人手是一个复杂而灵巧的器官，在开展日常生活活动中发挥着关键作用。然而，疾病、事故等引起的手功能障碍制约了患者的日常生活活动，妨碍其实现生活自理。目前，对患者进行手功能康复存在康复周期长、任务重等问题。研究表明，基于机器人技术的手部功能康复能够实现重复和强化治疗的效果。随着近几年柔性康复机器人技术的发展，柔性外骨骼康复手以其良好的便携性、穿戴适应性、顺应性以及人机交互安全性等特点成为康复机器人领域内的研究热点。
目前，大多数柔性外骨骼手的研究集中在满足手功能障碍患者在日常生活中的抓握操作需求上。虽然外骨骼机构形式各异，但在运动控制方式上主要分为3类：按键开关控制、基于生物电触发的开关控制以及力交互控制。按键开关式控制主要用于手功能障碍患者的被动康复训练，例如墨尔本大学设计的一款结构紧凑和流线形的单手软外骨骼手套，在运动控制上，其按照预先设定的轨迹实现抓握运动，用以辅助患者手部的被动训练。瑞士苏黎世联邦理工学院康复工程实验室研发了一款可穿戴的背包式辅助型软手外骨骼，采用单手式设计，可实现蓝牙无线开关控制，对预设任务的抓握表现良好。总的来说，按键开关式控制具有较好的响应实时性，但常为开环控制，无信息反馈，且运动模式固定，应用场景有限。基于生物电（主要包括肌电EMG和脑电EEG）触发的开关控制，是通过对用户生物电信号的模式识别对外骨骼进行控制。例如美国斯蒂文斯理工学院设计的一款基于肌电控制、软电缆驱动的手部外骨骼（HEXOES）以及西安交通大学研制的基于肌电、脑电和眼电同时控制的柔性机械手，通过生物电完成对外骨骼的控制。虽然基于生物电信号的开关控制增强了人机交互性，改变了运动模式固定、无信息反馈的问题，但由于其存在滞后性，因此控制速度较慢，精度较低，且对生物电信号较弱的卒中初期患者适用性较差。此外，力交互控制则是一种利用力传感器作为反馈装置来提高外骨骼手的抓握稳定性以及控制精度的闭环控制方式。例如东北大学针对柔性手套研制了一种基于线张力反馈的力控制系统，用以提高指尖力精度。南京航空航天大学设计了欠驱动绳驱外骨骼手，将接触力或预设角度作为PID（比例―积分―微分）控制器的输入来实现被动训练。然而，这些研究均停留在单手外骨骼的控制上。且研究发现，在对手功能障碍患者进行康复训练的过程中，开展双手协同训练会取得更好的康复效果。
实验对日常生活中人手抛接物体这一过程进行研究，针对图1所示的柔性双手康复外骨骼系统，提出一种力／位混合协同控制策略，通过触发式开关控制，来实现柔性双手外骨骼对人手抛接物体这一过程的协同控制，从而提高患者的双手协同运动能力、提高康复效率。
为了便于实验，将可穿戴式柔性双手外骨骼硬件系统（图1）进行简化，整个系统采用一个12V锂电池组供电，电机选用的是WHEELTEC公司的MGP60-12V型，减速比为60:1，额定输出扭矩为2kgf·cm，安放在电机输出端口的绞盘的半径为7mm；为了尽量地简化驱动模块并缩小整体封装的体积，采用LP双H桥驱动板；采用电机配套的光电编码器实现电机转角闭环反馈，其分辨率为脉冲／转；拉力传感器采用安徽大洋公司的DYLY-型，测量范围为0～10kgf；薄膜压力传感器采用的是柔希科技公司的RX-D型，量程为0～2kgf。实验控制系统的物理硬件结构主要由柔性外骨骼手套本体、编码器、传感器、MCU、直流电机等组成，数据采集／输出模块、电机PWM（脉宽调制）控制装置等都部署在STM32FZGT6嵌入式控制器上运行。
由表1可知，当抛接物动能越大，人手指反向弯曲角度越大时，所计算出的绳索补偿量也越大。且基于抛接模型计算所得最大绳索补偿量为5.4cm，此时人手在理论上所受到的最大动能为0.88J。当动能大于0.88J时，绳索补偿量按照5.4cm计算。
实验中采用比赛用标准规格网球作为抛接抓握对象。网球质量为57g，半径为3.15cm。实验过程中将网球从不同高度释放，使用者佩戴柔性外骨骼手在某固定高度接握物体，并令该固定高度为位置零点。网球从不同高度下落，这一过程不考虑空气阻力，根据能量守恒定律结合表1可得出抛接高度h与动能W以及绳索补偿量?l之间的数值关系，见表2。
从抛接物体的稳定性和安全性考虑，组1至组3为抛接网球合适高度，组4为理论阈值高度。
为了验证所设计的基于绳索伸长量的位置前馈力／位混合协同控制策略在抛接任务过程中的有效性以及实用性，遴选一名健康受试者（男，25岁，身高cm，体重55kg），测试穿戴后抓握物体的效果，如图2所示。
图2抛接实验
基于前述实验控制系统分析，将绳索补偿量设置为4个不同的值分别进行实验。令抛接物（网球）从不同高度做自由落体运动，由穿戴柔性外骨骼手的实验对象进行接握，当压力传感器或拉力传感器产生触发信号时电机开始驱动绳索带动人手屈曲，直到绳索伸长量达到最大值并保持不变。实验结果如图3所示。
图3在不同绳长补偿量下的位置控制实验绳索期望伸长量是指从人手初始伸展状态到无物体抓握时手指完全握紧状态的绳索长度调整差值，即ld=10cm，抓握物体为网球时，实际伸长量la≈6cm。
从实验结果可以看出，以绳索期望伸长量ld=10cm为终值，无补偿时到达稳定状态的时间约为1.25s；补偿量为0.8cm时约为1.03s；补偿量为1.7cm时约为0.85s；补偿量为2.2cm时约为0.74s。对于抛接抓握任务，相比于常规的位置式PD控制而言，采用基于绳索伸长量的前馈位置控制，当绳索补偿量为2.2cm时手指抓握运动时间大约可缩短40%，因此可以有效地提高对抛接物的抓握响应性。
为了验证抛接抓握过程中抓握力的稳定性，基于前述力／位混合协同控制策略，进行了抛接高尔夫球及网球实验。人手完成日常抓取任务时的夹持力（拇指与食指指尖捏取），大多数小于10.5N[26]，本实验中抓取物体的方式为握拳式抓握，主动施力点包含4根手指，因此设定指尖期望接触力大小为6N。
图4为抛接高尔夫球过程中测得的绳索伸长量和指尖力随时间变化的实验数据。在0～0.6s过程中外骨骼手采用位置式控制，并在0.6s时刻握住物体，此时绳索伸长量开始保持不变，约为7.8cm，并且控制系统切换为力交互控制。在0.4s时刻人手已接触高尔夫球，并在1.5s时接触力初步达到期望值6N，在1.5s～5s期间，指尖力稳定在6N左右。
图4双手柔性外骨骼力控制实验：高尔夫球图5为抛接网球过程中测得的绳索伸长量和指尖力随时间变化的实验数据。相比于高尔夫球，网球体积更大，抛接过程中与手指碰撞的概率更大，因此针对该类情况开展实验并记录数据，如图5所示。实验数据显示，网球刚与指尖接触时，因冲量的存在，初始指尖力在较短时间内攀升至峰值，约为4.8N，而后迅速减小，并在0.3s时刻指尖力开始继续增大。0.4s时刻绳索伸长量开始保持不变，约为6cm，此时控制系统切换为力交互控制，并在1s左右指尖力达到期望值6N，后续指尖力稳定在6N范围。
图5双手柔性外骨骼力控制实验：网球实验以生活中常见的人手抛接物体过程为研究对象，提出一种基于位置前馈的力／位混合协同控制系统。首先建立抛接物―人手碰撞能量传递模型，推导出绳索补偿量，并以前馈的方式对位置控制量进行补偿来提高手指抓握速度。力／位混合协同控制以抓握过程中绳索伸长量保持不变但绳索拉力不断增大为切换条件，即人手抓握住物体后开始进行力交互控制。最后由受试者进行了抛接实验，其中基于绳索补偿的位置前馈控制可缩短40%的手指抓握运动时间，同时后段力交互控制保证了抓握物体时指尖力大小的稳定。实验验证了基于抛接任务的双手协同控制策略的有效性，它在提高手指抓握速度的同时提升了抓握稳定性，从而在双手抛接物体场景中实现外骨骼手协助人手抛接物体。后续将围绕抛接物接触人手时的能量大小开展进一步的研究，以提高绳索前馈量的精度。
给大家介绍一款同样是用于康复训练的———脑控手部康复训练仪，它是通过空气压力自动驱使手指及手腕部活动，以降低痉挛，帮助恢复手指功能。而且还可以作用于脑部神经及血管，促进脑部损伤的保守治疗和手术后康复。
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