如 图1 所示 [9] ，人的腕手部共有27块骨头，分别为14块指骨、5块掌骨、8块腕骨。手部的关节有腕掌关节、掌指关节、近端指间关节和远端指间关节。 表1 、 表2 分别为手部和腕部关节活动度范围，作为机构康复设计的理论基础。

由于腕手部精细复杂的结构，使得传统手指康复机构相对复杂，且多自由度的运动形式，也会带来患者康复体验不佳。如 图2 所示，为了解决此类问题，本文通过Solidworks三维仿真建模设计了一款适配性高可拆卸的腕手康复训练器，通过单自由度控制手指屈曲及伸展的被动训练，达到患者康复目的。整个装置以矫形器为骨架和基座，控制机构在矫形器的内部，执行机构安装在矫形器的背侧。从前臂后端看，气缸装置固定在桡腕矫形器背侧远离腕关节15~20 cm气缸基座处，放置在与手臂平行，且气缸的活塞杆端朝手部方向上；韧度高的细绳与气缸的活塞杆相连并以此为起点，沿着桡腕矫形器的背侧在手臂方向上平行穿过，细绳之间为互相独立的单元。细绳从腕关节外罩的内侧贯穿出，再汇总到手掌矫形器的背侧的流向孔处，在孔处构造杠杆后再分别从孔穿出分别延伸到各个手指的近端指间关节和远端指间关节处节，止于远端指间关节，拇指对应的细绳终止近端关节处。特别的是，细绳在手指上的固定方式与伸肌腱延伸出的中央束和两条侧束在手指上的轨迹相同，目的是模拟人手肌腱和纤维的工作模式。当控制机构接收到动作指令后，气缸的进气口打开，电磁阀控制空气速度使气缸开始工作，给细绳提供牵拉力。当手指伸展时，伸缩杆做回缸运动然后带动细绳牵拉手指做伸展运动，当手指屈曲时，伸缩杆做出缸运动，释放牵拉的细绳，强直肌力使手指屈曲 [ 1 0] 。

本装置采用的是单活塞杆双作用气缸，结构如 图3 所示 [11] ，进气口在气缸盖处，节流阀在缸筒的左侧，它们相互配合使活塞杆做往复运动。当工作时，右边进气口打开，气体进入，压强增大，促使活塞杆向左运动；当活塞杆伸到一定极限后，节流阀关闭，右侧缸压强增大速率小于左侧缸，所以活塞杆继续向前做减速运动，当速率为0时，活塞杆做往回运动。

如 图4 所示，细绳从气缸的活塞杆处出发，沿着桡腕矫形器的背侧平行穿过，再腕关节外罩的内侧贯穿出，汇总到手掌矫形器的背侧的流向孔处。接收控制系统发出的动作指令后，气缸便开始工作。当手指伸展时，伸缩杆做返回运动然后带动细绳牵拉手指做伸展运动，当手指屈曲时，活塞杆做伸出运动，释放牵拉的细绳，强直肌力使手指屈曲。

根据前期相关研究和对临床医生的访谈，确定了本文装置在物理治疗中应满足如下要求：促进指浅屈肌(FDS)的高肌腱偏移，从而通过连续的关节屈曲运动和四指活动，帮助手指完成屈曲和伸展的变化；装置应在掌指关节和近端指关节中提供至少46.2˚的总ROM [12] ，使屈曲时浅指屈肌肌腱偏移至少3 mm防止粘连；设备重量应轻于500 g [13] ，便于患者手持使用。

为了达到目标功能要求，本文所采用的训练器仅使用单个气缸。牵拉绳在施加张力的情况下，通过屈曲对四个手指施加屈曲力，进行关节的顺序屈曲运动；在释放张力的情况下，通过其弹性进行伸展，对手指施加拉伸力。手指的关节示意图如 图5 所示，掌指关节和近端指关节最大屈曲所需的扭矩范围为0.02 Nm至0.3 Nm。维持直拳姿势对抗最大手指关节阻力所需要的张力为200 N。因此，在安全系数为2的前提下，本装置选用能够承受400 N绳索张力的气缸结构。矫形器相对于其三合一关节(j₁, j₂)在屈曲和伸展力矩下弯曲和伸展。在施加张力的情况下，在j₁上施加弯曲力矩，而在j₂上施加弯曲力矩。当张力被释放时，由于矫形器的弹性，j₁、j₂和手指关节被伸展；施加张力时，分别对j₁和j₂施加屈曲和伸展力矩，使j₁和掌指关节屈曲，同时限制j₂和近端指关节的运动。j₁和掌指关节屈曲后，屈曲力矩开始作用于j₂，产生j₂和近端指关节屈曲。j₁、j₂、掌指关节、近端指关节通过张力释放时弹性产生的拉伸力矩进行拉伸。

图5. 关节示意图

外罩位于拇指的掌指关节处，根据手指中最长的中指的测量结果确定每个节段的纵向长度(表示为近端、中端和远端)。即近端节段的长度等于掌骨基部和远端边缘之间的距离和底座厚度一半的总和。中段和远段的长度分别相当于近节指骨长度和外罩厚度的总和，以及中节指骨长度和外罩厚度一半的总和。通过确定关节的位置可使矫形器在手指屈曲时帮助实现手指关节的完全活动度。

由于手指和设备的关节位置不同，因此在屈曲过程中手指和设备之间必然会发生一定的滑动，且近端和中间部分具有恒定的厚度，确保矫形器的重量小于500克。远端节段的厚度沿其长度逐渐增加，当在90˚处最大屈曲时，允许最大近端指关节角度为103.98˚。因为关节刚度会因人而异，因此在设计指套时应保证套膜的弹性，以达到被动伸展手指的活动。尽管较大的弹性有利于手指伸展，但会带来非必要的高辅助力的屈曲。在由指套和手指产生的j₁、j₂节点刚度的各种情况下，为了使j₁挠曲先于j₂挠曲，牵拉绳在外加张力作用下应先施加j₁挠曲力矩和j₂伸展力矩。通过几何模型调整走线位置，r₁由r₂、j₁和j₂的位置决定，其中r₂固定在指套的末端，如 图6 所示，l₂与l₁定义如下：

$\stackrel{\leftrightarrow }{l_1}=c_1\left(\stackrel{\to }{j_1}-\stackrel{\to }{r_2}\right)+\stackrel{\to }{r_2},c_1\in R$

$\stackrel{\leftrightarrow }{l_2}=c_2\left(\stackrel{\to }{j_2}-\stackrel{\to }{r_2}\right)+\stackrel{\to }{r_2},c_2\in R$(1)

在手指关节屈曲了角度 $\phi$后，其位置 $R_{\phi }$与l₃定义如下：

$R_{\phi }=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\phi \right)& -\sin \left(\phi \right)& 0\\ \sin \left(\phi \right)& \cos \left(\phi \right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

$\stackrel{\leftrightarrow }{l_3}=c_3{R}_{\phi }\left(\stackrel{\to }{j_2}-\stackrel{\to }{r_2}\right)+R_{\phi }\left(\stackrel{\to }{r_2}-\stackrel{\to }{j_1}\right)+\stackrel{\to }{j_1},c_3\in R$(2)

r₁位于图中由l₂与l₁生成的区域内，在施加j₂伸展力矩的同时施加j₁挠曲力矩。当j₁屈曲达到90度时，r₁便处在l₃上，开始施加j₂屈曲力矩。因此，r₁应为l₁，l₃和l₂，l₃的交点，记交点分别为P₁、P₂。r₁的位置使用数值计算结果如下所示：

$P_1=\stackrel{\leftrightarrow }{l_1}\cap \stackrel{\leftrightarrow }{l_3};P_2=\stackrel{\leftrightarrow }{l_2}\cap \stackrel{\leftrightarrow }{l_3}$

$\stackrel{\to }{r_1}=\left\{\stackrel{\to }{p}|\stackrel{\to }{p}\in \stackrel{\leftrightarrow }{l_3},\left(\left(R_{\phi }\left(\stackrel{\to }{r_2}-\stackrel{\to }{j_2}\right)\right)\times \left(R_{\phi }\left(\stackrel{\to }{r_2}-\stackrel{\to }{j_1}\right)+\stackrel{\to }{j_1}-\stackrel{\to }{p}\right)\right)0<\phi <\frac{\pi }{2}\right\}$(3)

在获得的r₁值中，使用了最接近P₂的值以增加j₁弯曲力矩臂。牵拉位置被位于j₂下方、及l₃之间，使牵拉绳能在j₂弯曲时施加j₁弯曲力矩。在几何模型中，由于j₂弯曲力矩臂为零，当j₁弯曲达到90°时，无法使j₂弯曲。然而拉力的增加会导致r₁处发生变形，从而改变走线，当j₁弯曲达到90°时，会为j₂弯曲提供一个j₂弯曲力矩臂。