班戈 劉志峰 胡慧敏

摘 ?要：基于對手部手指關(guān)節(jié)的屈伸、腕關(guān)節(jié)的彎曲運動功能的分析，設(shè)計了手部多關(guān)節(jié)功能康復(fù)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了腦卒中引起的上肢肌無力患者手部多關(guān)節(jié)在一定角度范圍內(nèi)做屈曲和拉伸康復(fù)訓練的同時還可以對其前臂屈肌群和伸肌群做輔助按壓式按摩康復(fù)。該系統(tǒng)具有功耗低，噪音小，體積小的特點。

關(guān)鍵詞：康復(fù)訓練;單片機;電磁閥;屈伸

中圖分類號：TH772.2 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0037-02

Abstract： Based on the analysis of flexion and extension of finger joints and flexion of wrist joints， this paper designs an electrical control system of hand multi-joint rehabilitation equipment， which achieves the function of rehabilitation training of flexion and stretching of multiple joints of the hand in patients with upper limb muscle weakness caused by stroke， and at the same time facilitates the assistant compression massage rehabilitation of flexor and extensor muscles of the forearm. The system has the characteristics of low power consumption， low noise and small volume.

Keywords： rehabilitation training; single chip computer; solenoid valve; flexion and stretching

1 概述

腦卒中是一種突發(fā)的腦血液循環(huán)障礙性疾病。據(jù)統(tǒng)計，我國腦卒中患者高發(fā)，每年新生增長率呈上升趨勢，且腦卒中后約有85%的患者伴有上肢功能損傷。主要臨床表現(xiàn)為10%手部首先受累，肢體無力，晨起關(guān)節(jié)無僵硬。所以如不在早期及時康復(fù)治療將導(dǎo)致嚴重后果。而手部運動功能的復(fù)健、恢復(fù)是偏癱康復(fù)難題之一[1-3]。對于手部無力的患者，首先應(yīng)該進行被動康復(fù)訓練和肢體功能性按摩。通過研制相應(yīng)的手部康復(fù)訓練設(shè)備不但可以幫助腦卒中引起的對側(cè)或雙側(cè)上肢肌無力患者進行康復(fù)訓練還可以減輕醫(yī)護人員或家庭成員的工作負擔。

基于對手部關(guān)節(jié)的屈伸、腕關(guān)節(jié)的彎曲運動功能的分析，設(shè)計了一種集手部多關(guān)節(jié)被動訓練和前臂肌肉按壓式康復(fù)設(shè)備控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

手部多關(guān)節(jié)功能康復(fù)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)由手部多關(guān)節(jié)屈伸訓練模塊和前臂肌肉按壓式按摩模塊組成。

2.1 手部多關(guān)節(jié)屈伸訓練模塊設(shè)計

通過AT89C51單片機電路程序設(shè)計實現(xiàn)步進電機正反轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)，電機轉(zhuǎn)動角度可根據(jù)實際康復(fù)訓練需要進行調(diào)節(jié)設(shè)定;采用數(shù)碼管顯示電機角度、速度，并顯示訓練時間。整個裝置由晶體振蕩電路、復(fù)位電路、顯示電路、步進電機驅(qū)動電路按鍵模塊等組成。電機驅(qū)動選擇具有高壓、大電流雙H橋式驅(qū)動器的L298、鎖存器選用74LS373。

手部多關(guān)節(jié)屈伸訓練模塊整體電路設(shè)計如圖2所示，選用芯片L298作用直流電機驅(qū)動帶動手指多關(guān)節(jié)的伸展和屈曲，按鍵電路對直流電機的正反轉(zhuǎn)、加速減速、開始、停止進行控制。通過系統(tǒng)編程，L298芯片驅(qū)動步進電機正反轉(zhuǎn)動，可根據(jù)自身實際訓練情況進行轉(zhuǎn)動角度（10°、20°、30°、40°、50°）、轉(zhuǎn)動速度（1-5擋，1擋最慢、5擋最快）的設(shè)定，并實現(xiàn)訓練開始時數(shù)碼管顯示康復(fù)訓練時間。

2.2 小臂肌肉按壓式按摩模塊設(shè)計

前臂按壓式按摩裝置模塊由電源控制中心、氣泵控制電路、電磁閥控制線路組成。

電源控制中心采用單片機STC89C52RD，該電源控制中心為充氣泵和電磁閥提供工作需要的電壓及電流。電源控制中心使用DC12V，2A的開關(guān)電源供電，使用電源穩(wěn)壓芯片7805將電源電壓穩(wěn)定到5V給STC89C52RD單片機供電。

氣泵控制電路由單片機輸出信號控制繼電器的開關(guān)，在這個系統(tǒng)中，通過對電磁閥的控制為兩組條形氣囊充氣，氣泵控制電路的額定電壓設(shè)為直流電12V。

選用型號為LY370APM的氣泵，該氣泵單位時間內(nèi)的空氣流量大，每秒的充氣量30ml，充氣速度快[4]，符合智能前臂肌肉按壓式按摩裝置的充氣需求，其額定電流是200mA。

電磁閥控制線路與氣泵控制電路的工作方式相同，由單片機來控制電磁閥的開關(guān)，在氣泵為兩組組條形氣囊充氣的同時，控制條形氣囊的充氣、放氣順序，電磁閥額定工作電壓與氣泵額定工作電壓相同，均為直流電12V。

小臂肌肉按壓式按摩模塊電路見圖3，該電路模塊由電源電路和工作電路構(gòu)成，整體供電為直流12V的電源，工作電路分為：單片機最小系統(tǒng)，氣泵控制電路，電磁閥控制電路。使用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805直接把直流12V電壓轉(zhuǎn)換成直流5V電壓為單片機STC89C52RD供電，單片機STC89C52RD會自動復(fù)位，計時方式為內(nèi)部時鐘電路的時鐘計時，單片機的P2.0引腳輸出高電平使三極管Q1導(dǎo)通，繼電器閉合，P2接口通電，驅(qū)動氣泵開始工作，這個時候，單片機的P2.1引腳也輸出高電平使三極管Q2導(dǎo)通，繼電器閉合，P3接口通電，驅(qū)動電磁閥1開始工作，為氣囊充氣，當單片機的定時時間達到，氣囊開始通過電磁閥1排氣，此時P2.2引腳輸出高電平，Q3導(dǎo)通，P4接口通電，驅(qū)動電磁閥2開始工作，為另一組條形氣囊充氣，到達單片機預(yù)定時間后，P2.2引腳輸出低電平，Q3，電磁閥2停止工作，氣囊通過電磁閥2排氣，緊接著電磁閥1開始工作。整個工作是電磁閥1與電磁閥2的依次重復(fù)工作，當達到系統(tǒng)設(shè)置的按摩時間后，P2.0引腳輸出低電平，Q1截止，繼電器斷開，充氣泵停止工作。

3 結(jié)束語

手部多關(guān)節(jié)功能康復(fù)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)由手部多關(guān)節(jié)屈伸訓練模塊和小臂肌肉按壓式按摩模塊組成。手部多關(guān)節(jié)屈伸訓練模塊通過對手指運動角度的設(shè)定以及康復(fù)訓練計時的顯示、電機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速等軟件編程，達到預(yù)期康復(fù)訓練目標，可以實現(xiàn)被動康復(fù)訓練的功能。前臂肌肉按壓式按摩模塊作為手部康復(fù)訓練后的輔助按摩裝置主要通過自帶三個16位的定時器且內(nèi)置復(fù)位電路的STC89C52RD單片機組成最小控制系統(tǒng)，通過控制氣泵對氣囊的充氣順序達到按摩前臂肌肉的刺激加速血液循環(huán)的功能。此設(shè)備可以用于幫助腦卒中引起的對側(cè)或雙側(cè)上肢肌無力患者進行康復(fù)訓練。

參考文獻：

[1]邢科新.手功能康復(fù)機器人系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學，2010：1-161.

[2]陳曉宇，沙憲政，尹勇.多功能手部肌肉運動訓練儀的研制[D].沈陽：中國醫(yī)科大學，2013.

[3]胡鑫，張穎，李繼才，等.一種外骨骼式手功能康復(fù)訓練器的研究[J].生物醫(yī)學工程學雜志，2016（1）：23-30.

[4]皮哲.充氣波氣壓治療儀對骨折患者的臨床應(yīng)用及護理[J].醫(yī)學理論與實踐，2020，33（08）：1364-1365.

[5]郭曉輝，王晶，徐光華.手部功能康復(fù)機器人研究最新進展[J].中國康復(fù)醫(yī)學雜志，2017（2）：235-240.

[6]昌贏，孟青云，喻洪流.手部康復(fù)機器人技術(shù)研究進展[J].北京生物醫(yī)學工程，2018（6）：650-656.