文章
一种用于手部康复的磁控软体机器人手套
图形摘要
高光
d
手部运动障碍可以通过磁控手套进行康复
d
嵌入式电永磁体提供可定制运动阻力
d
手套被制成符合手指的不连续结构
d
患者可以通过屈曲/伸展、外展/内收和捏合动作进行锻炼
作者
Leah T. Gaeta, M. Deniz Albayrak, Lorenzo Kinnicutt，...，Hanna Schlegel，Terry D. Ellis，Tommaso Ranzani
通信
tranzani@bu.edu
简要地
这项工作介绍了一种磁控软体机器人手套，旨在为手部运动障碍者提供康复。在完成康复训练时，手套以磁控阻力形式提供阻力。磁场由电子控制的电永磁体提供，用于在执行规定动作时定制阻力。这种康复系统也是便携式的，允许病人在诊所和家中使用手套，以增加治疗剂量。
盖塔等人，2024 年，设备 2，100512 2024 年 9 月 20 日 ª 2024 作者（们）。
由爱思唯尔公司出版
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100512
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文章
一种用于手部康复的磁控软体机器人手套
Leah T. Gaeta，M. Deniz Albayrak，Lorenzo Kinnicutt，Susanna Aufrichtig，Pranav Sultania，Hanna Schlegel，Terry D. Ellis，和 Tommaso Ranzani*
1 机械工程系，波士顿大学，马萨诸塞州波士顿，02215，美国 2 帕洛阿托高级中学，加利福尼亚州帕洛阿托，94301，美国 3 波士顿大学萨金特学院健康与康复服务，物理治疗与运动训练，马萨诸塞州波士顿，美国 4 生物医学工程系，波士顿大学，马萨诸塞州波士顿，02215，美国 5 材料科学与工程学院，波士顿大学，马萨诸塞州波士顿，02215，美国 6 主要联系人 *通讯：tranzani@bu.edu https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100512
摘要
对于手部运动功能丧失的个体，康复治疗是恢复力量和活动范围以完成日常活动所必需的。通常在临床环境中，会开出基于重复力量和特定任务的锻炼。然而，这些治疗通常成本高昂且不可携带，限制了患者的可及性，并使患者依从性变得不切实际。因此，临床上有必要开发一个既经济、便携又易于获取的系统，以提高患者依从性和改善治疗效果。这项工作提出了一种概念验证的磁控手套，为手部运动障碍患者提供基于目标的阻力康复。手套价格低廉、可定制且便携，可在诊所和家庭中使用。通过电永磁体实现可定制的阻力，这些磁体局部控制手指的磁吸引力，并通过磁诱导的卡住产生快速的刚度变化。展示了使用手套的各种康复锻炼，磁场可以定制以提供必要的阻力。
简介
运动障碍，以行动和自我护理障碍的形式，据美国社区调查数据显示，预计影响美国 9.1%的人。在手部，由于虚弱导致的运动功能丧失是多种神经系统疾病的固有特征，导致日常生活活动（ADL）和生活质量受损。例如，中风、颈椎损伤、多发性硬化症和帕金森病的患者通常会出现力量、灵巧和整体手功能下降，这会干扰日常功能。
尽管导致这些条件下的弱点的机制各不相同，但通常建议这些人群进行力量训练以提高手部功能。根据这些条件下每个个体的临床表现，强化方案理想地针对受损的运动（例如，手部屈伸、外展/内收、抓握）并调整阻力以适应每个个体的需求。这通常在临床环境中由物理治疗师或职业治疗师进行。然而，患者获取可能受到负面影响，因为这些会话可能费用高昂且需要前往诊所。此外，有限的面对面治疗次数或对规定的家庭锻炼的依从性差可能会导致
整体情况 手部运动功能受损的个体通常需要康复训练以恢复力量和活动范围，以便完成日常生活活动并提高生活质量。康复治疗通常局限于临床空间，可能费用高昂，限制了可及性和阻碍了患者的依从性。我们开发了一种以磁控软体手套为形式的康复平台，该平台价格低廉、便携，易于在家庭或诊所使用。手套通过局部控制手指和大拇指的磁吸引力以及通过磁诱导快速刚度变化，为康复训练提供有针对性的个性化阻力。这项工作旨在提高患者依从性、治疗效果，并最终改善手部运动功能受损者的生活质量。
设备 2，100512，2024 年 9 月 20 日 ª 2024 作者（们）。由爱思唯尔公司出版。
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这是一篇开放获取文章，遵循 CC BY 4.0 许可协议（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。
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也可能导致强化锻炼剂量不足，这可能会损害结果。因此，需要一个既经济、个性化又易于获取的平台，让病人在诊所和家中舒适地安全进行康复锻炼，以提高患者的依从性、剂量和结果。
最近，软体可穿戴机器人设备的进步使得手部运动障碍者能够更加独立地生活，并享受更高的生活质量。虽然已经使用了刚性康复机器人和外骨骼，但手部运动障碍治疗的趋势是使用更多软材料。由于它们的顺应性，软体可穿戴机器人解决方案比刚性机器人更能适应手部的解剖结构。通常，这些解决方案由软材料组成，如硅橡胶、纺织品和热塑性薄膜。这些材料通过其灵活性和顺应性，使软体机器人具有自然低的刚度，适用于人类穿戴和使用，并且通常由多自由度执行器组成，这些执行器通过气动加压或电缆驱动来对手指施加力量，以提供帮助和/或康复。其中一些系统还基于触觉反馈，以帮助在虚拟现实环境中训练手和手指的运动。然而，这些解决方案也可能在物理上显得突出、沉重，并且对于患者来说难以穿戴和脱下。 当前解决方案的概述在表 1 中呈现。
尽管这些软质可穿戴解决方案在提供抓握和物体操作辅助方面显示出希望，但仍需要提供通过可定制主动阻力进行针对性力量训练康复的便携式系统。表 1 中展示的工作大多是气动和电缆驱动的，因此不太能符合数字解剖学和运动学。此外，虽然这些解决方案可以提供辅助和康复，但它们通常只能通过一个或两个主动动作来实现，同时增加了手背和手指之间的体积。这些设备还通常需要外部电机和泵，这进一步增加了体积，并由于需要额外的控制硬件而降低了便携性。
一种在软体机器人中诱导不同阻力的方法是通过刚度调制，基于压力的堵塞是其中最受欢迎的，因为它能够在毫秒内提供大的刚度变化。基于堵塞的方法通常使用填充低密度介质，如纤维、层或颗粒，并施加真空或正压等外部应力来实现刚度响应。在可穿戴应用中，堵塞已被用于创建离合器和制动器，以控制运动范围并防止不希望的人类运动。然而，这些可穿戴堵塞解决方案需要外部压力源，这可能会使系统体积庞大并限制其便携性。这对于在家中进行的活动尤其相关，因为获取真空泵可能既困难又昂贵，而真空本身也可能相当嘈杂。
其他不依赖压力源的加固机制，如相变材料，也已被研究。这些包括形状记忆合金和聚合物。
表 1. 手部功能障碍的穿戴式和软体机器人解决方案的当前技术水平
目的
驱动
材料
重量
动作
Polygerinos 等人
29
辅助与康复
气动
纤维增强硅橡胶
285 克
屈伸
Nuckols 等人
32
辅助与康复
气动
机织纺织品和编织纺织品
未报告
屈伸
Cappello 等人
33
辅助与康复
气动
机织纺织品和针织纺织品
77 g
屈伸
亚普等
34
辅助与康复
气动
TPU 涂层织物
99 g
屈伸和捏握
Lim 等人
36
辅助与康复
气动
TPU 涂层织物和热固性夹板
150.8 克
屈伸和捏握
赖等
39
辅助
气动
TPU 涂层织物
107 克
屈伸
金等
40
辅助与康复
电缆驱动
硅橡胶弹性体，内含 Dyneema 纤维
120 克
屈伸，捏握和桡侧外展
Delph II 等人
41
辅助与康复
电缆驱动
氨纶带凯夫拉线
6 千克（含电机包装）
屈伸
罗斯和奥马利
43
辅助与康复
电缆驱动
莱卡和微绒布，配有鲍登电缆
220 克
屈伸和捏握
贾哈夫等人
38
触觉反馈
气动引起的卡阻
丁基橡胶套管，配有 VeroClear 纤维
未报告
–
欣切特和希ア
46
触觉反馈
聚合物静电离合器
P(VDF-TrFE-CTFE)薄膜和尼龙
28 g
–
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可以通过电子控制的加热来调节其刚度。磁控加固也已实现，这涉及到磁流变流体（MRF）或磁流变弹性体（MRE）的使用，这些是悬浮在载体流体（如水或油）或悬浮在弹性基质中的微米级磁性颗粒。尽管这些加固方案具有电子控制的便携性优势，但相变材料在加固响应方面可能较慢，并且可能需要可能对人类交互造成危险或不舒服的加热。MRE 的加固响应比相变材料更快（大约毫秒级），但通常也需要高达 0 的大外部磁场。
8 T 因此如果通过电子方式产生刚度，也需要大量的功率。
我们小组之前的研究介绍了一种磁控加固形式，该形式结合了基于堵塞的材料（包括堆叠层、颗粒和纤维），是便携式的，并能引起快速刚度变化。通过将这些材料浸入 MRF 中，我们展示了仅使用 MRF 时，可实现的加固范围可放大至原来的 344%，并且可以通过施加磁场进行调节。在这篇论文中，我们利用这一原理，通过选择性地改变磁控手套每个手指的刚度，作为提供屈曲和伸展康复锻炼阻力的一种方式（图 1C）。我们还以磁控锻炼阻力的形式提供
图 1. 磁控手套原型
(A) 手套的背视图，包括围绕前臂的柔性 PCB。
(B) 手套的腹视图，露出张开的手掌，配有细的可调节指节带和拇指指尖及指尖的 EPMs。 (C) 通过示意图上的方向箭头进行屈伸运动。当手套变硬时，手指和拇指必须克服阻力才能进行屈伸运动。 (D) 进行捏握运动，此时拇指指尖和指尖的 EPMs 相互吸引，而将手指和拇指分开的力必须克服磁吸引力。 (E) 进行外展和内收运动。手套内嵌的 EPMs 相互吸引，使拇指和手指向内收方向靠近。产生外展的力必须克服引起内收的吸引力。
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电子控制磁铁，可用于在抓取/释放和夹持中调整阻力（图 1D 和 1E）。我们开发了一种手套，将 MRF 浸没纤维封装在纺织品和热塑性聚氨酯（TPU）结构中，该结构自然柔软、顺应性好且不显眼。由于其尺寸、耐用性、抗撕裂性和通过二维热粘合工艺易于制造，纺织品和 TPU 薄膜被选为该可穿戴设备的表面封装。旨在为患有手部运动障碍的患者提供基于康复和力量训练的平台，这款可塑性好、低轮廓的手套有可能根据图 1 所示的处方运动个性化所需的阻力。虽然并非本质上像表 1 中列出的许多辅助设备那样是辅助设备，但这款手套旨在使患者能够遵守并练习定制化的强化运动，而无需承担当前临床疗法的昂贵成本和可及性问题。
可调节的弯曲和伸展阻力是由于能够通过使用电永磁体（EPMs）在毫秒内诱导电子控制的刚度变化，这种电子控制提供了便携性的优势，使得这个可穿戴系统可以在诊所或家庭环境中使用，以提高患者对针对性康复的依从性。由于 MRF 可以在施加磁场后固化并变硬，EPMs 允许电子控制这种特定行为。与电磁体相比
EPMs 不需要持续提供能量以维持所需的磁场，因此更适合与人体接触。虽然文献中已经报道了在软体机器人中使用 EPMs，但尚未有 EPMs 在可穿戴系统中的应用实例。我们的磁控手套采用嵌入系统中的 EPM 阵列，通过环绕前臂的柔性印刷电路板（PCB）实现电子磁驱动和可调刚度响应。根据病理的类型和程度，EPMs 可以开启或关闭，以独特地满足患者的康复力量需求。因此，柔性 PCB 还通过消除外部控制硬件的需求，提供了便携性的便利，这些硬件通常在表 1 中列出的系统中是必需的。
手套的整体结构也与表 1 中展示的、由连续结构组成且具有单一压力通道、位于手背和手指背面的传统软体机器人手套不同。手套的每个指节都被制造为非连续结构，以更好地代表和模仿我们的手指和拇指的解剖结构，这些结构由关节和连杆或骨骼组成，因此容易适应解剖结构，如图 2 所示。这种低轮廓和非连续结构还允许指节进行更自然的运动，同时保持手掌开放以进行触觉感知和全指活动范围（ROM）。
最后，我们还展示了在佩戴磁性控制软机器人手套时可以进行的各种康复练习。在针对单个用户的初步验证中，使用肌电图（EMG）来测量进行康复练习时肱桡肌的肌肉活动。
图 2. 磁控手套原型的不连续结构，与手指关节匹配
(A) 手套单个手指的交替手风琴式关节和梁连接。EPMs 嵌入在关节和梁连接中，碳纤维丝嵌入在梁连接中（为清晰显示整体外部和内部结构，未显示 MRF）。插图显示了制造的手指远端折叠到远端指骨的腹面，并在指尖处嵌入单个 EPM。
(B) 阀门式关节的整体结构，两端呈锥形，与梁连接。
(©) 描述手套不连续结构如何符合每个手指在弯曲和伸展过程中的背侧表面。
（D）左食指弯曲的序列，突出了符合解剖学的非连续结构。
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评估手套的功效。这些练习通过屈伸、外展和捏握动作进行，并通过调节阻力，通过磁力吸引或诱导刚度，通过开启和关闭 EPMs 来展示。选择哪些 EPMs 开启或关闭提供了进行康复训练所需的刚度和灵活性，为病理依赖性康复铺平道路，并且该系统的便携性允许这些练习在家中或诊所完成，从而最终提高患者的可及性、依从性和结果。
结果
手套设计
为确保手套在不妨碍手指运动的同时体积小，设计了一种不连续的结构，位于手背表面。这些结构分别制造并附着在绕前臂的柔性 PCB 上，通过可调节的掌骨魔术贴带（见图 1A）。每个手指由三个位于指骨背面的梁式连杆结构和三个位于远端指间关节（DIP）、近端指间关节（PIP）和掌指关节（MCP）背面的褶皱形关节组成（见图 2）。拇指由两个梁式连杆和两个褶皱形关节组成。褶皱形关节用于解释手指和拇指关节的铰链动力学，这些结构与梁式连杆交替，以符合我们手指的解剖结构。这些褶皱结构设计用来解释手指弯曲时产生的所需长度变化，而无需拉伸连接梁式连杆的材料。梁式连杆结构由一个薄 TPU 薄膜袋组成，由纺织品框架包围，并通过热粘合附着在褶皱关节上。所有手指的梁连接和折叠关节都是通过二维分层制造工艺制造的
这个过程通过在两块铝板和橡胶片之间堆叠薄 TPU 薄膜层和可热封纺织品，并通过在高于堆叠材料熔点的温度下进行热压选择性粘合来实现。选择性粘合通过使用具有高温抵抗性和不粘性能的聚四氟乙烯作为掩模元素来控制。
尽管近端和中节指骨的梁连接相同，但远端指骨的设计不同，因为该梁连接在指尖下方折叠，并沿着连接边缘缝合以形成指尖插入的盖子。一旦手指和拇指的整体不连续结构制造完成，碳纤维被插入梁中，而 MRF 和 EPMs 被插入每个梁和关节中。梁连接中的纤维被用来利用与 MRF 和 EPMs 的磁性诱导纤维堵塞，类似于先前的工作。最后，通过添加可调节的指骨魔术贴带以确保牢固连接，每个手指和拇指结构都可以定制以适应各种指节大小，如图 1B 所示。更详细的整体制造过程可以在图 S1、视频 S7 和补充实验程序中找到。
考虑到手套设计在手的背侧和手指上，穿戴和脱下设备所需的努力最小。手套的手指可以翻转并放置在表面上，而穿戴者将手的背侧放在上面。假设任何运动功能损伤仅限于单只受影响的手，那么一只健康灵活的手就可以用来将指尖插入套筒中。然后，这只手也可以用来固定指关节的粘扣带以适应手指的周长，粘扣带掌骨带以适应手的大小，以及柔性 PCB 以适应前臂。
电磁永磁体
为了通过电子控制展示手套的磁性特性，手套配备了 40 个 EPM：拇指上有 6 个，小指上有 7 个，其余三个手指上有 9 个。手套的每个折页关节包含一个 EPM，而梁连接包含两个，如图 2 所示。然而，由于小指近端和中节指骨上的梁尺寸较小，因此只有 1 个 EPM（因此这个手指只有 7 个）。所有 EPM 的宽度为 3.6 毫米，高度为 2 毫米，长度约为 1 厘米，可以轻松地装入每个梁和关节中而不增加体积。有关手套中使用的 EPM 的制造工艺和材料的更多详细信息，请参阅附录 S1 和表 S1。
EPMs 是由两个具有相似剩余磁通的磁铁组成的组件；一个低矫顽力软 AlNiCo 磁铁和一个高矫顽力硬钕铁硼磁铁，位于两个低碳钢端盖之间，如图 3 所示。铜线绕在磁铁上，绕了 z75 圈，当施加一个短暂的电流脉冲时，软磁铁的极性反转，有效地“打开”EPM。或者，当电流施加到线圈另一端时，软磁铁的极性翻转回来，“关闭”EPM。每个 EPM 在开启时在端盖之间表现出约 30 mT 的磁场，在关闭时约为 0 mT。与电磁铁不同，EPMs 不需要持续消耗电力来保持开启状态。一旦 EPM 被开启或关闭，它就会保持开启或关闭状态，无需任何电力。
10 毫米
AlNiCo + 钕铁硼
铜线圈
钢端盖
图 3. 电永磁体
电永磁体（EPM）是由 AlNiCo 和钕铁硼圆柱形磁体组成的一种结构，粘附在两个低碳钢端盖上，并用铜线缠绕。当施加电流 500 毫秒时，EPM 可以开启和关闭，并且在不持续消耗电力的情况下保持开启或关闭状态。手套原型中嵌入四十个 EPM，每个 EPM 在其开启和关闭状态下分别产生 30mT 和 0mT 的磁场。
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只有在切换状态时，EPM 才会消耗电力，但由于电流脉冲非常短暂（500 毫秒），改变开关状态只需要 50 毫焦耳的能量。请注意，尽管这些 EPM 不是本工作的设计贡献，因为我们已经在软体机器人文献中看到过 EPM 的应用，但将 EPM 集成到可穿戴系统中尚未有报道。
EPMs 提供佩戴手套进行康复训练所需的磁性控制，以提供所需的阻力。患者可以通过屈曲和伸展来对抗阻力，这种阻力是通过使手套的指节变硬而产生的。然后可以通过选择性地打开和关闭特定的 EPMs 来为患者个性化每个指节的刚度。EPMs 还提供进行外展和捏握康复训练所需的局部磁吸引力（图 1D 和 1E）。当 EPMs 开启且患者进行外展运动时，手套一个指节的 EPM 的吸引力会被另一个不同指节的 EPM 吸引，从而将指节拉向内收（图 1E）。因此，当 EPMs 将手指和拇指拉向内收时，患者将不得不对抗这种磁吸引力以改善相反外展运动的力量和 ROM。最后，EPMs 还由于 EPMs 在手指和拇指尖腹面的磁吸引力而有助于捏握训练（图 1D）。 当患者将一个指尖与拇指指尖相触时，相应的 EPMs 会吸引并拉拢手指。因此，患者必须克服这种吸引力，以分离指尖和拇指，通过这种特定的动作来加强。
屈伸运动
磁控软体机器人手套帮助康复的一种动作是屈曲和伸展
穿着手套时，可以通过磁诱导的刚性增强施加个性化的阻力，病人在通过屈曲或伸展运动时必须与之对抗。这种屈曲和伸展运动通过人手指的三个弯曲自由度（DOFs）和大拇指的两个弯曲自由度进行。以下章节涵盖了磁诱导刚性的分析建模、通过四种不同的 EPM 组合分析刚度测试结果，以及通过屈曲和伸展运动时的 EMG 评估阻力效果。
建模手套的刚度响应
康复手套纤维和 MRF 填充元件的行为可以通过考虑磁场对 MRF 的影响以及将手套的手指/指节建模为梁元件来理解。在此，我们提出一个分析模型来预测手指在施加力时的力学行为。
我们的分析模型利用欧拉-伯努利梁理论，采用有限元方法将手指解剖结构近似为元素和节点。在此基础上，我们进一步发展这一模型，考虑嵌入式碳纤维丝和磁化 MRF 对手套诱导刚度的效应。根据梁-手指元素的几何形状、施加的力和摩擦应力 t（使用 MRF、永磁体和碳纤维丝进行实验确定），可以确定结构的挠度和刚度。
我们把手套的单个手指建模为具有两个滚轮支撑的悬臂梁。手套的设计旨在从交替的链节和关节的角度反映手指的解剖结构。如图 4A 所示，模型通过左端最外侧的悬臂支撑（节点 1）和节点 3、5 处的滚轮支撑来表示。因此，节点 1、3 和 5 分别代表位于 MCP、PIP 和 DIP 关节背面的锥形结构。图 4B 中的元素描述了手套单个梁连接结构的半部分，每个元素由两个节点组成。元素 1 和 2 与手套背侧近端指骨的梁连接部分同义，元素 3 和 4 与中间指骨同义，元素 5 和 6 与远端指骨同义。因此，手套的每个梁连接都由两个具有共享中间节点的元素表示，力只能作用于节点。假设每个元素具有长度 L、模量 E 和惯性矩 I，并且具有 4 个自由度，节点处作用着力 f、位移 d、力矩 M 和旋转 f。 与我们的测试协议一致，外部力在节点 2、4 和 6 沿负 y 方向作用。这些外部力的应用可以被视为病人在进行手指屈伸和抓握物体的开合时需要克服和对抗的力。通过这些动作对抗施加的负载进行重复性、针对性的练习可以提高佩戴磁性控制手套的患者的力量增益。对于分析模型，手指的边界条件如下：d；d；d=0 和 f=0。
欧拉-伯努利梁理论给出了以下方程来描述施加的载荷与挠度之间的关系，其中 v 是挠度，w 是分布载荷，V 是
1
2
3
4
5
6
1
7
2
3
4
5
6
L
滚筒
支持
悬臂
支持
元素
数字
节点
数字
L,
E, I
1
2
M
M
f
f
d
d
Φ
Φ
四自由度：
-
2 个偏转（d，d）
-
2 次旋转（Φ ， Φ）
1
X
Y +
A
B
图 4. 手套内手指刚度的建模方法
(A) 一种以悬臂梁形式建模的手指手套，带有两个滚轮支撑，由六个元素和七个节点组成，覆盖在制造的手指上以增强清晰度。
（B）第一元素自由体图，节点 1 和 2，长度 L，模量 E，和惯性矩 I。力矩（M；M）和力（f；f）作用于节点，引起挠度 d 和 d，以及旋转 f 和 f。
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剪力，M 是力矩，梁的长度沿 x 轴。
w = EI
dv
dx
（方程式 1）
V = EI
dv
dx
（方程式 2）
M = EI
dv
dx
（方程式 3）
由于没有分布式载荷，因此方程 1 等于零。然后我们选择由方程 4 描述的三次位移函数，因为它提供了 4 个自由度（a；a；a；a），这与梁单元的 4 个自由度（d；d；f；f）相匹配，并且通过四个导数满足 dv/dx=0。
vðxÞ = ax + ax + ax + a
（方程式 4）
求解 v(x)和 v(x)在 x=0 时的值得到 a=f 和 a=d。在 x=L 处求解得到 a=(d-d)+(f+f)和 a=(d-d)-(2f+f)。将 a、a、a 和 a 代入方程 2 和 3，得到以下结果：
V =
EI
L
12d+ 6Lf 12d+ 6Lf
（方程式 5）
M =
EI
L
ð12x 6LÞd+
6Lx 4L
f+
ð 12x + 6LÞd+
6Lx 2L
f
（方程式 6）
从图 4B 的无质量体图中，可以通过在 x=0 时取 m= M 和 f= V，以及在 x=L 时取 m= M 和 f= V，使用方程式为每个元素构建一个刚度矩阵
5 和 6：
8
>
> <
>
> :
f
m
f
m
9
> > =
>
> ;
=
EI
L
2
6
6 4
12 6L 12 6L
6L 4L 6L 2L
12 6L 12 6L
6L
2L
6L
4L
3
7
7
5
8
>
> <
>
> :
d
f
d
f
9
> > =
>
> ;
（方程式 7）
方程 7 中的元素刚度矩阵可以用来创建一个全局刚度矩阵，用于模拟手套手指，该手指被建模为具有两个滚轮支撑的悬臂梁，如图 4A 所示。全局刚度矩阵 K 是通过将方程 7 中元素刚度矩阵左上角四个索引与底部右角四个索引耦合，对所有六个元素进行构建的。
K =
2
6
6
6
6
6
6
6
6
4
12 6L 12
6L
.
0
0
6L 4L
6L 2L.
0
0
12 6L 24 0
.
0
0
6L 2L 0
8L.
0
0
无翻译内容
1
«
«
0
0
0
0
.
12
6L
0
0
0
0
. 6L
4L
3
7
7
7
7
7
7
7
7
5
（方程式 8）
最后，我们在每个指连杆中引入了磁场对 MRF 浸没纤维的影响。我们假设纤维作为粘合层，在 x 方向上相互滑动，并基于一个先前针对磁致层堵塞的分析方法，该方法通过求解由施加的力引起的弯曲 w，其中 b 和 h 分别是每个连杆元素的底边和高度：
wðxÞ = 未知函数（x）
F
2Ebh
t
Eh
x
FL
16EI
x
（方程式 9）
知道每个元素的挠度将在负 y 方向且始终在 x = L 处，我们可以通过将矩形梁弯曲的关于中心轴的第二惯性矩 I = 代入，以及悬臂梁弯曲的弹性模量 E = 代入来求解磁化刚度 K：
K =
F+4tbh
16w
(方程式 10)
此外，我们可以将方程 10 中的 F=w 项与方程 8 中的未磁化全局刚度 K 相等，以得到我们最终的磁化刚度项：
K =
1
16
K +
4tbh
w
（方程 11）
摩擦应力 tis 从下文所述的实验表征中找到的，其中我们将中值拉伸力 T 视为等于摩擦力 mN，N 为法向力。然后，将摩擦力除以表征过程中使用的磁铁面积，以获得摩擦应力 t。
纤维磁流变流体相互作用
纤维被引入手套手指的连杆中，以磁性地诱导堵塞。我们选择包含纤维，而不是颗粒或层，因为这些纤维可以在一个维度上相互滑动，并提供足够的刚度以抵抗屈曲和伸展的运动。在基于纤维的堵塞中，通常将低密度纤维介质封装在类似皮肤的柔韧结构中，并通过施加真空压力来诱导堵塞转变。在这里，我们用 MRF（磁性橡胶流体）替换典型的堵塞流体介质（空气），以创建磁控加固。当对 MRF 施加磁场时，悬浮的铁粒子会沿着磁场排列，并产生一种使流体固化和增强的效果。增加施加的磁场会增加固化的效果，而将纤维材料用作 MRF 粒子附着的基础，允许调节加固响应。
用于磁性控制手套原型，使用了密度为 3.54-3.74 g/cm³、粘度为 0.280 ± 0.070 Pa·s 的商用 MRF（MRF-140CG，Lord）。
为了了解 MRF 浸没的碳纤维丝如何响应施加的磁场，摩擦应力被实验性地表征。这种摩擦应力源于
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纤维在磁场作用下相互滑动，随着 MRF 屈服应力的增加，摩擦应力 t 是从实验结果中得出的，这些结果在实验程序中描述并在图 5A 中展示（也见视频 S1）。随着纤维通过 MRF 相互滑动，最终涂覆纤维会体验到施加磁场中的磁场效应，屈服应力增加到稳态点。由于在位移 15mm 后达到稳态，因此从这一点开始读取的中位力被认为是摩擦系数 m 和由磁场引起的法向力 N 的乘积。当没有施加磁场时，中位力为 206.33 mN，而当施加 30 mT（EPM 在开启状态下的磁场强度）时，中位力为 589.91 mN。将这些值除以磁面积得到摩擦应力 t，该应力用于前述章节中描述的建模，该建模在给定施加力和磁场时预测挠度。
数字的屈伸刚度评估
the 手套原型单个手指的刚度被评估，以确保在数字通过屈曲和伸展时提供足够的阻力。根据之前讨论的解析模型，施加了力和边界条件
测试过程中经历的力和位移导致的刚度变化可以被视为病人在进行特定屈曲或伸展康复锻炼或任务时需要克服的阻力。因此，通过选择性地开启或关闭特定的 EPM，可以根据诊断的病理情况调整患者的当前屈曲和伸展力量。因此，在刚度评估期间研究了四种 EPM 配置：(1)所有 EPM 开启，(2)仅开启梁-连杆 EPM，(3)仅开启关节 EPM，(4)所有 EPM 关闭。当所有 EPM 开启时，总共有九个开启，而当仅开启梁-连杆 EPM 和仅开启关节 EPM 时，分别有六个和三个 EPM 开启，因为每个梁连杆中有两个 EPM，每个关节中有一个 EPM。
手套单个手指的刚度测试结果如图 6 所示，测试方案在视频 S2 中展示。通过数据线性拟合确定了每种 EPM 配置（所有 EPM 开启、连杆 EPM 开启、关节 EPM 开启和所有 EPM 关闭）的刚度。表 2 显示了手套单个手指每个解剖部分的刚度值和百分比变化，以及每种测试的 EPM 配置。
在每个解剖位置上，随着越来越多的 EPM 被切换到“开启”状态，刚度增加。近端指骨连接显示出最高的刚度值和最高的百分比变化，与中间和远端指骨相比。近端指骨，由固定悬臂支撑和滚轮支撑，从所有关闭情况下的 574.89 mN/mm 刚度增加到开启关节情况下的 27.17%，到开启连接情况下的 83.27%，到所有开启情况下的 202.98%。中间指骨的刚度也以类似的方式从所有 EPM 关闭时的初始值 534.28 mN/mm 增加，该连接由两个滚轮支撑。只有关节开启、只有连接开启和所有 EPM 开启时，中间指骨的刚度分别增加了 13.02%、52.53%和 112.53%。远端指骨连接，由单个滚轮支撑并具有自由端，所有 EPM 关闭时的初始刚度为 77.99 mN/mm，对于关节 EPM 开启增加了 18.28%，对于连接 EPM 开启增加了 44.80%，对于所有 EPM 开启增加了 69.87%。 最高刚度值出现在所有 EPM 都开启时的近端指骨，测量值为 1,741.82 mN/mm。总的来说，对于测试的每个解剖位置，当 MRF 浸没纤维磁化时，刚度最高。这是因为由于施加在连杆上的磁场引起的屈服应力效应，摩擦应力增加了。手指的关节不包含纤维，因此由于开启的 EPM 的磁场引起的屈服应力增加仅来自关节内的磁化 MRF。因此，磁化每个连杆将由于 MRF 浸没纤维而产生更大的刚度增加，而在其基础上磁化填充 MRF 的关节将诱导出最大可实现的刚度。
测量的刚度值也取决于力施加砧子位移的距离。例如，在图 6 的案例 A 和 B（近端和中节指骨）中，较小位移下刚度值之间的差异不太明显，这可能是由于所选支撑结构的连杆行为所致。因为力是施加在支撑之间的每个连杆的中心，这会导致出现下垂现象，从而使 MRF 在砧子周围积累。因此，这种行为在小位移时最小。
0
5
10
15
20
25
30
位移 [mm]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
力[N]
30 mT
0 mT
τ= μN/A= T/A
T
铝镍钴
纤维刷
处理
亚克力板
MRF
粘附纤维
N
摩擦
B
A
图 5. 纤维-MRF 摩擦试验
（A）纤维-MRF 摩擦试验概述，包括力箭头（紫色）和摩擦应力 t 的方程。（B）纤维-MRF 摩擦试验结果，施加 0 mT 和 30 mT 以测量摩擦应力 t。在位移的最后 15 mm 内达到稳态，如灰色区域所示，并使用这些力读数的平均值来确定 0 和 30 mT 处的摩擦应力。每条曲线是三次试验的平均值，阴影误差线表示一个标准差（SD）。
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对较大位移（z5 毫米）的贡献更大，因为它产生了更非线性的趋势。在远端指骨的案例 C 中并未观察到这一点，因为左侧有一个单独的滚轮支撑，而右侧有一个自由端。
该模型先前提出的与实验结果在 5 毫米位移范围内吻合得相当好。当 EPMs 在手指的连接处开启以及当所有 EPMs 关闭时，模型预测的刚度趋势与测试的原始数据一致。更具体地说，模型预测的刚度与通过 5 毫米位移实验发现的值紧密一致。在此位移之后，由于模型是线性的，因此它偏离了，而原始数据表明存在更非线性的趋势。这可能是由于该模型建立在欧拉-伯努利梁理论之上的原因
该模型假设完美线性弹性梁，并且对小位移预测良好。因此，在此位移之外可能存在 MRF 纤维相互作用，但模型未能捕捉到。通过 5 毫米的位移，模型在 30 mT 时预测刚度为 420.16 mN/mm，在 0 mT 时预测刚度为 229.26 nM/mm，在近端指骨处。这些值分别比 30 mT 时的实验“开启”刚度 401.07 mN/mm 和 0 mT 时的“全部关闭”刚度 261.51 mN/mm 低 4.54%和 14.07%，通过 5 毫米的位移。与实验值相比，对建模预测的进一步评估可以在图 S5 和注释 S4 中找到。
表面肌电图检查通过屈曲和伸展
我们评估了在佩戴手套移动时完成康复训练的情况
关节
(滚筒)
链接
F
联合
（已修复）
联合
(滚筒)
链接
F
联合
（已修复）
联合
(滚筒)
关节
(滚筒)
链接
F
联合
（已修复）
i)
i)
i)
ii)
ii)
ii)
0
1 2 3 4 5 6 7 8 位移 [mm]
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力[N]
所有开启
链接
关节
所有关
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力[N]
所有开启
链接
关节
所有关
0
1 2 3 4 5 6 7 8 位移 [mm]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
力[N]
所有开启
链接
关节
所有关
A
B
C
图 6. 磁控手套原型单个手指在四种加固条件下的力与挠度（A）（i）测试手指示意图，在近节指骨的连杆梁中心施加力，结果如图（ii）所示。
（B）（i）测试手指的示意图，在中间指骨的连杆梁中心施加力，结果如图（ii）所示。
（C）（i）测试手指的示意图，在远端指骨的连杆梁中心施加力，结果如图（ii）所示。
所有曲线均为三次试验的平均值，阴影误差线代表 1 个标准差。
表 2. 磁控手套单个手指在四种加固条件下的弯曲测试结果
应用力位置
EPM 安排
刚度（mN/mm）
刚度变化（%）
近端指骨
全部关闭
574.89
–
关节
731.11
27.17
链接
1,053.58
83.27
全部都是
1,741.82
202.98
中间指骨
全部关闭
534.28
–
关节
603.85
13.02
链接
814.96
52.53
全部都是
1,135.49
112.53
远端指骨
全部关闭
77.99
–
关节
92.25
18.28
链接
112.93
44.80
全部都是
132.48
69.87
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通过屈伸运动，如图 7 所示，并在视频 S3 中展示。手指屈伸练习可以帮助患者提高抓握和围绕大型物体的手闭合能力，以及手开合的力量。更具体地说，通过对抗由可调刚度提供的阻力，患者可以通过屈伸运动获得显著的力量增益。在这个通过屈伸运动移动的演示中，EMG 结果强调，当手套的所有 EPM 都开启时，需要更高的收缩电压（来自前臂的肱桡肌）。所呈现的结果来自单个受试者，旨在提供对设备功能性的初步评估，当受试者佩戴时。与所有 EPM 关闭时相比，如图 7C 所示，磁诱导的刚度导致屈伸手指需要更多的努力。
绑架动作
另一项手套原型旨在通过外展进行康复的动作。与内收相反，内收是指将手指向手心中心靠拢的动作，而外展则是将手指张开，仿佛广泛地打开手掌。为了康复外展，穿戴者必须对抗嵌入的 EPMs 的磁吸引力，这些吸引力将手指和大拇指拉向彼此。因此，开启的 EPMs 可以将手指拉向彼此，而将 EPMs 拉开的力是重复外展康复练习中提供的阻力。
Hello, I'm ChatGLM, an AI Assistant. I can help you with language translation. The translation of "Magnetic attraction in abduction" into Simplified Chinese is: 抢劫中的磁力吸引
为了评估抓取康复任务的疗效，将类似抓取方向的 EPM 分开。如图 8A 插图中所示，在一个测试中，一个 EPM 被固定，而另一个可以自由分离和移动。在另一个测试中，一对 EPM 的连接与另一对 EPM 的连接分开，如图 8B 插图中所示。在抓取任务中，手指最初都相互接触，然后分开，就像广泛张开手一样（图 8C）。在佩戴抓取原型手套进行抓取时，一个手指内的 EPM 端盖被相邻手指的 EPM 端盖吸引，患者必须克服这种磁吸引力才能分开手指。（视频 S4 还展示了进行的抓取类似 EPM 分离测试。）
实验中采用的诱拐模拟 EPM 分离测试结果展示在图 8A 和 8B 中，并列于表 3。第一次测试（图 8A）考察了三种 EPM 开关状态组合：两个 EPM 都开启，一个 EPM 开启，两个 EPM 都关闭。从结果中可以看到
分离 EPMs 所需的力在两个 EPMs 都开启时最高，在两个 EPMs 都关闭时最低。当两个 EPMs 都开启时，克服磁吸引力的最大力为 339.83 mN，适用于拉离 EPM 配置。这种分离力比分离两个关闭的 EPM 所需的 46.49 mN 增加了 631%。当只有两个 EPMs 中的一个开启时，克服拉离 EPM 方向磁吸引力的力为 165.38 mN。在第二次测试（图 8B）中，当两个 EPMs 都开启、一个 EPMs 开启（顶部或底部一对）以及没有 EPMs 开启时，分离了带有 EPMs 对的连接。观察到，当每个连接的 EPMs 对都开启时，分离连接所需的力最高。需要 562.42 mN 的力来克服磁吸引力，比两个 EPMs 对都关闭时的连接增加了 1,050.38%。基于第一次测试，其中只有两个 EPMs 被分开，这表明克服将手指拉向内收的磁吸引力的力随着 EPMs 数量的增加而增加。 最后，当只有一对连接 EPM 打开时，分离链所需的力为 156.51 mN，如表 3 所示。
肌电图检查通过牵拉
图 9 展示了通过外展和内收移动的演示，视频 S5 中展示了这一过程。在单个健康受试者进行外展和内收的初步 EMG 测试中，当所有 EPMs 开启时，与所有关闭时相比，佩戴磁性控制软体机器人手套需要更大的收缩电压，如图 9C 所示。这是因为当 EPMs 开启时，嵌入手套手指中的 EPMs 端盖被磁性地吸引在一起。因此，佩戴手套的患者通过克服将手指拉向内收的磁性吸引力来实现外展。通过外展和内收进行康复训练的患者可以提高抓取各种大小和几何形状物体的能力。通过这些动作加强，患者能够更好地自然分开手指和拇指，使他们的手更容易适应通过日常生活活动（ADL）遇到的形状各异的物体。 这些包括但不限于抓握杯子、马克杯把手、手机、电脑鼠标、餐具和球形门把手。
捏握动作
手套帮助康复的最后动作是捏握。捏握涉及将指尖和拇指尖的腹侧放在一起。鉴于手套的每个指尖和拇指尖都配备了 EPM，磁铁可以相互吸引。
0
2
4 6 8 10 12 时间 [秒]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
收缩 [动词]
EPMs 在
EPMs 关闭
阈值
A
B
C
图 7. 在屈曲和伸展时使用手套
（A 和 B）演示在（A）弯曲和（B）伸展动作过程中使用加固状态下的手套，如方向箭头所示。
(EMG) 在 EPMs 开启和关闭时的屈曲和伸展输出。阈值线表示 EPMs 关闭时达到的最高收缩电压。
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彼此拉一根手指和拇指尖端在一起。因此，手套的穿戴者必须克服将手指和拇指尖端拉在一起的磁性吸引力，以分离手指和拇指尖端握持
这种从捏握分离的动作需要手指伸展和外展，适用于拇指和所有四个手指的康复。
磁力吸引在捏握中
与对绑架模拟的 EPM 方向进行的磁性吸引力评估类似，在捏握方向中，两个 EPM 被分开，其中一个 EPM 固定，另一个可以自由移动。在释放捏握任务时，手指远端指骨腹侧的 EPM 最初被吸引到拇指远端指骨腹侧，必须克服 EPM 之间的吸引力才能分开拇指和四个手指中的一个。这种 EPM 的具体方向可以在图 10A 的插图中看到。视频 S4 还展示了进行的捏握模拟 EPM 分离测试。
结果如图 10 所示，展示了类似捏握的 EPM 分离测试。与类似牵拉的测试一样，针对特定捏握 EPM 方向，测试了三种 EPM 的开启/关闭状态组合。表 4 显示了每个开启/关闭状态组合中克服 EPM 吸引力所需的最大力。
与对 EPMs 进行的抓取测试类似，当两个 EPMs 都开启时，分离 EPMs 所需的力最大，而当两个 EPMs 都关闭时，所需的力最低。在捏握 EPM 方向中，克服两个 EPMs 在“开启”状态下相互吸引的最大力为 359.05 mN，比克服两个关闭 EPMs 之间吸引力的 28.25 mN 增加了 1171%。在捏握方向中，克服一个开启 EPM 和一个关闭 EPM 之间磁吸引力的力为 82.01 mN，比两个 EPMs 都关闭时增加了 190%。
表面肌电图测试通过捏握练习
捏合重点的康复训练，其中指尖和拇指尖相触，可以针对每个手指进行，如图 11 和视频 S6 所示。这些特定的练习对于增强患者操作精细、细腻物体（如钢笔或铅笔、衣物拉链、门钥匙和墙壁插座中的电源插头）的能力非常重要。当通过将每个指尖移至拇指尖来展示捏握练习，如视频 S6 所示时，初步的肌电图（EMG）数据显示，当手套上的所有 EPMs 都开启时，所达到的收缩电压比关闭时要高。收缩电压更高是因为手套的穿戴者必须克服 EPMs 的磁吸引力，才能将每个指尖从拇指尖分开。当食指和拇指尖分开时，达到了最低的收缩电压，而当小指和拇指分开时，达到了最高的收缩电压。这可能是由于小指离拇指最远，因此在捏握时需要更大的努力才能到达并从拇指分开。 因此，手指离拇指越远，完成捏握重复所需的用力就越大。
讨论
在这篇论文中，我们介绍了一种用于手部康复的磁性控制软体机器人手套。该手套提供
A
B
0
2
4
6
8
10
12
0
0.05
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力[N]
2 EPM On
1 EPM 在
0 EPM 在 F
位移 [mm]
0
1
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6
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位移 [mm]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
力[N]
2 对 EPM On
1 对 EPM On
0 对 EPM On F 的配对
C
FAbduction 无法翻译
FAbduction 无法翻译
F
FMagnetic 磁磁
FMagnetic 磁磁
F
绑架动作：
FAbduction > FMagnetic
图 8. 分离两个 EPM 及其与 EPM 对的连接结果，类似于从手指中分离数字
(A) 在外展位姿下分离两个 EPM 所需的力（如图中插入所示）。所有曲线均为三次试验的平均值，阴影误差线代表 1 个标准差。
(B) 在类似外展运动中（如图中插入所示），分离带有每对 EPMs 的两个链接所需的力。所有曲线均为三次试验的平均值，阴影误差线代表 1 个标准差。
(©) 手指和拇指在抵抗来自 EPMs 的磁吸引力，这些吸引力将手指拉向内收时的分离动作示意图。
请注意，(A)和(B)的测试结果是用拉伸试验机（5943，Instron）完成的，而不是用人工手。
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基于力量的康复治疗，针对手部运动功能丧失的患者，如中风、脊髓损伤、多发性硬化症和帕金森病等患者，因为这些患者通常会出现力量、灵巧和功能下降。手部运动功能障碍会严重影响个人的生活质量，通常需要临床干预。这些干预通常由物理治疗师和职业治疗师领导，他们将开出重复的、增强运动强度的锻炼作为康复。这种治疗对于改善患者结果至关重要，但可能难以获得，尤其是对于那些没有必要的财务资源或旅行方式的人来说。作为一种康复系统，磁控手套具有提高患者依从性和结果的可能性，因为它便携、经济，且易于在临床或家庭环境中使用，以增加治疗剂量。
便携性通过环绕前臂的柔性 PCB 实现，消除了在表 1 中列出的先前系统中所需的外部控制硬件。这种柔性 PCB 控制手套内嵌入的 40 个 EPM，这些 EPM 控制由磁性引起的硬化和吸引效应，为康复提供阻力。这种阻力用于力量建设，这通常建议用于手部运动障碍的患者，并且可以根据病理和严重程度进行定制。在使用手套时，患者可以通过屈伸、外展/内收和抓握来增加力量和改善活动范围。通过屈伸进行康复时，手套利用 MRF 浸泡纤维的磁性硬化效应，使手套的部分局部硬化，从而提供在屈伸工作时必须克服的阻力。此外，EPM 还提供吸引力量，可以将手指拉入内收，并将手指和拇指尖端拉入抓握。在佩戴手套时
一个人必须克服这些吸引力，通过抓取动作和分离指尖的偏心阶段来加强拇指和食指的捏合。EPMs 还允许个性化，因为它们可以选择性地打开和关闭，以调节在特定动作中所需的阻力。
手套的便携性也使其在文献中或目前使用的其他系统中具有优势。目前使用的许多基于手部的康复解决方案都局限于设施内，因为这些系统固定在桌子或平台上。尽管在临床环境中很有用，但这些系统不能带回家继续使用。此外，患者通常被限制在有限的治疗次数内，而持续的康复对于改善和维持手部力量以及避免影响潜在结果至关重要。相比之下，磁控手套可以在临床环境中使用，并带回家通过增加锻炼的持续时间和频率来增加治疗剂量。
手套与其他解决方案相比成本也相对较低。手套的总成本为 423 美元，包括所有在船上的电气组件，如果需要完全无线使用，还包括电池。不包括电子产品，手套价格为 22 美元。这是市场上其他家庭 FDA 批准的手部康复系统的低端，价格范围从约 350 美元到 6000 美元。许多这些系统和文献中报道的其他系统也不是完全柔软的，因为它们包含刚性组件。这种刚性会降低与手的适应性，因为这些解决方案通常除了增加手背的体积和重量外，还需要特定的关节对齐。
磁控手套还呈现一种柔软、可塑的结构，适合康复治疗。手套被制成交替的梁式连接和锥形褶皱关节的不连续结构，以
0
2
4
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时间 [秒]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
收缩 [动词]
EPMs 在
EPMs 关闭
阈值
A
B
C
图 9. 使用手套进行内收和外展
（A 和 B）演示在佩戴手套原型时进行（A）内收和（B）外展动作的过程。
(EMG 测试在 EPMs 开启和关闭时进行外展和内收运动的结果。阈值线表示 EPMs 关闭时达到的最高收缩电压。)
表 3. 拘禁模拟 EPM 分离测试结果
任务特定 EPM 导向
EPM 开关状态
最大力（mN）
最大力变化（%）
EPM 劫持
两个 EPM 都关闭
46.49
–
一个 EPM
165.38
255.73
两个 EPM
339.83
630.97
链接劫持
两个 EPM 对都关闭
48.89
–
一对 EPM
156.51
220.13
两对 EPMs
562.42
1,050.38
12
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紧密模仿手指和拇指背面的解剖结构。我们不是依赖于其他制造技术，如模具，这些技术在弹性体基软手套中常用，而是使用二维层状制造。这种层压热压技术也有利于大规模生产和快速生产（约几分钟），这对于手套的大规模开发和采用很有用。数字封装内填充有纤维、EPM 和 MRF，并使用魔术贴带调整手和手指尺寸。这些掌骨和指骨可调节带也允许手掌张开，以便不阻碍手指的主动活动范围。手套重 267 克，其中大部分重量由前臂支撑，而不是手指。这个质量落在表 1 中列出的可接受范围内，包括柔性 PCB 和电子控制组件。
康复训练包括在穿戴手套时通过屈伸、外展和内收、捏握动作的重复。在文献中，其他当前的软性康复手套无法完成所有这些动作，而我们手套的这种能力归因于其合规性较低、体积较小的设计和磁性的使用。磁性是通过电子控制手套内嵌入的 EPMs 实现的，正是通过这些电子控制的磁场，才可能提供完成康复治疗所需的可定制阻力。在屈伸过程中施加的阻力是由于在磁化 MRF 中通过磁诱导纤维堵塞产生的微观秒级刚度变化。随着更多 EPMs 的开启，每个手指的刚度增加。与所有 EPMs 关闭时相比，组成手指的连杆刚度增加了高达 203%，113%和 70%。
表 4. 捏握模拟 EPM 分离测试结果
任务特定
EPM 定位
EPM 开关状态
最大
力（mN）
最大力
变化（%）
捏握
两个 EPM 关闭 28.25 - 一个 EPM 开启 82.01 190.30 两个 EPM 开启 359.05
1,170.97
A
0
2
4
6
8
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12
位移 [mm]
0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
力[N]
2 EPM On
1 EPM 在
0 EPM 在 F
F
F
FMagnetic 磁磁
Y
X
Z
X
Y
Z
B
捏握运动
FPinch Grip > FMagnetic
图 10. 类似于从捏握中分开手指和拇指的两个 EPMs 的分离结果
(A) 需要的力以分离图中插入图中所示捏夹方向的两个 EPM。所有曲线都是三次试验的平均值，阴影误差条表示 1 个标准差。
（B）EPM 位置显示的从捏握中分离手指和拇指的示意图。
近端、中端和远端指骨，当所有 EPM 都开启时。因此，各种 EPM 的开启/关闭状态组合允许调整患者通过屈曲和伸展时的刚度。我们还研究了在手套内使用 EPM 时，如何通过手指的伸展和捏握动作工作。完成这些动作所需的阻力是通过利用 EPM 的局部磁吸引力产生的。在旨在模拟伸展和从捏握中释放的 EPM 分离测试中，分别需要 z562 mN 和 z360 mN 的最大力来分离 EPM。手套内使用 EPM 消除了在其他软体机器人手套中所需的辅助泵和控制硬件，从而也允许完全便携和无束缚使用。EPM 还允许各种开启/关闭状态组合，可以根据患者的手部大小、任务和病理差异，在屈曲/伸展、伸展/内收和捏握动作中调整个人化的阻力。 例如，手套可用于针对中风患者进行数字伸展治疗，这些患者经常表现出屈肌的不自主激活。手套还可以帮助通过捏合或手指和拇指尖从捏合握中分离的离心阶段来加强每个数字的伸展练习和改善。完成这些动作所需的阻力由 EPMs 提供，并且可以根据患者及其需求进行个性化设置。尽管 EPMs 不是本文的设计贡献，但在这个可穿戴系统中使用 EPMs，因为我们利用了它们的独特特性，包括能耗低、可调性和电子控制。
此外，我们还展示了佩戴和使用磁性控制手套来完成旨在提高手力和主动 ROM 的康复练习。当我们通过单个没有手部运动障碍的人展示手套的使用时，当 EPMs 开启时，与关闭时相比，在屈伸、外展/内收以及拇指指尖与指尖分开时，EMG 活动增加。然而，这只是在健康受试者上的初步验证，我们无法必然从全面用户研究中得出关于手套有效性的结论。虽然初步测试中观察到肌肉激活增加，但未来的工作需要用户研究来进一步得出这一结论。本文中提出的手套是一个概念验证，具有广泛的机械
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特征完成。然而，未来的研究是必要的，这些研究将集中在将手套作为康复设备用于手部运动功能障碍的患者。这些研究将帮助我们确定哪些患者适合使用手套，以及这些患者在治疗前后在行动研究臂测试中的得分。我们旨在从患者和理疗师的角度评估使用磁性控制手套的康复进展。这意味着理解手套在诊所和家庭中的使用是否方便，手套作为增加治疗剂量的工具的有效性，以及量化使用手套的患者所获得的强度增益。虽然手套已被三位不同手型和手大小的健康个体佩戴，连续佩戴超过 3 小时且没有不适报告，但还需要对更大人群进行未来研究，以评估手套的舒适性。
尽管许多最先进的软体机器人手套主要是辅助系统，用于帮助完成日常生活活动（ADL），但它们主要是磁性的
智能手套是一种针对帮助患者在运动丧失后恢复手部力量的概念验证康复工具。与这些其他系统相比，我们的手套不依赖于复杂的、通常速度依赖的驱动，因为我们使用 EPMs。EPMs 用于形成阻力序列和幅度，而不是像文献中其他当前系统那样用于手套的运动速度和控制。电流以微秒级的快速脉冲驱动，以打开和关闭 EPMs，从而实现实时和即时响应。尽管这种磁控手套的版本仅针对康复，但 EPMs 的有利特性（例如，快速响应时间、最小能量消耗、便携性）表明，EPMs 可以在未来的迭代中用于手套的辅助功能。这将进一步扩大该设备的使用范围，从康复扩展到帮助患有运动障碍的患者。例如，应该探索抓握辅助，这可以通过使用 EPMs 泵送 MRF 作为驱动方法来实现。 这种驱动方法也可用于帮助中风和脊髓损伤患者的手指延长，这些患者通常表现出肌肉痉挛问题，并为严重疾病患者提供被动治疗。EPMs 也可用于针对帕金森病患者的震颤抑制。先前的研究已在外骨骼中使用 MRF 进行震颤抑制，EPMs 的整合可以进一步发展这种方法。未来工作的另一个方向是将基于触觉的训练和指导添加到手套中。EPMs 可以通过将 MRF 的僵硬定位作为可编程反馈的机制来提供即时提示。这些触觉提示可以以类似的方式编程和控制，类似于文献中目前看到的手和上肢解决方案，包括中风症状的缓解、虚拟现实和空间定位。
也有其他的发展可以用来改进当前版本的手套，包括考虑未受影响的肢体或躯干对运动功能受损的患者的补偿性运动。对于许多治疗方法，补偿性运动必须在另一人的帮助下最小化，例如物理治疗师，因为这些运动通常被患者用来完成日常生活活动。在这个迭代中，磁控手套并不针对预防或最小化补偿性运动，但这个功能可以集成，因为以前的工作已经使用磁诱导的刚性作为离合器。可以通过作为康复治疗期间较少涉及的肢体的制动器来集成离合，以防止不希望的补偿性运动。此外，探索在手套中添加更多或更大的 EPMs。添加更多或更大的 EPMs 可以增加施加的磁场范围，并允许更多的阻力个性化，尽管这也可能增加手套的大小、重量和复杂性。 如果需要更好的手套性能，增加更多或更大的 EPM 可能是一个解决方案，但 EPM 数量和尺寸与整体手套柔软度和贴合度之间存在权衡。这种权衡最终需要用户输入，因为我们始终考虑患者的舒适度，这也与未来用户研究的需要相关联。
EPMs 在
EPMs 关闭
0
2
4
6
8
10
12
时间 [秒]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
收缩 [动词]
阈值
A
B
C
D
E
A
B
C
D
图 11. 使用手套进行捏握
(A–D) 指尖捏握演示，将（A）食指、（B）中指、（C）无名指和（D）小指尖捏向拇指尖端，然后分开。当 EPMs 开启时，指尖和拇指尖端的 EPMs 会相互吸引，佩戴者必须努力克服这种磁力吸引以分开手指。
（E）通过所有四个捏握动作的 EMG 结果，对应于数字（A）至（D）或食指、中指、无名指和小指，分别标记了峰值。指示的阈值线对应于 EPMs 关闭时测量的最大收缩电压。
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总的来说，本文介绍了针对手部运动功能障碍者的磁性控制手套的可行性。这些个体患有各种疾病，包括中风、脊髓损伤、多发性硬化症和帕金森病。手套作为一种基于力量的康复系统，安全、便携、可塑且经济，并允许无线使用。它通过屈伸、外展/内收和捏握动作来增强肌肉，并使用 EPMs 实现这些练习的定制阻力。尽管需要用户研究以进行未来的改进，但这个初始原型为其他安全、便携且不引人注目的可穿戴磁性系统铺平了道路，这些系统可以改善治疗效果。
实验程序
资源可用性
联系人
更多信息关于资源和数据将由负责人 Tommaso Ranzani（tranzani@bu.edu）提供。
材料可用
这项研究没有产生新材料。
数据和代码可用性
附加数据，与正文和补充信息中呈现的信息相关，可在作者请求后获得。本文不报告原始代码。
纤维-MRF 摩擦试验
摩擦应力通过将碳纤维丝在 MRF 中滑动并相互接触进行实验表征，如图 5A 所示。这是在没有施加磁场的情况下进行的，以及使用直径为 12.7 毫米、厚度为 6.35 毫米的 AlNiCo 8 永磁体（零件号 57295K77，McMaster-Carr）施加 30 mT 的磁场。一个 6.35 毫米厚的亚克力板固定在拉伸试验机（Instron 5943）的一侧，50 毫米长的碳纤维丝粘贴在板面上，然后在这些纤维上滴加 3 毫升 MRF。在亚克力板下方还有一个带有凹槽的板，当施加磁场时可以容纳 AlNiCo 磁体。使用高斯计（LakeShore Cryotronics 型号 425），测量到该磁场在粘附的碳纤维丝表面为 30 mT，类似于 EPMs 切换到它们的开启状态时的 EPMs。使用这些相同的 50 毫米长的碳纤维丝制作了一个刷子，手柄固定在一根电缆上。 这根电缆和刷子被配置为 50-N 量程、100-mN 分辨率的拉伸试验机通过滑轮拉动，滑轮穿过浸没在 MRF 中的碳纤维，这些纤维粘附在亚克力板上。电缆以 60 mm/min 的速度拉动，总共 30 mm，并收集了力数据。位移 10 mm 后，被拉动的刷子与下面的 MRF 浸没纤维接触，并在施加磁场时经历了磁场效应。在 15 mm 后达到稳态，从 15 mm 到 30 mm 收集到的力值的平均值用于确定摩擦应力 t。
悬臂梁弯曲刚度试验
该单指具有三个手风琴关节和三个梁连杆的机械性能，在结果部分描述，通过与图 4 中描述的建模方法相对应的弯曲试验进行了评估。手指最左端的关节被固定为悬臂支撑，而其他关节则位于滚轮支撑上（图 6）。然后使用砧块在每对支撑之间梁连杆的直接中心施加力，如图 6Ai、6Bi 和 6Ci 所示，以确保它不会与 EPMs 接触。测试夹具和砧块由 Form3（FormLabs）设计和增材制造，以适应拉伸试验机（5943
Instron)配备 50-N 的负载传感器，分辨率为 100-mN。悬臂和滚轮支撑之间均相隔 26 mm，滚轮支撑和砧座半径均为 2.5 mm。通过施加 8 mm 位移，以 10 mm/min 的速度完成图 6 中描述的三个案例的弯曲测试。这些测试在以下四种条件下完成：(1)所有 EPMs 开启；(2)仅开启梁连接 EPMs；(3)仅开启关节 EPMs；(4)所有 EPMs 关闭。每个实验的所有数据均在 MATLAB 中处理和分析。
捏握-和抓取类似 EPM 分离测试
对于将单个 EPM 从另一个 EPM 分离出的捏握和牵拉测试，底部 EPM 固定在亚克力板上，而顶部 EPM 由拉伸试验机（5943，Instron）以 3 mm/min 的速度位移 12 mm，负载细胞为 50-N，分辨率为 100-mN。对两种任务方向都测试了三种 EPM 开关配置：两个 EPM 开启，一个 EPM 开启一个 EPM 关闭，以及两个 EPM 关闭。
对于将一对 EPMs 连接的链与另一对 EPMs 连接的链分离的诱拐测试，链被粘附在丙烯酸“手指”上。这些“手指”在允许旋转自由度的关节处连接。在这个测试中，下链被固定在单独的丙烯酸板上，而上链由拉伸试验机（5943，Instron）以 3 mm/min 的速度拉伸 9 mm，以模拟诱拐动作。测试了三种 EPM 配置：两个链上都有 EPM 对，一个链上有 EPM 对，没有 EPM。
启用电子控制
EPMs 通过定制灵活的 0.11 毫米厚聚酰亚胺 PCB（JLCPCB）进行控制，该 PCB 环绕在前臂上；灵活的 PCB 配备了 40 对 BTN7030-1EPA 半桥驱动器（英飞凌技术），以单独控制手套上的 40 个 EPM。EPMs 由 Arduino Nano Every 控制。由于半桥驱动器的数量超过了 Arduino Nano Every 的 GPIO 引脚数量，因此通过多路复用来实现 80 个半桥的控制。半桥被分为八组，每组十组；每组共享一个共同的二进制 ENABLE 信号，该信号激活这些驱动器，而八个单独的驱动器各自由其自身的信号线控制。因此，需要十个 GPIO 引脚来激活每组十个驱动器，每组中的单个驱动器由信号线控制——尽管信号线在每个组中由相应的驱动器共享，但在给定时间内只有接收 ENABLE 信号的驱动器组是活跃的。手套使用台式 DC 稳压电源（BK Precision）供电，尽管也可以使用六个 4,400mAh、3.7V 锂离子电池（Adafruit）进行无绳控制。 使用这些电池可以使手套内的所有 40 个 EPM 在开/关状态下切换 17,800 次，并使系统增加 570 克的质量。可以通过串行命令行控制 Arduino 发送给驱动器的命令。选择 BTN7 驱动器是因为其成本较低且尺寸较小。EPM 控制电路的示意图在图 S2 中给出（也见注释 S1–S3）。
电肌电图验证运动
为了确定磁感应阻力对完成康复训练的影响，使用肌电图仪（MyoWare 肌肉传感器，AT-04-001）收集了数据。一个电极放置在肱桡肌肌腹上，另一个电极沿肌肉长度放置在同一线上，朝向肱骨外侧嵴的肱桡肌附着点。参考电极放置在肌肉外侧的肘部。通过 Arduino Nano Every 获取 EMG 数据，以确定在屈伸、外展和内收、捏握动作过程中肱桡肌的激活情况。每 10 毫秒收集一个数据点，在采集过程中使用移动平均滤波器（50 点窗口）。Arduino 输出 0 到 4095（12 位模数转换器）的值，由于供电电压为 3.3V，Arduino 的 0-4095 输出被归一化到 0-3.3V。在每个动作中，所有 EPMs 开启和关闭时都收集了三次试验。请注意，这些 EMG 读数是从一个没有运动障碍的健康参与者那里获得的，并且这些研究是非盲的。
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补充信息
补充信息可在网上找到，链接为 https://doi.org/10.1016/j.
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致谢
这项工作得到了美国国立卫生研究院国家生物医学影像与生物工程研究所（NIH）的 3R21EB028363 项目资助，海军研究办公室（ONR）的 N0001422-1-2244 号拨款以及教育部 GAANN 奖 P200A210041 的资助。内容仅由作者负责，并不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。在此材料中表达的意见、发现、结论或建议均为作者的观点，并不一定反映海军研究办公室的观点。
作者贡献
概念化，L.T.G.，M.D.A.，和 T.R.；方法，L.T.G.和 M.D.A.；数据整理和分析，L.T.G.；制造，M.D.A.，L.T.G.，L.K.，S.A.，和 H.S.；补充材料，L.T.G.，M.D.A.，L.K.，和 P.S.；咨询，T.D.E.；监督，T.R.；撰写——初稿，L.T.G.，M.D.A.，和 T.R.；撰写——修订与编辑，L.T.G.，M.D.A.，T.D.E.，和 T.R.；资金获取，T.R.
利益声明
作者声明不存在任何利益冲突。
收到：2024 年 5 月 6 日 修订：2024 年 7 月 13 日 通过：2024 年 7 月 19 日 出版：2024 年 8 月 21 日
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