下肢智能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧綺芳 （無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，江蘇 無(wú)錫214153）

傳統(tǒng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)存在著訓(xùn)練功能單一、保護(hù)患者的安全措施不夠完善、不能保存患者信息并與上位醫(yī)療管理系統(tǒng)進(jìn)行共享、訓(xùn)練過(guò)程枯燥乏味等缺點(diǎn)。為此，筆者對(duì)下肢智能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)一套融合現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)且成本相對(duì)低廉的智能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人并加以推廣，讓更多的患者能夠通過(guò)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的幫助改善康復(fù)過(guò)程，重建運(yùn)動(dòng)機(jī)能，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求主要包括如下幾方面：通過(guò)上位ARM控制器與下位驅(qū)動(dòng)器通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制；選用的驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的恒電流、恒速度和位置控制；系統(tǒng)工作模式包括主動(dòng)訓(xùn)練模式（由訓(xùn)練踏車(chē)以可調(diào)節(jié)的恒速度帶動(dòng)患者運(yùn)動(dòng)）、被動(dòng)訓(xùn)練模式（患者做踏車(chē)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)為患者提供恒定阻力矩）和力量測(cè)試模式（踏車(chē)在患者可選的位置鎖定，測(cè)定患者蹬力）。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定系統(tǒng)主要組成部件如下：基于ARM9內(nèi)核的上位觸控平臺(tái)；24V－200W直流伺服電機(jī)（帶有光電編碼器）；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的恒流、恒速和位置控制）；轉(zhuǎn)軸扭矩傳感器（輸入24V，輸出0～5V），量程為30Nm；電壓放大器（輸入24V，輸出0～5V）；RS232串口通信模塊；89S52下位單片機(jī)最小系統(tǒng)（負(fù)責(zé)采集轉(zhuǎn)軸扭矩信號(hào)）；電壓轉(zhuǎn)換模塊（輸入7～40V，穩(wěn)定輸出12V和5V電壓）。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。用戶通過(guò)觸摸屏來(lái)向基于ARM內(nèi)核的處理機(jī)（簡(jiǎn)稱ARM處理機(jī)）來(lái)發(fā)送控制命令，ARM處理機(jī)將控制信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)器能夠識(shí)別的指令，通過(guò)RS232串行接口發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器接收到指令后，根據(jù)指令控制直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)恒流或者恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。在驅(qū)動(dòng)器對(duì)直流電動(dòng)機(jī)控制的過(guò)程中，直流電機(jī)尾部的光電編碼器不斷采集直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸位置，并反饋給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器借以得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸位置和轉(zhuǎn)軸速度，同時(shí)對(duì)供電電流或者電壓進(jìn)行相關(guān)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制要求［1－2］。直流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，AD轉(zhuǎn)換接口不斷通過(guò)轉(zhuǎn)軸扭矩傳感器采集轉(zhuǎn)軸上的力矩值，在必要時(shí)反饋給ARM處理機(jī)并顯示在觸摸屏上。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。220V轉(zhuǎn)24V的穩(wěn)壓電源輸出3路24V電源，分別為低壓電源轉(zhuǎn)換模塊、電壓放大模塊、直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。低壓電源轉(zhuǎn)換模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V和12V的穩(wěn)定電壓，偏差不超過(guò)±3%，5V電源為89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)供電，12V電源為ARM觸摸屏控制平臺(tái)供電。ARM觸摸屏控制平臺(tái)通過(guò)2個(gè)RS232串行通信模塊分別直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)通信。89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)通過(guò)電源線、控制總線、數(shù)據(jù)總線與ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接。由于轉(zhuǎn)軸扭矩傳感器的輸出電壓范圍為0～5V，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊無(wú)法直接采集，需要由電壓放大模塊將轉(zhuǎn)軸扭矩傳感器的輸出電壓放大后再提供給ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集。轉(zhuǎn)軸扭矩傳感器通過(guò)聯(lián)軸器連接在直流伺服電機(jī)輸出軸和傳動(dòng)軸之間。直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電源線與直流伺服電機(jī)相連，同時(shí)為直流伺服電機(jī)尾部的光電編碼器提供＋5V電源。光電編碼器通過(guò)A、B兩路通道將直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置信息反饋給直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

3 人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)

人機(jī)操作界面（簡(jiǎn)稱界面）設(shè)計(jì)的基本要求如下：與用戶交流界面友好，易于看懂和操作；界面盡量美觀，達(dá)到商品化的要求；實(shí)現(xiàn)ARM控制平臺(tái)的WINCE啟動(dòng)后控制軟件自動(dòng)運(yùn)行。

3.1 操作系統(tǒng)的選擇

該硬件平臺(tái)采用基于ARM內(nèi)核的處理器，目前適用于該類處理器的主流操作系統(tǒng)有Windows CE系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)，由于Windows系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境比較自由，因而選擇Windows CE系統(tǒng)來(lái)作為該控制平臺(tái)的操作系統(tǒng)［3］。

3.2 界面美化處理

界面設(shè)計(jì)運(yùn)用的軟件為Visual Studio 2005，使用的語(yǔ)言為VC＋＋。界面使用桌面圖標(biāo)的樣式，具有二級(jí)頁(yè)面，包括桌面和功能界面，必要時(shí)加入附屬功能界面。利用外加的“CeButtonST按鈕”類進(jìn)行界面美化處理，即通過(guò)“CeButtonST按鈕”類所包含的多個(gè)函數(shù)，根據(jù)需要修改圖標(biāo)，為按鈕添加各種豐富的樣式，實(shí)現(xiàn)類似桌面圖標(biāo)風(fēng)格的效果［4－5］

3.3 操作流程

1）用戶注冊(cè)和登錄 如果患者第一次使用該系統(tǒng)，那么需要進(jìn)行注冊(cè)，單擊進(jìn)入注冊(cè)界面（見(jiàn)圖3）。首先輸入賬號(hào)、密碼和確認(rèn)密碼，若信息填寫(xiě)無(wú)誤，則出現(xiàn)注冊(cè)成功的界面?；颊咦?cè)成功后即返回登錄界面，將注冊(cè)時(shí)的信息填寫(xiě)進(jìn)去，錯(cuò)誤時(shí)會(huì)有信息提示，信息填寫(xiě)無(wú)誤時(shí)則出現(xiàn)成功信息。最后返回主界面，在桌面正下方會(huì)出現(xiàn)患者登錄的賬號(hào)信息。

圖3 注冊(cè)界面

圖4 主動(dòng)訓(xùn)練模式界面

2）訓(xùn)練模式選擇 成功登錄后，患者可以單擊主動(dòng)訓(xùn)練模式圖標(biāo)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)界面（見(jiàn)圖4）。主動(dòng)訓(xùn)練模式適用于具有部分運(yùn)動(dòng)機(jī)能的患者，因而可以選擇訓(xùn)練時(shí)間，也可以自定義時(shí)間，單擊之后即返回訓(xùn)練界面。此外，可以拖動(dòng)界面的滑塊來(lái)調(diào)節(jié)訓(xùn)練的強(qiáng)度值，也可以通過(guò)單擊滑塊下方的4個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的微調(diào)。選擇好上述內(nèi)容后即可進(jìn)行主動(dòng)式訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，也可以重新調(diào)節(jié)強(qiáng)度，只要設(shè)置后單擊“應(yīng)用”按鈕即可有效。訓(xùn)練結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止，并提示訓(xùn)練時(shí)間結(jié)束。如果訓(xùn)練中想暫停，可以單擊“暫停”鍵。如果想提前結(jié)束可以單擊“結(jié)束訓(xùn)練”按鈕鍵。被動(dòng)訓(xùn)練模式適用于喪失肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)能的患者，其界面和使用方法與主動(dòng)訓(xùn)練模式類似，其主要區(qū)別是系統(tǒng)中的直流伺服電機(jī)會(huì)以患者選擇的速度帶動(dòng)下肢進(jìn)行踏車(chē)運(yùn)動(dòng)，從而幫助患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)能。

3）娛樂(lè)功能的使用 如果患者在訓(xùn)練過(guò)程忠感覺(jué)枯燥的話，也可以選擇訓(xùn)練界面的“娛樂(lè)”鍵，再單擊“打開(kāi)”按鈕進(jìn)行音樂(lè)選擇。在播放音樂(lè)時(shí)，可以選擇“后臺(tái)運(yùn)行”鍵，返回到訓(xùn)練界面。當(dāng)患者結(jié)束訓(xùn)練時(shí)，音樂(lè)會(huì)隨機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。

4）力量測(cè)試模式的運(yùn)用 在桌面上單擊“力量測(cè)量”圖標(biāo)，即會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)界面（見(jiàn)圖5）。測(cè)力模式適用于下肢具有一定運(yùn)動(dòng)機(jī)能的患者，其可以通過(guò)運(yùn)用測(cè)力模式測(cè)試下肢蹬力。在該模式下，患者單擊“手動(dòng)軸位”按鈕，手動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)力時(shí)轉(zhuǎn)軸的位置（此時(shí)一定要先按下“松開(kāi)”鍵，使轉(zhuǎn)軸處于自由狀態(tài)），調(diào)節(jié)好后按下“抱緊”鍵即可開(kāi)始測(cè)試。此外，可以選擇“自動(dòng)軸位”，通過(guò)“上轉(zhuǎn)”、“下轉(zhuǎn)”按鈕來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸的位置，然后點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”鍵進(jìn)行下肢力量測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后，可以單擊“結(jié)束測(cè)試”鍵并保存測(cè)試結(jié)果。

5）查看訓(xùn)練歷史界面 在登錄情況下，在桌面上單擊“訓(xùn)練歷史”圖標(biāo)，即可出現(xiàn)訓(xùn)練歷史查看主界面，單擊圖標(biāo)后會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)模式的訓(xùn)練歷史紀(jì)錄，包含患者的訓(xùn)練時(shí)間、強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)。在主動(dòng)訓(xùn)練模式和被動(dòng)訓(xùn)練模式下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為患者存儲(chǔ)訓(xùn)練歷史。在力量測(cè)試模式下，單擊“保存結(jié)果”按鍵后會(huì)保存測(cè)試結(jié)果。

6）注銷(xiāo)界面 如果患者訓(xùn)練后想關(guān)閉賬號(hào)信息，可以單擊桌面的“注銷(xiāo)”按鈕，這樣便于其他患者使用該系統(tǒng)。

圖5 力量測(cè)試模式界面

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)下肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，具體闡述了該系統(tǒng)硬件和人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)和搭建，并詳細(xì)介紹了人機(jī)操作界面的操作流程（包括用戶注冊(cè)和登錄、訓(xùn)練模式選擇、娛樂(lè)功能的使用、力量測(cè)試模式的運(yùn)用、查看訓(xùn)練歷史及界面注銷(xiāo)）。下肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以滿足不同康復(fù)階段患者的需求，從而提高下肢運(yùn)動(dòng)缺陷患者的康復(fù)訓(xùn)練水平。

［1］ 謝欲曉，白偉，張羽 .下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì) ［J］.中國(guó)醫(yī)療器械信息，2010，16（2）：5－8，56.

［2］ 張付祥，付宜利，王樹(shù)國(guó) .康復(fù)機(jī)器人研究進(jìn)展 ［J］.河北工業(yè)科技，2005，22（2）：100－105.

［3］ 杜志江，孫傳杰，陳艷寧 .康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 ［J］.中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2003，18（5）：293－294.

［4］ 王廣志，任宇鵬，季林紅，等 .機(jī)器人輔助運(yùn)動(dòng)神經(jīng)康復(fù)的研究現(xiàn)狀 ［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2004，16（4）：9－14.

［5］ 丁敏，李建民，吳慶文，等 .下肢步態(tài)康復(fù)機(jī)器人：研究進(jìn)展及臨床應(yīng)用 ［J］.中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，14（5）：6604－6607.