手部康复仪的数字化设计

虞欣粤，王 涛，张海林，楚善腾，徐秦领

（衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州324000）

0 引言

随着国内老龄化日益加剧和国民经济水平的不断提高，人民对现代医疗技术要求越来越高。我国的残疾患者人口基数巨大，不管是因疾病、车祸、意外等造成的肢体运动障碍的患者，由许多研究表明，恢复其肢体正常运动不仅需要配合传统的物理治疗和阶段性药物治疗，更需要配合机械康复仪来协助治疗[1-3]。由康复仪带动身体运动，使之加强手指运动的肌肉记忆，从而达到患者所期待的治疗效果。

但国内现存的手部康复仪大都是由另一只手或者他人辅助运动，耗时耗力，若使用不当容易造成身体的二次伤害。而且国内大多数康复仪由国外引进，价格昂贵，普通家庭经济上难以负担。

因此，本文提出了一种基于舵机控制的被动式手部康复仪，舵机与拉伸弹簧的配合使主动式运动变为被动式运动，形成了曲柄滑块手指康复模式的康复仪。选择密度小高强度的材料作为外壳使整个装备更加轻便。采用性价比更好的STC8952RC 单片机控制器方案[4]，降低手部康复仪的控制成本。

1 设计方案

舵机被动式手部康复仪利用舵机、减速电机和拉伸弹簧相互协调作用来实现手指反复活动的装置。装置包括主架、驱动模块和复原模块。装置主架包括手臂套筒、手部支架、橡胶手套；驱动模块包括舵机、转轮、减速电机和尼龙绳。复原模块主要由弹簧串联合成。当装置穿戴好以后，五个舵机分别通过尼龙线拉动各个手指的弯曲运动，而拉伸弹簧实现手指的伸直复原运动。减速电机和拉伸弹簧的配合，可以实现五个手指同时弯曲伸直的训练。通过驱动模块与复原模块的相互配合，实现手指反复运动，进而实现手部锻炼的目的。

本装置工作原理如下：利用舵机和减速电机的工作拉动手指的弯曲，而拉伸弹簧可以实现手指的伸直复原。舵机与减速电机上的转轮和五个手指通过尼龙绳连接，尼龙绳通过分线结实现舵机与减速电机都能独立驱动手指弯曲。每个手指都有一个舵机和一个弹簧相互配合工作，实现手指运动的更加灵活，而减速电机与弹簧的配合工作，实现五个手指一起运动，提高效率。舵机、减速电机和弹簧相互配合，实现手部的反复运动锻炼。采用三维数字化设计软件solidworks 对方案进行了建模和装配设计，通过对运动结构的辅助分析不断改进结构的尺寸参数，最终完成的产品三维装配图如图1 所示。

图1 手部康复仪的三维数字样机

1.1 装置主架

装置主架由手臂套筒、手部支架和橡胶手套组成，如图2 所示。手部支架与舵机和减速电机的外壳能够收纳舵机与减速电机并且保护减速电机不受外部风化的损坏，保持其整个康复仪器的美观性。臂筒用于承载整套装置所有部件，当所有部件安装好盖上舵机固定外壳，当舵机固定外壳和臂筒相对位置合适时，采用胶缝的方法实现舵机固定外壳与臂筒的贴合。臂筒与手部支架通过螺栓螺母利用螺栓螺母固定在一起；橡胶手套与手部支架通过细小固定孔利用棉线缝合在一起弹簧一端固定在手部支架上，另一端连接到橡胶手套各个手指处。橡胶手套如图3 所示。患者在使用康复仪时，将手放入橡胶手套之内，橡胶手套柔软亲肤，适合患者使用，使产品具有舒适性且价格亲民。橡胶手套在医疗器械方面还能充当支撑呼吸机的管道[5]，说明橡胶手套的弹性力度大又轻便，对患者皮肤的压迫感小，能够达到患者对产品的舒适性要求。

图2 装置主架结构图

1.2 驱动装置

驱动模块由五个舵机、五个转轮、减速电机和尼龙绳组成，固定于装置主架之内，如图4 所示。当人手通过臂筒穿戴好装置以后，单片机通过控制五个舵机的联动工作，带动转轮工作并缠绕尼龙绳，进而拉动橡胶手套的各个手指的弯曲运动。康复仪器的运动角度需要根据使用者的需求不断变动，变传统的主动运动为被动运动，实现了使用者的双手自由。舵机在康复仪的应用中充分发挥了它的作用，正因为舵机是可以改变仪器运动角度的执行部件，在机器人研发和军事等应用中广泛[6-7]。减速电机位于臂筒之上，节省内部空间，减速电机耗能低减速效率高，以便患者在使用康复仪时按需求换运动速度挡，同时也符合轻便高效的技术要求，有学者对减速电机系统做出研究，得出高效又稳定这一结论[8]。

图3 橡胶手套结构图

图4 驱动模块结构图

1.3 复原装置

复原装置主要由五个弹簧组成。弹簧的一端与橡胶手套相连，另一端连接到手臂支架上。当舵机或步进电机工作，带动手指做弯曲运动时，弹簧也被相应拉伸，储备弹性势能，当舵机扭转到最大角度，弹簧开始工作，进行收缩复原运动，带动手指姿势复原。

2 整机结构

本文设计的舵机被动式运动手部康复仪装置整体如图6 所示，舵机被动式运动康复仪将主动运动转变为被动式运动，优化了传统康复仪。橡胶手套的加入使整个系统更加人性化。减速电机和弹簧的配合，可以实现五个手指同时弯曲伸直，达到重复锻炼和循环锻炼。每个手指都有一个弹簧和舵机的配合，使手指运动更加灵活。

图5 复原装置模型图

图6 手部康复仪整体效果图

3 结语

优化后的手部康复仪能对人的手进行固定防止错误运动而造成对患者的二次伤害。并可以在训练时在手心放置一个弹性握球。每一个手指都有对应的康复系统实现了每个手指运动的独立化，对每个手指进行分单元训练康复。本款舵机式手指康复仪只需患者直接将手指放入橡胶手套中，操作简单方便，机身相对轻便。以舵机为动力源并与拉伸弹簧的配合的实现了手指的弯曲伸直的运动。减速电机的驱动使手指能够进行反复运动，从而达到锻炼的目的。