一種腦卒中手部康復設備研究

王 錚，成爾卓，史建新，楊 博，廖浩添

（南開大學濱海學院，天津 300270）

0 引 言

據(jù)最新發(fā)布的《中國腦卒中防治報告（2019）》顯示，我國總體腦卒中終生發(fā)病風險近40%，發(fā)病率全球第一。盡管醫(yī)療保健技術在不斷進步，但中風的發(fā)病率預計在未來仍將上升。

超過一半的中風幸存者經(jīng)歷了某種程度的偏癱，這些患者不能獨立進行日?；顒?，因此必須依靠人的幫助進行基本活動，如飲食、活動等。人類的手復雜且靈活，研究表明，上肢遠端（即手部）功能與日常生活執(zhí)行能力的關系強于其他肢體。手功能的缺失將嚴重影響患者的生活質(zhì)量，手部康復已成為腦卒中康復過程中非常重要的一環(huán)。

目前針對中風引起的手部功能性障礙的復健設備，多采用外骨骼包裹手指通過電機帶動外骨骼運動從而實現(xiàn)手指從動的方法。因人手關節(jié)具有較多自由度和多樣化的運動形式，手部外骨骼康復設備設計復雜，難以達到手部康復的效果；且因其剛性和包裹的特點，操作不當還易造成手部損傷；安裝及調(diào)整難度較大，全套設備成本較高。因此，本文采用集成性更高，價格更為便宜的Arduino Nano開發(fā)板和HX711稱重傳感器模塊，采用非包裹的手指固定件進行復健，為患者手部保留最大自由活動限度，并保障舒適度。同時，將運動單元和數(shù)據(jù)采集單元相結(jié)合，在保障患者手部安全的前提下，使手部康復設備整體結(jié)構更為簡潔，使成本更低。

1 腦卒中患者手部康復設備總體設計

系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，分為運動單元與數(shù)據(jù)采集單元。設備由6組12個SG90伺服器、6個手指托盤、6組HX711ADC采集模塊、1組可調(diào)變壓模塊，1個BT-05藍牙模塊和2組Arduino Nano微控制器組成。

圖1 整體結(jié)構框架

2個單元各由一組Arduino Nano單片機作為處理器，并與上位機相連。運動單元包括6個手指運動組件，其中4個手指運動采集組件分別對應左手或右手除拇指外的4根手指，另外2個手指運動采集組件分別對應左手或右手的拇指。6組手指運動組件前端與托盤連接。伺服器轉(zhuǎn)動帶動托盤，實現(xiàn)對患者手指的輔助運動。每組伺服器均可提供1.6 kg/cm扭矩，并與手指托盤均通過2個樹脂材質(zhì)3D打印連桿連接，實現(xiàn)手指在120°范圍內(nèi)的自由旋轉(zhuǎn)。

數(shù)據(jù)采集單元包含6組HX711ADC采集模塊。啟動采集功能，伺服運動將停止，患者手部對ADC采集器施加作用力，該單元中的Arduino Nano芯片實時獲取力采集模塊采集的壓力變化，并在PC端（上位機）給出數(shù)據(jù)反饋。

2 機械結(jié)構設計

2.1 Rehab Helper伺服運動原理

Rehab Helper采用5桿連桿進行二維運動。如圖2所示，兩個伺服電機（4，5）旋轉(zhuǎn)2個延展臂（7，6），延展臂通過螺絲和螺母與延展臂（9、8）連接。延展臂的其他端部也由螺絲和螺母連接。在測試系統(tǒng)中，指針被固定在延展臂（9、8）連結(jié)處。延展臂（7、6）轉(zhuǎn)動，延展臂（9、8）實現(xiàn)從動。指針可以到達半徑為（延展臂7+延展臂9）與（延展臂6+延展臂8）的兩個半圓之間的任意點，中心位于2個伺服電機所組成系統(tǒng)的中部。

圖2 單個手指運動采集組件結(jié)構示意圖

2.2 單手指Rehab Helper組件結(jié)構

第一伺服電機和第二伺服電機均采用SG90微型伺服電機，伺服電機的控制接口與單片機Arduino Nano1的I/O接口連接。第一延展臂的一端與第一伺服電機的輸出軸固定連接，第二延展臂的另一端與第二伺服電機的輸出軸固定連接，從而使得第一延展臂在第一伺服電機輸出軸的徑向平面旋轉(zhuǎn)，第二延展臂在第二伺服電機輸出軸的徑向平面旋轉(zhuǎn)。第一延展臂的另一端與第三延展臂的一端鉸接，第四延展臂的另一端與第二延展臂的一端鉸接，第三延展臂的另一端與第四延展臂的一端鉸接。第三延展臂和第四延展臂的鉸接處連接手指固定件。伺服機通過安裝板固定在重力稱上部，做到運動單元與數(shù)據(jù)采集單元相結(jié)合，節(jié)省內(nèi)部空間。

3 腦卒中患者手部康復設備硬件設計

3.1 運動單元

運動單元將Arduino Nano作為控制中心，該單片機是Arduino USB接口的微型版本，無電源插座以及USB，接口為Mini-B型插座。該單片機具有高性能、低功耗、體積小、成本低等優(yōu)點。同時，Arduino Nano具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），8路模擬輸入，而且雙排針引出可以直接插在面包板上，靈活通過杜邦端子與12個舵機相連，滿足同時帶動5根手指運動的要求，實現(xiàn)全手掌運動。運動單元電路如圖3所示。

圖3 運動單元電路

3.2 數(shù)據(jù)采集單元

該單元通過將重力傳感器模塊與Arduino Nano相連而成。開啟數(shù)據(jù)采集功能，ADC采集模塊將所收集的數(shù)據(jù)上傳至單片機，經(jīng)過分析得出最終數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊電路

3.3 重力傳感器模塊

該模塊包含HX711芯片與應變式力傳感器（電橋）。HX711是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。借助HX711降低了手部康復設備整機成本，同時還提高了整機的性能和可靠性。電橋具有精度高、易加工、結(jié)構簡單緊湊、 抗偏載能力強、固有頻率高等優(yōu)點，電橋中內(nèi)置有應變片，當彈性元件受力產(chǎn)生形變時，應變片產(chǎn)生相應的應變， 轉(zhuǎn)化成電阻變化。將應變片受力引起的電阻變化轉(zhuǎn)換為測量電路的電壓變化，通過測量輸出電壓的數(shù)值換算為所測物體的重量。橋式傳感器電路如圖5所示。

圖5 橋式傳感器

3.4 BT-05藍牙模塊

BT-05 4.0藍牙模塊采用CC2541芯片，配置有256 KB空間，遵循V4.0BLE藍牙規(guī)范，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要對串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數(shù)進行更改，支持UART串口通信。

4 腦卒中患者手部康復設備軟件設計

系統(tǒng)上電后，各模塊進行初始化。移動端或PC端可以連接設備，對設備進行控制，并觀測數(shù)據(jù)等。給設備下達運動指令后，設備運行，對手指進行按摩；對設備下達測量指令，運動功能停止，手指對采集器施加作用力，獲得手指的運動力數(shù)據(jù)。運動力由Tenzo橋測量，可以通過BT-05或串口方式，在移動端或PC端直觀得出手指反應力數(shù)據(jù)。系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程

運動單元啟動時，首先檢查設備是否接收到數(shù)據(jù)，等待讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，若大于0，則表示接收到數(shù)據(jù)。讀取設備接收數(shù)據(jù)中的某一數(shù)據(jù)，其最后一字節(jié)為產(chǎn)生伺服的角度，由于最后一字節(jié)產(chǎn)生伺服的角度范圍為0～180°，為得到預定數(shù)值進行多次糾正。

運動單元運行代碼如圖7所示。

圖7 運動單元運行代碼

本設計具有17種模式可供用戶選擇。每種模式下包含2種設定好的子模式。以用戶選擇工作模式為例：食指、中指、無名指和小拇指按照如下運動軌跡進行：

運動8 s，8 s后食指、中指、無名指和小拇指按照如下運動軌跡運動8 s：

當數(shù)據(jù)采集單元工作時，我們以選擇使用PC端顯示數(shù)據(jù)為例，代碼如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集單元運行代碼

首先設置手在放松狀態(tài)下的重量作為皮重，接著通過獨立的ADC獲取單一手指20個讀數(shù)的平均值，最后匯總5個ADC所取的平均值將其依次相加取均值，并將得數(shù)與皮重相減，作為手部的力。

5 系統(tǒng)程序?qū)崪y

通過移動端或PC端發(fā)送指令可以控制設備運行。根據(jù)需要選擇合適的工作模式，本文選擇5組伺服器對患者的右手進行康復訓練。使用時，手指放置在手指固定件上后，控制模塊中的其中一塊Arduino Nano芯片接收上位機控制信號，驅(qū)動模塊運動?；颊呤褂迷O備圖如圖9所示。

圖9 患者使用設備圖

控制模塊中的其中一塊Arduino Nano芯片，實時獲取力采集模塊采集的壓力變化，在PC端（上位機）或移動端可以直觀得到手指反應力數(shù)據(jù)。PC端數(shù)據(jù)回饋如圖10所示。

圖10 PC端數(shù)據(jù)回饋

6 結(jié) 語

設備的設計初衷在于幫助因腦卒中引起的手部功能性障礙的患者進行更加便捷且成本低廉的治療。因此采用集成性更高，價格更為便宜的Arduino Nano開發(fā)板以及HX711稱重傳感器模塊作為采集裝置。我們創(chuàng)造性地使用HX711稱重傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集裝置，將其頂部固定以帶動手指運動，在大大減小設備體積的同時使得患者手部獲得了寬松的空間，也為線路排布留下大量空間。在電機方面，采用SG90微型伺服，降低噪聲。由于只需將指尖與運動裝置相連即可實現(xiàn)通過帶動指尖運動使手部整體運動的效果，所以使用者手部將擁有更大的空間，不會產(chǎn)生壓迫感，同時也使得本裝置更具有普適性。設備可大幅降低中風患者手部康復成本，同時也為其他相關康復設備研發(fā)提供新思路。