柔性康復手套設(shè)計與工效性評價

沈津竹， 趙曉露， 張 帆， 俞 青， 蘇軍強，4

(1. 江南大學 紡織科學與工程學院， 江蘇 無錫 214122； 2. 蘇州柔觸機器人科技有限公司， 江蘇 張家港 215600；3. 江陰市行業(yè)管理中心， 江蘇 江陰 214400； 4. 閩江學院 紡織服裝福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108)

手部功能在人體肢體運動功能中處于重要地位，但由于腦卒中、意外傷害等原因，造成手部功能部分受損或缺失，手術(shù)治療僅能起到部分恢復作用[1]。據(jù)臨床經(jīng)驗和臨床康復實踐觀察，合理的術(shù)后功能性訓練，對于手部神經(jīng)與肌肉的恢復具有明顯的積極效果[2]。

近些年，軟體機器人技術(shù)日益成熟。由于采用了柔韌性強的材料和較為合理的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟體機器人能實現(xiàn)彎折、扭曲等動作，使其被廣泛應用于人機交互、醫(yī)學等領(lǐng)域[3]。由于柔性機器人具備響應速度快、觸感柔軟、親和性好、仿生程度高等特點，其在醫(yī)療康復領(lǐng)域的應用日益廣泛和深入，并成為學術(shù)界研究的新興領(lǐng)域之一[4]。具體到手部功能康復領(lǐng)域來看，柔性手指與手部、臂部康復訓練的結(jié)合正在成為探索方向之一。在此類研究中，如何將柔性手指與人體生物體手指進行聯(lián)動結(jié)合，即康復手套，是一個重要的細分研究領(lǐng)域。

經(jīng)查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻，康復手套的設(shè)計與柔性手指的形狀、驅(qū)動方式、功能參數(shù)等因素密切相關(guān)[5-7]。柔性手指的驅(qū)動方式主要有物理驅(qū)動、流體驅(qū)動和電磁驅(qū)動3種。其中以空氣作為媒介的驅(qū)動方式居于主流，該類手套的設(shè)計需要特別考慮啟動導管與柔性手指的結(jié)合位置、聯(lián)接件及其牢度控制、仿生功能實現(xiàn)與手套材料的結(jié)合等因素[5]。鑒于柔性手指成型技術(shù)與成本的限制，目前柔性手指與人體手指的結(jié)合方式仍處于初級階段，多采用康復手套作為二者結(jié)合的媒介[8]。

為準確了解患者對目前市場上基于柔性手指的康復手套的使用感受，本文聯(lián)合江南大學附屬醫(yī)院開展了調(diào)查。調(diào)查結(jié)論顯示，從功能角度看，市場上的康復手套雖然實現(xiàn)了一定的輔助康復功能，但是患者使用不滿之處頗多，主要集中在：1)康復手套整體過重；2)手套的接觸舒適感差；3)機器人柔性手指外露，視覺心理不佳。

基于上述文獻調(diào)研和患者使用調(diào)查，本文以國內(nèi)A公司的一款軟體機器人手指(柔性手指)為實驗對象，開發(fā)了一款適應空氣驅(qū)動方式的康復手套，并對手套進行相關(guān)性能測試。在保證其康復功能的基礎(chǔ)上，重點改善康復手套的接觸舒適性和視覺舒適性。采用人體功效學評價理論和工具，對手套進行接觸舒適性評價和結(jié)構(gòu)工效性評價。

1 康復手套設(shè)計

圖1所示為國內(nèi)A 公司研發(fā)的軟體手指機器人。其工作原理是，通過氣動驅(qū)動技術(shù)的正負壓切換實現(xiàn)軟體手指機器人的彎曲動作，如圖2所示。驅(qū)動負壓手指內(nèi)縮彎曲，驅(qū)動正壓手指外伸彎曲，且正壓越大，軟體手指彎曲力度越大，輔助病人進行手部的康復治療訓練。

圖1 A公司軟體手指機器人Fig.2 Soft finger robot of company A

圖2 軟體手指機器人彎曲動作Fig.2 Bending actions of soft finger robot

從A公司所生產(chǎn)的軟體機器人手指中選取和人手指長短相匹配的3種手指，自行設(shè)計了一種康復手套(稱為0號手套)，如圖3所示。利用該手套對病人進行了輔助康復臨床實驗。根據(jù)醫(yī)院的實驗數(shù)據(jù)，其訓練康復有效性在70%左右，顯示出良好的適用性和發(fā)展前景，同時，參與實驗的患者也反饋了0號手套使用方面的一些不足之處。3種手指參數(shù)如表1和圖4所示。

圖3 0號手套Fig.3 Gloves No. 0

根據(jù)臨床反饋的意見，患者對現(xiàn)有康復手套的不滿意主要集中在3個方面：1)面料方面，接觸舒適性較差；2)結(jié)構(gòu)方面，沒有充分考慮到人體手部的自然特點，導致手套佩戴不方便問題；3)視覺方面，康復手套整體為黑色和氣管外露的結(jié)構(gòu)，沒有充分考慮色彩等對患者的心理影響，容易讓患者產(chǎn)生

表1 柔性康復機器人手套選取的3種柔性手指參數(shù)Tab.1 Three kinds of selected soft finger parameters for flexible rehabilitation robot gloves

圖4 軟體機器人手指參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of soft finger robot parameters. (a) Motion distance; (b) Length and height; (c) Width

組織壞死、截肢等不悅乃至恐怖的聯(lián)想。概括來說，柔觸康復機器人手套的設(shè)計要素為：1)功能要素，要保證手套基本的康復功能；2)面料要素，面料要觸感舒適；3)結(jié)構(gòu)要素，手套結(jié)構(gòu)設(shè)計要符合手部運動的特點；4)視覺要素，手套外觀要視覺舒適。

為此，本文制作一款簡易版柔性康復機器人手套(稱為1號手套)，如圖5所示，以減輕康復手套整體不適感。

圖5 柔性康復機器人手套Fig.5 Flexible rehabilitation robot glove. (a) Front; (b) Back

1.1 設(shè)計過程

圖6示出康復手套設(shè)計過程。遵循以人為本的設(shè)計理念，采用感性工程定性和定量分析工具，將患者臨床意見轉(zhuǎn)化成4個設(shè)計要素，即功能要素、面料要素、結(jié)構(gòu)要素和視覺要素。由此，建構(gòu)起患者潛在需求與康復手套設(shè)計參數(shù)之間的聯(lián)系。同時，通過對所設(shè)計的手套樣品進行面料接觸性評價和結(jié)構(gòu)功效學評價實驗，獲得實驗對象對該4項設(shè)計要素的主觀和客觀評價數(shù)據(jù)，從而以健康的、具有正常感知能力的人體的舒適性數(shù)據(jù)，確定康復手套的相應設(shè)計參數(shù)。通過這種源于患者主觀感受、回歸患者主觀感受的模式，確保對手部感知障礙的患者提供具有舒適感受的設(shè)計產(chǎn)品。

圖6 康復手套設(shè)計過程Fig.6 Rehabilitaiton gloves design flow

1.2 設(shè)計要素

1.2.1 功能要素

為保證手套的功能性，仍舊選擇A公司生產(chǎn)的A6、A9和B8等3款共5個軟體手指，進行對0號手套的改良設(shè)計(手指參數(shù)見表1)。

1.2.2 面料要素

結(jié)合A公司的軟體手指機器人和氣管及驅(qū)動器的匹配關(guān)系，在面料選擇上，主要分為3個部分考慮：手背部接觸層面料、包覆柔性手指面料和包覆氣管的氣管層面料。此外，從面料材質(zhì)上，應選擇結(jié)構(gòu)彈性好、孔隙率高的針織面料[9]。

1)手背部接觸面料。接觸舒適性是面料對人體局部皮膚產(chǎn)生的刺激，作用于人體的神經(jīng)系統(tǒng)進而形成的一種生理感覺。面料的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能、后整理方式等對面料的接觸舒適性會產(chǎn)生一定的作用，然而最直接的影響還是人體的主觀觸覺感受評價。

Machado等[10]總結(jié)發(fā)現(xiàn)，標準人體(皮膚表面積為1.8 m2)手部每小時蒸發(fā)量最高為80～160 g。該手套是佩戴在手背部分上，因此，手套接觸手背部皮膚的面料應能夠涼爽透氣。此外，患者佩戴手套進行康復治療時，手背的手指部分皮膚運動幅度較大，與手套面料之間的摩擦較為頻繁，因此患者希望接觸手指部分的面料能夠細膩柔軟。

2)包覆柔性手指面料。由于柔性外骨骼的作用是由氣壓的變化驅(qū)動其彎曲進而帶動病人手指彎曲屈動，那么選擇的包覆柔性手指面料就應考慮其對柔性外骨骼彎曲功能的影響，不能過于緊繃，從而勒進或者限制、干擾、制約軟體手指凸槽間隔的運動，這樣會導致手指輸出有效作用力的效率降低；因此，從減小對柔性外骨骼彎曲性能影響和減小質(zhì)量的角度考慮，該部分面料應選擇具有優(yōu)良彈性且質(zhì)地輕薄的面料。

3)包覆氣管面料。包覆氣管面料的主要功能是遮蓋氣管，防止氣管意外脫落。實驗用柔性手指的氣管是通過外部插合的方式連接在柔性手指上(見圖3氣管)；因此需要面料具有一定的可塑性，減少面料對氣管的壓迫，保證氣管能夠正常輸送氣體。

綜合以上分析，結(jié)合市場調(diào)研，柔性康復機器人手套的面料選擇方案如表2所示。

表2 A公司柔性康復機器人手套面料材質(zhì)選擇方案Tab.2 Fabric selection scheme of flexible rehabilitation robot gloves of company A

1.2.3 結(jié)構(gòu)要素

在佩戴手套進行康復訓練過程中，患者手部會呈現(xiàn)五指同時向內(nèi)彎曲的抓握狀態(tài)和五指同時自然張開的狀態(tài)。手指彎曲會導致面料在掌心部位的堆積，這些堆積在手指彎曲到一定程度后，會有反作用力作用于手指。這種情況下，手指一方面接受柔性手指彎曲帶來的壓力，另一方面還會接受面料反作用力帶來的壓力，從而造成腹背受敵的狀況，會有憋脹、酸痛等不適感；因此，掌心固定帶要減少材料體積或者采用高壓縮比材料，同時，腕帶要采用壓力較為舒緩的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以利于手指血液的回流[11]。腕帶的選擇還要考慮手套佩戴的方便性。結(jié)合手套面料的選擇特點以及手套的功能性，在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計要點如下：1)手套固定方式為可調(diào)節(jié)長短的插扣插合固定，方便康復人員為患者佩戴；2)用彈力帶將柔性外手指固定在接觸手背部面料和包覆氣管面料之間，以保證其正常彎曲；3)在每個柔性外手指的包覆面料上設(shè)計1個O型環(huán)帶，以使得手套能夠輕松、順暢地佩戴到手指上；4)在包覆氣管面料和接觸手背部面料之間的貼合部位增添魔術(shù)貼設(shè)計，以增強包覆氣管面料的可塑性，方便氣管的更換與調(diào)節(jié)。

1.2.4 視覺要素

通過調(diào)研，患者對柔性手指的視覺不滿意，可細分為：對柔性手指的外形結(jié)構(gòu)不滿意、對柔性手指的材質(zhì)色彩不滿意2個部分。對于前者，患者的心理厭惡主要集中在柔性手指較為密集的隔倉，據(jù)深度訪談獲得的信息，當柔性手指彎曲時，隔倉被拉伸，隔倉間的距離變大，容易讓患者產(chǎn)生“斷裂、骨折、骨斷筋連”等不友好的聯(lián)想，從而引起患者對自己手部受傷、受損的原因或者后果的聯(lián)想，導致對輔助康復設(shè)備的整體厭惡、拒絕等心理或者生理行為；因此，手套設(shè)計時需要把柔性手指包裹起來。對于后者，現(xiàn)有柔性手指的材質(zhì)多為注塑硅膠，顏色多為黑色。從色彩科學來看，黑色多為莊重、嚴肅、悲哀的色彩，黑色的單一大量使用容易使患者聯(lián)想到缺血、壞死、截肢等陰郁性形象。在醫(yī)學中，色彩適當?shù)慕M合運用，可客觀調(diào)節(jié)患者的主觀情緒和感受。例如，采用柔和舒緩的配色，可達到緩解病人厭煩等情緒的效果。在醫(yī)療產(chǎn)品中，白色是較為舒緩的調(diào)和色[12-13]，白色可對精神、神經(jīng)和情緒起到一個較好地安撫作用，也有助于培養(yǎng)活力和獲得支持性的情感，家庭護理設(shè)備和醫(yī)院常用醫(yī)療器械等主色調(diào)都用乳白色、魚肚色、珍珠白等，或紅與白、綠與白、藍與白、黑與白等組合。灰色是中性色，其突出的性格為細致、平穩(wěn)、大方，因此作為背景色彩十分理想[14-16]。此外，柔性康復機器人手套這類醫(yī)療產(chǎn)品屬于現(xiàn)代高新科技產(chǎn)品，因此產(chǎn)品的選色也應該考慮配以代表科技性的色彩，如藍色、銀色、灰色、黑色等。

根據(jù)以上醫(yī)療產(chǎn)品顏色設(shè)計對人心理的影響和柔性康復機器人手套的科技性，結(jié)合A公司以淺藍色作為品牌顏色的特點，手套的外觀配色上采用白、淺藍、灰、黑4種配色的綜合設(shè)計(見圖5)。

2 實驗方案

2.1 基本實驗條件

患者的感覺認知能力比正常人差，尤其是中風患者，可能并沒有感覺能力，采用患者進行主觀評價實驗并不能得到準確的實驗結(jié)果。本文實驗受試者的基本條件均為健康，無疾病。為使得實驗數(shù)據(jù)能夠更好地應用于患者，需要提前邀請專業(yè)醫(yī)生對受試者進行患者病情特點的相關(guān)培訓，讓受試者假定自己為患者，再進行相關(guān)實驗。

受試對象共30名， 男性15名，女性15名，年齡在20～27歲之間。受試者為非紡織服裝專業(yè)背景人群，以排除實驗對象具有面料專業(yè)知識所帶來的傾向性表述，確保實驗數(shù)據(jù)能夠代表普通人群的正常反饋。為了保證實驗對象對測試指標及其含義的正確理解，實驗前對受試者進行相關(guān)培訓工作，使其了解各感覺指標的含義和細微區(qū)別，比如粗糙感和刺扎感，粗糙感是面料表面平行作用于皮膚表面摩擦的感覺，而刺扎感是面料表面垂直作用于皮膚表面針刺的感覺等。實驗在40 m2的恒溫實驗室進行，溫度為(20±5) ℃，濕度(60±5) %。實驗用樣品手套在上述條件下靜置24 h，實驗開始時將其隨機擺放在實驗臺上，受試者在實驗室先適應環(huán)境10 min，佩戴黑色面罩以消除視覺對受試者觸覺的影響，然后戴上手套進行實驗。

2.2 手套性能測試

2.2.1 手指壓力測試

手套充氣后會彎曲而產(chǎn)生彎曲力作用在手指上，使得手指被動彎曲，而具有一定的康復效果，與此同時，手套會對人手產(chǎn)生一定程度的壓迫感。當手指正壓充氣后，將正壓內(nèi)縮狀態(tài)的手套手指變回負壓外伸所施加的外力大小等于該手套手指對人手手指的壓力,如圖7所示手套手指彎曲力示意圖。施加外力值越大，壓迫感越強烈。

圖7 手套手指彎曲力示意圖Fig.7 Schematic diagram of finger bending force of gloves

2.2.2 面料性能測試

手套接觸人手部分的經(jīng)編網(wǎng)眼面料和空氣層四面彈力面料的面密度、厚度、透氣性、吸濕性、透濕性、硬挺度和表面摩擦因數(shù)等性能分別參考GB/T 4669—2008《紡織品 機織物 單位長度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量測定》、GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》、GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》、GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》、GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》、GB/T 18138. 1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分:斜面法》、FZ/T01054—2012《織物表面摩擦性能的試驗方法》測定。

2.2.3 實驗結(jié)果

表3示出手套手指在不同氣壓下手指彎曲力度F與指尖行程H間的關(guān)系,其中負值為手指正壓下內(nèi)縮時的指尖行程，正值為手指負壓下外伸時的指尖行程。表4為手套接觸人手部分面料的性能。

2.3 手套主觀評價

手套相關(guān)評價實驗分為手套面料接觸舒適性評價和手套結(jié)構(gòu)工效性評價實驗2個部分。

2.3.1 實驗過程

在面料接觸舒適性評價的實驗過程中，受試者手部會處于3個狀態(tài)。第1階段：受試者戴上手套后靜止，立即評價手套的瞬間冷暖感、刺扎感、粗糙感。第2階段：受試者手指抓握60次，然后評價樣品手套的剛硬感、靜電感、滑膩感、緊貼感、刮擦感、局部壓迫感。注意：此時感覺評價忽略手套的合體性。第3階段：對手套噴5 g水，模擬手背部出汗的狀態(tài)，評價樣品手套的接觸黏附感和濕冷感。最后，綜合評價手套的面料總體接觸舒適感覺。為減少實驗誤差，上述實驗每隔3 d重復1次，共進行3次。

在結(jié)構(gòu)工效性評價的實驗過程中，受試者手部處于3個狀態(tài)。第1階段：穿戴手套，在穿戴手套過程中，分別記錄手套的穿戴時間。受試者穿戴完成后，填寫手套結(jié)構(gòu)工效性調(diào)查問卷的穿戴難易程度和手套整體及局部部位的合體性部分；第2階段：受試者在設(shè)定的氣壓下進行抓握動作30次，然后評價手指在運動時手套整體及局部部位的合體性、手套輕重感、手指壓迫感、手指酸脹感并填寫手套結(jié)構(gòu)工效性調(diào)查問卷；第3階段：受試者摘下黑色面罩，休息5 min，對手套的視覺舒適性進行評價。為減少實驗誤差，上述實驗每隔3 d重復進行1次，共進行3次。

表3 手套手指彎曲力度隨指尖行程的變化關(guān)系Tab.3 Variation o bending force of glove finger with the stroke of fingertips

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

2.3.2 評價方法

給定受試者各感覺評價標尺，將各評價指標分為5級，每級由不同分數(shù)表示：1級(0分)，表示無感或結(jié)構(gòu)不合體；2級(1～3分)，表示感覺略小或結(jié)構(gòu)較不合體；3級(4～6分)，表示感覺中等或結(jié)構(gòu)一般合體；4級(7～9分)，表示感覺較略大或結(jié)構(gòu)較為合體；5級(10分)，表示感覺嚴重或結(jié)構(gòu)非常合體。圖8為面料總體接觸舒適性評價標尺。受試者完成接觸舒適性評價中各感覺評價后，根據(jù)評價標尺為手套面料接觸舒適性做出綜合評價。

圖8 面料總體接觸舒適性評價標尺Fig.8 Evaluation scale of fabric overall contact comfort

3 實驗結(jié)果分析

3.1 手套手指彎曲力度與充氣氣壓分析

由表3可知，不同氣壓下，手套彎曲力不同。氣壓越大手套彎曲力越大，對手部的壓力也越大，手套手指的內(nèi)縮行程也越大。據(jù)康復醫(yī)師介紹，在人手所承受范圍內(nèi)，患者指尖受壓越大，越能刺激手部血液循環(huán)，病人的康復效果越好。在手套充氣氣壓為40 kPa時，A6、A9、B8手指的最大彎曲力分別為2.94、1.96和1.77 N。即病人拇指所受壓力為2.94 N，小手指所受壓力為1.77 N，其他手指所受壓力為1.96 N，能夠具有初步的康復效果。此外，A6、A9、B8手指的內(nèi)縮行程分別為14、31、24 mm,即病人拇指指尖向掌心移動14 mm,小手指向掌心移動24 mm，其他手指向掌心移動31 mm,手部恰好可完成握拳動作；因此，該手套在進行康復作業(yè)時，要至少充壓為40 kPa。在手套充壓氣壓為120 kPa時，A6、A9、B8手指的最大彎曲力分別為6.07、4.76和2.94 N，即病人拇指所受最大壓力為6.07 N、小手指所受最大壓力為2.94 N、其他手指所受最大壓力為4.67 N。此時的壓力可能會對病人造成輕微的壓迫感，但康復效果會比手套充壓40 kPa下的好。手套軟體手指充壓氣壓不能過大，過大會影響軟體手指的使用壽命，據(jù)A公司介紹，軟體手指充壓上限為120 kPa，因此，該康復手套的合適工作氣壓為40～120 kPa。

3.2 手套面料性能分析

該手套接觸手部面料主要為經(jīng)編網(wǎng)眼布料和空氣層四面彈力面料，這2種面料的性能對人手的舒適感影響較大。由表4可知，這2種面料的透濕透氣性均較好，但網(wǎng)眼面料的回潮率較小，吸濕性較差，這是由于網(wǎng)眼面料是滌綸。此外，這2種面料的硬挺度較小，在2.5～3之間，說明這2種面料比較柔軟；摩擦因數(shù)均為1.0左右，說明這2種面料輕微粗糙。

3.3 手套面料接觸舒適性分析

表5示出實驗各階段樣品手套接觸舒適性評價結(jié)果。為方便表示，將實驗中各評價項目分別用編號1～12代替。

表5 實驗各階段手套接觸舒適性評價結(jié)果Tab.5 Contact comfort evaluation results of gloves at each stage of experiment

樣品手套總體接觸舒適感平均評價得分為6.67分，適度舒適，說明該手套的總體接觸舒適感良好。經(jīng)統(tǒng)計，30位受試者中，綜合以上實驗過程中的舒適感評價后對手套面料的接觸舒適感進行總體評價的評價值區(qū)間為4～9分，其中7分及以下的占比為63.3%，6分的占比為10%，4～5分的占比為26.7%。說明超半數(shù)的人認為改善后的手套是較為舒適的，但評價值為4～6分的比例也很大，甚至存在評價分數(shù)為5分以下，說明手套在面料接觸舒適性方面仍有較大的優(yōu)化空間。

從表5各階段的評價得分來看，改進空間主要表現(xiàn)在手套接觸面料的刺扎感、粗糙感以及面料在潤濕情況下的濕冷感。分析面料略微刺扎和略微粗糙的原因是由于網(wǎng)紗網(wǎng)眼布料表面的非連續(xù)性，使得手背部處于2種面料的交替接觸的狀態(tài)而使得受試者感覺輕微刺扎和輕微粗糙。濕冷感評價為中等冷，后續(xù)改進可選擇透水性更加良好的面料加以改進。

3.4 手套結(jié)構(gòu)工效性分析

表6示出實驗各階段樣品手套結(jié)構(gòu)工效性實驗評價結(jié)果。為方便統(tǒng)計，將實驗中各主觀評價項目分別編號1#～12#代替。

表6 實驗各階段樣品手套結(jié)構(gòu)工效性實驗評價結(jié)果Tab.6 Experimental evaluation results of structure and efficiency of gloves at each stage of experiment

由表6數(shù)據(jù)可看出，手套的合體感評價值至少為5.98分，可認為手套是合體的，單獨看手套整體、手指、手掌、手腕4個部分的合體感評價結(jié)果，手套的手指合體性最差，手腕的合體性最好。從手套所處狀態(tài)來看，手套在屈動狀態(tài)下的合體性要相對于手套靜止狀態(tài)時好。受試者穿戴手套后屈動過程中對手套其他評價項目即手套輕重感、手套壓迫感和手套的視覺舒適性的評價結(jié)果在5分左右，且手指酸脹感為輕微酸脹。雖然手套輕重感和手套壓迫感單純從評價得分和評價結(jié)果看是略微偏大的，但是考慮到手套功能性，這個結(jié)果就是合適的，主要原因表現(xiàn)在手套外骨骼材質(zhì)和手套屈動方式2個方面。該手套外骨骼由硅膠等柔性材質(zhì)制成，本身質(zhì)量較大，不可避免的略重一些。此外該手套的屈動方式為通過氣動屈動器加壓減壓使得手套外骨骼彎曲帶動手指動作，因此手套壓迫感是必然存在的，而且手套的重感可略微增強手套的壓迫感，有利于病人手指的康復，但是手套壓迫感不宜過大，以防二次傷害；因此，該手套的結(jié)構(gòu)工效性是合適的，且沒有影響手套的正常的功能性，但是從手套的視覺舒適性結(jié)果來看，手套外觀方面仍有改進的空間。

3.5 男女性別差異影響

為探究男女性別差異對手套舒適性的影響，統(tǒng)計2個實驗各評價項目的男性受試者和女受試者的平均評價結(jié)果，如圖9所示。從面料接觸舒適性角度來看，面料材質(zhì)的選擇上要充分考慮到男女對面料在動態(tài)時刮擦感、局部壓迫感以及靜態(tài)時的粗糙感的感覺差異。從手套結(jié)構(gòu)工效性角度來看，男性認為穿戴更困難一些，分析原因是由男女手部生理差異引起的。該手套穿戴主要分為2個步驟，首先將手套五指分別套在受試者的五指上，然后閉合插扣。在手套穿戴的第1個步驟中由于男性手指較女性更為粗壯，所以手套對男性來說不容易套在其手指上，因此后續(xù)改進手套結(jié)構(gòu)時，要考慮到男女手部大小的差異性。另外，手套的視覺舒適性方面，女性較男性認為視覺不舒適。整體上看，男性評價普遍較女性偏高，后續(xù)手套要改進成男款和女款，并要充分考慮到男女手部大小差異及視覺感受的差異。

圖9 面料舒適性平均評價結(jié)果Fig.9 Average evaluation results of fabric contact evaluation. (a) Fabric contact evaluation; (b) Structural ergonomics evaluation

4 結(jié) 論

本文提出了設(shè)計柔性康復機器人手套的四大要素：功能要素、面料要素、結(jié)構(gòu)要素和視覺要素，并結(jié)合A公司開發(fā)的3款軟體手指制作了一款柔性康復機器人手套。通過對該手套進行的手套相關(guān)性能測試實驗、面料接觸舒適性評價實驗和結(jié)構(gòu)工效性評價實驗，研究該手套的工效性，以期提高患者在佩戴手套進行治療的舒適感，促進患者病情的好轉(zhuǎn)。研究得出以下結(jié)論。

1)手套充壓不同時，手套彎曲力不同。氣壓越大手套彎曲力越大，對手部的壓力也越大。該康復手套的合適工作氣壓應為40～120 kPa。在手套沖壓40 kPa下，人手拇指所受最大壓力為2.94 N、小手指所受最大壓力為1.77 N、其他手指所受最大壓力為1.96 N，具有初步的康復效果。同時，拇指指尖向掌心移動14 mm，小手指向掌心移動24 mm，其他手指向掌心移動31 mm，手部恰好可完成握拳動作。在120 kPa下，病人拇指所受最大壓力為6.07 N、小手指所受最大壓力為2.94 N、其他手指所受最大壓力為4.67 N，人手會有輕微的壓迫感，但康復效果較好。該手套接觸手部面料的透氣透濕性均良好、柔軟，表面摩擦因數(shù)均為1.0左右，輕微的粗糙。

2)本文實驗選用的手套面料接觸舒適性是良好的，可用于批量化手套設(shè)計的面料，后續(xù)要著重改善面料的刮擦感和粗糙感以及潤濕狀態(tài)下的舒適感。

3)本文實驗的手套結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工效性是合適的，穿戴方便合體且不影響手套的正常功能性，后續(xù)優(yōu)化手套舒適性要著重改進手套的手指合體性以及視覺舒適性。

4)男女性別差異對手套的評價結(jié)果影響較大，主要表現(xiàn)在面料材質(zhì)上，男性和女性對手套面料表面的刮擦感、局部壓迫感、粗糙感的感覺不同；結(jié)構(gòu)上，男性和女性的手部大小對手套合體感的感覺影響較大；此外，對手套的視覺舒適性評價結(jié)果也有較大差異。后續(xù)改進時，手套要男款和女款分別設(shè)計，以匹配男女性別上的差異性。