手部多關節功能康復設備電氣控制系統的設計

班戈 劉志峰 胡慧敏

摘 ?要：基于對手部手指關節的屈伸、腕關節的彎曲運動功能的分析，設計了手部多關節功能康復設備電氣控制系統，該系統實現了腦卒中引起的上肢肌無力患者手部多關節在一定角度范圍內做屈曲和拉伸康復訓練的同時還可以對其前臂屈肌群和伸肌群做輔助按壓式按摩康復。該系統具有功耗低，噪音小，體積小的特點。

關鍵詞：康復訓練;單片機;電磁閥;屈伸

中圖分類號：TH772.2 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

腦卒中是一種突發的腦血液循環障礙性疾病。據統計，我國腦卒中患者高發，每年新生增長率呈上升趨勢，且腦卒中后約有85%的患者伴有上肢功能損傷。主要臨床表現為10%手部首先受累，肢體無力，晨起關節無僵硬。所以如不在早期及時康復治療將導致嚴重后果。而手部運動功能的復健、恢復是偏癱康復難題之一[1-3]。對于手部無力的患者，首先應該進行被動康復訓練和肢體功能性按摩。通過研制相應的手部康復訓練設備不但可以幫助腦卒中引起的對側或雙側上肢肌無力患者進行康復訓練還可以減輕醫護人員或家庭成員的工作負擔。

基于對手部關節的屈伸、腕關節的彎曲運動功能的分析，設計了一種集手部多關節被動訓練和前臂肌肉按壓式康復設備控制系統。

2 系統設計

手部多關節功能康復設備電氣控制系統由手部多關節屈伸訓練模塊和前臂肌肉按壓式按摩模塊組成。

2.1 手部多關節屈伸訓練模塊設計

通過AT89C51單片機電路程序設計實現步進電機正反轉，電機轉速的控制和調節，電機轉動角度可根據實際康復訓練需要進行調節設定;采用數碼管顯示電機角度、速度，并顯示訓練時間。整個裝置由晶體振蕩電路、復位電路、顯示電路、步進電機驅動電路按鍵模塊等組成。電機驅動選擇具有高壓、大電流雙H橋式驅動器的L298、鎖存器選用74LS373。

手部多關節屈伸訓練模塊整體電路設計如圖2所示，選用芯片L298作用直流電機驅動帶動手指多關節的伸展和屈曲，按鍵電路對直流電機的正反轉、加速減速、開始、停止進行控制。通過系統編程，L298芯片驅動步進電機正反轉動，可根據自身實際訓練情況進行轉動角度（10°、20°、30°、40°、50°）、轉動速度（1-5擋，1擋最慢、5擋最快）的設定，并實現訓練開始時數碼管顯示康復訓練時間。

2.2 小臂肌肉按壓式按摩模塊設計

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的開關電源供電，使用電源穩壓芯片7805將電源電壓穩定到5V給STC89C52RD單片機供電。

氣泵控制電路由單片機輸出信號控制繼電器的開關，在這個系統中，通過對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為直流電12V。

選用型號為LY370APM的氣泵，該氣泵單位時間內的空氣流量大，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，由單片機來控制電磁閥的開關，在氣泵為兩組組條形氣囊充氣的同時，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成，整體供電為直流12V的電源，工作電路分為：單片機最小系統，氣泵控制電路，電磁閥控制電路。使用三端穩壓集成電路LM7805直接把直流12V電壓轉換成直流5V電壓為單片機STC89C52RD供電，單片機STC89C52RD會自動復位，計時方式為內部時鐘電路的時鐘計時，單片機的P2.0引腳輸出高電平使三極管Q1導通，繼電器閉合，P2接口通電，驅動氣泵開始工作，這個時候，單片機的P2.1引腳也輸出高電平使三極管Q2導通，繼電器閉合，P3接口通電，驅動電磁閥1開始工作，為氣囊充氣，當單片機的定時時間達到，氣囊開始通過電磁閥1排氣，此時P2.2引腳輸出高電平，Q3導通，P4接口通電，驅動電磁閥2開始工作，為另一組條形氣囊充氣，到達單片機預定時間后，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。整個工作是電磁閥1與電磁閥2的依次重復工作，當達到系統設置的按摩時間后，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 結束語

手部多關節功能康復設備電氣控制系統由手部多關節屈伸訓練模塊和小臂肌肉按壓式按摩模塊組成。手部多關節屈伸訓練模塊通過對手指運動角度的設定以及康復訓練計時的顯示、電機正轉反轉、加速減速等軟件編程，達到預期康復訓練目標，可以實現被動康復訓練的功能。前臂肌肉按壓式按摩模塊作為手部康復訓練后的輔助按摩裝置主要通過自帶三個16位的定時器且內置復位電路的STC89C52RD單片機組成最小控制系統，通過控制氣泵對氣囊的充氣順序達到按摩前臂肌肉的刺激加速血液循環的功能。此設備可以用于幫助腦卒中引起的對側或雙側上肢肌無力患者進行康復訓練。

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