手部功能康复机器人研究最新进展
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１ 西安交通 大学，７１００４９；２ 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 ；３ 香港中文学电子工程系 ；４ 通讯作者 作者 简介 ：郭晓辉 ，男 ，在读硕士研究生 ；收稿 日期 ：２０１５—０９．１０
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端指 间关节（ＤＩＰ）各有 １个 自由度。大拇 指除了指间关 节Ｏｅ） 以及 掌指关节各 １个 自由度外 ，腕掌关节（ｃＭ）具有 ３个 自由 度 ，共 有 ５个 自由度 。人手关 节 的运 动范 围因人而异 ，它们 大致有一个通用 的范 围，见表 １ 。
表 １ 正 常成 人手 指 活动 范 围
Ｄ０Ｉ：１Ｏ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００１－１２４２．２０１７．０２．０２５ 基 金 项 目 ：国家 ８６３计 划 高科 技 项 目（ｓＱ２叭３ＧｘＯ３Ｄ００１２８）；“香江 学 者 ”人 才 计 划项 目（ＸＪ２０１３０４５）；中国博 士 后 科学 基 金 面上 项 目
（２０ｌ４Ｍ ５５２４３１）
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Ａ掏简 、 训力他 和易 ｒ【川 转控 、消 ‘ｉ Ｉ Ｊ． ‘ｒ 、Ｉ『 小 、 受个 Ｅ科ｌ Ｉ ｉ ｔｒｌ：＆ｒ
手部功能康复机器人 的分类标准有很多 ，除了按照控制 部 位分 以外 还有 以下 分类标准 ：执行 器的类型 、驱动力 的转 换 方式 、自由度数 、意 图传感方法 和控 制方法 。在这些 标 准里 面本文 选择按照 提供驱动力 的执行器不 同为主要 分类 标 准 ，可 分 为 ：电 机 、气 缸 、气 动 人 工 肌 肉 、形 状 记 忆 合 金 和柔 性材料 。目前手部功能康复机器人所采用的执行器 见表 ２。
２ 手 部 功 能 康 复 机 器 人 国 内外研 究现 状 手是人体各 器官中关 节 自由度最多最集 中、生理结构也
最 为复杂 的部位 ，其 功能精细 、灵敏 、复杂 ，使得 手部功 能康 复 机 器 人 的 研 制 也 相 对 的 复 杂 和 多 样 化 。
现有手 部功 能康复机器 人按照控 制的部位 可以分为指 端控制 、关节控制 、接触物 体控 制 、外骨骼 等 。指端控制是 将辅 助力施加 在手指远端 ，这种 方式简单 ，可以分别控制每 一 根 手指 ，但 是 只能对 手指远 端 临近 的关 节提 供有 限的控 制 ，容 易 现反常的手部运动形式 。关节控制是将力矩按 比 例施加给手指上 的每个关 节 ，每根手指和每个关节都可 以分 别控制 ，但 是通常力矩的 比例难 以调节 。物体控制是控制手 抓 握物体 的膨胀 和缩 小 ，这种方式 简单 ，但 是手指运 动的范 围较小 。外骨骼方式可 以直接控制每一个关 节，减少反常的 手 部姿势 ，但 为了减小控 制的复杂性 ，一般 会减少控 制的关 节数 目和关节 自由度 ，这被认为是机器人康复装置训练之后 并没有 表现 相 对于传统 训练 方式优势 的原 因之一川 。
１ 人 手 运 动 自 由度 及 其 运 动 范 于手部
解剖精 细、复杂 ，导致手外伤或者偏瘫后手功 能难以恢 复 ，致 残率高 ，严重影 响患者 的 日常生活和工作能力 。手功 能主要 通过腕 和手指灵 活 、协调 的运动来完 成 。因此 ，如何 尽快恢 复手外 伤或者偏 瘫患者 的手部肌力 、关节活 动范 围，以及手 指的协调性 、灵活性就显得尤 为重要 。人手骨骼结构主要 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 。人手 自由度 （ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆ ｒｅｅｄｏｍ，ＤＯＦ）共有 ２１ 个 ，前 端 四指每个 手指有 ４个 自由度，其 中掌指关 节（ＭＣＰ）具 有 ２个轴线垂直相交 的转动 自由度 ，近端指 间关 节（ＰＩＰ）和远
中田腐熏区学磐矗 ２０１７￣，第３２卷，第２期 · 综 述 ·
手 部功能康复机 器人研究最新进展
郭 晓辉 王 晶 徐 光 华
脑卒 中 （ｓｍｏｋｅ）具有 发病率 高 、死亡 率高 和致残率 高 的 特 点 。据 统计 ，２０１５年 中国大约会有 超过一千万 脑卒 中患 者 。目前脑卒 中是手功能失效 的主要原 因之一 ，脑卒 中后 患者可 出现多种神经功能缺损症状 。其中偏瘫和运动障碍最 为常见 ，而上肢残疾患者的手功能 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 、对掌及对指等精细运动功能 ，也会 丧失一部 分 触觉感知和本体感受功 能 ，失去对运动 的反馈感 知 。具体 表现在 屈肌 的过度激活和对抗肌群间 的力量不平衡而导致的 手和手腕总是处在屈曲的状态下 ，手指和手腕不能伸展 。 目 前 国内外对于 因脑卒 中引起 的手部偏 瘫运 动功能受损 的改 善 和康复治疗方法 主要是 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 善脑卒 中患者 手 部的运动功能 ，防止 患者肌 肉的废用性 发生 ，促 进脑神 经代偿 。传统的康复治疗 中 ，治疗师手把手 的对 患者进行一 对 一式康 复疗法 ｊ，这种方 法不仅 劳动量大 、费用 昂贵 ，而且 训 练效 率和强度难 以保证 ，缺乏评价训练参数 和康 复效果关 系的客观数据 ，难以对训练参数进行优化 以获 得最佳治疗方 案 。为 了解决 以上弊端 ，将机器人应用与康 复领域 的辅助康 复 疗法相结 合 的手 部功能康 复机器 人技术 的研 究及运 用应 运 而生 。本 文主要研 究康复 机器人 中手指功 能康复机 器人 的国内外现状及其未来 的发展趋势 。
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端指 间关节（ＤＩＰ）各有 １个 自由度。大拇 指除了指间关 节Ｏｅ） 以及 掌指关节各 １个 自由度外 ，腕掌关节（ｃＭ）具有 ３个 自由 度 ，共 有 ５个 自由度 。人手关 节 的运 动范 围因人而异 ，它们 大致有一个通用 的范 围，见表 １ 。
表 １ 正 常成 人手 指 活动 范 围
Ｄ０Ｉ：１Ｏ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００１－１２４２．２０１７．０２．０２５ 基 金 项 目 ：国家 ８６３计 划 高科 技 项 目（ｓＱ２叭３ＧｘＯ３Ｄ００１２８）；“香江 学 者 ”人 才 计 划项 目（ＸＪ２０１３０４５）；中国博 士 后 科学 基 金 面上 项 目
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手部功能康复机器人 的分类标准有很多 ，除了按照控制 部 位分 以外 还有 以下 分类标准 ：执行 器的类型 、驱动力 的转 换 方式 、自由度数 、意 图传感方法 和控 制方法 。在这些 标 准里 面本文 选择按照 提供驱动力 的执行器不 同为主要 分类 标 准 ，可 分 为 ：电 机 、气 缸 、气 动 人 工 肌 肉 、形 状 记 忆 合 金 和柔 性材料 。目前手部功能康复机器人所采用的执行器 见表 ２。
２ 手 部 功 能 康 复 机 器 人 国 内外研 究现 状 手是人体各 器官中关 节 自由度最多最集 中、生理结构也
最 为复杂 的部位 ，其 功能精细 、灵敏 、复杂 ，使得 手部功 能康 复 机 器 人 的 研 制 也 相 对 的 复 杂 和 多 样 化 。
现有手 部功 能康复机器 人按照控 制的部位 可以分为指 端控制 、关节控制 、接触物 体控 制 、外骨骼 等 。指端控制是 将辅 助力施加 在手指远端 ，这种 方式简单 ，可以分别控制每 一 根 手指 ，但 是 只能对 手指远 端 临近 的关 节提 供有 限的控 制 ，容 易 现反常的手部运动形式 。关节控制是将力矩按 比 例施加给手指上 的每个关 节 ，每根手指和每个关节都可 以分 别控制 ，但 是通常力矩的 比例难 以调节 。物体控制是控制手 抓 握物体 的膨胀 和缩 小 ，这种方式 简单 ，但 是手指运 动的范 围较小 。外骨骼方式可 以直接控制每一个关 节，减少反常的 手 部姿势 ，但 为了减小控 制的复杂性 ，一般 会减少控 制的关 节数 目和关节 自由度 ，这被认为是机器人康复装置训练之后 并没有 表现 相 对于传统 训练 方式优势 的原 因之一川 。
１ 人 手 运 动 自 由度 及 其 运 动 范 于手部
解剖精 细、复杂 ，导致手外伤或者偏瘫后手功 能难以恢 复 ，致 残率高 ，严重影 响患者 的 日常生活和工作能力 。手功 能主要 通过腕 和手指灵 活 、协调 的运动来完 成 。因此 ，如何 尽快恢 复手外 伤或者偏 瘫患者 的手部肌力 、关节活 动范 围，以及手 指的协调性 、灵活性就显得尤 为重要 。人手骨骼结构主要 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 。人手 自由度 （ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆ ｒｅｅｄｏｍ，ＤＯＦ）共有 ２１ 个 ，前 端 四指每个 手指有 ４个 自由度，其 中掌指关 节（ＭＣＰ）具 有 ２个轴线垂直相交 的转动 自由度 ，近端指 间关 节（ＰＩＰ）和远
中田腐熏区学磐矗 ２０１７￣，第３２卷，第２期 · 综 述 ·
手 部功能康复机 器人研究最新进展
郭 晓辉 王 晶 徐 光 华
脑卒 中 （ｓｍｏｋｅ）具有 发病率 高 、死亡 率高 和致残率 高 的 特 点 。据 统计 ，２０１５年 中国大约会有 超过一千万 脑卒 中患 者 。目前脑卒 中是手功能失效 的主要原 因之一 ，脑卒 中后 患者可 出现多种神经功能缺损症状 。其中偏瘫和运动障碍最 为常见 ，而上肢残疾患者的手功能 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 、对掌及对指等精细运动功能 ，也会 丧失一部 分 触觉感知和本体感受功 能 ，失去对运动 的反馈感 知 。具体 表现在 屈肌 的过度激活和对抗肌群间 的力量不平衡而导致的 手和手腕总是处在屈曲的状态下 ，手指和手腕不能伸展 。 目 前 国内外对于 因脑卒 中引起 的手部偏 瘫运 动功能受损 的改 善 和康复治疗方法 主要是 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 善脑卒 中患者 手 部的运动功能 ，防止 患者肌 肉的废用性 发生 ，促 进脑神 经代偿 。传统的康复治疗 中 ，治疗师手把手 的对 患者进行一 对 一式康 复疗法 ｊ，这种方 法不仅 劳动量大 、费用 昂贵 ，而且 训 练效 率和强度难 以保证 ，缺乏评价训练参数 和康 复效果关 系的客观数据 ，难以对训练参数进行优化 以获 得最佳治疗方 案 。为 了解决 以上弊端 ，将机器人应用与康 复领域 的辅助康 复 疗法相结 合 的手 部功能康 复机器 人技术 的研 究及运 用应 运 而生 。本 文主要研 究康复 机器人 中手指功 能康复机 器人 的国内外现状及其未来 的发展趋势 。