本發(fā)明涉及手指康復(fù)訓(xùn)練裝置領(lǐng)域，具體是一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練裝置及方法。

背景技術(shù)：

腦卒中、腦癱、腦腫瘤等威脅人類健康的重大疾病容易引發(fā)人體一側(cè)出現(xiàn)肢體麻木，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)偏癱，偏癱往往會導(dǎo)致患者手指僵硬化，最典型的癥狀是手指呈現(xiàn)彎曲、蜷縮和痙攣的狀態(tài)，若不能進(jìn)行有效的手指康復(fù)訓(xùn)練，必然會引起手部肌肉的萎縮，對患者的日常生活造成嚴(yán)重影響。

傳統(tǒng)的手指康復(fù)治療中，醫(yī)生一對一的對患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這種治療方式難以保證康復(fù)訓(xùn)練的效率和強度，而且會加劇醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān)，造成醫(yī)療資源的緊張。因此，開發(fā)輔助偏癱患者手指運動功能的康復(fù)訓(xùn)練裝置，對于手指偏癱患者的康復(fù)具有重大的應(yīng)用價值。

公開號為CN103750980A的中國專利申請公開了一種用于病人偏癱手指的輔助康復(fù)訓(xùn)練裝置，公開號為CN104970949A的中國專利申請公開了一種穿戴式氣動肌肉指關(guān)節(jié)主被動康復(fù)訓(xùn)練裝置，這些裝置對手指的康復(fù)訓(xùn)練起到了一定的作用，但仍存在一些問題：（1）前者利用電機進(jìn)行驅(qū)動，穩(wěn)定性和安全性相對較差，特別是出現(xiàn)故障時很容易失去控制，對手指產(chǎn)生二次傷害的可能性較大；（2）上述兩種裝置都只能實現(xiàn)單根手指的康復(fù)訓(xùn)練，效率較低，不能滿足偏癱患者多手指同時進(jìn)行協(xié)調(diào)性康復(fù)訓(xùn)練的要求。因此有必要發(fā)明一種手指康復(fù)訓(xùn)練裝置，使其既適用于單根手指運動功能康復(fù)訓(xùn)練，又適用于多手指協(xié)調(diào)性康復(fù)訓(xùn)練，同時將手指康復(fù)訓(xùn)練的主/被動功能有機結(jié)合，縮短患者康復(fù)訓(xùn)練周期，保障康復(fù)訓(xùn)練的安全性，最大限度的輔助恢復(fù)患者手部的運動功能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的是提供一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練裝置及方法，以滿足偏癱患者多手指運動功能的主/被動協(xié)調(diào)恢復(fù)訓(xùn)練要求。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于：包括：

機械手固定板，其立向設(shè)置，機械手固定板后側(cè)板面連接有可調(diào)節(jié)綁帶；

四根掌骨，其分別沿前后方向設(shè)置，四根掌骨后端分別連接在機械手固定板前側(cè)板面上部不同位置；

四個氣動肌肉組，每個氣動肌肉組分別由兩個沿前后方向設(shè)置的氣動肌肉A和B構(gòu)成，四個氣動肌肉組一一對應(yīng)設(shè)置在掌骨右側(cè)，每個氣動肌肉組中兩氣動肌肉A和B后端分別各自通過U型連接件鉸接在機械手固定板前側(cè)板面上；

四個磁流變阻尼器B，分別各自具有外殼體B和中心軸沿左右水平方向的旋轉(zhuǎn)軸B，四個磁流變阻尼器B分別通過各自的外殼體B一一對應(yīng)連接在掌骨前端，每個磁流變阻尼器B中，旋轉(zhuǎn)軸B的左、右端分別穿出對應(yīng)的外殼體B，且旋轉(zhuǎn)軸B的右端分別同軸固定安裝有第二關(guān)節(jié)同步帶輪，且第二關(guān)節(jié)同步帶輪一一對應(yīng)位于氣動肌肉組前方，每個第二關(guān)節(jié)同步帶輪上分別繞過有鋼絲繩，鋼絲繩兩端分別連接在位置對應(yīng)的氣動肌肉組中兩個氣動肌肉A和B前端，每個外殼體B的左側(cè)分別設(shè)有角度傳感器B，每個角度傳感器B的基座分別通過支撐板與對應(yīng)的掌骨前端固定連接，每個角度傳感器B的輸入軸分別與對應(yīng)的磁流變阻尼器中旋轉(zhuǎn)軸B的左端同軸固定連接；

四個第二關(guān)節(jié)支撐架，其分別沿前后方向設(shè)置，并一一對應(yīng)設(shè)置在磁流變阻尼器B前方，每個第二關(guān)節(jié)支撐架后端分別通過延伸部與對應(yīng)的磁流變阻尼器B中旋轉(zhuǎn)軸B左端固定連接，每個第二關(guān)節(jié)支撐架底部分別連接有第二關(guān)節(jié)指托；

四個磁流變阻尼器A，分別各自具有外殼體A和中心軸沿左右水平方向的旋轉(zhuǎn)軸A，四個磁流變阻尼器A分別通過各自的外殼體A一一對應(yīng)連接在第二關(guān)節(jié)支撐架前端，每個磁流變阻尼器A中，旋轉(zhuǎn)軸A的左、右端分別穿出對應(yīng)的外殼體A，且旋轉(zhuǎn)軸A的右端分別同軸固定安裝有第一關(guān)節(jié)同步帶輪，第一關(guān)節(jié)同步帶輪一一對應(yīng)位于第二關(guān)節(jié)同步帶輪前方，且第一關(guān)節(jié)同步帶輪與第二關(guān)節(jié)同步帶輪之間通過同步齒形帶傳動連接，每個外殼體A的左側(cè)分別設(shè)有角度傳感器A，每個角度傳感器A的基座分別通過支撐板與對應(yīng)的第二關(guān)節(jié)支撐架固定連接，每個角度傳感器A的輸入軸分別與對應(yīng)的磁流變阻尼器中旋轉(zhuǎn)軸A的左端同軸固定連接；

四個第一關(guān)節(jié)支撐架，其分別沿前后方向設(shè)置，并一一對應(yīng)設(shè)置在磁流變阻尼器A前方，每個第一關(guān)節(jié)支撐架后端分別通過延伸部與對應(yīng)的磁流變阻尼器A中旋轉(zhuǎn)軸A左端固定連接，每個第一關(guān)節(jié)支撐架底部分別連接有第一關(guān)節(jié)指托。

所述的一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于：還包括一一對應(yīng)配置于四個氣動肌肉組的氣動系統(tǒng)，每個氣動系統(tǒng)分別包括氣壓源、氣源調(diào)節(jié)裝置、兩個減壓閥、比例壓力閥A、比例壓力閥B、電磁換向閥A、電磁換向閥B，氣壓源通過管路與氣源調(diào)節(jié)裝置進(jìn)氣口連接，氣源調(diào)節(jié)裝置出氣口分別通過管路與兩個減壓閥進(jìn)氣口連接，其中一個減壓閥出氣口通過管路與比例壓力閥A進(jìn)氣口連接，另一個減壓閥出氣口通過管路與比例壓力閥B進(jìn)氣口連接，且比例壓力閥A、比例壓力閥B與對應(yīng)的減壓閥之間管路上分別安裝有壓力計，比例壓力閥A出氣口通過管路與電磁換向閥A進(jìn)氣口連接，比例壓力閥B出氣口通過管路與電磁換向閥B進(jìn)氣口連接，且比例壓力閥A、比例壓力閥B、電磁換向閥A、電磁換向閥B上分別安裝有消聲器，電磁換向閥A出氣口通過管路與對應(yīng)的氣動肌肉組中其中一個氣動肌肉A的進(jìn)氣口連接，電磁換向閥B出氣口通過管路與對應(yīng)的氣動肌肉組中另一個氣動肌肉B的進(jìn)氣口連接，且電磁換向閥A與對應(yīng)的氣動肌肉A之間管路上靠近氣動肌肉A進(jìn)氣口位置安裝有壓力傳感器A，電磁換向閥B與對應(yīng)的氣動肌肉B之間管路上靠近氣動肌肉B進(jìn)氣口位置安裝有壓力傳感器B。

所述的一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于：還包括傳感與控制系統(tǒng)，傳感與控制系統(tǒng)包括所述的角度傳感器A、角度傳感器B、壓力傳感器A、壓力傳感器B，以及兩個電流控制器、四個D/A轉(zhuǎn)換器、四個A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集板卡和計算機，所述計算機與數(shù)據(jù)采集板卡雙向通訊連接，所述角度傳感器A、角度傳感器B、壓力傳感器A、壓力傳感器B的輸出端一一對應(yīng)與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集板卡的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集板卡的輸出端分別與四個D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，其中兩個D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端一一對應(yīng)與比例壓力閥A、比例壓力閥B的輸入端連接，另外兩個D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端一一對應(yīng)與兩個電流控制器的輸入端連接，兩個電流控制器的輸出端一一對應(yīng)與磁流變阻尼器A、磁流變阻尼器B的輸入端連接。

一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練方法，其特征在于：為被動訓(xùn)練方法，包括以下步驟：

（1）、進(jìn)行系統(tǒng)初始化，調(diào)整電磁換向閥A、B處于右位工作，磁流變阻尼器A、B處于失電狀態(tài)；

（2）、由計算機發(fā)出指令開啟傳感與控制系統(tǒng)，患者在醫(yī)生幫助下完成一次抓握和伸展動作。抓握過程中，壓力傳感器B采集氣動肌肉B的壓力信號，伸展過程中，壓力傳感器A采集氣動肌肉A的壓力信號；角度傳感器A、B分別采集第一關(guān)節(jié)同步帶輪、第二關(guān)節(jié)同步帶輪的角度信號；

（3）、所采集的壓力信號和角度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后輸入數(shù)據(jù)采集板卡，由計算機分別求得抓握過程中氣動肌肉B和伸展過程中氣動肌肉A所需氣壓值；

（4）、在無醫(yī)生幫助下，由計算機發(fā)出開機指令，開啟氣壓源進(jìn)行供氣，壓力氣體依此經(jīng)氣源調(diào)節(jié)裝置過濾、減壓閥穩(wěn)壓；

（5）、保持電磁換向閥A處于右位，調(diào)整電磁換向閥B處于左位，計算機按所需氣壓值向數(shù)據(jù)采集板卡輸出控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后調(diào)節(jié)比例壓力閥B的開度，控制氣動肌肉B的進(jìn)氣壓力，驅(qū)動鋼絲繩下段收縮，帶動第二關(guān)節(jié)同步帶輪作逆時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第二關(guān)節(jié)支撐架、第二關(guān)節(jié)指托作逆時針擺動；與此同時，第二關(guān)節(jié)同步帶輪經(jīng)同步齒形帶，帶動第一關(guān)節(jié)同步帶輪作逆時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第一關(guān)節(jié)支撐架、第一關(guān)節(jié)指托作逆時針擺動；根據(jù)采集的壓力和角度信號實時調(diào)整氣壓值，輔助患者完成手指抓握動作的被動康復(fù)訓(xùn)練；

（6）、調(diào)整電磁換向閥A處于左位，電磁換向閥B處于右位，計算機按所需氣壓值向數(shù)據(jù)采集板卡輸出控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后調(diào)節(jié)比例壓力閥A的開度，控制氣動肌肉A的進(jìn)氣壓力，驅(qū)動鋼絲繩上段收縮，帶動第二關(guān)節(jié)同步帶輪作順時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第二關(guān)節(jié)支撐架、第二關(guān)節(jié)指托作順時針擺動；與此同時，第二關(guān)節(jié)同步帶輪經(jīng)同步齒形帶，帶動第一關(guān)節(jié)同步帶輪作順時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第一關(guān)節(jié)支撐架、第一關(guān)節(jié)指托作順時針擺動；根據(jù)采集的壓力和角度信號實時調(diào)整氣壓值，輔助患者完成手指伸展動作的被動康復(fù)訓(xùn)練；

（7）、重復(fù)步驟（5）～步驟（6），直至訓(xùn)練結(jié)束，由計算機發(fā)出停機指令，依次關(guān)閉氣動系統(tǒng)、傳感與控制系統(tǒng)，停止信號采集和數(shù)據(jù)處理。

一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練方法，其特征在于：為主動訓(xùn)練方法，包括以下步驟：

（1）、進(jìn)行系統(tǒng)初始化，調(diào)整電磁換向閥A、B處于右位工作，磁流變阻尼器A、B處于失電狀態(tài)；

（2）、由計算機發(fā)出開機指令，開啟傳感與控制系統(tǒng)；

（3）、患者通過指托自行完成抓握和伸展動作，抓握過程中，壓力傳感器B采集氣動肌肉B的壓力信號，伸展過程中，壓力傳感器A采集氣動肌肉A的壓力信號；角度傳感器A、B分別采集第一關(guān)節(jié)同步帶輪、第二關(guān)節(jié)同步帶輪的角度信號；

（4）、所采集的壓力信號和角度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后輸入數(shù)據(jù)采集板卡，由計算機求得抓握和伸展動作中每根手指關(guān)節(jié)的彎曲力量以及磁流變阻尼器A、B所需提供的控制電流值；

（5）、在下一次抓握和伸展動作中，根據(jù)步驟四中求得的磁流變阻尼器A、B控制電流值，由計算機向數(shù)據(jù)采集板卡輸出控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后控制電流控制器的輸出電流，調(diào)節(jié)磁流變阻尼器A、B的勵磁強度，進(jìn)而為手指主動運動提供合適的阻尼力，以達(dá)到訓(xùn)練增強手指肌肉力量的目的；

（6）、重復(fù)步驟（3）～步驟（5），直至訓(xùn)練結(jié)束，由計算機發(fā)出停機指令，關(guān)閉傳感與控制系統(tǒng)，停止信號采集和數(shù)據(jù)處理。

本發(fā)明提供一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練裝置及方法，適用于手指偏癱患者多手指運動功能的主/被動協(xié)調(diào)康復(fù)訓(xùn)練。具有如下有益效果：

（1）氣動肌肉的伸縮率特性和響應(yīng)速度與生物肌肉相似度很高，具有良好的柔順性、安全性和較快的響應(yīng)速度，采用兩根氣動肌肉以雙端反向?qū)姆绞津?qū)動每個手指關(guān)節(jié)，其動作靈活、作用安全柔順，能夠有效避免對手指造成二次傷害，保障了康復(fù)訓(xùn)練的安全性；

（2）磁流變阻尼器是一種能量耗散型智能器件，具備安全穩(wěn)定、體積小、重量輕等優(yōu)點。通過被動力反饋，由磁流變阻尼器為手指主動運動提供合適的阻尼力，同時結(jié)合角度傳感器檢測手指關(guān)節(jié)活動范圍，從而控制其運動幅度，有利于提高手指康復(fù)訓(xùn)練效果；

（3）通過角度傳感器和壓力傳感器實時檢測角度和壓力數(shù)據(jù)，并反饋至計算機中，以獲取患者當(dāng)前的手指運動功能狀態(tài)，根據(jù)患者的恢復(fù)情況，由計算機發(fā)出控制信號自行切換主/被動訓(xùn)練形式和改變主動訓(xùn)練強度，能夠最大限度的輔助恢復(fù)患者手部運動功能；

（4）運用外骨骼裝置進(jìn)行手指康復(fù)訓(xùn)練，可以滿足手指偏癱患者多手指同時進(jìn)行協(xié)調(diào)性康復(fù)訓(xùn)練的要求，提高了康復(fù)訓(xùn)練效率，縮短了患者的康復(fù)周期。

附圖說明

圖1是本發(fā)明手指康復(fù)訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明單根手指康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明單根手指驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明氣動肌肉的氣動回路原理圖。

圖5是本發(fā)明磁流變阻尼器A的結(jié)構(gòu)圖。

圖6是本發(fā)明單根手指康復(fù)訓(xùn)練控制原理框圖。

圖7是本發(fā)明被動訓(xùn)練方法流程圖。

圖8是本發(fā)明主動訓(xùn)練方法流程圖。

圖中：1-第一關(guān)節(jié)支撐架；2-第一關(guān)節(jié)指托；3-角度傳感器A；4-第一關(guān)節(jié)同步帶輪；5-第二關(guān)節(jié)指托；6-磁流變阻尼器A；6-1-旋轉(zhuǎn)軸A；6-2-外殼體A；6-3-絕磁環(huán)；6-4-勵磁線圈；6-5-轉(zhuǎn)子；6-6-鍵；6-7-磁流變液；6-8-O型圈；7-支撐板A；8-支撐板B；9-第二關(guān)節(jié)支撐架；10-磁流變阻尼器B；10-1-旋轉(zhuǎn)軸；10-2-外殼體；11-掌骨；12-機械手固定板；13-可調(diào)節(jié)綁帶；14-U型連接件；15-氣動肌肉A；16-第二關(guān)節(jié)同步帶輪；17-鋼絲繩；18-同步齒形帶；19-氣動肌肉B；20-角度傳感器B；21-平鍵；22-圓錐銷；23-進(jìn)氣口；24-氣壓源；25-氣源調(diào)節(jié)裝置；26-減壓閥；27-壓力計；28-比例壓力閥A；29-消聲器；30-電磁換向閥A；31-壓力傳感器A；32-壓力傳感器B；33-電磁換向閥B；34-比例壓力閥B。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

本發(fā)明實施例包括：

如圖1所示，一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括有可調(diào)節(jié)綁帶13、固定在手臂上的機械手固定板12、依次固定在機械手固定板上的掌骨11、手指驅(qū)動機構(gòu)、手指康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)、以及氣動系統(tǒng)、傳感與控制系統(tǒng)。其中：所述掌骨11、手指驅(qū)動機構(gòu)、手指康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)，其數(shù)量均為4個；所述機械手固定板12下側(cè)面為適應(yīng)手腕結(jié)構(gòu)的弧形面，弧形角度為150°～180°之間，機械手固定板12通過可調(diào)節(jié)綁帶13固定于手臂部；

如圖3所示，所述手指驅(qū)動機構(gòu)包括氣動肌肉A15、氣動肌肉B19、兩個U型連接件14和一根外部裝有柔性套管的鋼絲繩17。氣動肌肉A15一端通過螺栓固定在U型連接件14上，氣動肌肉A15另一端連接鋼絲繩17上段，鋼絲繩17繞過第二關(guān)節(jié)同步帶輪16，鋼絲繩17下段與氣動肌肉B19一端固定連接，氣動肌肉B19另一端通過螺栓固定在U型連接件14上，U型連接件14通過螺釘固定在機械手固定板12上。其中：所述氣動肌肉是一種可收縮的直線型驅(qū)動裝置，由壓縮空氣控制，在氣動肌肉的外部覆蓋一層由高抗拉強度纖維編織的網(wǎng)套，在氣動肌肉的內(nèi)部填充彈性很好的橡膠管，氣動肌肉的兩端均采用鋼箍固定。

如圖1和圖2所示，所述手指康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)包括第一關(guān)節(jié)同步帶輪4、第二關(guān)節(jié)同步帶輪16、同步齒形帶18、第一關(guān)節(jié)支撐架1、第二關(guān)節(jié)支撐架9、第一關(guān)節(jié)指托2、第二關(guān)節(jié)指托5、磁流變阻尼器A6和磁流變阻尼器B10。第二關(guān)節(jié)同步帶輪16與磁流變阻尼器B10的旋轉(zhuǎn)軸B10-1一端通過平鍵21連接，磁流變阻尼器B10的外殼體B10-2通過螺釘固定在掌骨11上，旋轉(zhuǎn)軸B10-1另一端依次與第二關(guān)節(jié)支撐架9一端、角度傳感器B20的輸入軸通過平鍵21連接，第二關(guān)節(jié)支撐架9另一端與磁流變阻尼器A6的外殼體A6-2通過螺釘固定連接，磁流變阻尼器A6的旋轉(zhuǎn)軸A6-1一端與第一關(guān)節(jié)同步帶輪4通過平鍵21連接，旋轉(zhuǎn)軸A6-1另一端依次與第一關(guān)節(jié)支撐架1、角度傳感器A3的輸入軸通過平鍵21連接，第一關(guān)節(jié)同步帶輪4與第二關(guān)節(jié)同步帶輪16之間通過同步齒形帶18連接。其中：所述第一關(guān)節(jié)同步帶輪4、第二關(guān)節(jié)同步帶輪16、第一關(guān)節(jié)支撐架1、第二關(guān)節(jié)支撐架9均通過設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸A6-1和旋轉(zhuǎn)軸B10-1上的圓錐銷22實現(xiàn)軸向定位；所述第一關(guān)節(jié)支撐架1、第二關(guān)節(jié)支撐架9中部下端分別設(shè)有第一關(guān)節(jié)指托2、第二關(guān)節(jié)指托5；所述磁流變阻尼器A6與磁流變阻尼器B10的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)完全相同。

如圖2和圖6所示，所述傳感與控制系統(tǒng)包括壓力傳感器A31、壓力傳感器B32、角度傳感器A3、角度傳感器B20、電流控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集板卡和計算機。壓力傳感器A31和壓力傳感器B32分別安裝于氣動肌肉A15和氣動肌肉B19的進(jìn)氣口23處，角度傳感器A3和角度傳感器B20的輸入軸分別與旋轉(zhuǎn)軸A6-1和旋轉(zhuǎn)軸B10-1通過鍵21固定連接，角度傳感器A3和角度傳感器B20的基座均通過螺釘分別固定在支撐板A7和支撐板B8上，支撐板A7和支撐板B8通過螺釘分別與第二關(guān)節(jié)支撐架9和掌骨11固定連接。其中，壓力傳感器選用QBE2003-P10，其內(nèi)部自帶放大電路，根據(jù)采集信號成比例地輸出0～10VDC的模擬信號，可檢測0～1.0MPa的氣體壓力；角度傳感器選用的是光電編碼器ZSP3806，旋轉(zhuǎn)時帶動光電編碼器的光柵盤和光耦產(chǎn)生可識別方向的計數(shù)脈沖信號，用于測試旋轉(zhuǎn)軸角度信號，并將其傳輸給計算機以實時獲取各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度；電流控制器選用SC-1W，其輸入端和輸出端分別連接數(shù)據(jù)采集板卡和磁流變阻尼器，通過數(shù)據(jù)采集板卡輸出0～10V電壓信號進(jìn)行線性控制，對應(yīng)輸出電流為0～3A；數(shù)據(jù)采集板卡選用DAQ-2501，具有8通道模擬量輸出和24通道數(shù)字量輸入功能，其輸出端口向比例壓力閥和電流控制器輸入控制電壓信號，其輸入端口采集光電編碼器輸出的脈沖信號和壓力傳感器輸出的電壓信號，以獲取旋轉(zhuǎn)軸的角位移和氣動肌肉的供氣壓力；D/A轉(zhuǎn)換器選用DAC0809CCN，用于將數(shù)據(jù)采集板卡發(fā)出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號，來控制比例壓力閥的輸出壓力和電流控制器的輸出電流；A/D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809CCN，用于將壓力傳感器和角度傳感器采集的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，輸入至數(shù)據(jù)采集板卡；計算機選用PC104，計算機上包含有人機界面，用于與數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

如圖4所示，以氣動肌肉A15的氣動控制回路為例，其工作原理如下：氣壓源24輸出壓力氣體，先經(jīng)過氣源調(diào)節(jié)裝置25過濾、減壓閥26穩(wěn)壓，流向比例壓力閥A28和電磁換向閥A30，最后通過進(jìn)氣口23流入氣動肌肉A15，氣動肌肉A15的進(jìn)氣壓力由壓力傳感器A31測得，減壓閥26的出口壓力由壓力計27測得，比例壓力閥A28和電磁換向閥A30的出口處均裝有消聲器29。當(dāng)氣動肌肉A15內(nèi)充入壓力氣體后，其內(nèi)部橡膠管向外膨脹，與外層纖維網(wǎng)接觸，進(jìn)而產(chǎn)生軸向收縮，所產(chǎn)生的拉力驅(qū)動鋼絲繩17上段收縮。氣動肌肉A15的內(nèi)部氣壓由比例壓力閥A28通過計算機來控制。

如圖5所示，所述磁流變阻尼器A包括旋轉(zhuǎn)軸A6-1、外殼體A6-2、絕磁環(huán)6-3、勵磁線圈6-4、轉(zhuǎn)子6-5、鍵6-6、磁流變液6-7和O型圈6-8。旋轉(zhuǎn)軸A6-1與轉(zhuǎn)子6-5之間通過鍵6-6固定連接，轉(zhuǎn)子6-5兩端側(cè)面與外殼體A6-2內(nèi)壁形成軸向間隙，其內(nèi)部充滿磁流變液6-7，旋轉(zhuǎn)軸A6-1與外殼體A6-2之間用O形圈6-8密封，外殼體A6-2、磁流變液6-7和轉(zhuǎn)子6-5組成一個磁回路，設(shè)在勵磁線圈6-4內(nèi)腔的絕磁環(huán)6-3用于降低電磁泄露。當(dāng)勵磁線圈6-4未通入控制電流時，軸向間隙內(nèi)沒有磁場作用，磁流變液6-7表現(xiàn)為自由流動的牛頓流體特性，轉(zhuǎn)子6-5能夠在密封空間內(nèi)自由轉(zhuǎn)動；當(dāng)勵磁線圈6-4通入控制電流時，在軸向間隙內(nèi)產(chǎn)生磁場作用，磁流變液6-7的性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，粘度在幾毫秒時間內(nèi)迅速增大幾個數(shù)量級，剪切屈服應(yīng)力急劇增大，轉(zhuǎn)子6-5相對于外殼體A6-2轉(zhuǎn)動時剪切磁流變液6-7，從而對旋轉(zhuǎn)軸A6-1的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生阻力作用。

一種基于氣動肌肉和磁流變阻尼器的手指康復(fù)訓(xùn)練方法，包括被動訓(xùn)練方法和主動訓(xùn)練方法。其中：

如圖7所示，所述被動訓(xùn)練方法，具體實施步驟如下：

步驟一、進(jìn)行系統(tǒng)初始化，調(diào)整電磁換向閥A30和電磁換向閥B33處于右位工作，磁流變阻尼器A6和磁流變阻尼器B10處于失電狀態(tài)；

步驟二、由計算機發(fā)出指令開啟傳感與控制系統(tǒng)，患者在醫(yī)生幫助下完成一次抓握和伸展動作。抓握過程中，壓力傳感器B32采集氣動肌肉B19的壓力信號，伸展過程中，壓力傳感器A31采集氣動肌肉A15的壓力信號；角度傳感器A3和角度傳感器B20分別采集第一關(guān)節(jié)同步帶輪4、第二關(guān)節(jié)同步帶輪16的角度信號；

步驟三、所采集的壓力信號和角度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后輸入數(shù)據(jù)采集板卡，由計算機分別求得抓握過程中氣動肌肉B19和伸展過程中氣動肌肉A15所需氣壓值；

步驟四、在無醫(yī)生幫助下，由計算機發(fā)出開機指令，開啟氣壓源24進(jìn)行供氣，壓力氣體依此經(jīng)氣源調(diào)節(jié)裝置25過濾、減壓閥26穩(wěn)壓；

步驟五、保持電磁換向閥A30處于右位，調(diào)整電磁換向閥B33處于左位，計算機按所需氣壓值向數(shù)據(jù)采集板卡輸出控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后調(diào)節(jié)比例壓力閥B34的開度，控制氣動肌肉B19的進(jìn)氣壓力，驅(qū)動鋼絲繩17下段收縮，帶動第二關(guān)節(jié)同步帶輪16作逆時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第二關(guān)節(jié)支撐架9、第二關(guān)節(jié)指托5作逆時針擺動；與此同時，第二關(guān)節(jié)同步帶輪16經(jīng)同步齒形帶18，帶動第一關(guān)節(jié)同步帶輪4作逆時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第一關(guān)節(jié)支撐架1、第一關(guān)節(jié)指托2作逆時針擺動；根據(jù)采集的壓力和角度信號實時調(diào)整氣壓值，輔助患者完成手指抓握動作的被動康復(fù)訓(xùn)練；

步驟六、調(diào)整電磁換向閥A30處于左位，電磁換向閥B33處于右位，計算機按所需氣壓值向數(shù)據(jù)采集板卡輸出控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后調(diào)節(jié)比例壓力閥A28的開度，控制氣動肌肉A15的進(jìn)氣壓力，驅(qū)動鋼絲繩17上段收縮，帶動第二關(guān)節(jié)同步帶輪16作順時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第二關(guān)節(jié)支撐架9、第二關(guān)節(jié)指托5作順時針擺動；與此同時，第二關(guān)節(jié)同步帶輪16經(jīng)同步齒形帶18，帶動第一關(guān)節(jié)同步帶輪4作順時針轉(zhuǎn)動，進(jìn)而依次驅(qū)動第一關(guān)節(jié)支撐架1、第一關(guān)節(jié)指托2作順時針擺動；根據(jù)采集的壓力和角度信號實時調(diào)整氣壓值，輔助患者完成手指伸展動作的被動康復(fù)訓(xùn)練；

步驟七、重復(fù)步驟五～步驟六，直至訓(xùn)練結(jié)束，由計算機發(fā)出停機指令，依次關(guān)閉氣動系統(tǒng)、傳感與控制系統(tǒng)，停止信號采集和數(shù)據(jù)處理。

如圖8所示，所述主動訓(xùn)練方法，具體實施步驟如下：

步驟一、進(jìn)行系統(tǒng)初始化，調(diào)整電磁換向閥A30和電磁換向閥B33處于右位工作，磁流變阻尼器A6和磁流變阻尼器B10處于失電狀態(tài)；

步驟二、由計算機發(fā)出開機指令，開啟傳感與控制系統(tǒng)；

步驟三、患者通過指托自行完成抓握和伸展動作。抓握過程中，壓力傳感器B32采集氣動肌肉B19的壓力信號，伸展過程中，壓力傳感器A31采集氣動肌肉A15的壓力信號；角度傳感器A3和角度傳感器B20分別采集第一關(guān)節(jié)同步帶輪4、第二關(guān)節(jié)同步帶輪16的角度信號；

步驟四、所采集的壓力信號和角度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后輸入數(shù)據(jù)采集板卡，由計算機求得抓握和伸展動作中每根手指關(guān)節(jié)的彎曲力量以及磁流變阻尼器A6和磁流變阻尼器B10所需提供的控制電流值；

步驟五、在下一次抓握和伸展動作中，根據(jù)步驟四中求得的磁流變阻尼器A6和磁流變阻尼器B10控制電流值，由計算機向數(shù)據(jù)采集板卡輸出控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后控制電流控制器的輸出電流，調(diào)節(jié)磁流變阻尼器A6和磁流變阻尼器B10的勵磁強度，進(jìn)而為手指主動運動提供合適的阻尼力，以達(dá)到訓(xùn)練增強手指肌肉力量的目的；

步驟六、重復(fù)步驟三～步驟五，直至訓(xùn)練結(jié)束，由計算機發(fā)出停機指令，關(guān)閉傳感與控制系統(tǒng)，停止信號采集和數(shù)據(jù)處理。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。