手部全功能被動運動康復(fù)儀設(shè)計

1、手部全功能被動運動康復(fù)儀設(shè)計鄭東強1牛建平2（1集美大學(xué)機械工程學(xué)院 福建廈門361021；2廈門市第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科福建廈門361021）【中圖分類號1r197.39【文獻(xiàn)標(biāo)識碼a文章編號】1672-5085 （2013 ） 27-0073-02 【摘要】基于持續(xù)被動運動康復(fù)原理和需求，設(shè)計了一種由柔順曲柄機構(gòu)、單 片機（下位機）、通用計算機（上位機）和角度伺服電機（舵機）組成的可編程， 功能完備，使用安全方便，并能進(jìn)行醫(yī)療數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析的手部全功能被動運動 康復(fù)儀。介紹了該康復(fù)儀的機械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、通信及數(shù)據(jù)處理技術(shù)。其性能 超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品，滿足此類醫(yī)療手段提擊的各類要求，是一種理想的

2、手部被 動運動康復(fù)儀。【關(guān)鍵詞】被動運動 柔順機構(gòu) 手康復(fù) 兩級控制系統(tǒng)卒中是最重要的嚴(yán)重致殘疾病。腦卒中后癱瘓肢體在功能恢復(fù)過程中必 然會出現(xiàn)痙攣，上肢多為屈肌痙攣，下肢多為伸肌痙攣。由于肢體痙攣產(chǎn)生的異 常姿勢，造成肢體殘疾，常常在疾病穩(wěn)定后影響患者的生活質(zhì)量，導(dǎo)致?；畈荒?自理，特別是手指的屈曲性攣縮，嚴(yán)重妨礙患者的日常生活。急性腦卒中患者在 發(fā)病14天后開始逐漸出現(xiàn)癱瘓肢體的肌張力增高，當(dāng)患者一但出現(xiàn)了痙攣性偏 癱，再進(jìn)行治療就很困難了，因此在發(fā)病的早期進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是非常重要的1。 而持續(xù)被動運動（continue passive motion, cpm）是患者在沒有自主運動能力的 情

3、況下，由機電裝置帶動人體肢體進(jìn)行康復(fù)運動的一種康復(fù)手段。目前大多數(shù)研究者認(rèn)為，康復(fù)應(yīng)該從急性期開始，只要不妨礙治療，康 復(fù)訓(xùn)練開始的越早，功能恢復(fù)的可能性越大，愈后就越好。腦卒中后只要不影響 搶救，馬上就可行康復(fù)治療，保持功能位、體位變換和進(jìn)行適宜的被動運動3。 手是人體最重要的部分，功能精細(xì)，與患者生活質(zhì)量的高低密切相關(guān)，掌指關(guān)節(jié) 和手指關(guān)節(jié)都是攣縮的好發(fā)部位,尤其擊現(xiàn)肌緊張以后，更容易發(fā)牛攣縮而致殘, 因此保持手的功能位，充分做好掌指關(guān)節(jié)的伸展和屈曲運動以及拇指外展方向的 被動運動，確保拇指的對掌功能，是保持手正常功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前在大多數(shù) 醫(yī)院還不具備完善的神經(jīng)康復(fù)隊伍，病房的護(hù)士還不

4、能做到有效的床邊早期康復(fù) 訓(xùn)練，陪護(hù)人員由于非專業(yè)化，即使進(jìn)行了訓(xùn)練，也無法長吋間護(hù)理，故很難達(dá) 到康復(fù)的效果。為避免專業(yè)人員匱乏和陪護(hù)人員非專業(yè)化帶來的不利因素，急需根據(jù)被 動運動康復(fù)原理和手功能康復(fù)的特點和要求開發(fā)出相應(yīng)的全自動、適應(yīng)不同患者 特點的可編程持續(xù)被動運動康復(fù)儀，以確保在腦卒中急性期全程保持手的功能位, 并通過程序的控制定吋進(jìn)行掌指關(guān)節(jié)、指指關(guān)節(jié)伸屈、分指并指，拇指外展方向 運動，拇指的對掌及對指功能，腕部的掌屈和背伸。1現(xiàn)有手部被動運動康復(fù)儀的不足手部持續(xù)被動運動所需的運動自由度多，運動空間狹小，因此要設(shè)計出 一次安裝，滿足多自由度聯(lián)動控制需求的康復(fù)儀有一定困難。目前市面上或

5、者專 利中有幾種手部康復(fù)儀，但都存在或多或少的欠缺，無法完全滿足被動運動康復(fù) 醫(yī)療理論所提岀的要求。如圖1所示手關(guān)節(jié)連續(xù)被動運動康復(fù)訓(xùn)練機（專利號：zl200520041063.2）對人手的支承面積小，功能較為簡單，手的安裝復(fù)雜。可實現(xiàn)四 指的曲張運動，腕關(guān)節(jié)、指間距離可做手動調(diào)整。圖1手關(guān)節(jié)連續(xù)被動運動康復(fù)訓(xùn)練機施樂輝kinetec是能夠提供全身六大關(guān)節(jié)cpm的廠彖其設(shè)計的手指手 腕cpm康復(fù)儀，只能夠做到如圖2所示復(fù)合握拳訓(xùn)練，尺骨背離訓(xùn)練，掌指關(guān) 節(jié)復(fù)合運動訓(xùn)練和拇指對指訓(xùn)練這四種訓(xùn)練方式。其每種訓(xùn)練方式都需要重新安 裝人手，操作復(fù)雜，護(hù)理工作量大。而口每種訓(xùn)練方式的運動軌跡固定，自由少

6、， 缺少變化。無法滿足人手更多靈巧的活動需求。圖2施樂輝手指手腕cpm的四種訓(xùn)練方式如圖3所示氣動手指被動運動訓(xùn)練器（專利號：zl20072 0028496.9）通 過充氣與放氣，實現(xiàn)較小范圍內(nèi)的握拳運動。圖4所示手指被動運動訓(xùn)練器（專 利號：zl200620161082.9）能實現(xiàn)往復(fù)運動。都具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點， 但功能也單一。圖3氣動手指被動運動訓(xùn)練器 圖4手指被動運動訓(xùn)練器2全功能手部被動運動康復(fù)儀系統(tǒng)設(shè)計手是人身上最靈巧的部分，本身運動存在自由度多，且具有聯(lián)動的要求, 是純機械結(jié)構(gòu)或簡單開關(guān)量控制所無法滿足的。需要采用多自由度，數(shù)字聯(lián)動伺 服控制的機電一體化系統(tǒng)方能達(dá)到其康復(fù)

7、訓(xùn)練要求。2.1機械系統(tǒng)本系統(tǒng)在機械上考慮了7個自由度，分別是5個手指的曲張，拇指的開 合，以及手腕的上下擺動。如圖5和圖6分別為手部全功能被動運動康復(fù)儀的正 視圖和俯視圖。每個自由度的運動范圍由控制軟件中參數(shù)決定，各自由度之間可 以聯(lián)動，以實現(xiàn)各種復(fù)合運動。程序更換，即可得到不同康復(fù)訓(xùn)練方案，具有高 度的柔性。機械系統(tǒng)各部分相對位置均設(shè)計成在一定區(qū)間內(nèi)可調(diào)的，以在一定范 圍內(nèi)滿足不同人手大小形狀的差異。圖5手部全功能被動運動康復(fù)儀正視圖圖6手部全功能被動運動康復(fù)儀俯視圖由于人手大小形狀各異，在機械設(shè)計上需采用柔順曲柄搖桿機構(gòu)。柔順 機構(gòu)4依靠自身變形實現(xiàn)運動和動力的傳動，可以自適應(yīng)人手的變化

8、。并且在 柔順彈簧片與連桿之間的連接部分采用松弛連接，以使其具有一定的適應(yīng)能力。 如圖7所示柔順曲柄搖桿機構(gòu)帶動手指伸縮原理。該柔順曲柄搖桿機構(gòu)在一定范 圍內(nèi)可適應(yīng)不同大小的手指，并u在電控系統(tǒng)失效的情況下不至于損傷到人手。圖7柔順曲柄搖桿機構(gòu)帶動手指伸縮原理2.2執(zhí)行元件本系統(tǒng)采用舵機作為手部康復(fù)儀的執(zhí)行件，其優(yōu)點如下：控制器編程簡 單，無需位置傳感器、無需驅(qū)動器?？筛鶕?jù)不同人手和醫(yī)療需求，方便地調(diào)整運 動范圍。比現(xiàn)有其他執(zhí)行元件使用方便，功能針對性強、控制簡單、成本低。2.3計算機控制方案由于本系統(tǒng)具有較多的人機交互功能，需要醫(yī)護(hù)人員根據(jù)患者的情況不 同對控制軟件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，并制定出針

9、對不同患者的康復(fù)醫(yī)療方案。因此采 用pc+mcu的兩級控制策略。上位機pc提供良好人機界面和控制策略制定。下 位機mcu實現(xiàn)舵機的運動伺服控制。上位機控制軟件及人機界面：上位機實現(xiàn)患者各種運動的設(shè)置，康復(fù)方案的制定，運行狀態(tài)的顯示以 及串口通信等方面的設(shè)置，最后將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機實現(xiàn)運動控制。如圖8所示為康復(fù)儀控制軟件的主界面，實現(xiàn)如下功能:輸入患者姓名, 醫(yī)師姓名，對患者的休息位設(shè)置、握拳運動的極限位置設(shè)置，對指運動的個手指 極限位置設(shè)置，單指運動的次數(shù)設(shè)置以及波浪運動的極限位置設(shè)置。這些都是每 個患者第一次使用都必須由醫(yī)師進(jìn)行調(diào)整設(shè)置，并保存的基本數(shù)據(jù)。在康復(fù)方案制定區(qū)域中可以選擇各種

10、康復(fù)運動的類型、速度及時間。在設(shè)置好上述內(nèi)容，便可點擊開始訓(xùn)練，程序會顯示訓(xùn)練的進(jìn)度，并在 結(jié)束時給出提示。不同患者的動作設(shè)置及康復(fù)方案制定可以保存成各自的文件, 以便下次訓(xùn)練時使用。圖8所示為康復(fù)儀控制軟件的主界面圖9為動作設(shè)置的界面，其中的每個位置均可進(jìn)行上下的增加和減少, 點擊三角形時患者的手會隨之動作。當(dāng)達(dá)到醫(yī)師認(rèn)為理想的位置時，該位置即可 保存，在后來的康復(fù)訓(xùn)練中即會采用該數(shù)據(jù)作為其控制參數(shù)。圖9為動作設(shè)置的界面軟件框架：所有控制參數(shù)，運行狀態(tài)參數(shù)，患者的個性化設(shè)置參數(shù)均有 相應(yīng)變量。一共大概有150個參數(shù)。程序一開始對這些參數(shù)都進(jìn)行默認(rèn)的初始化。 如果導(dǎo)入了患者個性化數(shù)據(jù)，將替代這

11、些默認(rèn)值而采用新的控制參數(shù)?？祻?fù)儀控制軟件操作流程如圖10所示。圖10康復(fù)儀控制軟件操作流程下位機采用mcu舵機控制器，實現(xiàn)對所有舵機的位置及速度伺服控制。通信方式：為便于康復(fù)儀的安放，減少連接線的麻煩，本系統(tǒng)上下位機 之間采用無線串口通信的方式?？筛鶕?jù)傳輸距離的不同，選擇zigbee無線或者 藍(lán)牙無線方式。數(shù)據(jù)處理：不同患者的康復(fù)方案及康復(fù)數(shù)據(jù)，存于上位機的數(shù)據(jù)庫中, 便于后期集中統(tǒng)計分析處理。3結(jié)語本手部全功能被動運動康復(fù)儀設(shè)計，實現(xiàn)了休息位、單指、握拳、對指、 波浪等康復(fù)訓(xùn)練模式，康復(fù)方案完備；手部安裝簡便，實現(xiàn)了一次安裝便可連續(xù) 進(jìn)行各種復(fù)雜流程的醫(yī)療方案，可長吋間連續(xù)進(jìn)行康復(fù)治療，即使得護(hù)理工作量 很少，又可以達(dá)到更好的醫(yī)療效果；病人手部受力良好，對于不同大小的手的適