个连杆机构组成，其每一连接处的转动中心都与人手关节相对应。掌指关节由类似曲柄滑PIP 、DIP 则由块的机构驱动，

钢缆线传动带动，每根手指由一个执行器独立驱动、拉线传动，控制较方便，且该机

▲图3

柏林工业大学的外骨骼康复机器手▲图2

手功能康复机器人

香港得信集团与香港理工大学自主研发的神经康复机器手Hand of Hope ，如图5［14］。采用的是互动式意念驱动手部训练的康复机器系统，让手部重获运动功能。该机器手每个手指配有专用微型电机提供运动驱动力，

▲图5

香港理工大学的Hand of Hope

总重不到800克。它是通过

采集患者大脑意念驱动患侧肢体的EMG 信号，控制机器手上各个关节的微电机，使患侧实现与机器手共同动作的康复训练。可以促进肌肉再学习能力，鼓励病人以EMG 信号形且不依赖电刺激。利用式通过自身肌肉运动带动患侧动作，

电机协助受损肌肉进行训练，患者还可穿戴该机器手进行日常生活的功能运动，做简单抓握动作。但用电机提供驱动力始终存在安全隐患。实现结构控制，

综合比较分析，可得到如表2所示的上述国内外由电机驱动的手功能康复机器人特点。

由表2可以看出，手功能康复机器人研究初期普遍采用电机驱动，拉线传动，未集成传感器技术，随着当前传感技术越来越多专家学者将力传感器、位置传感器、角度传的发展，

构能适应不同尺寸的手指。但未集成能实时反馈康复训练时的各种运动数据信息的传感器构成一个闭环控制回路，临床康复训练师也难以获得量化数据以评估患者康复训练效果。

德国柏林工业大学Wedge 等人研制的肌电控制外骨骼康复机器手采用的是模块化设计的思想，如图3

［11，12］

。它每

2条钢丝绳牵引，根手指由1个电机驱动、通过驱动3组平面四杆机构实现手指独立的关节运动，因钢丝绳的伸缩是由滑

26机械设计与研究第30卷

感器应用于康复医学工程，达到实时反馈运动信息、力觉信息。但电机控制给康复训练带来一定风险，因此，目前手功

表2

类别

意大利的HANDEXOS 柏林工业大学的外骨骼康复机械手岐阜大学外骨骼康复机器手Hand of Hope

力传递方式线缆、曲柄滑块线缆连杆、

5

能康复机器人正由电机驱动逐步采用气动人工肌肉或气缸与气动人工肌肉相结合作驱动系统的执行器。

电机驱动的手功能康复机器人自由度

无

传感方式

控制方式欠驱动

不足

未集成传感器，不能实时

反馈位置、力觉等信息参数模型受佩戴方式的变化而变化

，不利控制电机控制，结构和控制系

便携性差统较为复杂，

微型电机控制，价格较高

20肌电电极主动运动控制

连杆18健手的关节角度EMG

自运动控制

连杆5主动控制

1．2．2以气缸或气动人工肌肉提供驱动力的手功能康复机另外机构的外观设计也有待进一步的完善。

日本东京工业大学精密智能实验室研发的双向机制的手功能康复机器人也是由气动人工肌肉提供驱动力的，如图9a ［18］。该机构共10个自由度，每根手指2个自由度，但仍欠驱动，因此每根手指通过设置一个双向联动机构来实现手指屈曲运动。同时为实现精确的力辅助运动，在每根手指机构的末端装有一个防水的气囊传感器用于装置的抓握力控制，从而通过压力调节器、伺服阀、压力传感器的气动控制回路按比例放大所提供的外力，实现患手抓握动作训练。该机构还能防水，通过大量实验发现，它能在水中实现3kg 物体的抓握动作，从水中拿出可继续正常用于康复实验，如图9b

［18］

器人研究现状

韩国东义大学研发了两代气动人工肌肉驱动的手功能康复机器人DULEX －Ⅰ，如图6

［15］

所示，其外骨骼由

ABS 塑料制成，包括三根人工肌肉总重为504克。它主要用于康复除大拇指外的其余四指，该机器人共3个自由度，分别是食指、其余三指和腕部。进行康复训练时人冲力小，柔顺性工肌肉收缩，

好，带动手指部分、腕部的机构使患手作伸展运动，重复训练，能使偏瘫患者逐步扩大手部伸展范围。DULEX －Ⅱ

［16］

▲图6韩国的DULEX －

。

（如图7）则对其控制

▲图7韩国的DULEX －

▲图9

▲图8

华中科技大学的气动人工肌肉－扭簧驱动的可穿戴手功能康复机器人

方式作了改善。机构仍有3个自由度，但腕部改由一个双作用气缸来驱动，除拇指外的其余四指由两个线性的电机控制功能完好的手戴上数据手套，运动。进行康复训练实验时，

患手戴上DULEX －Ⅱ，通过主从控制，发现实验结果误差极其微小，该机构能精确控制运动，实现良好康复训练效果。

华中科技大学学者研制了由气动人工肌肉—扭簧驱动的可穿戴手功能康复机器人，如图8

［17］

。该机构结构在轴向

▲图10美国芝加哥康复中心的PneuGlove

将其与扭簧结合，设计上克服了人工肌肉单向运动的缺点，

用于关节驱动，最终实现手指的伸展/屈曲运动。因其结构易穿戴，在进行康复训练时，具一定的舒适性和安全简单，

性。不足在于该机构只能用于康复除拇指外的四指，

控制精确度还不高；同时还未集成力传感器和角度传感器

，不能实位置信息从而改善治疗方案；时反馈手部运动的力觉信息、

美国芝加哥康复中心的Lauri Connelly 等人研发的用于中风病人手部康复的与虚拟现实环境相结合的气动手套

［19］

PneuGlove ，如图10。这款气动手套，可用于通过抓－放日

常生活中的实物进行手指康复运动训练，也可与虚拟康复训练系统装置连接，作抓－放动作，完成虚拟现实三维环境中

第1期李海丽等：手功能康复机器人技术27

抓－放物体的康复训练游戏。通过对比两组中风病人为期六周的康复训练试验结果发现，戴上气动手套PneuGlove 做手指康复训练的中风患者比没带上PneuGlove 而仅做同等程度手指康复训练的康复效果要好得多。经过功能评定分析，

表3

类别

Ⅱ韩国东义大学的DULEX Ⅰ、华科的PM －TS 康复机器手东京工业大学手功能康复机器人

芝加哥康复中心的Pneuglove

力传递方式连杆

3

戴上PneuGlove 进行定期的手部运动康复训练，患者的手部功能较康复训练前有所改善。

综合上述具体分析，可得到如表3所示的由气缸或气动人工肌肉提供驱动力的各个手功能康复机器人的特点。

气缸、气动人工肌肉驱动的手功能康复机器人

自由度

无

传感方式

控制方式主从控制欠驱动被动/

辅助欠驱动，被动主动控制/辅助

不足

Ⅰ代控制不精功能单一，

确，Ⅱ代刚性大功能单一，未集成传感器实时反馈

国内还没有相应规格的气动人工肌肉

不能独立控制手指关节运动

连杆1无

压力、气囊传感

EMG 器、

位置、角度传感器

连杆10

充气2

由表3分析比较可发现，由气动人工肌肉构成气动控制柔顺回路驱动手功能康复机器人多是采用连杆结构传递力，性较好，结构较简单，一般为欠驱动控制，机构灵活性较大。但若使康复训练模式多样化，增加其自由度，整体设计较为复杂繁琐，采用气动人工肌肉驱动时还需考虑因其单向性给结构规划设计时带来的影响。1．2．3

以形状记忆合金提供驱动力的手功能康复机器人的

研究现状

记忆合金是一种较新颖的用于康复医学工程上的驱动目前基本上不以记忆合金作为驱动系统执行器．采执行器，

用这种驱动方式比较成功的案例的是Makara 等人研制的WHO ［20］。采用形状记忆合金驱动方式，驱动速度快，负载能力强，但是因记忆合金存在较严重的疲劳和寿命问题，很少采用。

实现早日康复。

可见对于手功能康复机器人的研究还有很多很大的进步空间，针对上述手功能康复机器人存在的一些关键问题，可提出以下解决途径。

（1）设计更多自由度的手功能康复机器人，控制力度、平衡性贴近实际，协调关节运动，使康复训练模式由单一的运动训练转为功能训练，实现患手复杂的康复训练运动。

（2）设计机械结构时充分考虑机构的“安全舒适、轻便可靠”要求，设计小巧、安全性高、舒适性好的手功能康复机器人，如采用ABS 塑料制造，外骨骼联接在硅胶手套外等。

（3）进一步研究和改进机构的控制系统和控制方式，以提高控制系统增加机构在患者进行康复训练运动的稳定性，的适应性。

（4）利用虚拟现实技术设计形象生动的康复训练虚拟增加康复训练过程的趣味性，使患者心情愉悦，重现实环境，

充分调动患者参与性，让患者更早更好地塑患者的信心，康复。

（5）利用集成技术，建立有效的康复训练效果反馈机制，集成人体EMG 信号、位置传感器、力传感器等，实时反馈患者在进行康复训练时手的关节速度、位置、力等信息。

（6）建立有效的康复训练评估系统，并将其与运动训练使其可针对不同残障状态的患者进行相应的康系统相结合，

复运动训练，节省患者康复治疗的周期，并最大限度地恢复患者手部的运动功能。

通过综合分析与归纳，查阅大量文献参考资料，研究采用PLC 控制器、比例调压阀、气动肌腱等设计气动控制回路，机构主要根据人体仿生学设计成欠驱动控制的外骨骼结构，通过连杆传递力，实现达到患手的康复训练运动。

2

目前手功能康复机器人存在的不足和解决途径

康复工程技术日新月异，虽然各国的专家学者都在积极致力于手部功能康复机器人的研究，目前手功能康复机器人的发展仍处于初步阶段，还有很多普遍的关键问题亟需解决。

总结有以下几个方面需要进一步的研究与改进：（1）康复训练运动功能还比较单一［21］，对于腕关节运动、关节的外展/内收运动的实现，其研究相对比较少，因此无法满足人们生活实际的要求；

（2）手功能康复机器人的机械结构和控制系统还有待在康复训练过程中，缺乏对患者手指关节力矩、进一步改善，

关节角度、关节速度等参数进行实时精确地控制。

（3）机构的结构过于复杂，体积一般较大，不便携带，安全性、舒适性有待提高。

（4）康复训练效果的反馈机制有待完善，还无法精确反映患手戴上康复机器手进行康复训练运动的位置和力的反馈信息，感知能力不足，因而影响了康复训练的评价，对患者降低了效率。的训练进行及时有效的评估与反馈，

（5）康复训练过程单一、枯燥乏味，不利患者参与训练

3结论

康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料计算机科学以及机器人学等其他诸多领域，已经成为了学、

国际机器人领域的一个研究热点

［22，23］

而随着人们的生活水

平不断提升，人们对手功能康复机器人的期望和要求也越来

28机械设计与研究第30卷

越高。而随着当今世界各种先进机器人技术的广泛应用，将其应用到康复工程领域也是手功能康复机器人发展的推动力，比如传感技术、计算机技术、虚拟现实技术、遥控操作技术、导航技术

［24］

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作者简介：李海丽（1988－），女，硕士性；主要研究方向：康复机

器人的设计与控制等，已发表论文1篇。

等。同时，还可引入各种先进的机器人控制

［25］

技术、微驱动技术、人机接口脑机接口等技术，在做康复

［26，27，28］

训练时直接由脑电信号控制机构的运动，实现由被动转为主动，自适应反馈控制与临床康复治疗相结合

，使患者

和医生能实时地进行沟通与交流，从而改善康复运动训练的节省患者的康复治疗周期，节省成本，提高效率。治疗方案，

最终，手功能康复机器人也会像其他康复机器人在日常生活创造出更大的价值，逐步平民化、产品化、市中的广泛应用，

场化，真正走入残疾人和老年人的实际生活中，提供及时有效的帮助，提高生活质量，增加幸福感。

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