王 錚，成爾卓，史建新，楊 博，廖浩添

（南開大學(xué)濱海學(xué)院，天津 300270）

0 引 言

據(jù)最新發(fā)布的《中國腦卒中防治報(bào)告（2019）》顯示，我國總體腦卒中終生發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)近40%，發(fā)病率全球第一。盡管醫(yī)療保健技術(shù)在不斷進(jìn)步，但中風(fēng)的發(fā)病率預(yù)計(jì)在未來仍將上升。

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

目前針對中風(fēng)引起的手部功能性障礙的復(fù)健設(shè)備，多采用外骨骼包裹手指通過電機(jī)帶動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)手指從動(dòng)的方法。因人手關(guān)節(jié)具有較多自由度和多樣化的運(yùn)動(dòng)形式，手部外骨骼康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以達(dá)到手部康復(fù)的效果；且因其剛性和包裹的特點(diǎn)，操作不當(dāng)還易造成手部損傷；安裝及調(diào)整難度較大，全套設(shè)備成本較高。因此，本文采用集成性更高，價(jià)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(jìn)行復(fù)健，為患者手部保留最大自由活動(dòng)限度，并保障舒適度。同時(shí)，將運(yùn)動(dòng)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(fù)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)更為簡潔，使成本更低。

1 腦卒中患者手部康復(fù)設(shè)備總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為運(yùn)動(dòng)單元與數(shù)據(jù)采集單元。設(shè)備由6組12個(gè)SG90伺服器、6個(gè)手指托盤、6組HX711ADC采集模塊、1組可調(diào)變壓模塊，1個(gè)BT-05藍(lán)牙模塊和2組Arduino Nano微控制器組成。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框架

2個(gè)單元各由一組Arduino Nano單片機(jī)作為處理器，并與上位機(jī)相連。運(yùn)動(dòng)單元包括6個(gè)手指運(yùn)動(dòng)組件，其中4個(gè)手指運(yùn)動(dòng)采集組件分別對應(yīng)左手或右手除拇指外的4根手指，另外2個(gè)手指運(yùn)動(dòng)采集組件分別對應(yīng)左手或右手的拇指。6組手指運(yùn)動(dòng)組件前端與托盤連接。伺服器轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)托盤，實(shí)現(xiàn)對患者手指的輔助運(yùn)動(dòng)。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(gè)樹脂材質(zhì)3D打印連桿連接，實(shí)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(dòng)采集功能，伺服運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)獲取力采集模塊采集的壓力變化，并在PC端（上位機(jī)）給出數(shù)據(jù)反饋。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 Rehab Helper伺服運(yùn)動(dòng)原理

Rehab Helper采用5桿連桿進(jìn)行二維運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，兩個(gè)伺服電機(jī)（4，5）旋轉(zhuǎn)2個(gè)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(dòng)，延展臂（9、8）實(shí)現(xiàn)從動(dòng)。指針可以到達(dá)半徑為（延展臂7+延展臂9）與（延展臂6+延展臂8）的兩個(gè)半圓之間的任意點(diǎn)，中心位于2個(gè)伺服電機(jī)所組成系統(tǒng)的中部。

圖2 單個(gè)手指運(yùn)動(dòng)采集組件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 單手指Rehab Helper組件結(jié)構(gòu)

第一伺服電機(jī)和第二伺服電機(jī)均采用SG90微型伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的控制接口與單片機(jī)Arduino Nano1的I/O接口連接。第一延展臂的一端與第一伺服電機(jī)的輸出軸固定連接，第二延展臂的另一端與第二伺服電機(jī)的輸出軸固定連接，從而使得第一延展臂在第一伺服電機(jī)輸出軸的徑向平面旋轉(zhuǎn)，第二延展臂在第二伺服電機(jī)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(jī)通過安裝板固定在重力稱上部，做到運(yùn)動(dòng)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(fù)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)單元

運(yùn)動(dòng)單元將Arduino Nano作為控制中心，該單片機(jī)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(jī)具有高性能、低功耗、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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(gè)舵機(jī)相連，滿足同時(shí)帶動(dòng)5根手指運(yùn)動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)全手掌運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)單元電路如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)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(jī)，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(yīng)變式力傳感器（電橋）。HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。借助HX711降低了手部康復(fù)設(shè)備整機(jī)成本，同時(shí)還提高了整機(jī)的性能和可靠性。電橋具有精度高、易加工、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、 抗偏載能力強(qiáng)、固有頻率高等優(yōu)點(diǎn)，電橋中內(nèi)置有應(yīng)變片，當(dāng)彈性元件受力產(chǎn)生形變時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變， 轉(zhuǎn)化成電阻變化。將應(yīng)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(lán)牙模塊

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

4 腦卒中患者手部康復(fù)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

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

圖6 系統(tǒng)流程

運(yùn)動(dòng)單元啟動(dòng)時(shí)，首先檢查設(shè)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(shè)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(yù)定數(shù)值進(jìn)行多次糾正。

運(yùn)動(dòng)單元運(yùn)行代碼如圖7所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)單元運(yùn)行代碼

本設(shè)計(jì)具有17種模式可供用戶選擇。每種模式下包含2種設(shè)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(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行：

運(yùn)動(dòng)8 s，8 s后食指、中指、無名指和小拇指按照如下運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)8 s：

當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元工作時(shí)，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(yùn)行代碼

首先設(shè)置手在放松狀態(tài)下的重量作為皮重，接著通過獨(dú)立的ADC獲取單一手指20個(gè)讀數(shù)的平均值，最后匯總5個(gè)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(dòng)端或PC端發(fā)送指令可以控制設(shè)備運(yùn)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(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。使用時(shí)，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(jī)控制信號，驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)動(dòng)?；颊呤褂迷O(shè)備圖如圖9所示。

圖9 患者使用設(shè)備圖

控制模塊中的其中一塊Arduino Nano芯片，實(shí)時(shí)獲取力采集模塊采集的壓力變化，在PC端（上位機(jī)）或移動(dòng)端可以直觀得到手指反應(yīng)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(shè)備的設(shè)計(jì)初衷在于幫助因腦卒中引起的手部功能性障礙的患者進(jìn)行更加便捷且成本低廉的治療。因此采用集成性更高，價(jià)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(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，在大大減小設(shè)備體積的同時(shí)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(jī)方面，采用SG90微型伺服，降低噪聲。由于只需將指尖與運(yùn)動(dòng)裝置相連即可實(shí)現(xiàn)通過帶動(dòng)指尖運(yùn)動(dòng)使手部整體運(yùn)動(dòng)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(shí)也使得本裝置更具有普適性。設(shè)備可大幅降低中風(fēng)患者手部康復(fù)成本，同時(shí)也為其他相關(guān)康復(fù)設(shè)備研發(fā)提供新思路。