手部多關(guān)節(jié)功能康復(fù)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

班戈 劉志峰 胡慧敏

摘 ?要：基于對(duì)手部手指關(guān)節(jié)的屈伸、腕關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)功能的分析，設(shè)計(jì)了手部多關(guān)節(jié)功能康復(fù)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了腦卒中引起的上肢肌無力患者手部多關(guān)節(jié)在一定角度范圍內(nèi)做屈曲和拉伸康復(fù)訓(xùn)練的同時(shí)還可以對(duì)其前臂屈肌群和伸肌群做輔助按壓式按摩康復(fù)。該系統(tǒng)具有功耗低，噪音小，體積小的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：康復(fù)訓(xùn)練;單片機(jī);電磁閥;屈伸

中圖分類號(hào)：TH772.2 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）32-0037-02

Abstract： Based on the analysis of flexion and extension of finger joints and flexion of wrist joints， this paper designs an electrical control system of hand multi-joint rehabilitation equipment， which achieves the function of rehabilitation training of flexion and stretching of multiple joints of the hand in patients with upper limb muscle weakness caused by stroke， and at the same time facilitates the assistant compression massage rehabilitation of flexor and extensor muscles of the forearm. The system has the characteristics of low power consumption， low noise and small volume.

Keywords： rehabilitation training; single chip computer; solenoid valve; flexion and stretching

1 概述

腦卒中是一種突發(fā)的腦血液循環(huán)障礙性疾病。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國腦卒中患者高發(fā)，每年新生增長率呈上升趨勢(shì)，且腦卒中后約有85%的患者伴有上肢功能損傷。主要臨床表現(xiàn)為10%手部首先受累，肢體無力，晨起關(guān)節(jié)無僵硬。所以如不在早期及時(shí)康復(fù)治療將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。而手部運(yùn)動(dòng)功能的復(fù)健、恢復(fù)是偏癱康復(fù)難題之一[1-3]。對(duì)于手部無力的患者，首先應(yīng)該進(jìn)行被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和肢體功能性按摩。通過研制相應(yīng)的手部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備不但可以幫助腦卒中引起的對(duì)側(cè)或雙側(cè)上肢肌無力患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練還可以減輕醫(yī)護(hù)人員或家庭成員的工作負(fù)擔(dān)。

基于對(duì)手部關(guān)節(jié)的屈伸、腕關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)功能的分析，設(shè)計(jì)了一種集手部多關(guān)節(jié)被動(dòng)訓(xùn)練和前臂肌肉按壓式康復(fù)設(shè)備控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

手部多關(guān)節(jié)功能康復(fù)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)由手部多關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練模塊和前臂肌肉按壓式按摩模塊組成。

2.1 手部多關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練模塊設(shè)計(jì)

通過AT89C51單片機(jī)電路程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度可根據(jù)實(shí)際康復(fù)訓(xùn)練需要進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定;采用數(shù)碼管顯示電機(jī)角度、速度，并顯示訓(xùn)練時(shí)間。整個(gè)裝置由晶體振蕩電路、復(fù)位電路、顯示電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路按鍵模塊等組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇具有高壓、大電流雙H橋式驅(qū)動(dòng)器的L298、鎖存器選用74LS373。

手部多關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練模塊整體電路設(shè)計(jì)如圖2所示，選用芯片L298作用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)手指多關(guān)節(jié)的伸展和屈曲，按鍵電路對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加速減速、開始、停止進(jìn)行控制。通過系統(tǒng)編程，L298芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)，可根據(jù)自身實(shí)際訓(xùn)練情況進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)角度（10°、20°、30°、40°、50°）、轉(zhuǎn)動(dòng)速度（1-5擋，1擋最慢、5擋最快）的設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練開始時(shí)數(shù)碼管顯示康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間。

2.2 小臂肌肉按壓式按摩模塊設(shè)計(jì)

前臂按壓式按摩裝置模塊由電源控制中心、氣泵控制電路、電磁閥控制線路組成。

電源控制中心采用單片機(jī)STC89C52RD，該電源控制中心為充氣泵和電磁閥提供工作需要的電壓及電流。電源控制中心使用DC12V，2A的開關(guān)電源供電，使用電源穩(wěn)壓芯片7805將電源電壓穩(wěn)定到5V給STC89C52RD單片機(jī)供電。

氣泵控制電路由單片機(jī)輸出信號(hào)控制繼電器的開關(guān)，在這個(gè)系統(tǒng)中，通過對(duì)電磁閥的控制為兩組條形氣囊充氣，氣泵控制電路的額定電壓設(shè)為直流電12V。

選用型號(hào)為LY370APM的氣泵，該氣泵單位時(shí)間內(nèi)的空氣流量大，每秒的充氣量30ml，充氣速度快[4]，符合智能前臂肌肉按壓式按摩裝置的充氣需求，其額定電流是200mA。

電磁閥控制線路與氣泵控制電路的工作方式相同，由單片機(jī)來控制電磁閥的開關(guān)，在氣泵為兩組組條形氣囊充氣的同時(shí)，控制條形氣囊的充氣、放氣順序，電磁閥額定工作電壓與氣泵額定工作電壓相同，均為直流電12V。

小臂肌肉按壓式按摩模塊電路見圖3，該電路模塊由電源電路和工作電路構(gòu)成，整體供電為直流12V的電源，工作電路分為：單片機(jī)最小系統(tǒng)，氣泵控制電路，電磁閥控制電路。使用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805直接把直流12V電壓轉(zhuǎn)換成直流5V電壓為單片機(jī)STC89C52RD供電，單片機(jī)STC89C52RD會(huì)自動(dòng)復(fù)位，計(jì)時(shí)方式為內(nèi)部時(shí)鐘電路的時(shí)鐘計(jì)時(shí)，單片機(jī)的P2.0引腳輸出高電平使三極管Q1導(dǎo)通，繼電器閉合，P2接口通電，驅(qū)動(dòng)氣泵開始工作，這個(gè)時(shí)候，單片機(jī)的P2.1引腳也輸出高電平使三極管Q2導(dǎo)通，繼電器閉合，P3接口通電，驅(qū)動(dòng)電磁閥1開始工作，為氣囊充氣，當(dāng)單片機(jī)的定時(shí)時(shí)間達(dá)到，氣囊開始通過電磁閥1排氣，此時(shí)P2.2引腳輸出高電平，Q3導(dǎo)通，P4接口通電，驅(qū)動(dòng)電磁閥2開始工作，為另一組條形氣囊充氣，到達(dá)單片機(jī)預(yù)定時(shí)間后，P2.2引腳輸出低電平，Q3，電磁閥2停止工作，氣囊通過電磁閥2排氣，緊接著電磁閥1開始工作。整個(gè)工作是電磁閥1與電磁閥2的依次重復(fù)工作，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的按摩時(shí)間后，P2.0引腳輸出低電平，Q1截止，繼電器斷開，充氣泵停止工作。

3 結(jié)束語

手部多關(guān)節(jié)功能康復(fù)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)由手部多關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練模塊和小臂肌肉按壓式按摩模塊組成。手部多關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練模塊通過對(duì)手指運(yùn)動(dòng)角度的設(shè)定以及康復(fù)訓(xùn)練計(jì)時(shí)的顯示、電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速等軟件編程，達(dá)到預(yù)期康復(fù)訓(xùn)練目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的功能。前臂肌肉按壓式按摩模塊作為手部康復(fù)訓(xùn)練后的輔助按摩裝置主要通過自帶三個(gè)16位的定時(shí)器且內(nèi)置復(fù)位電路的STC89C52RD單片機(jī)組成最小控制系統(tǒng)，通過控制氣泵對(duì)氣囊的充氣順序達(dá)到按摩前臂肌肉的刺激加速血液循環(huán)的功能。此設(shè)備可以用于幫助腦卒中引起的對(duì)側(cè)或雙側(cè)上肢肌無力患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

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