沈津竹， 趙曉露， 張 帆， 俞 青， 蘇軍強(qiáng)，4

(1. 江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 蘇州柔觸機(jī)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(xué)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(yùn)動(dòng)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(fù)作用[1]。據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)和臨床康復(fù)實(shí)踐觀察，合理的術(shù)后功能性訓(xùn)練，對(duì)于手部神經(jīng)與肌肉的恢復(fù)具有明顯的積極效果[2]。

近些年，軟體機(jī)器人技術(shù)日益成熟。由于采用了柔韌性強(qiáng)的材料和較為合理的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟體機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)彎折、扭曲等動(dòng)作，使其被廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[3]。由于柔性機(jī)器人具備響應(yīng)速度快、觸感柔軟、親和性好、仿生程度高等特點(diǎn)，其在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛和深入，并成為學(xué)術(shù)界研究的新興領(lǐng)域之一[4]。具體到手部功能康復(fù)領(lǐng)域來(lái)看，柔性手指與手部、臂部康復(fù)訓(xùn)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(jìn)行聯(lián)動(dòng)結(jié)合，即康復(fù)手套，是一個(gè)重要的細(xì)分研究領(lǐng)域。

經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，康復(fù)手套的設(shè)計(jì)與柔性手指的形狀、驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式主要有物理驅(qū)動(dòng)、流體驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)3種。其中以空氣作為媒介的驅(qū)動(dòng)方式居于主流，該類手套的設(shè)計(jì)需要特別考慮啟動(dòng)導(dǎo)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(shí)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(jí)階段，多采用康復(fù)手套作為二者結(jié)合的媒介[8]。

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

基于上述文獻(xiàn)調(diào)研和患者使用調(diào)查，本文以國(guó)內(nèi)A公司的一款軟體機(jī)器人手指(柔性手指)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)發(fā)了一款適應(yīng)空氣驅(qū)動(dòng)方式的康復(fù)手套，并對(duì)手套進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。在保證其康復(fù)功能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)改善康復(fù)手套的接觸舒適性和視覺(jué)舒適性。采用人體功效學(xué)評(píng)價(jià)理論和工具，對(duì)手套進(jìn)行接觸舒適性評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)工效性評(píng)價(jià)。

1 康復(fù)手套設(shè)計(jì)

圖1所示為國(guó)內(nèi)A 公司研發(fā)的軟體手指機(jī)器人。其工作原理是，通過(guò)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的正負(fù)壓切換實(shí)現(xiàn)軟體手指機(jī)器人的彎曲動(dòng)作，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)負(fù)壓手指內(nèi)縮彎曲，驅(qū)動(dòng)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(jìn)行手部的康復(fù)治療訓(xùn)練。

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

圖2 軟體手指機(jī)器人彎曲動(dòng)作Fig.2 Bending actions of soft finger robot

從A公司所生產(chǎn)的軟體機(jī)器人手指中選取和人手指長(zhǎng)短相匹配的3種手指，自行設(shè)計(jì)了一種康復(fù)手套(稱為0號(hào)手套)，如圖3所示。利用該手套對(duì)病人進(jìn)行了輔助康復(fù)臨床實(shí)驗(yàn)。根據(jù)醫(yī)院的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其訓(xùn)練康復(fù)有效性在70%左右，顯示出良好的適用性和發(fā)展前景，同時(shí)，參與實(shí)驗(yàn)的患者也反饋了0號(hào)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(hào)手套Fig.3 Gloves No. 0

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

表1 柔性康復(fù)機(jī)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(jī)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(lái)說(shuō)，柔觸康復(fù)機(jī)器人手套的設(shè)計(jì)要素為：1)功能要素，要保證手套基本的康復(fù)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(jì)要符合手部運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)；4)視覺(jué)要素，手套外觀要視覺(jué)舒適。

為此，本文制作一款簡(jiǎn)易版柔性康復(fù)機(jī)器人手套(稱為1號(hào)手套)，如圖5所示，以減輕康復(fù)手套整體不適感。

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

1.1 設(shè)計(jì)過(guò)程

圖6示出康復(fù)手套設(shè)計(jì)過(guò)程。遵循以人為本的設(shè)計(jì)理念，采用感性工程定性和定量分析工具，將患者臨床意見(jiàn)轉(zhuǎn)化成4個(gè)設(shè)計(jì)要素，即功能要素、面料要素、結(jié)構(gòu)要素和視覺(jué)要素。由此，建構(gòu)起患者潛在需求與康復(fù)手套設(shè)計(jì)參數(shù)之間的聯(lián)系。同時(shí)，通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的手套樣品進(jìn)行面料接觸性評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)功效學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)該4項(xiàng)設(shè)計(jì)要素的主觀和客觀評(píng)價(jià)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(fù)手套的相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)這種源于患者主觀感受、回歸患者主觀感受的模式，確保對(duì)手部感知障礙的患者提供具有舒適感受的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

圖6 康復(fù)手套設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.6 Rehabilitaiton gloves design flow

1.2 設(shè)計(jì)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(gè)軟體手指，進(jìn)行對(duì)0號(hào)手套的改良設(shè)計(jì)(手指參數(shù)見(jiàn)表1)。

1.2.2 面料要素

結(jié)合A公司的軟體手指機(jī)器人和氣管及驅(qū)動(dòng)器的匹配關(guān)系，在面料選擇上，主要分為3個(gè)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(yīng)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(duì)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(jìn)而形成的一種生理感覺(jué)。面料的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能、后整理方式等對(duì)面料的接觸舒適性會(huì)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(jué)感受評(píng)價(jià)。

Machado等[10]總結(jié)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)人體(皮膚表面積為1.8 m2)手部每小時(shí)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(yīng)能夠涼爽透氣。此外，患者佩戴手套進(jìn)行康復(fù)治療時(shí)，手背的手指部分皮膚運(yùn)動(dòng)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(xì)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(dòng)其彎曲進(jìn)而帶動(dòng)病人手指彎曲屈動(dòng)，那么選擇的包覆柔性手指面料就應(yīng)考慮其對(duì)柔性外骨骼彎曲功能的影響，不能過(guò)于緊繃，從而勒進(jìn)或者限制、干擾、制約軟體手指凸槽間隔的運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)導(dǎo)致手指輸出有效作用力的效率降低；因此，從減小對(duì)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(yīng)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(shí)驗(yàn)用柔性手指的氣管是通過(guò)外部插合的方式連接在柔性手指上(見(jiàn)圖3氣管)；因此需要面料具有一定的可塑性，減少面料對(duì)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(chǎng)調(diào)研，柔性康復(fù)機(jī)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(fù)機(jī)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(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，患者手部會(huì)呈現(xiàn)五指同時(shí)向內(nèi)彎曲的抓握狀態(tài)和五指同時(shí)自然張開(kāi)的狀態(tài)。手指彎曲會(huì)導(dǎo)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(huì)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(lái)的壓力，另一方面還會(huì)接受面料反作用力帶來(lái)的壓力，從而造成腹背受敵的狀況，會(huì)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(shí)，腕帶要采用壓力較為舒緩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(diǎn)以及手套的功能性，在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：1)手套固定方式為可調(diào)節(jié)長(zhǎng)短的插扣插合固定，方便康復(fù)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(gè)柔性外手指的包覆面料上設(shè)計(jì)1個(gè)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(jì)，以增強(qiáng)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(jué)要素

通過(guò)調(diào)研，患者對(duì)柔性手指的視覺(jué)不滿意，可細(xì)分為：對(duì)柔性手指的外形結(jié)構(gòu)不滿意、對(duì)柔性手指的材質(zhì)色彩不滿意2個(gè)部分。對(duì)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(cāng)，據(jù)深度訪談獲得的信息，當(dāng)柔性手指彎曲時(shí)，隔倉(cāng)被拉伸，隔倉(cāng)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(duì)自己手部受傷、受損的原因或者后果的聯(lián)想，導(dǎo)致對(duì)輔助康復(fù)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(jì)時(shí)需要把柔性手指包裹起來(lái)。對(duì)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(xué)來(lái)看，黑色多為莊重、嚴(yán)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(xué)中，色彩適當(dāng)?shù)慕M合運(yùn)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(dá)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(duì)精神、神經(jīng)和情緒起到一個(gè)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(hù)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(yú)肚色、珍珠白等，或紅與白、綠與白、藍(lán)與白、黑與白等組合?；疑侵行陨?，其突出的性格為細(xì)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(fù)機(jī)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(yīng)該考慮配以代表科技性的色彩，如藍(lán)色、銀色、灰色、黑色等。

根據(jù)以上醫(yī)療產(chǎn)品顏色設(shè)計(jì)對(duì)人心理的影響和柔性康復(fù)機(jī)器人手套的科技性，結(jié)合A公司以淺藍(lán)色作為品牌顏色的特點(diǎn)，手套的外觀配色上采用白、淺藍(lán)、灰、黑4種配色的綜合設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖5)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 基本實(shí)驗(yàn)條件

患者的感覺(jué)認(rèn)知能力比正常人差，尤其是中風(fēng)患者，可能并沒(méi)有感覺(jué)能力，采用患者進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)并不能得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文實(shí)驗(yàn)受試者的基本條件均為健康，無(wú)疾病。為使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠更好地應(yīng)用于患者，需要提前邀請(qǐng)專業(yè)醫(yī)生對(duì)受試者進(jìn)行患者病情特點(diǎn)的相關(guān)培訓(xùn)，讓受試者假定自己為患者，再進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

受試對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)象具有面料專業(yè)知識(shí)所帶來(lái)的傾向性表述，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠代表普通人群的正常反饋。為了保證實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)測(cè)試指標(biāo)及其含義的正確理解，實(shí)驗(yàn)前對(duì)受試者進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)工作，使其了解各感覺(jué)指標(biāo)的含義和細(xì)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(jué)，而刺扎感是面料表面垂直作用于皮膚表面針刺的感覺(jué)等。實(shí)驗(yàn)在40 m2的恒溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，溫度為(20±5) ℃，濕度(60±5) %。實(shí)驗(yàn)用樣品手套在上述條件下靜置24 h，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將其隨機(jī)擺放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，受試者在實(shí)驗(yàn)室先適應(yīng)環(huán)境10 min，佩戴黑色面罩以消除視覺(jué)對(duì)受試者觸覺(jué)的影響，然后戴上手套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 手套性能測(cè)試

2.2.1 手指壓力測(cè)試

手套充氣后會(huì)彎曲而產(chǎn)生彎曲力作用在手指上，使得手指被動(dòng)彎曲，而具有一定的康復(fù)效果，與此同時(shí)，手套會(huì)對(duì)人手產(chǎn)生一定程度的壓迫感。當(dāng)手指正壓充氣后，將正壓內(nèi)縮狀態(tài)的手套手指變回負(fù)壓外伸所施加的外力大小等于該手套手指對(duì)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(qiáng)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(cè)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(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量測(cè)定》、GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》、GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》、GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測(cè)定 烘箱干燥法》、GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》、GB/T 18138. 1—2009《紡織品 彎曲性能的測(cè)定 第1部分:斜面法》、FZ/T01054—2012《織物表面摩擦性能的試驗(yàn)方法》測(cè)定。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)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(fù)值為手指正壓下內(nèi)縮時(shí)的指尖行程，正值為手指負(fù)壓下外伸時(shí)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(píng)價(jià)

手套相關(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)分為手套面料接觸舒適性評(píng)價(jià)和手套結(jié)構(gòu)工效性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)2個(gè)部分。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在面料接觸舒適性評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者手部會(huì)處于3個(gè)狀態(tài)。第1階段：受試者戴上手套后靜止，立即評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(shí)感覺(jué)評(píng)價(jià)忽略手套的合體性。第3階段：對(duì)手套噴5 g水，模擬手背部出汗的狀態(tài)，評(píng)價(jià)樣品手套的接觸黏附感和濕冷感。最后，綜合評(píng)價(jià)手套的面料總體接觸舒適感覺(jué)。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，上述實(shí)驗(yàn)每隔3 d重復(fù)1次，共進(jìn)行3次。

在結(jié)構(gòu)工效性評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受試者手部處于3個(gè)狀態(tài)。第1階段：穿戴手套，在穿戴手套過(guò)程中，分別記錄手套的穿戴時(shí)間。受試者穿戴完成后，填寫(xiě)手套結(jié)構(gòu)工效性調(diào)查問(wèn)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(jìn)行抓握動(dòng)作30次，然后評(píng)價(jià)手指在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(xiě)手套結(jié)構(gòu)工效性調(diào)查問(wèn)卷；第3階段：受試者摘下黑色面罩，休息5 min，對(duì)手套的視覺(jué)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，上述實(shí)驗(yàn)每隔3 d重復(fù)進(jìn)行1次，共進(jìn)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(píng)價(jià)方法

給定受試者各感覺(jué)評(píng)價(jià)標(biāo)尺，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)分為5級(jí)，每級(jí)由不同分?jǐn)?shù)表示：1級(jí)(0分)，表示無(wú)感或結(jié)構(gòu)不合體；2級(jí)(1～3分)，表示感覺(jué)略小或結(jié)構(gòu)較不合體；3級(jí)(4～6分)，表示感覺(jué)中等或結(jié)構(gòu)一般合體；4級(jí)(7～9分)，表示感覺(jué)較略大或結(jié)構(gòu)較為合體；5級(jí)(10分)，表示感覺(jué)嚴(yán)重或結(jié)構(gòu)非常合體。圖8為面料總體接觸舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)尺。受試者完成接觸舒適性評(píng)價(jià)中各感覺(jué)評(píng)價(jià)后，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)尺為手套面料接觸舒適性做出綜合評(píng)價(jià)。

圖8 面料總體接觸舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)尺Fig.8 Evaluation scale of fabric overall contact comfort

3 實(shí)驗(yàn)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(duì)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(fù)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(fù)效果越好。在手套充氣氣壓為40 kPa時(shí)，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(fù)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(dòng)14 mm,小手指向掌心移動(dòng)24 mm，其他手指向掌心移動(dòng)31 mm,手部恰好可完成握拳動(dòng)作；因此，該手套在進(jìn)行康復(fù)作業(yè)時(shí)，要至少充壓為40 kPa。在手套充壓氣壓為120 kPa時(shí)，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(shí)的壓力可能會(huì)對(duì)病人造成輕微的壓迫感，但康復(fù)效果會(huì)比手套充壓40 kPa下的好。手套軟體手指充壓氣壓不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)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(fù)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(duì)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(shuō)明這2種面料比較柔軟；摩擦因數(shù)均為1.0左右，說(shuō)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(shí)驗(yàn)各階段樣品手套接觸舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果。為方便表示，將實(shí)驗(yàn)中各評(píng)價(jià)項(xiàng)目分別用編號(hào)1～12代替。

表5 實(shí)驗(yàn)各階段手套接觸舒適性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)得分為6.67分，適度舒適，說(shuō)明該手套的總體接觸舒適感良好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，30位受試者中，綜合以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的舒適感評(píng)價(jià)后對(duì)手套面料的接觸舒適感進(jìn)行總體評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)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(shuō)明超半數(shù)的人認(rèn)為改善后的手套是較為舒適的，但評(píng)價(jià)值為4～6分的比例也很大，甚至存在評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)為5分以下，說(shuō)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(píng)價(jià)得分來(lái)看，改進(jìn)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(rùn)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(jué)輕微刺扎和輕微粗糙。濕冷感評(píng)價(jià)為中等冷，后續(xù)改進(jìn)可選擇透水性更加良好的面料加以改進(jìn)。

3.4 手套結(jié)構(gòu)工效性分析

表6示出實(shí)驗(yàn)各階段樣品手套結(jié)構(gòu)工效性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果。為方便統(tǒng)計(jì)，將實(shí)驗(yàn)中各主觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目分別編號(hào)1#～12#代替。

表6 實(shí)驗(yàn)各階段樣品手套結(jié)構(gòu)工效性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)值至少為5.98分，可認(rèn)為手套是合體的，單獨(dú)看手套整體、手指、手掌、手腕4個(gè)部分的合體感評(píng)價(jià)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(lái)看，手套在屈動(dòng)狀態(tài)下的合體性要相對(duì)于手套靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)好。受試者穿戴手套后屈動(dòng)過(guò)程中對(duì)手套其他評(píng)價(jià)項(xiàng)目即手套輕重感、手套壓迫感和手套的視覺(jué)舒適性的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)得分和評(píng)價(jià)結(jié)果看是略微偏大的，但是考慮到手套功能性，這個(gè)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(dòng)方式2個(gè)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(dòng)方式為通過(guò)氣動(dòng)屈動(dòng)器加壓減壓使得手套外骨骼彎曲帶動(dòng)手指動(dòng)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(qiáng)手套的壓迫感，有利于病人手指的康復(fù)，但是手套壓迫感不宜過(guò)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(méi)有影響手套的正常的功能性，但是從手套的視覺(jué)舒適性結(jié)果來(lái)看，手套外觀方面仍有改進(jìn)的空間。

3.5 男女性別差異影響

為探究男女性別差異對(duì)手套舒適性的影響，統(tǒng)計(jì)2個(gè)實(shí)驗(yàn)各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的男性受試者和女受試者的平均評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖9所示。從面料接觸舒適性角度來(lái)看，面料材質(zhì)的選擇上要充分考慮到男女對(duì)面料在動(dòng)態(tài)時(shí)刮擦感、局部壓迫感以及靜態(tài)時(shí)的粗糙感的感覺(jué)差異。從手套結(jié)構(gòu)工效性角度來(lái)看，男性認(rèn)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(gè)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(gè)步驟中由于男性手指較女性更為粗壯，所以手套對(duì)男性來(lái)說(shuō)不容易套在其手指上，因此后續(xù)改進(jìn)手套結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮到男女手部大小的差異性。另外，手套的視覺(jué)舒適性方面，女性較男性認(rèn)為視覺(jué)不舒適。整體上看，男性評(píng)價(jià)普遍較女性偏高，后續(xù)手套要改進(jìn)成男款和女款，并要充分考慮到男女手部大小差異及視覺(jué)感受的差異。

圖9 面料舒適性平均評(píng)價(jià)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(jì)柔性康復(fù)機(jī)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(jué)要素，并結(jié)合A公司開(kāi)發(fā)的3款軟體手指制作了一款柔性康復(fù)機(jī)器人手套。通過(guò)對(duì)該手套進(jìn)行的手套相關(guān)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)、面料接觸舒適性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)工效性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研究該手套的工效性，以期提高患者在佩戴手套進(jìn)行治療的舒適感，促進(jìn)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(shí)，手套彎曲力不同。氣壓越大手套彎曲力越大，對(duì)手部的壓力也越大。該康復(fù)手套的合適工作氣壓應(yīng)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(fù)效果。同時(shí)，拇指指尖向掌心移動(dòng)14 mm，小手指向掌心移動(dòng)24 mm，其他手指向掌心移動(dòng)31 mm，手部恰好可完成握拳動(dòng)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(huì)有輕微的壓迫感，但康復(fù)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(shí)驗(yàn)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(jì)的面料，后續(xù)要著重改善面料的刮擦感和粗糙感以及潤(rùn)濕狀態(tài)下的舒適感。

3)本文實(shí)驗(yàn)的手套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)手套的手指合體性以及視覺(jué)舒適性。

4)男女性別差異對(duì)手套的評(píng)價(jià)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(duì)手套面料表面的刮擦感、局部壓迫感、粗糙感的感覺(jué)不同；結(jié)構(gòu)上，男性和女性的手部大小對(duì)手套合體感的感覺(jué)影響較大；此外，對(duì)手套的視覺(jué)舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果也有較大差異。后續(xù)改進(jìn)時(shí)，手套要男款和女款分別設(shè)計(jì)，以匹配男女性別上的差異性。