手部全功能被动运动康复仪设计

1、手部全功能被动运动康复仪设计郑东强1牛建平2（1集美大学机械工程学院 福建厦门361021；2厦门市第二医院神经内科福建厦门361021）【中图分类号1r197.39【文献标识码a文章编号】1672-5085 （2013 ） 27-0073-02 【摘要】基于持续被动运动康复原理和需求，设计了一种由柔顺曲柄机构、单 片机（下位机）、通用计算机（上位机）和角度伺服电机（舵机）组成的可编程， 功能完备，使用安全方便，并能进行医疗数据统计和分析的手部全功能被动运动 康复仪。介绍了该康复仪的机械系统、电控系统、通信及数据处理技术。其性能 超过国内外同类产品，满足此类医疗手段提击的各类要求，是一种理想的

2、手部被 动运动康复仪。【关键词】被动运动 柔顺机构 手康复 两级控制系统卒中是最重要的严重致残疾病。脑卒中后瘫痪肢体在功能恢复过程中必 然会出现痉挛，上肢多为屈肌痉挛，下肢多为伸肌痉挛。由于肢体痉挛产生的异 常姿势，造成肢体残疾，常常在疾病稳定后影响患者的生活质量，导致牛活不能 自理，特别是手指的屈曲性挛缩，严重妨碍患者的日常生活。急性脑卒中患者在 发病14天后开始逐渐出现瘫痪肢体的肌张力增高，当患者一但出现了痉挛性偏 瘫，再进行治疗就很困难了，因此在发病的早期进行康复训练是非常重要的1。 而持续被动运动（continue passive motion, cpm）是患者在没有自主运动能力的 情

3、况下，由机电装置带动人体肢体进行康复运动的一种康复手段。目前大多数研究者认为，康复应该从急性期开始，只要不妨碍治疗，康 复训练开始的越早，功能恢复的可能性越大，愈后就越好。脑卒中后只要不影响 抢救，马上就可行康复治疗，保持功能位、体位变换和进行适宜的被动运动3。 手是人体最重要的部分，功能精细，与患者生活质量的高低密切相关，掌指关节 和手指关节都是挛缩的好发部位,尤其击现肌紧张以后，更容易发牛挛缩而致残, 因此保持手的功能位，充分做好掌指关节的伸展和屈曲运动以及拇指外展方向的 被动运动，确保拇指的对掌功能，是保持手正常功能的关键环节。目前在大多数 医院还不具备完善的神经康复队伍，病房的护士还不

4、能做到有效的床边早期康复 训练，陪护人员由于非专业化，即使进行了训练，也无法长吋间护理，故很难达 到康复的效果。为避免专业人员匮乏和陪护人员非专业化带来的不利因素，急需根据被 动运动康复原理和手功能康复的特点和要求开发出相应的全自动、适应不同患者 特点的可编程持续被动运动康复仪，以确保在脑卒中急性期全程保持手的功能位, 并通过程序的控制定吋进行掌指关节、指指关节伸屈、分指并指，拇指外展方向 运动，拇指的对掌及对指功能，腕部的掌屈和背伸。1现有手部被动运动康复仪的不足手部持续被动运动所需的运动自由度多，运动空间狭小，因此要设计出 一次安装，满足多自由度联动控制需求的康复仪有一定困难。目前市面上或

5、者专 利中有几种手部康复仪，但都存在或多或少的欠缺，无法完全满足被动运动康复 医疗理论所提岀的要求。如图1所示手关节连续被动运动康复训练机（专利号：zl200520041063.2）对人手的支承面积小，功能较为简单，手的安装复杂。可实现四 指的曲张运动，腕关节、指间距离可做手动调整。图1手关节连续被动运动康复训练机施乐辉kinetec是能够提供全身六大关节cpm的厂彖其设计的手指手 腕cpm康复仪，只能够做到如图2所示复合握拳训练，尺骨背离训练，掌指关 节复合运动训练和拇指对指训练这四种训练方式。其每种训练方式都需要重新安 装人手，操作复杂，护理工作量大。而口每种训练方式的运动轨迹固定，自由少

6、， 缺少变化。无法满足人手更多灵巧的活动需求。图2施乐辉手指手腕cpm的四种训练方式如图3所示气动手指被动运动训练器（专利号：zl20072 0028496.9）通 过充气与放气，实现较小范围内的握拳运动。图4所示手指被动运动训练器（专 利号：zl200620161082.9）能实现往复运动。都具有结构简单，使用方便的特点， 但功能也单一。图3气动手指被动运动训练器 图4手指被动运动训练器2全功能手部被动运动康复仪系统设计手是人身上最灵巧的部分，本身运动存在自由度多，且具有联动的要求, 是纯机械结构或简单开关量控制所无法满足的。需要采用多自由度，数字联动伺 服控制的机电一体化系统方能达到其康复

7、训练要求。2.1机械系统本系统在机械上考虑了7个自由度，分别是5个手指的曲张，拇指的开 合，以及手腕的上下摆动。如图5和图6分别为手部全功能被动运动康复仪的正 视图和俯视图。每个自由度的运动范围由控制软件中参数决定，各自由度之间可 以联动，以实现各种复合运动。程序更换，即可得到不同康复训练方案，具有高 度的柔性。机械系统各部分相对位置均设计成在一定区间内可调的，以在一定范 围内满足不同人手大小形状的差异。图5手部全功能被动运动康复仪正视图图6手部全功能被动运动康复仪俯视图由于人手大小形状各异，在机械设计上需采用柔顺曲柄摇杆机构。柔顺 机构4依靠自身变形实现运动和动力的传动，可以自适应人手的变化

8、。并且在 柔顺弹簧片与连杆之间的连接部分采用松弛连接，以使其具有一定的适应能力。 如图7所示柔顺曲柄摇杆机构带动手指伸缩原理。该柔顺曲柄摇杆机构在一定范 围内可适应不同大小的手指，并u在电控系统失效的情况下不至于损伤到人手。图7柔顺曲柄摇杆机构带动手指伸缩原理2.2执行元件本系统采用舵机作为手部康复仪的执行件，其优点如下：控制器编程简 单，无需位置传感器、无需驱动器。可根据不同人手和医疗需求，方便地调整运 动范围。比现有其他执行元件使用方便，功能针对性强、控制简单、成本低。2.3计算机控制方案由于本系统具有较多的人机交互功能，需要医护人员根据患者的情况不 同对控制软件进行相应的设置，并制定出针

9、对不同患者的康复医疗方案。因此采 用pc+mcu的两级控制策略。上位机pc提供良好人机界面和控制策略制定。下 位机mcu实现舵机的运动伺服控制。上位机控制软件及人机界面：上位机实现患者各种运动的设置，康复方案的制定，运行状态的显示以 及串口通信等方面的设置，最后将控制数据发送给下位机实现运动控制。如图8所示为康复仪控制软件的主界面，实现如下功能:输入患者姓名, 医师姓名，对患者的休息位设置、握拳运动的极限位置设置，对指运动的个手指 极限位置设置，单指运动的次数设置以及波浪运动的极限位置设置。这些都是每 个患者第一次使用都必须由医师进行调整设置，并保存的基本数据。在康复方案制定区域中可以选择各种

10、康复运动的类型、速度及时间。在设置好上述内容，便可点击开始训练，程序会显示训练的进度，并在 结束时给出提示。不同患者的动作设置及康复方案制定可以保存成各自的文件, 以便下次训练时使用。图8所示为康复仪控制软件的主界面图9为动作设置的界面，其中的每个位置均可进行上下的增加和减少, 点击三角形时患者的手会随之动作。当达到医师认为理想的位置时，该位置即可 保存，在后来的康复训练中即会采用该数据作为其控制参数。图9为动作设置的界面软件框架：所有控制参数，运行状态参数，患者的个性化设置参数均有 相应变量。一共大概有150个参数。程序一开始对这些参数都进行默认的初始化。 如果导入了患者个性化数据，将替代这

11、些默认值而采用新的控制参数。康复仪控制软件操作流程如图10所示。图10康复仪控制软件操作流程下位机采用mcu舵机控制器，实现对所有舵机的位置及速度伺服控制。通信方式：为便于康复仪的安放，减少连接线的麻烦，本系统上下位机 之间采用无线串口通信的方式。可根据传输距离的不同，选择zigbee无线或者 蓝牙无线方式。数据处理：不同患者的康复方案及康复数据，存于上位机的数据库中, 便于后期集中统计分析处理。3结语本手部全功能被动运动康复仪设计，实现了休息位、单指、握拳、对指、 波浪等康复训练模式，康复方案完备；手部安装简便，实现了一次安装便可连续 进行各种复杂流程的医疗方案，可长吋间连续进行康复治疗，即使得护理工作量 很少，又可以达到更好的医疗效果；病人手部受力良好，对于不同大小的手的适