手部康復儀的數(shù)字化設計

虞欣粵，王 濤，張海林，楚善騰，徐秦領

（衢州學院 機械工程學院，浙江 衢州324000）

0 引言

隨著國內老齡化日益加劇和國民經(jīng)濟水平的不斷提高，人民對現(xiàn)代醫(yī)療技術要求越來越高。我國的殘疾患者人口基數(shù)巨大，不管是因疾病、車禍、意外等造成的肢體運動障礙的患者，由許多研究表明，恢復其肢體正常運動不僅需要配合傳統(tǒng)的物理治療和階段性藥物治療，更需要配合機械康復儀來協(xié)助治療[1-3]。由康復儀帶動身體運動，使之加強手指運動的肌肉記憶，從而達到患者所期待的治療效果。

但國內現(xiàn)存的手部康復儀大都是由另一只手或者他人輔助運動，耗時耗力，若使用不當容易造成身體的二次傷害。而且國內大多數(shù)康復儀由國外引進，價格昂貴，普通家庭經(jīng)濟上難以負擔。

因此，本文提出了一種基于舵機控制的被動式手部康復儀，舵機與拉伸彈簧的配合使主動式運動變?yōu)楸粍邮竭\動，形成了曲柄滑塊手指康復模式的康復儀。選擇密度小高強度的材料作為外殼使整個裝備更加輕便。采用性價比更好的STC8952RC 單片機控制器方案[4]，降低手部康復儀的控制成本。

1 設計方案

舵機被動式手部康復儀利用舵機、減速電機和拉伸彈簧相互協(xié)調作用來實現(xiàn)手指反復活動的裝置。裝置包括主架、驅動模塊和復原模塊。裝置主架包括手臂套筒、手部支架、橡膠手套；驅動模塊包括舵機、轉輪、減速電機和尼龍繩。復原模塊主要由彈簧串聯(lián)合成。當裝置穿戴好以后，五個舵機分別通過尼龍線拉動各個手指的彎曲運動，而拉伸彈簧實現(xiàn)手指的伸直復原運動。減速電機和拉伸彈簧的配合，可以實現(xiàn)五個手指同時彎曲伸直的訓練。通過驅動模塊與復原模塊的相互配合，實現(xiàn)手指反復運動，進而實現(xiàn)手部鍛煉的目的。

本裝置工作原理如下：利用舵機和減速電機的工作拉動手指的彎曲，而拉伸彈簧可以實現(xiàn)手指的伸直復原。舵機與減速電機上的轉輪和五個手指通過尼龍繩連接，尼龍繩通過分線結實現(xiàn)舵機與減速電機都能獨立驅動手指彎曲。每個手指都有一個舵機和一個彈簧相互配合工作，實現(xiàn)手指運動的更加靈活，而減速電機與彈簧的配合工作，實現(xiàn)五個手指一起運動，提高效率。舵機、減速電機和彈簧相互配合，實現(xiàn)手部的反復運動鍛煉。采用三維數(shù)字化設計軟件solidworks 對方案進行了建模和裝配設計，通過對運動結構的輔助分析不斷改進結構的尺寸參數(shù)，最終完成的產品三維裝配圖如圖1 所示。

圖1 手部康復儀的三維數(shù)字樣機

1.1 裝置主架

裝置主架由手臂套筒、手部支架和橡膠手套組成，如圖2 所示。手部支架與舵機和減速電機的外殼能夠收納舵機與減速電機并且保護減速電機不受外部風化的損壞，保持其整個康復儀器的美觀性。臂筒用于承載整套裝置所有部件，當所有部件安裝好蓋上舵機固定外殼，當舵機固定外殼和臂筒相對位置合適時，采用膠縫的方法實現(xiàn)舵機固定外殼與臂筒的貼合。臂筒與手部支架通過螺栓螺母利用螺栓螺母固定在一起；橡膠手套與手部支架通過細小固定孔利用棉線縫合在一起彈簧一端固定在手部支架上，另一端連接到橡膠手套各個手指處。橡膠手套如圖3 所示?；颊咴谑褂每祻蛢x時，將手放入橡膠手套之內，橡膠手套柔軟親膚，適合患者使用，使產品具有舒適性且價格親民。橡膠手套在醫(yī)療器械方面還能充當支撐呼吸機的管道[5]，說明橡膠手套的彈性力度大又輕便，對患者皮膚的壓迫感小，能夠達到患者對產品的舒適性要求。

圖2 裝置主架結構圖

1.2 驅動裝置

驅動模塊由五個舵機、五個轉輪、減速電機和尼龍繩組成，固定于裝置主架之內，如圖4 所示。當人手通過臂筒穿戴好裝置以后，單片機通過控制五個舵機的聯(lián)動工作，帶動轉輪工作并纏繞尼龍繩，進而拉動橡膠手套的各個手指的彎曲運動?？祻蛢x器的運動角度需要根據(jù)使用者的需求不斷變動，變傳統(tǒng)的主動運動為被動運動，實現(xiàn)了使用者的雙手自由。舵機在康復儀的應用中充分發(fā)揮了它的作用，正因為舵機是可以改變儀器運動角度的執(zhí)行部件，在機器人研發(fā)和軍事等應用中廣泛[6-7]。減速電機位于臂筒之上，節(jié)省內部空間，減速電機耗能低減速效率高，以便患者在使用康復儀時按需求換運動速度擋，同時也符合輕便高效的技術要求，有學者對減速電機系統(tǒng)做出研究，得出高效又穩(wěn)定這一結論[8]。

圖3 橡膠手套結構圖

圖4 驅動模塊結構圖

1.3 復原裝置

復原裝置主要由五個彈簧組成。彈簧的一端與橡膠手套相連，另一端連接到手臂支架上。當舵機或步進電機工作，帶動手指做彎曲運動時，彈簧也被相應拉伸，儲備彈性勢能，當舵機扭轉到最大角度，彈簧開始工作，進行收縮復原運動，帶動手指姿勢復原。

2 整機結構

本文設計的舵機被動式運動手部康復儀裝置整體如圖6 所示，舵機被動式運動康復儀將主動運動轉變?yōu)楸粍邮竭\動，優(yōu)化了傳統(tǒng)康復儀。橡膠手套的加入使整個系統(tǒng)更加人性化。減速電機和彈簧的配合，可以實現(xiàn)五個手指同時彎曲伸直，達到重復鍛煉和循環(huán)鍛煉。每個手指都有一個彈簧和舵機的配合，使手指運動更加靈活。

圖5 復原裝置模型圖

圖6 手部康復儀整體效果圖

3 結語

優(yōu)化后的手部康復儀能對人的手進行固定防止錯誤運動而造成對患者的二次傷害。并可以在訓練時在手心放置一個彈性握球。每一個手指都有對應的康復系統(tǒng)實現(xiàn)了每個手指運動的獨立化，對每個手指進行分單元訓練康復。本款舵機式手指康復儀只需患者直接將手指放入橡膠手套中，操作簡單方便，機身相對輕便。以舵機為動力源并與拉伸彈簧的配合的實現(xiàn)了手指的彎曲伸直的運動。減速電機的驅動使手指能夠進行反復運動，從而達到鍛煉的目的。