下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

石征錦 路 璐 劉雨欣

（沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159）

腦卒中等疾病會(huì)導(dǎo)致身體機(jī)能衰退和運(yùn)動(dòng)功能障礙。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方式是由經(jīng)驗(yàn)豐富的康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)師與患者一對(duì)一治療，療效較好[1]。但是，醫(yī)療人員有限，很多患者可能會(huì)錯(cuò)過最佳訓(xùn)練恢復(fù)期，出現(xiàn)肌肉萎縮等情況。與常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練相比，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人輔助訓(xùn)練具有高精度、高重復(fù)性、無疲勞及康復(fù)過程可視化等優(yōu)點(diǎn)，非常適合患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[2]。人機(jī)交互控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是提高患者的康復(fù)訓(xùn)練效果，減輕康復(fù)醫(yī)師的負(fù)擔(dān)。

1 系統(tǒng)工作框架

下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)為分布式控制結(jié)構(gòu)，可分為上層、中層和底層3層。上層是Android移動(dòng)端，負(fù)責(zé)運(yùn)行人機(jī)交互界面。中層是工控機(jī)，負(fù)責(zé)接收和發(fā)送控制指令。底層是伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和編碼器，是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)角度等信息的采集。

2 軟件開發(fā)要求

上位機(jī)為Android移動(dòng)端，下位機(jī)為工控機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過基于傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的Socket通信實(shí)現(xiàn)無線保真（Wireless-Fidelity，Wi-Fi）通信，使用LCD顯示模組（Liquid Crystal Display Module，LCM）傳輸協(xié)議傳輸關(guān)節(jié)角度等數(shù)據(jù)?？祻?fù)訓(xùn)練流程圖如圖1所示，設(shè)計(jì)要求如下。

圖1 康復(fù)訓(xùn)練軟件流程

（1）通信功能。在同一局域網(wǎng)內(nèi)可以遠(yuǎn)程登錄工控機(jī)進(jìn)行雙向通信，并保證傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)的傳輸速度和可靠性。

（2）控制功能。可以對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行初始化，控制康復(fù)訓(xùn)練啟停，選擇康復(fù)訓(xùn)練模式，設(shè)定訓(xùn)練參數(shù)，配備急停功能。

（3）數(shù)據(jù)顯示功能?？梢詫?shí)時(shí)顯示康復(fù)訓(xùn)練過程中的下肢關(guān)節(jié)角度，并生成動(dòng)態(tài)曲線。

3 Android移動(dòng)客戶端功能開發(fā)

整體軟件設(shè)計(jì)采用MVC（Model View Controller）框架，分為模型層、視圖層和控制層。模型層存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯處理對(duì)象的屬性定義和操作，為控制層提供數(shù)據(jù)和操作支撐。視圖層作為人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)加載模型層的數(shù)據(jù)結(jié)果，顯示視圖層的繪制，響應(yīng)用戶輸入[3]?？刂茖咏邮沼脩粼谝晥D層的輸入，并調(diào)用模型和視圖完成用戶請(qǐng)求。

3.1 無線通信模塊開發(fā)

通過使用JSch實(shí)現(xiàn)對(duì)工控機(jī)Linux系統(tǒng)的遠(yuǎn)程登錄。JSch是一個(gè)由Java語言實(shí)現(xiàn)的基于SSH2協(xié)議的通信包。JSch允許連接到SSHD服務(wù)器完成端口轉(zhuǎn)發(fā)、X11轉(zhuǎn)發(fā)、文件傳輸?shù)裙δ埽⒖稍贘ava程序中集成相關(guān)功能[4]。SSH（Secure SHell）協(xié)議可以自動(dòng)加密、驗(yàn)證和壓縮傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，具有高安全性。

通過基于TCP/IP傳輸協(xié)議的Socket通信實(shí)現(xiàn)控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送到工控機(jī)的功能。套接字（Socket）是通信的基石，是網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元，支持TCP/IP協(xié)議。

通過基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）的LCM通信，傳輸外骨骼關(guān)節(jié)角等數(shù)據(jù)。LCM是一組用于消息傳遞和數(shù)據(jù)編組的庫和工具，是針對(duì)高帶寬和低延遲關(guān)鍵的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。LCM具有4 GB的最大報(bào)文容量，是一個(gè)最大的報(bào)文傳輸機(jī)制，可以最大可能地降低數(shù)據(jù)傳遞過程中的丟包現(xiàn)象。LCM提供日志記錄、回放和流量檢測等功能，使開發(fā)者能快速、高效地分析LCM系統(tǒng)的行為和性能[5]。

3.2 人機(jī)交互界面開發(fā)及功能實(shí)現(xiàn)

輸入賬號(hào)、密碼以及下位機(jī)的網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址，點(diǎn)擊重啟主站，即可對(duì)下肢外骨骼進(jìn)行初始化設(shè)置。點(diǎn)擊登錄即可成功登錄人機(jī)交互控制系統(tǒng)。用戶成功登錄后，進(jìn)入主菜單界面進(jìn)行系統(tǒng)操作。主菜單界面是整個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)的首界面，點(diǎn)擊開啟程序，開啟TCP按鈕，即可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置階段。

用戶點(diǎn)擊關(guān)節(jié)角度可以調(diào)整關(guān)節(jié)角度。關(guān)節(jié)角度全部調(diào)節(jié)完成后，點(diǎn)擊保存即可。若關(guān)節(jié)角度不需要調(diào)整，可以直接點(diǎn)擊模式選擇按鈕模式進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)患者康復(fù)恰當(dāng)選擇的訓(xùn)練模式后，會(huì)彈出是否調(diào)節(jié)剛度的對(duì)話框。此時(shí)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

設(shè)置完參數(shù)后，點(diǎn)擊開始按鈕即可開始康復(fù)訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中可以實(shí)時(shí)觀察各關(guān)節(jié)矢狀面的角度軌跡，對(duì)比患者各關(guān)節(jié)步態(tài)軌跡和正常人步態(tài)軌跡。康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束后，點(diǎn)擊結(jié)束按鈕，停止康復(fù)訓(xùn)練。如果在訓(xùn)練過程中遇到問題，可隨時(shí)點(diǎn)擊急停按鈕，確?；颊咴谟?xùn)練過程中不受到二次傷害。

4 功能測試

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，如圖2所示。Android移動(dòng)端可以連接外骨骼康復(fù)機(jī)器人內(nèi)部工控機(jī)開啟的熱點(diǎn)，或者當(dāng)二者處于同一局域網(wǎng)下時(shí)，用戶可通過輸入IP地址的方式成功通信。

圖2 下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人

進(jìn)行外骨骼康復(fù)機(jī)器人與Android移動(dòng)端之間的測試驗(yàn)證，包括Android與工控機(jī)建立通信連接后，對(duì)康復(fù)機(jī)器人的控制、參數(shù)調(diào)整、顯示動(dòng)態(tài)曲線以及急停等，如圖3所示。

圖3 軟件成功運(yùn)行

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，Android移動(dòng)端可以對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的角度設(shè)置與剛度設(shè)置，可以進(jìn)行站立、行走、通透3種模式訓(xùn)練，可以成功接收工控機(jī)實(shí)時(shí)傳輸?shù)母黜?xiàng)數(shù)據(jù)生成關(guān)節(jié)角的動(dòng)態(tài)曲線，實(shí)時(shí)顯示角度軌跡，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)語

針對(duì)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，提出一種基于Android移動(dòng)客戶端的人機(jī)交互系統(tǒng)，解決了使用計(jì)算機(jī)造成的成本較高、設(shè)備較大等問題。采用無線通信方式進(jìn)行雙向信息傳輸，解決了串口通信在康復(fù)訓(xùn)練過程中不夠靈活的問題，使患者康復(fù)訓(xùn)練更加便捷。在通信過程中，使用LCM通信實(shí)時(shí)傳輸關(guān)節(jié)角等數(shù)據(jù)，在保證傳輸速度的同時(shí)，最大限度地減少數(shù)據(jù)丟失。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，系統(tǒng)使用性能良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。