中風康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計

海南醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)部 楊 芳

中風康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計

海南醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)部 楊 芳

本訓(xùn)練裝置實現(xiàn)用機械臂帶動患肢運動，幫助病人神經(jīng)康復(fù)。機械臂采用氣動人工肌肉作為驅(qū)動器，給出了訓(xùn)練裝置的運動軌跡規(guī)劃，并采用ARM處理器實現(xiàn)訓(xùn)練裝置的運算量大和實時性要求。本訓(xùn)練裝置具有便攜性可以滿足家庭訓(xùn)練。

訓(xùn)練裝置；氣動人工肌肉；關(guān)節(jié)模型；ARM

0 引言

隨著老齡人口的增加，年齡增長引起的疾病也逐漸增加，其中最常見、危害最大的就是中風。隨著醫(yī)療水平的提高，其死亡率已有所下降，但致殘率居高不下。大約1/3的腦卒中存活者會遺留嚴重的殘疾，最常見的結(jié)果是上肢運動與協(xié)調(diào)的功能障礙，大約85%的腦卒中患者一開始顯示出上肢功能障礙而只有50%的患者能夠恢復(fù)患側(cè)的上肢功能[1][2]。對其偏癱部位進行康復(fù)訓(xùn)練是十分重要和關(guān)鍵的醫(yī)療手段，及早進行康復(fù)訓(xùn)練可以大大減少殘疾的可能性。

1 訓(xùn)練裝置

本訓(xùn)練裝置是用機械臂帶動患肢按預(yù)先設(shè)定的軌跡做被動和主動運動。本訓(xùn)練裝置由控制器、壓力比例閥、氣動人工肌肉、角度傳感器、壓力傳感器組成。氣動人工肌肉工作所需要氣壓由外部氣源提供，當氣體從外部氣源向氣動人工肌肉流動時經(jīng)過壓力比例閥，壓力比例閥的作用是控制流入氣動人工肌肉的氣體壓強。隨后氣流進入氣動人工肌肉，使得氣動人工肌肉收縮或伸張，兩個氣動人工肌肉通過鏈輪連接，不同的氣壓使得其對外有力的輸出從而使得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動[3][4]。將測得角度傳感器和壓力傳感器的數(shù)據(jù)反饋到ARM控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)將測得值與設(shè)定值相比較，并控制壓力比例閥流入氣動人工肌肉的氣壓來消除兩者之間的誤差，從而保證設(shè)定值與實際值一致。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 氣動人工肌肉

氣動人工肌肉是患肢運動的驅(qū)動器。氣動人工肌肉是由一段外部包裹的纖維網(wǎng)的橡膠筒和兩端的接頭連接組成，如同生物肌肉那樣能產(chǎn)生很強的收縮力[5][6][7]。當氣動人工肌肉充氣后，橡膠筒開始變形膨脹。由于纖維編織網(wǎng)的剛度很大，其對橡膠筒的約束使得氣動人工肌肉徑向膨脹和軸向收縮。

上式為氣動人工肌肉的輸出力F與壓強P之間的關(guān)系式，從式中可以看出氣動人工肌肉的輸出力與壓強成正比。式中α0為編織角，r為半徑，k為校正值，L0為初始長度。

3 運動軌跡規(guī)劃

訓(xùn)練裝置對于運動路徑有嚴格要求，必須在直角坐標空間中進行規(guī)劃，然后將規(guī)劃得到的直角坐標空間中的軌跡序列運用訓(xùn)練裝備運動學(xué)反解算法變換到關(guān)節(jié)坐標空間中，再進行關(guān)節(jié)運動軸的控制。圖2所示就是訓(xùn)練裝置在直角坐標空間中進行路徑規(guī)劃控制的框圖。

圖2 路徑規(guī)劃控制的框圖

如圖3所示，由余弦定理有：

從圖3可以看出，實際運行中，要到達同一個位置可能有兩種路徑，如何從運動學(xué)的多組反解中選擇一組合適的解是一個值得研究的問題。一般地，具有多組反解的運動學(xué)問題可以采用優(yōu)化算法來解決，定義一個優(yōu)化準則，選擇滿足優(yōu)化準則的最優(yōu)解作為運動學(xué)的確定反解。當不存在障礙物時，可以使用“最短行程”準則，因為訓(xùn)練裝置的運動是連續(xù)的，結(jié)合前一次訓(xùn)練裝置運動學(xué)反解得到的關(guān)節(jié)坐標位置，選取使訓(xùn)練裝置關(guān)節(jié)運動量最小的一組解作為反解，這種選取方法可以使得訓(xùn)練裝置的運動保持連續(xù)。

4 控制系統(tǒng)

為滿足控制系統(tǒng)的運算量大、實時性要求，本設(shè)計的控制系統(tǒng)采用 PHLIPS的LPC2210作為處理器，該處理器是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位144腳ARM7TDMI-S CPU 的微控制器[8]。一個嵌入式處理器自己是不能獨立工作的，因此一個ARM嵌入式最小系統(tǒng)包括：電源電路、系統(tǒng)時鐘電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)存儲器電路和調(diào)試接口，如圖4所示。

圖4 ARM控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)的作用是：①根據(jù)預(yù)定位置(x,y)計算出角度的大小θ1、θ2；②通過θ1、θ2的大小計算氣動人工肌肉1、2、3、4應(yīng)該的伸縮量ε；③根據(jù)伸縮量ε計算流入氣動人工肌肉的氣壓并控制壓力比例閥流入氣動人工肌肉的氣壓；④比較各壓力傳感器的實際測量值與計算值是否一致，若不一致控制改變壓力比例閥流入氣動人工肌肉的氣壓；⑤角度傳感器的反饋數(shù)據(jù)進入控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)比較實際值和測量值，若不一致控制并調(diào)整數(shù)值。

5 結(jié)語

本訓(xùn)練裝置采用的氣動人工肌肉作為驅(qū)動器，氣動人工肌肉組成的關(guān)節(jié)模型具有自緩沖、自穩(wěn)定的特點，從而使得訓(xùn)練裝置更加安全。控制系統(tǒng)采用ARM處理器，能夠滿足本訓(xùn)練裝置運算量大、實時性的要求，設(shè)計的訓(xùn)練裝置是以任務(wù)為導(dǎo)向的運動訓(xùn)練從而使患肢達到神經(jīng)康復(fù)的目的。

[1]Parker,VM,Wade DT,Langton-Hewer R,et al.Loss of Arm Function after Stroke:Measurement,Frequency,and Recovery.Int Rehabil Med,1986,8:69-73.

[2]Broeks JG,Lankhorst GJ, et al.The Long-term Outcome of Arm Function after Stroke:Results of a Follow up Study.Disabil&Rehab il,1999,21(8):357-364.

[3]TU Diep Cong Thanh, Kyoung Kwan Ahn.Nonlinear PID control to improve the control performance of2 axes pneumatic artificial muscle manipulator using neural network. Mechatronics16,2006,:577–587.

[4]Kyoung Kwan Ahn *, Huynh Thai Chau Nguyen.Intelligent switching control of a pneumatic muscle robot arm using learning vector quantization neural network. Mechatronics 17,2007:255–262.

[5]Chou, C.-P., and B. Hannaford. Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles. IEEE Transactions on Robotics and Automation 12,1996:90–102.

[6]Chou C P,Hannaford B.Measurement and modeling of mckibben pneumatic artificial muscles.IEEE Trans Rob Autom,1996,12(1):90-102.

[7]Wang,SF,Sato,K.High-precision motion control of a stage with pneumatic artificial muscle.PRECISION ENGINEERING-JOURNAL OF THE INTERNATIONAL SOCIETIES FOR PRECISION ENGINEERING AND NANOTECHNOLOGY,2016,1(43):448-461.

[8]http://www.alldatasheet.com.

短路電流周期分量起始有效值：

本設(shè)計是基于單一景點深度開發(fā)的專門性的游客服務(wù)的手機APP。本設(shè)計專注于單一景點開發(fā)，因此景點的信息覆蓋全面，沒有冗雜信息干擾，目的性明確，垂直服務(wù)于景點旅游的游客。本設(shè)計的意義在于旅游景區(qū)為游客提供更好的服務(wù)，為用戶提供更好的指引。同時游客能夠通過APP隨時隨地了解某一景區(qū)的最新動態(tài)，有利于自己選擇合適的時間出游，并且能夠快速地滿足酒店、旅游社以及旅客三方面的需求[3]。

當10kV母線并列運行時，10kV側(cè)短路：

短路電流周期分量起始有效值：

計算結(jié)果顯示，當10kV母線并列運行時，10kV側(cè)發(fā)生短路,短路全電流最大有效值達36.35kA，考慮10kV設(shè)備開斷電流不宜選擇過大，故主變壓器低壓側(cè)10kV母線不考慮并列運行方式。

通過上述的短路電流計算可進行短路的動穩(wěn)定校驗，動穩(wěn)定條件為：

式中：ich—短路電流沖擊值(kA)；Ich—短路全電流最大有效值(kA)；idf—電器允許的極限通過電流峰值(kA)；Idf—電器允許的額定短路開斷電流(kA)；

短路電流計算結(jié)果和設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)的比較詳見下表：

由上表可見，各電壓等級的最大短路電流均在所選斷路器的開斷能力之內(nèi)，所選擇的110kV SF6斷路器、10kV真空斷路器完全滿足動穩(wěn)定的要求。

4 結(jié)論

本文通過110kV谷陽變電站的設(shè)計實例對短路電流計算作了重要闡述，為該變電站的進一步設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]焦留成.供配電設(shè)計手冊[M].中國計劃出版社,1999.

[2]王錫凡.電力工程基礎(chǔ)[M].西安交通大學(xué)出版社,1998.

[3]張煒.電力系統(tǒng)分析[M].中國水利水電出版社,1999.

[4] 水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊(電氣一次部分)[M].中國電力出版社,1996.

作者簡介：

楊曉艷，女，安徽蚌埠人，工程師，現(xiàn)供職于國網(wǎng)安徽省電力公司蚌埠供電公司經(jīng)研所。

楊芳（1983- ），女，講師，主要從事醫(yī)學(xué)物理教學(xué)，研究方向為醫(yī)療儀器。

海南醫(yī)學(xué)院教育科研課題《醫(yī)學(xué)信息管理專業(yè)模擬電路與數(shù)字電路課程改革與實踐》（編號：HYP201514）。