一种面向脑卒中的手部康复装置设计与实现

李雄伟　林雨晴　贾江鸣

摘要：为了提高脑卒中患者的康复效果并降低对患者的二次伤害，设计了一种手部软体康复装置，介绍了该装置结构、控制系统和工作原理。采用一体化多腔体手指的设计，从而实现不同手指不同关节的弯曲，其结构简单、便于控制，易于实现整体结构的小型化，具有良好的被动柔性。软体康复手不同关节的连续主动、被动控制使其比传统康复手更符合人手的自然运动规律和动作习惯，更能体现仿生康复的概念。

关键词：软体驱动器;脑卒中;手指康复;多腔体

中图分类号：TP24 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0104—02

0引言

脑卒中是我国成年人致死、致残的首位病因，具有发病率高、致残率高、死亡率高和复发率高的特点。2016年全球疾病负担（GBD）数据显示，脑卒中是造成我国寿命年损失（YLL）的第一位病因。《2018中国卫生健康统计提要》数据显示，2017年脑血管病占我国居民疾病死亡比例在农村人群为23.18%、城市人群为20.52%，这意味着每5位死亡者中就至少有1人死于脑卒中。从这看来，脑卒中的预防与治疗是必不可少的。

我国的后期康复技术较为落后，现有的康复器械主要存在便携程度低、价格昂贵、结构复杂、需人工介入等问题。若在偏瘫早期辅以适当的康复器械、开展适当的康复训练，对瘫痪肢体功能的恢复可以达到一定效果。

本文针对脑卒中患者设计了一个手部软体康复器具装置，包括驱动器和系统控制器，该装置是一种由软体驱动器驱动的，模拟人手的结构，具有多自由度，采用肌电信号特征参数作为康复判定，不同病程的康复病人适用相应康复程序的新型手指康复器械。

1手部康复装置软体驱动器的设计

人手的结构及手指的运动非常复杂，为了设计结构合理的机器人，对人手的生物学特性展开分析研究。通过查阅关于人手运动的研究，得到了手指各关节运动范围。

在设计康复装置时，除了各关节角度的运动范围，手指各骨骼关节长度也是重要的参考指标，同样通过查阅资料，得到手指各指骨长度。

通过对手部尺寸参数的分析，得到了软体驱动器的设计依据。以中指设计为标准，软体驱动器长×宽×高：140mm×20mm×10mm，驱动器设计成分段腔体结构如图1所示，从而更好地接近人手运动规律，佩戴舒适感更好。

2手部康复装置驱动器的整体结构方案

本文设计的手部康复装置驱动器的结构如图2所示。手部康复装置驱动器包括手套本体，手套本体包括指套，指套设有5个，与人体5根手指对应，指套外部上表面设有腔体套。多腔体软体驱动器设于腔体套内部;压力传感器设于指套前端;肌电信号传感器用于采集表面肌电信号，即采集sMEG;柔性弯曲传感器设于腔体套内表面。此多气腔一体化的柔性驱动器为本文的关键创新点，此类型驱动器可带动患者手指弯曲，适应性好，达到安全、可靠的效果。为了更加贴合手指，采取多段式手指的设计，不同的关节都有其软体驱动器，达到更好的训练效果。

3多腔体软体驱动器的制作工艺流程

软体驱动器的腔体的主体材料是硅胶，本文采用的是通过美国FDA食品级认证标准食品级硅胶恒昌硅胶公司的HC-860#型号的硅胶材料，其中本为A/B两种组分，通过混合比例1：1进行配比搅拌，通过离心搅拌机进行充分混合，再浇3D打印制成的模具中，将模具放入真空抽气罐抽出模具中的空气，最后静置等待硅胶固化。该硅胶的可操作时间约为15min，在室温25℃左右固化时间为3～4h。

软体致动器的整个制作工艺流程如图3所示，需要以下几个步骤。

（1）制作上气腔。首先根据事先计算的模具体积定出所需硅胶的量，分别取硅胶A和硅胶B倒入烧杯中，用搅拌棒缓慢搅拌大约5 min，然后静置5 min，注入制作模具A与模具B的组合模具内。将模具静置7 h左右，取出固化的硅胶，去除多余的材料。

（2）合腔。在模具C底层中注入少量硅胶A与硅胶B的混合液，能够平铺2mm左右的高度，在将事先裁剪好的尼龙条嵌入硅胶混合液中，使之与硅胶混合液充分接触，平铺无折痕，无较大气泡，将上气腔倒扣在模具C上，静置57 h左右取下，去除毛邊后即完成。执行器实物如图3所示。

4手部软体康复装置控制系统设计

手部软体康复装置控制系统由控制算法与康复程序、信号采集与反馈、气动驱动控制、气动驱动器、软体康复手5个部分组成，如图4所示，此系统具有数据处理、控制程序执行和系统后备保护的功能。液晶显示屏、信号滤波器、继电保护装置、压力传感器和柔性弯曲传感器均与ARM控制板电性连接。继电保护装置包括漏电保护器、电流过载保护器，可以保护设备防止发生损坏。电气比例阀与继电器电性连接，电气比例阀与过滤减压阀连接，过滤减压阀与空压机储气罐连接。ARM控制器控制方式根据病人不同的病程自动给出控制信号，实现系统自动运行。采用ARM微控制器输出控制信号，通过驱动电路或继电器控制比例阀/电磁阀的开关来实现充放气。当ARM控制板输出开信号的时候，比例阀，电磁阀打开，空气压缩气进入手指驱动器实现弯曲动作。选择关的时候，由于驱动器里面气压大于外面气压，自动排气，恢复原状。

5康复服务网络平台设计

手部软体康复装置的康复服务网络平台的实现原理如图5所示。用户将手伸入手套本体内，手指伸入相应的指套内，肌电信号传感器贴于用户手臂表面。在初始时刻，用户通过平台上的指令选择康复的模式或医生通过后台为患者选择初始康复模式，系统控制器控制驱动器执行命令。在康复训练期间，肌电信号传感器、手套内部压力传感器和柔性弯曲传感器时刻采集手部压力等信号反馈给系统总控制台。其中，压力传感器用于传递患者手指在发生弯曲时的压力信号，柔性弯曲传感器用于传递患者手指弯曲程度信号，系统控制器内的信号滤波器将信号滤波之后根据ARM控制板内的设定算法绘制信号曲线，系统控制器时刻将绘制的信号曲线传递到网络平台供医生参考，医生可根据数据反馈进行判断，并输入新的控制指令，新的控制指令经由网络平台反馈给患者，患者根据医生的反馈在液晶显示屏上进行设置，ARM控制板接收指令后，控制驱动器对患者进行康复训练。

6结束语

本文针对我国中风病患的现状，设计了一款新型的软体手指康复装置。与现有手部康复装置相比，本文主要是根据人手指关节运动特性、关节弯曲性能的不同要求、关节结构大小的限制，设计适合人手指关节弯曲的软体手指康复器械和设计软体气动柔性驱动器驱动的、模拟人手指关节弯曲运动的新型类手指驱动器及设计配套的康复服务网络平台，不仅适用于各医疗机构，也适用于患者家中，为患者提供便利、舒适的康复环境，达到居家康复的效果。