一种新型手部康复机器人的设计与研究
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Ｚｈａｎ Ｗｅｎｃｏｎｇ Ｊｉａｎｇ Ｚｈｅｎ
０ 引 言 脑 中风 是 当下成 年 人 的主 要 死 亡 因素 之 一 ，也 是 成
年人残 疾 的主要 原 因之 一 。据 统 计 ，美 国每 年会 发 生 多 于 ８０万 起 的脑 中风 事 件 ；中 国每 年 的患 病 人 数 为 （６— ７００）万 ，新发 病人数 大约 １５０万 。 随着 老 龄化 现 象 的 Ｅｔ 益加 重 以及人类 平 均 寿命 的增 加 ，脑 中风 发 病率 还 会 继 续提 高 。近年来 医疗 技术 的飞 速发展 使 中风患者 的存 活 率达 到 ６０～７５％ ，但 是存 活 的患者 中有 ８０％会 出现上 肢 或下肢功能缺失。总而言之 ，脑 中风存在着高发病率 、高 死 亡率 以及 高致残 率 的三高现 象 。
长时 间 、高 强度 的治疗训 练 虽然有 一定 的效果 ，但 是 在简 单 的训 练模 式下 ，仍有 （３０～６６）％ 的患 者无 法 恢 复 他们 的肢体 运 动功能 。近 年来科 学家 们基 于原基 础上 提 出了新 的设想 ：在治 疗 过程 中让 患 者 能够 尽 可 能 主动 地 参与进来 ，同时随着康复程度的不同逐渐调整治疗策略。 基于这种想法 ，自２０世纪 ７０年代末机器人技术被 引进 该 领域 ，世 界 上 已 出 现 了诸 多 功 能强 大 的 康 复 机 器 人 。 例 如 ：日本 “Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ”公 司研 制 的 ＨＡＬ系 列 ，其 中 的 ＨＡＬ一５是第 一 款 商业 化 的外 骨 骼 康 复 机 器 人 ，该 机 器 人拥有 自我改进的功能 ，装有主动控制系统 ，它通过运动
神经元 获取 来 自大脑 的神经 信 号 进 而 驱动 相 应 的关 节 ， 可 帮助佩戴 者完 成站源自文库立 、步 行 、抓 握等 动作 。
由瑞 士 Ｈｏｅｏｍａ医 疗 工 程 公 司 和 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｂａｌｇｒｉｓｔ合作研 发 的 ＡＲＭｉｎ手 臂 是专 门针 对 上肢 康 复 的 外骨 骼机器 人 ，为 了让安 装 误 差 不 给相 应 的 肢体 带 来 压 力 ，它采 用不完 全 的外 附系统 。此外 ，该机 器人 还配 备 了 丰富的力传感器和位置传感器 ，拥有一个多媒体设备 ，依 靠 各传感 的反 馈来 制定 出多 种 治疗 策 略 ，并 在 多 媒体 所 显 示 的图像声 音 的辅 助下 ，提 高 患 者 的 主观 能 动 性 其更 好 地参 与进来 。
基 金 项 目 ：国家 自然 基 金 （６７１２１５。６１４３３１０６）资 助 项 目 收 稿 日期 ：２０１５—０９—２８
手 指 协 调 训 练 。
关键词 ：脑 中风 ；手部 康复 ；外骨骼机器人 ；治疗策 略
中 图分 类 号 ：ＴＰ２４
文 献标 识码 ：Ａ
国家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：４６０．４０２５
ＤＯＩ：１０．１５９８８／ｉ．ｃｎｋｉ．１００４ —６９４１．２０１６．０２．００２
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｈａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｒｏｂｏｔ
ｚ—ｈａｎｄ的结构设 计理 念 主要 基 于手 部各 关 节 特性 以及手在休息位 功能位 的姿态。其中 ，休息位指 的是 在空 闲 时手所呈 现 的放 松 姿态 ，此 姿 态 下 腕关 节 背 伸 约 １０～１５度 ，拇 指 出现 轻微 外 展 ，另 外 四指都 呈 现 出半 屈 伸状 态 ，这 是人 体 内在肌 与外在 肌张 力相互 平衡 的结 果 。
手是 人体 的重 要器 官 ，在 日常 生 活 中有 着 举 足轻 重 的地位 。 因此 脑 中风手术 所 引发 的因 中枢 神经 损伤 而导 致 的手部运动功能障碍必然会给患者的 日常生活带来巨 大 的不便 。 目前针 对 于这 种 致 残 现象 ，国 内外 专 家 提 出 了一种 名 为感 觉 运动 康 复疗 法 （Ｓｅｎｓｏｒｉｍｏｔｏｒ Ｔｈｅｒａｐｙ）的 治疗方案 ，即通 过重 复而高强 度 的训 练 以刺 激皮 质层 的重 组 ，并加强患肢的习得眭应用，借此帮助患者恢复运动功能。
动功能的恢 复。为了得到更好的治疗效果 ，近年来机器人技术被引入该领域 。本文详细阐述了一种新型手部康复机器人 Ｚ—ｈａｎｄ，重点介绍 了该 机器人的
外骨骼手指部分 、外骨骼掌背部分以及驱动部分 的结构 ，同时也介绍了该机器人 分别 针对不 同恢复 阶段的三种治疗策略 ：被 动式训练 、单手 指训练 以及多
计量 与测试技 术Ｊ》２０１６ 丰第４３卷 ｇ２ 期
一 种 新 型 手 部 康 复 机 器 人 的 设 计 与 研 究
詹 文聪 蒋 蓁
（上海 大学 （延 长 校 区 ）精 密 机 械 工 程 系 ，上 海 ２０００７２）
摘 要 ：随着脑中风现象 的逐渐频繁 ，其术后的手部运动功能障碍问题也越发地 受到重视。专家们普遍认 为通过有 目的的训 练以刺激皮 质层重组 助于运
由 以上 的例子 可知 ，相对 于 常见 的这些致 力 于肩 、肘 等 大关 节 的产 品 ，市面 上 专 门针 对 于 手 部关 节 的外 骨 骼 机器人 较为 稀少 。与 此 同 时 ，未恢 复手 部 运 动 能力 的患 者 的生活能 力也 无法 显 著 提 高 。 因此 ，本 文将 会 介 绍 一 种专 门 针 对 于 患 者 手 部 关 节 的 新 型 康 复 机 器 人 ｚ — ｈａｎｄ，该机 器人 对于 不 同尺寸 的手具有 较 强 的适 用 性 ，可 通过 电机 分别 驱动 腕关 节 及 手部 各 关 节 ，并 依 靠 各关 节 的运 动刺 激相 应 的皮 层来 帮助 患者恢 复 。在整个 治 疗过 程 中 ，针 对不 同 的恢 复 阶段 ，Ｚ—ｈａｎｄ有 三 种不 同的 治疗 策 略 。 １ Ｚ—ｈａｎｄ的机械 结构分 析 １．１ 手部的姿态分析
０ 引 言 脑 中风 是 当下成 年 人 的主 要 死 亡 因素 之 一 ，也 是 成
年人残 疾 的主要 原 因之 一 。据 统 计 ，美 国每 年会 发 生 多 于 ８０万 起 的脑 中风 事 件 ；中 国每 年 的患 病 人 数 为 （６— ７００）万 ，新发 病人数 大约 １５０万 。 随着 老 龄化 现 象 的 Ｅｔ 益加 重 以及人类 平 均 寿命 的增 加 ，脑 中风 发 病率 还 会 继 续提 高 。近年来 医疗 技术 的飞 速发展 使 中风患者 的存 活 率达 到 ６０～７５％ ，但 是存 活 的患者 中有 ８０％会 出现上 肢 或下肢功能缺失。总而言之 ，脑 中风存在着高发病率 、高 死 亡率 以及 高致残 率 的三高现 象 。
长时 间 、高 强度 的治疗训 练 虽然有 一定 的效果 ，但 是 在简 单 的训 练模 式下 ，仍有 （３０～６６）％ 的患 者无 法 恢 复 他们 的肢体 运 动功能 。近 年来科 学家 们基 于原基 础上 提 出了新 的设想 ：在治 疗 过程 中让 患 者 能够 尽 可 能 主动 地 参与进来 ，同时随着康复程度的不同逐渐调整治疗策略。 基于这种想法 ，自２０世纪 ７０年代末机器人技术被 引进 该 领域 ，世 界 上 已 出 现 了诸 多 功 能强 大 的 康 复 机 器 人 。 例 如 ：日本 “Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ”公 司研 制 的 ＨＡＬ系 列 ，其 中 的 ＨＡＬ一５是第 一 款 商业 化 的外 骨 骼 康 复 机 器 人 ，该 机 器 人拥有 自我改进的功能 ，装有主动控制系统 ，它通过运动
神经元 获取 来 自大脑 的神经 信 号 进 而 驱动 相 应 的关 节 ， 可 帮助佩戴 者完 成站源自文库立 、步 行 、抓 握等 动作 。
由瑞 士 Ｈｏｅｏｍａ医 疗 工 程 公 司 和 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｈｏｓｐｉｔａｌ Ｂａｌｇｒｉｓｔ合作研 发 的 ＡＲＭｉｎ手 臂 是专 门针 对 上肢 康 复 的 外骨 骼机器 人 ，为 了让安 装 误 差 不 给相 应 的 肢体 带 来 压 力 ，它采 用不完 全 的外 附系统 。此外 ，该机 器人 还配 备 了 丰富的力传感器和位置传感器 ，拥有一个多媒体设备 ，依 靠 各传感 的反 馈来 制定 出多 种 治疗 策 略 ，并 在 多 媒体 所 显 示 的图像声 音 的辅 助下 ，提 高 患 者 的 主观 能 动 性 其更 好 地参 与进来 。
基 金 项 目 ：国家 自然 基 金 （６７１２１５。６１４３３１０６）资 助 项 目 收 稿 日期 ：２０１５—０９—２８
手 指 协 调 训 练 。
关键词 ：脑 中风 ；手部 康复 ；外骨骼机器人 ；治疗策 略
中 图分 类 号 ：ＴＰ２４
文 献标 识码 ：Ａ
国家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：４６０．４０２５
ＤＯＩ：１０．１５９８８／ｉ．ｃｎｋｉ．１００４ —６９４１．２０１６．０２．００２
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｈａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｒｏｂｏｔ
ｚ—ｈａｎｄ的结构设 计理 念 主要 基 于手 部各 关 节 特性 以及手在休息位 功能位 的姿态。其中 ，休息位指 的是 在空 闲 时手所呈 现 的放 松 姿态 ，此 姿 态 下 腕关 节 背 伸 约 １０～１５度 ，拇 指 出现 轻微 外 展 ，另 外 四指都 呈 现 出半 屈 伸状 态 ，这 是人 体 内在肌 与外在 肌张 力相互 平衡 的结 果 。
手是 人体 的重 要器 官 ，在 日常 生 活 中有 着 举 足轻 重 的地位 。 因此 脑 中风手术 所 引发 的因 中枢 神经 损伤 而导 致 的手部运动功能障碍必然会给患者的 日常生活带来巨 大 的不便 。 目前针 对 于这 种 致 残 现象 ，国 内外 专 家 提 出 了一种 名 为感 觉 运动 康 复疗 法 （Ｓｅｎｓｏｒｉｍｏｔｏｒ Ｔｈｅｒａｐｙ）的 治疗方案 ，即通 过重 复而高强 度 的训 练 以刺 激皮 质层 的重 组 ，并加强患肢的习得眭应用，借此帮助患者恢复运动功能。
动功能的恢 复。为了得到更好的治疗效果 ，近年来机器人技术被引入该领域 。本文详细阐述了一种新型手部康复机器人 Ｚ—ｈａｎｄ，重点介绍 了该 机器人的
外骨骼手指部分 、外骨骼掌背部分以及驱动部分 的结构 ，同时也介绍了该机器人 分别 针对不 同恢复 阶段的三种治疗策略 ：被 动式训练 、单手 指训练 以及多
计量 与测试技 术Ｊ》２０１６ 丰第４３卷 ｇ２ 期
一 种 新 型 手 部 康 复 机 器 人 的 设 计 与 研 究
詹 文聪 蒋 蓁
（上海 大学 （延 长 校 区 ）精 密 机 械 工 程 系 ，上 海 ２０００７２）
摘 要 ：随着脑中风现象 的逐渐频繁 ，其术后的手部运动功能障碍问题也越发地 受到重视。专家们普遍认 为通过有 目的的训 练以刺激皮 质层重组 助于运
由 以上 的例子 可知 ，相对 于 常见 的这些致 力 于肩 、肘 等 大关 节 的产 品 ，市面 上 专 门针 对 于 手 部关 节 的外 骨 骼 机器人 较为 稀少 。与 此 同 时 ，未恢 复手 部 运 动 能力 的患 者 的生活能 力也 无法 显 著 提 高 。 因此 ，本 文将 会 介 绍 一 种专 门 针 对 于 患 者 手 部 关 节 的 新 型 康 复 机 器 人 ｚ — ｈａｎｄ，该机 器人 对于 不 同尺寸 的手具有 较 强 的适 用 性 ，可 通过 电机 分别 驱动 腕关 节 及 手部 各 关 节 ，并 依 靠 各关 节 的运 动刺 激相 应 的皮 层来 帮助 患者恢 复 。在整个 治 疗过 程 中 ，针 对不 同 的恢 复 阶段 ，Ｚ—ｈａｎｄ有 三 种不 同的 治疗 策 略 。 １ Ｚ—ｈａｎｄ的机械 结构分 析 １．１ 手部的姿态分析