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        一種面向腦卒中的手部康復(fù)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2021-09-10 22:05:12李雄偉林雨晴賈江鳴
        機(jī)電工程技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:腦卒中

        李雄偉 林雨晴 賈江鳴

        摘要:為了提高腦卒中患者的康復(fù)效果并降低對患者的二次傷害,設(shè)計(jì)了一種手部軟體康復(fù)裝置,介紹了該裝置結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和工作原理。采用一體化多腔體手指的設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)不同手指不同關(guān)節(jié)的彎曲,其結(jié)構(gòu)簡單、便于控制,易于實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的小型化,具有良好的被動(dòng)柔性。軟體康復(fù)手不同關(guān)節(jié)的連續(xù)主動(dòng)、被動(dòng)控制使其比傳統(tǒng)康復(fù)手更符合人手的自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)作習(xí)慣,更能體現(xiàn)仿生康復(fù)的概念。

        關(guān)鍵詞:軟體驅(qū)動(dòng)器;腦卒中;手指康復(fù);多腔體

        中圖分類號(hào):TP24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1009—9492(2021)03—0104—02

        0引言

        腦卒中是我國成年人致死、致殘的首位病因,具有發(fā)病率高、致殘率高、死亡率高和復(fù)發(fā)率高的特點(diǎn)。2016年全球疾病負(fù)擔(dān)(GBD)數(shù)據(jù)顯示,腦卒中是造成我國壽命年損失(YLL)的第一位病因?!?018中國衛(wèi)生健康統(tǒng)計(jì)提要》數(shù)據(jù)顯示,2017年腦血管病占我國居民疾病死亡比例在農(nóng)村人群為23.18%、城市人群為20.52%,這意味著每5位死亡者中就至少有1人死于腦卒中。從這看來,腦卒中的預(yù)防與治療是必不可少的。

        我國的后期康復(fù)技術(shù)較為落后,現(xiàn)有的康復(fù)器械主要存在便攜程度低、價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需人工介入等問題。若在偏癱早期輔以適當(dāng)?shù)目祻?fù)器械、開展適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練,對癱瘓肢體功能的恢復(fù)可以達(dá)到一定效果。

        本文針對腦卒中患者設(shè)計(jì)了一個(gè)手部軟體康復(fù)器具裝置,包括驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)控制器,該裝置是一種由軟體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的,模擬人手的結(jié)構(gòu),具有多自由度,采用肌電信號(hào)特征參數(shù)作為康復(fù)判定,不同病程的康復(fù)病人適用相應(yīng)康復(fù)程序的新型手指康復(fù)器械。

        1手部康復(fù)裝置軟體驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

        人手的結(jié)構(gòu)及手指的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,為了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的機(jī)器人,對人手的生物學(xué)特性展開分析研究。通過查閱關(guān)于人手運(yùn)動(dòng)的研究,得到了手指各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。

        在設(shè)計(jì)康復(fù)裝置時(shí),除了各關(guān)節(jié)角度的運(yùn)動(dòng)范圍,手指各骨骼關(guān)節(jié)長度也是重要的參考指標(biāo),同樣通過查閱資料,得到手指各指骨長度。

        通過對手部尺寸參數(shù)的分析,得到了軟體驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)依據(jù)。以中指設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn),軟體驅(qū)動(dòng)器長×寬×高:140mm×20mm×10mm,驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成分段腔體結(jié)構(gòu)如圖1所示,從而更好地接近人手運(yùn)動(dòng)規(guī)律,佩戴舒適感更好。

        2手部康復(fù)裝置驅(qū)動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)方案

        本文設(shè)計(jì)的手部康復(fù)裝置驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。手部康復(fù)裝置驅(qū)動(dòng)器包括手套本體,手套本體包括指套,指套設(shè)有5個(gè),與人體5根手指對應(yīng),指套外部上表面設(shè)有腔體套。多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)于腔體套內(nèi)部;壓力傳感器設(shè)于指套前端;肌電信號(hào)傳感器用于采集表面肌電信號(hào),即采集sMEG;柔性彎曲傳感器設(shè)于腔體套內(nèi)表面。此多氣腔一體化的柔性驅(qū)動(dòng)器為本文的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn),此類型驅(qū)動(dòng)器可帶動(dòng)患者手指彎曲,適應(yīng)性好,達(dá)到安全、可靠的效果。為了更加貼合手指,采取多段式手指的設(shè)計(jì),不同的關(guān)節(jié)都有其軟體驅(qū)動(dòng)器,達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。

        3多腔體軟體驅(qū)動(dòng)器的制作工藝流程

        軟體驅(qū)動(dòng)器的腔體的主體材料是硅膠,本文采用的是通過美國FDA食品級認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)食品級硅膠恒昌硅膠公司的HC-860#型號(hào)的硅膠材料,其中本為A/B兩種組分,通過混合比例1:1進(jìn)行配比攪拌,通過離心攪拌機(jī)進(jìn)行充分混合,再澆3D打印制成的模具中,將模具放入真空抽氣罐抽出模具中的空氣,最后靜置等待硅膠固化。該硅膠的可操作時(shí)間約為15min,在室溫25℃左右固化時(shí)間為3~4h。

        軟體致動(dòng)器的整個(gè)制作工藝流程如圖3所示,需要以下幾個(gè)步驟。

        (1)制作上氣腔。首先根據(jù)事先計(jì)算的模具體積定出所需硅膠的量,分別取硅膠A和硅膠B倒入燒杯中,用攪拌棒緩慢攪拌大約5 min,然后靜置5 min,注入制作模具A與模具B的組合模具內(nèi)。將模具靜置7 h左右,取出固化的硅膠,去除多余的材料。

        (2)合腔。在模具C底層中注入少量硅膠A與硅膠B的混合液,能夠平鋪2mm左右的高度,在將事先裁剪好的尼龍條嵌入硅膠混合液中,使之與硅膠混合液充分接觸,平鋪無折痕,無較大氣泡,將上氣腔倒扣在模具C上,靜置57 h左右取下,去除毛邊后即完成。執(zhí)行器實(shí)物如圖3所示。

        4手部軟體康復(fù)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        手部軟體康復(fù)裝置控制系統(tǒng)由控制算法與康復(fù)程序、信號(hào)采集與反饋、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、軟體康復(fù)手5個(gè)部分組成,如圖4所示,此系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理、控制程序執(zhí)行和系統(tǒng)后備保護(hù)的功能。液晶顯示屏、信號(hào)濾波器、繼電保護(hù)裝置、壓力傳感器和柔性彎曲傳感器均與ARM控制板電性連接。繼電保護(hù)裝置包括漏電保護(hù)器、電流過載保護(hù)器,可以保護(hù)設(shè)備防止發(fā)生損壞。電氣比例閥與繼電器電性連接,電氣比例閥與過濾減壓閥連接,過濾減壓閥與空壓機(jī)儲(chǔ)氣罐連接。ARM控制器控制方式根據(jù)病人不同的病程自動(dòng)給出控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。采用ARM微控制器輸出控制信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)電路或繼電器控制比例閥/電磁閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)充放氣。當(dāng)ARM控制板輸出開信號(hào)的時(shí)候,比例閥,電磁閥打開,空氣壓縮氣進(jìn)入手指驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)彎曲動(dòng)作。選擇關(guān)的時(shí)候,由于驅(qū)動(dòng)器里面氣壓大于外面氣壓,自動(dòng)排氣,恢復(fù)原狀。

        5康復(fù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)

        手部軟體康復(fù)裝置的康復(fù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。用戶將手伸入手套本體內(nèi),手指伸入相應(yīng)的指套內(nèi),肌電信號(hào)傳感器貼于用戶手臂表面。在初始時(shí)刻,用戶通過平臺(tái)上的指令選擇康復(fù)的模式或醫(yī)生通過后臺(tái)為患者選擇初始康復(fù)模式,系統(tǒng)控制器控制驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行命令。在康復(fù)訓(xùn)練期間,肌電信號(hào)傳感器、手套內(nèi)部壓力傳感器和柔性彎曲傳感器時(shí)刻采集手部壓力等信號(hào)反饋給系統(tǒng)總控制臺(tái)。其中,壓力傳感器用于傳遞患者手指在發(fā)生彎曲時(shí)的壓力信號(hào),柔性彎曲傳感器用于傳遞患者手指彎曲程度信號(hào),系統(tǒng)控制器內(nèi)的信號(hào)濾波器將信號(hào)濾波之后根據(jù)ARM控制板內(nèi)的設(shè)定算法繪制信號(hào)曲線,系統(tǒng)控制器時(shí)刻將繪制的信號(hào)曲線傳遞到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)供醫(yī)生參考,醫(yī)生可根據(jù)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行判斷,并輸入新的控制指令,新的控制指令經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)反饋給患者,患者根據(jù)醫(yī)生的反饋在液晶顯示屏上進(jìn)行設(shè)置,ARM控制板接收指令后,控制驅(qū)動(dòng)器對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

        6結(jié)束語

        本文針對我國中風(fēng)病患的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一款新型的軟體手指康復(fù)裝置。與現(xiàn)有手部康復(fù)裝置相比,本文主要是根據(jù)人手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性、關(guān)節(jié)彎曲性能的不同要求、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)大小的限制,設(shè)計(jì)適合人手指關(guān)節(jié)彎曲的軟體手指康復(fù)器械和設(shè)計(jì)軟體氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的、模擬人手指關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)的新型類手指驅(qū)動(dòng)器及設(shè)計(jì)配套的康復(fù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),不僅適用于各醫(yī)療機(jī)構(gòu),也適用于患者家中,為患者提供便利、舒適的康復(fù)環(huán)境,達(dá)到居家康復(fù)的效果。

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