基于欠驱动结构的新型手部康复外骨骼手套设计与应用研究

为解决卒中患者手部精细运动功能障碍问题，研究人员开发了一种基于欠驱动机制的柔性便携式手部康复外骨骼手套。通过Adams仿真验证结构可行性，结合关节角度相似性测试和抓握实验，证实该设备可辅助手指实现显著屈伸运动，并能稳定抓取不同尺寸物体。研究为降低致残率、提升患者生活质量提供了实用技术路径。

　　

全球卒中患者数量持续攀升，约70%幸存者面临上肢功能障碍，其中手部精细运动能力受损尤为突出。这不仅严重影响患者穿衣、进食等日常活动，还带来沉重的家庭与社会负担。现有手部康复外骨骼普遍存在结构复杂、成本高昂、应用场景受限等问题，尤其难以兼顾驱动精度与穿戴舒适性。柔性外骨骼虽舒适安全，但驱动力不足；刚性外骨骼虽控制精准，却笨重且适配性差。

针对这一技术瓶颈，中国某高校研究团队在《Biomimetic Intelligence and Robotics》发表创新成果，提出基于人体手部解剖结构的欠驱动外骨骼解决方案。研究首先采用模块化设计理念，将食指外骨骼分为驱动模块(DM)、传力模块(FTM)和指尖交互模块(FIM)，通过单电机实现多关节协同运动。利用Adams软件仿真验证结构可行性后，团队采用3D打印技术以ABS材料制备原型，并集成弹性绑带提升适配性。关键实验技术包括：基于Flex传感器的关节角度动态监测、Brunnstrom分级抓握实验、FSR薄膜压力传感器的力分布测试等。

结构可行性分析
通过Adams仿真模拟食指外骨骼在MCP（掌指关节）、PIP（近端指间关节）、DIP（远端指间关节）的运动轨迹，测得各连杆间角度变化均处于合理范围（如PIP关节达80°屈曲），未出现结构干涉现象，证实机械设计满足生物力学要求。

运动相似性测试
对比穿戴与未穿戴状态下关节活动度，发现PIP关节相似性最高（74.19%），DIP和MCP关节分别为59.02%和41.67%。尽管欠驱动结构导致MCP关节活动范围受限，但保留了自然运动轨迹特征，未产生异常代偿动作。

抓取能力测试
基于Brunnstrom六阶段理论设计球形、杯状、方形等物体抓取任务。五名健康受试者（20-26岁）评估显示，设备在抓握不同尺寸物体时均表现稳定，问卷反馈疲劳度低（CFQ 11评分≤2）、舒适性佳（GCQ评分≥3）。特别在抓取大物体时，持续施力特性使表现优于小物体抓取。

关节力分布测试
FSR传感器监测显示驱动力呈梯度分布：DIP关节受力最大（5.6 N），PIP关节次之（5.2 N），MCP关节最小（4.1 N）。这种向远端递增的传力特性既确保抓握功能实现，又兼顾关节康复需求。

该研究通过欠驱动机构创新，实现了单电机驱动多关节协同、ABS-弹性材料复合减重、模块化设计适配不同指型三大突破。尽管存在MCP关节驱动力不足（仅4.1 N）等局限，但为手功能康复提供了兼具精准性与便携性的新范式。未来可通过优化传动比、扩大临床样本进一步验证长期疗效，推动康复机器人向个性化、智能化方向发展。