沈津竹， 赵晓露， 张 帆， 俞 青， 苏军强，4

(1. 江南大学 纺织科学与工程学院， 江苏 无锡 214122； 2. 苏州柔触机器人科技有限公司， 江苏 张家港 215600；3. 江阴市行业管理中心， 江苏 江阴 214400； 4. 闽江学院 纺织服装福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108)

手部功能在人体肢体运动功能中处于重要地位，但由于脑卒中、意外伤害等原因，造成手部功能部分受损或缺失，手术治疗仅能起到部分恢复作用[1]。据临床经验和临床康复实践观察，合理的术后功能性训练，对于手部神经与肌肉的恢复具有明显的积极效果[2]。

近些年，软体机器人技术日益成熟。由于采用了柔韧性强的材料和较为合理的仿生结构设计，软体机器人能实现弯折、扭曲等动作，使其被广泛应用于人机交互、医学等领域[3]。由于柔性机器人具备响应速度快、触感柔软、亲和性好、仿生程度高等特点，其在医疗康复领域的应用日益广泛和深入，并成为学术界研究的新兴领域之一[4]。具体到手部功能康复领域来看，柔性手指与手部、臂部康复训练的结合正在成为探索方向之一。在此类研究中，如何将柔性手指与人体生物体手指进行联动结合，即康复手套，是一个重要的细分研究领域。

经查阅国内外相关文献，康复手套的设计与柔性手指的形状、驱动方式、功能参数等因素密切相关[5-7]。柔性手指的驱动方式主要有物理驱动、流体驱动和电磁驱动3种。其中以空气作为媒介的驱动方式居于主流，该类手套的设计需要特别考虑启动导管与柔性手指的结合位置、联接件及其牢度控制、仿生功能实现与手套材料的结合等因素[5]。鉴于柔性手指成型技术与成本的限制，目前柔性手指与人体手指的结合方式仍处于初级阶段，多采用康复手套作为二者结合的媒介[8]。

为准确了解患者对目前市场上基于柔性手指的康复手套的使用感受，本文联合江南大学附属医院开展了调查。调查结论显示，从功能角度看，市场上的康复手套虽然实现了一定的辅助康复功能，但是患者使用不满之处颇多，主要集中在：1)康复手套整体过重；2)手套的接触舒适感差；3)机器人柔性手指外露，视觉心理不佳。

基于上述文献调研和患者使用调查，本文以国内A公司的一款软体机器人手指(柔性手指)为实验对象，开发了一款适应空气驱动方式的康复手套，并对手套进行相关性能测试。在保证其康复功能的基础上，重点改善康复手套的接触舒适性和视觉舒适性。采用人体功效学评价理论和工具，对手套进行接触舒适性评价和结构工效性评价。

1 康复手套设计

图1所示为国内A 公司研发的软体手指机器人。其工作原理是，通过气动驱动技术的正负压切换实现软体手指机器人的弯曲动作，如图2所示。驱动负压手指内缩弯曲，驱动正压手指外伸弯曲，且正压越大，软体手指弯曲力度越大，辅助病人进行手部的康复治疗训练。

图1 A公司软体手指机器人Fig.2 Soft finger robot of company A

图2 软体手指机器人弯曲动作Fig.2 Bending actions of soft finger robot

从A公司所生产的软体机器人手指中选取和人手指长短相匹配的3种手指，自行设计了一种康复手套(称为0号手套)，如图3所示。利用该手套对病人进行了辅助康复临床实验。根据医院的实验数据，其训练康复有效性在70%左右，显示出良好的适用性和发展前景，同时，参与实验的患者也反馈了0号手套使用方面的一些不足之处。3种手指参数如表1和图4所示。

图3 0号手套Fig.3 Gloves No. 0

根据临床反馈的意见，患者对现有康复手套的不满意主要集中在3个方面：1)面料方面，接触舒适性较差；2)结构方面，没有充分考虑到人体手部的自然特点，导致手套佩戴不方便问题；3)视觉方面，康复手套整体为黑色和气管外露的结构，没有充分考虑色彩等对患者的心理影响，容易让患者产生

表1 柔性康复机器人手套选取的3种柔性手指参数Tab.1 Three kinds of selected soft finger parameters for flexible rehabilitation robot gloves

图4 软体机器人手指参数示意图Fig.4 Schematic diagram of soft finger robot parameters. (a) Motion distance; (b) Length and height; (c) Width

组织坏死、截肢等不悦乃至恐怖的联想。概括来说，柔触康复机器人手套的设计要素为：1)功能要素，要保证手套基本的康复功能；2)面料要素，面料要触感舒适；3)结构要素，手套结构设计要符合手部运动的特点；4)视觉要素，手套外观要视觉舒适。

为此，本文制作一款简易版柔性康复机器人手套(称为1号手套)，如图5所示，以减轻康复手套整体不适感。

图5 柔性康复机器人手套Fig.5 Flexible rehabilitation robot glove. (a) Front; (b) Back

1.1 设计过程

图6示出康复手套设计过程。遵循以人为本的设计理念，采用感性工程定性和定量分析工具，将患者临床意见转化成4个设计要素，即功能要素、面料要素、结构要素和视觉要素。由此，建构起患者潜在需求与康复手套设计参数之间的联系。同时，通过对所设计的手套样品进行面料接触性评价和结构功效学评价实验，获得实验对象对该4项设计要素的主观和客观评价数据，从而以健康的、具有正常感知能力的人体的舒适性数据，确定康复手套的相应设计参数。通过这种源于患者主观感受、回归患者主观感受的模式，确保对手部感知障碍的患者提供具有舒适感受的设计产品。

图6 康复手套设计过程Fig.6 Rehabilitaiton gloves design flow

1.2 设计要素

1.2.1 功能要素

为保证手套的功能性，仍旧选择A公司生产的A6、A9和B8等3款共5个软体手指，进行对0号手套的改良设计(手指参数见表1)。

1.2.2 面料要素

结合A公司的软体手指机器人和气管及驱动器的匹配关系，在面料选择上，主要分为3个部分考虑：手背部接触层面料、包覆柔性手指面料和包覆气管的气管层面料。此外，从面料材质上，应选择结构弹性好、孔隙率高的针织面料[9]。

1)手背部接触面料。接触舒适性是面料对人体局部皮肤产生的刺激，作用于人体的神经系统进而形成的一种生理感觉。面料的材质、结构、性能、后整理方式等对面料的接触舒适性会产生一定的作用，然而最直接的影响还是人体的主观触觉感受评价。

Machado等[10]总结发现，标准人体(皮肤表面积为1.8 m2)手部每小时蒸发量最高为80～160 g。该手套是佩戴在手背部分上，因此，手套接触手背部皮肤的面料应能够凉爽透气。此外，患者佩戴手套进行康复治疗时，手背的手指部分皮肤运动幅度较大，与手套面料之间的摩擦较为频繁，因此患者希望接触手指部分的面料能够细腻柔软。

2)包覆柔性手指面料。由于柔性外骨骼的作用是由气压的变化驱动其弯曲进而带动病人手指弯曲屈动，那么选择的包覆柔性手指面料就应考虑其对柔性外骨骼弯曲功能的影响，不能过于紧绷，从而勒进或者限制、干扰、制约软体手指凸槽间隔的运动，这样会导致手指输出有效作用力的效率降低；因此，从减小对柔性外骨骼弯曲性能影响和减小质量的角度考虑，该部分面料应选择具有优良弹性且质地轻薄的面料。

3)包覆气管面料。包覆气管面料的主要功能是遮盖气管，防止气管意外脱落。实验用柔性手指的气管是通过外部插合的方式连接在柔性手指上(见图3气管)；因此需要面料具有一定的可塑性，减少面料对气管的压迫，保证气管能够正常输送气体。

综合以上分析，结合市场调研，柔性康复机器人手套的面料选择方案如表2所示。

表2 A公司柔性康复机器人手套面料材质选择方案Tab.2 Fabric selection scheme of flexible rehabilitation robot gloves of company A

1.2.3 结构要素

在佩戴手套进行康复训练过程中，患者手部会呈现五指同时向内弯曲的抓握状态和五指同时自然张开的状态。手指弯曲会导致面料在掌心部位的堆积，这些堆积在手指弯曲到一定程度后，会有反作用力作用于手指。这种情况下，手指一方面接受柔性手指弯曲带来的压力，另一方面还会接受面料反作用力带来的压力，从而造成腹背受敌的状况，会有憋胀、酸痛等不适感；因此，掌心固定带要减少材料体积或者采用高压缩比材料，同时，腕带要采用压力较为舒缓的结构设计，以利于手指血液的回流[11]。腕带的选择还要考虑手套佩戴的方便性。结合手套面料的选择特点以及手套的功能性，在结构上的设计要点如下：1)手套固定方式为可调节长短的插扣插合固定，方便康复人员为患者佩戴；2)用弹力带将柔性外手指固定在接触手背部面料和包覆气管面料之间，以保证其正常弯曲；3)在每个柔性外手指的包覆面料上设计1个O型环带，以使得手套能够轻松、顺畅地佩戴到手指上；4)在包覆气管面料和接触手背部面料之间的贴合部位增添魔术贴设计，以增强包覆气管面料的可塑性，方便气管的更换与调节。

1.2.4 视觉要素

通过调研，患者对柔性手指的视觉不满意，可细分为：对柔性手指的外形结构不满意、对柔性手指的材质色彩不满意2个部分。对于前者，患者的心理厌恶主要集中在柔性手指较为密集的隔仓，据深度访谈获得的信息，当柔性手指弯曲时，隔仓被拉伸，隔仓间的距离变大，容易让患者产生“断裂、骨折、骨断筋连”等不友好的联想，从而引起患者对自己手部受伤、受损的原因或者后果的联想，导致对辅助康复设备的整体厌恶、拒绝等心理或者生理行为；因此，手套设计时需要把柔性手指包裹起来。对于后者，现有柔性手指的材质多为注塑硅胶，颜色多为黑色。从色彩科学来看，黑色多为庄重、严肃、悲哀的色彩，黑色的单一大量使用容易使患者联想到缺血、坏死、截肢等阴郁性形象。在医学中，色彩适当的组合运用，可客观调节患者的主观情绪和感受。例如，采用柔和舒缓的配色，可达到缓解病人厌烦等情绪的效果。在医疗产品中，白色是较为舒缓的调和色[12-13]，白色可对精神、神经和情绪起到一个较好地安抚作用，也有助于培养活力和获得支持性的情感，家庭护理设备和医院常用医疗器械等主色调都用乳白色、鱼肚色、珍珠白等，或红与白、绿与白、蓝与白、黑与白等组合。灰色是中性色，其突出的性格为细致、平稳、大方，因此作为背景色彩十分理想[14-16]。此外，柔性康复机器人手套这类医疗产品属于现代高新科技产品，因此产品的选色也应该考虑配以代表科技性的色彩，如蓝色、银色、灰色、黑色等。

根据以上医疗产品颜色设计对人心理的影响和柔性康复机器人手套的科技性，结合A公司以浅蓝色作为品牌颜色的特点，手套的外观配色上采用白、浅蓝、灰、黑4种配色的综合设计(见图5)。

2 实验方案

2.1 基本实验条件

患者的感觉认知能力比正常人差，尤其是中风患者，可能并没有感觉能力，采用患者进行主观评价实验并不能得到准确的实验结果。本文实验受试者的基本条件均为健康，无疾病。为使得实验数据能够更好地应用于患者，需要提前邀请专业医生对受试者进行患者病情特点的相关培训，让受试者假定自己为患者，再进行相关实验。

受试对象共30名， 男性15名，女性15名，年龄在20～27岁之间。受试者为非纺织服装专业背景人群，以排除实验对象具有面料专业知识所带来的倾向性表述，确保实验数据能够代表普通人群的正常反馈。为了保证实验对象对测试指标及其含义的正确理解，实验前对受试者进行相关培训工作，使其了解各感觉指标的含义和细微区别，比如粗糙感和刺扎感，粗糙感是面料表面平行作用于皮肤表面摩擦的感觉，而刺扎感是面料表面垂直作用于皮肤表面针刺的感觉等。实验在40 m2的恒温实验室进行，温度为(20±5) ℃，湿度(60±5) %。实验用样品手套在上述条件下静置24 h，实验开始时将其随机摆放在实验台上，受试者在实验室先适应环境10 min，佩戴黑色面罩以消除视觉对受试者触觉的影响，然后戴上手套进行实验。

2.2 手套性能测试

2.2.1 手指压力测试

手套充气后会弯曲而产生弯曲力作用在手指上，使得手指被动弯曲，而具有一定的康复效果，与此同时，手套会对人手产生一定程度的压迫感。当手指正压充气后，将正压内缩状态的手套手指变回负压外伸所施加的外力大小等于该手套手指对人手手指的压力,如图7所示手套手指弯曲力示意图。施加外力值越大，压迫感越强烈。

图7 手套手指弯曲力示意图Fig.7 Schematic diagram of finger bending force of gloves

2.2.2 面料性能测试

手套接触人手部分的经编网眼面料和空气层四面弹力面料的面密度、厚度、透气性、吸湿性、透湿性、硬挺度和表面摩擦因数等性能分别参考GB/T 4669—2008《纺织品 机织物 单位长度质量和单位面积质量测定》、GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》、GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》、GB/T 9995—1997《纺织材料含水率和回潮率的测定 烘箱干燥法》、GB/T 12704.1—2009《纺织品织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》、GB/T 18138. 1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分:斜面法》、FZ/T01054—2012《织物表面摩擦性能的试验方法》测定。

2.2.3 实验结果

表3示出手套手指在不同气压下手指弯曲力度F与指尖行程H间的关系,其中负值为手指正压下内缩时的指尖行程，正值为手指负压下外伸时的指尖行程。表4为手套接触人手部分面料的性能。

2.3 手套主观评价

手套相关评价实验分为手套面料接触舒适性评价和手套结构工效性评价实验2个部分。

2.3.1 实验过程

在面料接触舒适性评价的实验过程中，受试者手部会处于3个状态。第1阶段：受试者戴上手套后静止，立即评价手套的瞬间冷暖感、刺扎感、粗糙感。第2阶段：受试者手指抓握60次，然后评价样品手套的刚硬感、静电感、滑腻感、紧贴感、刮擦感、局部压迫感。注意：此时感觉评价忽略手套的合体性。第3阶段：对手套喷5 g水，模拟手背部出汗的状态，评价样品手套的接触黏附感和湿冷感。最后，综合评价手套的面料总体接触舒适感觉。为减少实验误差，上述实验每隔3 d重复1次，共进行3次。

在结构工效性评价的实验过程中，受试者手部处于3个状态。第1阶段：穿戴手套，在穿戴手套过程中，分别记录手套的穿戴时间。受试者穿戴完成后，填写手套结构工效性调查问卷的穿戴难易程度和手套整体及局部部位的合体性部分；第2阶段：受试者在设定的气压下进行抓握动作30次，然后评价手指在运动时手套整体及局部部位的合体性、手套轻重感、手指压迫感、手指酸胀感并填写手套结构工效性调查问卷；第3阶段：受试者摘下黑色面罩，休息5 min，对手套的视觉舒适性进行评价。为减少实验误差，上述实验每隔3 d重复进行1次，共进行3次。

表3 手套手指弯曲力度随指尖行程的变化关系Tab.3 Variation o bending force of glove finger with the stroke of fingertips

表4 手套接触人手部分面料的性能Tab.4 Properties of fabric of gloves touching hands

2.3.2 评价方法

给定受试者各感觉评价标尺，将各评价指标分为5级，每级由不同分数表示：1级(0分)，表示无感或结构不合体；2级(1～3分)，表示感觉略小或结构较不合体；3级(4～6分)，表示感觉中等或结构一般合体；4级(7～9分)，表示感觉较略大或结构较为合体；5级(10分)，表示感觉严重或结构非常合体。图8为面料总体接触舒适性评价标尺。受试者完成接触舒适性评价中各感觉评价后，根据评价标尺为手套面料接触舒适性做出综合评价。

图8 面料总体接触舒适性评价标尺Fig.8 Evaluation scale of fabric overall contact comfort

3 实验结果分析

3.1 手套手指弯曲力度与充气气压分析

由表3可知，不同气压下，手套弯曲力不同。气压越大手套弯曲力越大，对手部的压力也越大，手套手指的内缩行程也越大。据康复医师介绍，在人手所承受范围内，患者指尖受压越大，越能刺激手部血液循环，病人的康复效果越好。在手套充气气压为40 kPa时，A6、A9、B8手指的最大弯曲力分别为2.94、1.96和1.77 N。即病人拇指所受压力为2.94 N，小手指所受压力为1.77 N，其他手指所受压力为1.96 N，能够具有初步的康复效果。此外，A6、A9、B8手指的内缩行程分别为14、31、24 mm,即病人拇指指尖向掌心移动14 mm,小手指向掌心移动24 mm，其他手指向掌心移动31 mm,手部恰好可完成握拳动作；因此，该手套在进行康复作业时，要至少充压为40 kPa。在手套充压气压为120 kPa时，A6、A9、B8手指的最大弯曲力分别为6.07、4.76和2.94 N，即病人拇指所受最大压力为6.07 N、小手指所受最大压力为2.94 N、其他手指所受最大压力为4.67 N。此时的压力可能会对病人造成轻微的压迫感，但康复效果会比手套充压40 kPa下的好。手套软体手指充压气压不能过大，过大会影响软体手指的使用寿命，据A公司介绍，软体手指充压上限为120 kPa，因此，该康复手套的合适工作气压为40～120 kPa。

3.2 手套面料性能分析

该手套接触手部面料主要为经编网眼布料和空气层四面弹力面料，这2种面料的性能对人手的舒适感影响较大。由表4可知，这2种面料的透湿透气性均较好，但网眼面料的回潮率较小，吸湿性较差，这是由于网眼面料是涤纶。此外，这2种面料的硬挺度较小，在2.5～3之间，说明这2种面料比较柔软；摩擦因数均为1.0左右，说明这2种面料轻微粗糙。

3.3 手套面料接触舒适性分析

表5示出实验各阶段样品手套接触舒适性评价结果。为方便表示，将实验中各评价项目分别用编号1～12代替。

表5 实验各阶段手套接触舒适性评价结果Tab.5 Contact comfort evaluation results of gloves at each stage of experiment

样品手套总体接触舒适感平均评价得分为6.67分，适度舒适，说明该手套的总体接触舒适感良好。经统计，30位受试者中，综合以上实验过程中的舒适感评价后对手套面料的接触舒适感进行总体评价的评价值区间为4～9分，其中7分及以下的占比为63.3%，6分的占比为10%，4～5分的占比为26.7%。说明超半数的人认为改善后的手套是较为舒适的，但评价值为4～6分的比例也很大，甚至存在评价分数为5分以下，说明手套在面料接触舒适性方面仍有较大的优化空间。

从表5各阶段的评价得分来看，改进空间主要表现在手套接触面料的刺扎感、粗糙感以及面料在润湿情况下的湿冷感。分析面料略微刺扎和略微粗糙的原因是由于网纱网眼布料表面的非连续性，使得手背部处于2种面料的交替接触的状态而使得受试者感觉轻微刺扎和轻微粗糙。湿冷感评价为中等冷，后续改进可选择透水性更加良好的面料加以改进。

3.4 手套结构工效性分析

表6示出实验各阶段样品手套结构工效性实验评价结果。为方便统计，将实验中各主观评价项目分别编号1#～12#代替。

表6 实验各阶段样品手套结构工效性实验评价结果Tab.6 Experimental evaluation results of structure and efficiency of gloves at each stage of experiment

由表6数据可看出，手套的合体感评价值至少为5.98分，可认为手套是合体的，单独看手套整体、手指、手掌、手腕4个部分的合体感评价结果，手套的手指合体性最差，手腕的合体性最好。从手套所处状态来看，手套在屈动状态下的合体性要相对于手套静止状态时好。受试者穿戴手套后屈动过程中对手套其他评价项目即手套轻重感、手套压迫感和手套的视觉舒适性的评价结果在5分左右，且手指酸胀感为轻微酸胀。虽然手套轻重感和手套压迫感单纯从评价得分和评价结果看是略微偏大的，但是考虑到手套功能性，这个结果就是合适的，主要原因表现在手套外骨骼材质和手套屈动方式2个方面。该手套外骨骼由硅胶等柔性材质制成，本身质量较大，不可避免的略重一些。此外该手套的屈动方式为通过气动屈动器加压减压使得手套外骨骼弯曲带动手指动作，因此手套压迫感是必然存在的，而且手套的重感可略微增强手套的压迫感，有利于病人手指的康复，但是手套压迫感不宜过大，以防二次伤害；因此，该手套的结构工效性是合适的，且没有影响手套的正常的功能性，但是从手套的视觉舒适性结果来看，手套外观方面仍有改进的空间。

3.5 男女性别差异影响

为探究男女性别差异对手套舒适性的影响，统计2个实验各评价项目的男性受试者和女受试者的平均评价结果，如图9所示。从面料接触舒适性角度来看，面料材质的选择上要充分考虑到男女对面料在动态时刮擦感、局部压迫感以及静态时的粗糙感的感觉差异。从手套结构工效性角度来看，男性认为穿戴更困难一些，分析原因是由男女手部生理差异引起的。该手套穿戴主要分为2个步骤，首先将手套五指分别套在受试者的五指上，然后闭合插扣。在手套穿戴的第1个步骤中由于男性手指较女性更为粗壮，所以手套对男性来说不容易套在其手指上，因此后续改进手套结构时，要考虑到男女手部大小的差异性。另外，手套的视觉舒适性方面，女性较男性认为视觉不舒适。整体上看，男性评价普遍较女性偏高，后续手套要改进成男款和女款，并要充分考虑到男女手部大小差异及视觉感受的差异。

图9 面料舒适性平均评价结果Fig.9 Average evaluation results of fabric contact evaluation. (a) Fabric contact evaluation; (b) Structural ergonomics evaluation

4 结 论

本文提出了设计柔性康复机器人手套的四大要素：功能要素、面料要素、结构要素和视觉要素，并结合A公司开发的3款软体手指制作了一款柔性康复机器人手套。通过对该手套进行的手套相关性能测试实验、面料接触舒适性评价实验和结构工效性评价实验，研究该手套的工效性，以期提高患者在佩戴手套进行治疗的舒适感，促进患者病情的好转。研究得出以下结论。

1)手套充压不同时，手套弯曲力不同。气压越大手套弯曲力越大，对手部的压力也越大。该康复手套的合适工作气压应为40～120 kPa。在手套冲压40 kPa下，人手拇指所受最大压力为2.94 N、小手指所受最大压力为1.77 N、其他手指所受最大压力为1.96 N，具有初步的康复效果。同时，拇指指尖向掌心移动14 mm，小手指向掌心移动24 mm，其他手指向掌心移动31 mm，手部恰好可完成握拳动作。在120 kPa下，病人拇指所受最大压力为6.07 N、小手指所受最大压力为2.94 N、其他手指所受最大压力为4.67 N，人手会有轻微的压迫感，但康复效果较好。该手套接触手部面料的透气透湿性均良好、柔软，表面摩擦因数均为1.0左右，轻微的粗糙。

2)本文实验选用的手套面料接触舒适性是良好的，可用于批量化手套设计的面料，后续要着重改善面料的刮擦感和粗糙感以及润湿状态下的舒适感。

3)本文实验的手套结构设计及其工效性是合适的，穿戴方便合体且不影响手套的正常功能性，后续优化手套舒适性要着重改进手套的手指合体性以及视觉舒适性。

4)男女性别差异对手套的评价结果影响较大，主要表现在面料材质上，男性和女性对手套面料表面的刮擦感、局部压迫感、粗糙感的感觉不同；结构上，男性和女性的手部大小对手套合体感的感觉影响较大；此外，对手套的视觉舒适性评价结果也有较大差异。后续改进时，手套要男款和女款分别设计，以匹配男女性别上的差异性。