劉相權(quán)，李啟光，高宏，郝靜如

本文所設(shè)計的肢體康復(fù)訓(xùn)練器的主要任務(wù)是為上、下肢傷殘或手術(shù)后需進行康復(fù)的患者，根據(jù)自身情況選擇相應(yīng)訓(xùn)練模式進行訓(xùn)練，盡可能恢復(fù)肌肉的運動能力[1]。

如圖1所示，根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計的樣機結(jié)構(gòu)包括四大部分[2]：

①底座與機架部分：是康復(fù)訓(xùn)練器的支撐部分，外部結(jié)構(gòu)為由方鋼管通過焊接而成的一個框架；

②上肢訓(xùn)練部件：包括手柄、手柄臂、轉(zhuǎn)軸、軸承、手部離合器等；

③下肢訓(xùn)練部分：包括腳蹬、腳蹬連桿、連桿軸、軸承、腳部離合器等；

④減速傳動部分：主要由伺服電機、減速器、一級帶傳動、二級帶傳動、三級帶傳動組成。

當(dāng)患者采用手部訓(xùn)練時，給手部離合器加電使手部離合器吸合，此時松開腳部離合器，這樣就組成了手部傳動系統(tǒng)；當(dāng)需要采用腳部訓(xùn)練時，把腳部離合器吸合，同時松開手部離合器，就組成了腳部傳動系統(tǒng)。

圖1 機械結(jié)構(gòu)圖

被動運動時，電機通過傳動部件，把力和速度傳送到腳部或手部執(zhí)行部件，此時電機起到助力作用；主動運動時，患者的力和速度作用于腳部或是手部執(zhí)行部件，通過傳動部件傳給電機，此時電機起到阻力的作用。

1 總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)是康復(fù)訓(xùn)練器的核心。它是控制機械部件進行正常工作、實現(xiàn)人機交互的關(guān)鍵所在。其主要完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、決策和控制任務(wù)[3]；通過實時采集外界環(huán)境和自身運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對整個電機力矩和速度的實時控制。圖2為控制系統(tǒng)總體框圖。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

控制系統(tǒng)硬件主要包括控制部件、動力部件、測控部件、人機交互部件、電控部件五部分。

1.1 控制部件

是控制系統(tǒng)的運算中心和控制中心。西門子公司的S7-200系列可編程序邏輯控制器(PLC)適用于各種場合中的監(jiān)測及控制的自動化，故選用西門子CPU 224XP作為主控部件。為了配合伺服電機使用兩路±10 V模擬量控制，故增加了模擬量輸出EM 232模塊[4]。

1.2 動力部件

系統(tǒng)運行過程中，電機不僅在被動模式下提供動力，也能在主動模式下提供阻力。由于交流伺服電動機當(dāng)信號電壓為0時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且機械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標(biāo)嚴格，故選用交流伺服電動機。為了對電機進行相應(yīng)的力矩控制和速度控制，需要使用相應(yīng)的驅(qū)動器與PLC進行通訊。

1.3 測控部件

包括麥克風(fēng)、脈搏傳感器和速度傳感器三個部分。

麥克風(fēng)是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)化器件。患者訓(xùn)練時，有可能發(fā)生肢體痙攣，在這種突發(fā)情況下，患者可發(fā)出較大聲音，檢測電路實時將超過一定強度的麥克風(fēng)聲音信號轉(zhuǎn)化為電平信號并傳遞至PLC，PLC接收到電平信號后，停止電機運行。根據(jù)實際需要，聲音強度可以分為三個等級，患者可根據(jù)實際情況預(yù)先設(shè)定。

系統(tǒng)采用光電式脈搏傳感器測量患者心率。脈搏傳感器探頭選用耳夾式探頭，其特點為輕便小巧，易于清潔。使用RS232串行接口，波特率可在4800～115,200之間進行選擇。訓(xùn)練時，患者將脈搏傳感器夾在耳垂上。選用eChip測量模塊，采用紅光光譜和紅外光譜兩個光源交替照射被檢測區(qū)域；通過位于eChip上的處理器計算所吸收兩種光的比率，即可測量到脈搏數(shù)據(jù)。通過PLC和eChip模塊通訊即可以采集到脈搏數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到患者心率過高時，停止電機運行。

速度檢測模塊由測速位圖和反射型光電傳感器組成。測速位圖其實就是由黑白相間的彩帶(圖3)。將其貼在腳部旋轉(zhuǎn)軸上，將反射型光電傳感器安裝在測速位圖附近，當(dāng)黑白彩帶交替通過時，產(chǎn)生一系列脈沖，遇到白色區(qū)域輸出高電平，遇到黑色區(qū)域輸出低電平。由此PLC可計算出轉(zhuǎn)動角度和速度。在圖3中，120°的黑色區(qū)域為腳蹬的過程中用力的有效區(qū)域?？筛鶕?jù)不對稱分布的黑色區(qū)域?qū)崿F(xiàn)左右腳的判別。

圖3 測速位圖

1.4 人機交互部件

人機交互界面接收患者指令信息，切換訓(xùn)練部位，控制電機輸出速度和輸出力矩；同時顯示系統(tǒng)運行過程中各種信息，如訓(xùn)練時間、訓(xùn)練速度、訓(xùn)練力量、脈搏信息、訓(xùn)練距離、消耗能量等。

為提高患者訓(xùn)練的主動性和趣味性，將虛擬現(xiàn)實引入到肢體康復(fù)訓(xùn)練機。訓(xùn)練時，利用虛擬現(xiàn)實控制技術(shù)，在觸摸屏上可以模擬出草坪、道路等虛擬環(huán)境，患者可以通過力反饋裝置與虛擬環(huán)境產(chǎn)生互動，一方面可提高患者訓(xùn)練的主觀能動性，另一方面可為患者提供暗示或幫助，享受一種身臨其境的感覺[5]。

1.5 電控部件

控制系統(tǒng)采用220 V交流電源供電，其中PLC和電機驅(qū)動器采用220 V交流電源直接供電，觸摸屏、反射型光電傳感器、離合器采用24 V直流電源供電，麥克風(fēng)采用5 V電源供電，脈搏傳感器需要采用3.3 V電源供電。故而系統(tǒng)需采用高效率開關(guān)電源，使220 V交流電轉(zhuǎn)換為24 V直流電源；然后再采用穩(wěn)壓電路，使24 V直流電轉(zhuǎn)換為5 V電源和3.3 V電源，實現(xiàn)系統(tǒng)供電。其供電系統(tǒng)圖如圖4所示。由于離合器在吸合的過程中會產(chǎn)生很大的瞬間電流，容易燒毀其他器件，故而兩個離合器采用單獨的220 V開關(guān)電源供電。

圖4 供電系統(tǒng)圖

2 軟件開發(fā)

肢體康復(fù)訓(xùn)練器控制系統(tǒng)采用上、下位機的控制形式，因此軟件開發(fā)分為上位機觸摸屏軟件和下位機PLC軟件兩部分。上位機起人機交互的作用，主要負責(zé)控制命令的發(fā)送和狀態(tài)信息顯示；下位機PLC的作用為接受控制命令和采集傳感器數(shù)據(jù)，通過模擬量控制電機的力矩和速度，達到滿足康復(fù)需求的目的?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化編程，系統(tǒng)運行過程中，根據(jù)檢測到的狀態(tài)條件，調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計功能如圖5所示[6]。

當(dāng)系統(tǒng)通電后，通過人機界面對系統(tǒng)進行訓(xùn)練模式設(shè)定，初始化就是對已經(jīng)選擇好的訓(xùn)練模式的模塊化準(zhǔn)備?；颊咴谶M行康復(fù)訓(xùn)練前必須選擇訓(xùn)練部位(手部或腳部)、訓(xùn)練模式(神經(jīng)模式、骨科模式、心肺模式)。骨科模式、心肺模式和神經(jīng)模式的主要區(qū)別是設(shè)置力量和功率不同：神經(jīng)模式下，設(shè)置的轉(zhuǎn)矩是恒定的，隨著速度的變化，電機輸出功率發(fā)生變化；而在骨科、心肺模式下，設(shè)置的功率是一定的，隨著速度的變化，轉(zhuǎn)矩也發(fā)生變化。

圖5 系統(tǒng)功能圖

如選擇腳部訓(xùn)練，首先判斷是否點擊人機界面上的“協(xié)助進入”按鈕。如果選擇了腳部協(xié)助，就會執(zhí)行協(xié)助進入程序，腳部執(zhí)行部件就會運行到使下肢容易進入的位置，然后進入到待機狀態(tài)；如果不選擇協(xié)助進入，系統(tǒng)直接進入待機狀態(tài)。如選擇手部訓(xùn)練，系統(tǒng)就會屏蔽掉協(xié)助進入按鈕，不能執(zhí)行協(xié)助進入程序。

系統(tǒng)開始運行后，系統(tǒng)實時檢測是否有暫停、換向、停止指令、運行時間是否結(jié)束、是否出現(xiàn)痙攣情況、是否出現(xiàn)聲波暫停信號，一旦檢測到相應(yīng)的信號就會做出相應(yīng)的處理。

康復(fù)訓(xùn)練器最重要的功能是康復(fù)治療，患者通過主動和被動的運動訓(xùn)練，達到康復(fù)的目的。無論在主動還是在被動運動狀態(tài)下，患者都可以通過人機交互界面，控制系統(tǒng)速度和系統(tǒng)力矩，故而對電機力矩控制顯得尤為重要。

2.1 速度與力矩控制

設(shè)置電機速度和力矩，首先要確定輸出到電機驅(qū)動器的模擬量數(shù)值和反饋回來的實際速度對應(yīng)的模擬量數(shù)值之間的對應(yīng)關(guān)系。

在沒有負載的情況下，均勻地改變輸出到電機的速度模擬量值，采集電機輸入PLC的速度模擬量值，數(shù)值-32,767～32,767對應(yīng)模擬量輸出電壓為-10～10 V。得到的數(shù)據(jù)通過MATLAB線性擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6 線性模擬

其中xx為PLC模擬量輸出口的數(shù)字表示形式，yy是PLC模擬量輸入口的數(shù)字表示形式。擬合結(jié)果為：

xx=(yy-16194)×5000÷1471

根據(jù)公式，通過行模擬量輸出控制運行速度。

患者訓(xùn)練過程中，感受到的力矩大小是一個模糊的量值，所以力矩控制僅需要有規(guī)律地增大或減小模擬量輸出值即可。

2.2 被動訓(xùn)練

在康復(fù)訓(xùn)練初期，患者肌力減弱，無法主動完成運動，只能依靠外部力量的幫助實現(xiàn)被動訓(xùn)練。電機在被動運動模式下，帶動人的肢體運動，起到助力作用。在不主動改變速度的情況下，電機的速度是恒定的。通過上位機可以設(shè)置轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。通過PLC系統(tǒng)對上位機設(shè)定的參數(shù)進行運算，把運算結(jié)果傳輸給電機驅(qū)動器，再通過驅(qū)動器的控制，控制電機輸出被動狀態(tài)下的速度和力矩。

2.3 主動訓(xùn)練

主動運動模式是在被動運動模式的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。主動運動的速度以被動運動的速度為基礎(chǔ)：首先設(shè)定被動運動的速度和力矩，設(shè)備以勻速的方式做被動運動；當(dāng)檢測到患者進行主動運動時，主動運動的速度一定會超越被動運動的速度，設(shè)備的速度調(diào)整為實際的主動運動速度，電機的輸出力矩方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從提供助力狀態(tài)變成提供阻力狀態(tài)。當(dāng)未檢測到主動運動時，設(shè)備會以勻減速的方式帶動腿部運行，直到速度降為目標(biāo)速度。

2.4 安全保護功能開發(fā)

在患者進行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，一旦患者肢體出現(xiàn)了痙攣，就會卡住電機，迫使電機的速度降為0或接近于0。在系統(tǒng)運行的過程中，若是通過檢測電機反饋的速度值突然接近0并且超過一定時間，就可以判斷患者肢體出現(xiàn)痙攣。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到患者發(fā)生痙攣時，暫存電機當(dāng)前的速度指令和力矩指令，并把當(dāng)前電機的速度指令和力矩指令設(shè)為0，停止電機運行，然后根據(jù)痙攣保護的預(yù)設(shè)方向(向前、向后、反向三種)，進行相應(yīng)的處理。當(dāng)痙攣保護為向前時，把系統(tǒng)的方向變換為向前的方向；當(dāng)痙攣保護設(shè)置為向后時，把系統(tǒng)的方向變換為向后的方向；當(dāng)痙攣保護的方向為反方向時，把系統(tǒng)的方向變換為與發(fā)生痙攣前運動方向相反的方向；把暫存的速度指令和力矩指令作為目標(biāo)值給電機，電機做勻加速運動直到速度目標(biāo)值，即完成了痙攣保護。

心率保護功能就是將通過脈搏傳感器檢測到的心率值和設(shè)定的心率限制值進行對比，當(dāng)大于心率限制時減低運行速度和減少運行的電機阻力。當(dāng)系統(tǒng)在一次訓(xùn)練過程中連續(xù)4次出現(xiàn)心率過載情況，說明降低患者的訓(xùn)練強度已不奏效，需要采取停機控制，直到患者心率下降，自行重啟動系統(tǒng)。

聲波停止功能在緊急情況下使用，患者只需要大叫一聲即可使系統(tǒng)停止，直到患者自行啟動系統(tǒng)為止。聲音信號通過電路比較結(jié)果以數(shù)字量的形式送入PLC。當(dāng)系統(tǒng)檢測到聲波輸入信號，直接把系統(tǒng)運行速度的目標(biāo)值設(shè)為0，系統(tǒng)進行勻減速運行，直到系統(tǒng)停止。

2.5 人機交互界面功能設(shè)計

測控系統(tǒng)的啟動、停止、暫停、正反向信號等都由上位機設(shè)定。其控制按鈕對應(yīng)著PLC相應(yīng)的位寄存器，點擊按鈕可以改變位寄存器的數(shù)值，通過變化的位寄存器數(shù)值控制系統(tǒng)運行。

人機交互界面顯示系統(tǒng)運行過程中的時間、訓(xùn)練速度、訓(xùn)練力量、脈搏信息、訓(xùn)練距離以及訓(xùn)練能量等信息。通過系統(tǒng)狀態(tài)提示能夠讓患者更好地了解自己的訓(xùn)練狀況，更有益于患者康復(fù)訓(xùn)練。

3 運行平順性測試

運行平順性主要表現(xiàn)在主動狀態(tài)和被動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)猛力蹬踏腳蹬時，會感覺有滑蹬的現(xiàn)象。其波形圖如圖7。

分析原因如下：實驗者用力過猛時，腳蹬運行速度迅速升高，當(dāng)系統(tǒng)檢測到實驗者不再發(fā)力時，即進入勻減速過程；這個過程不是從最大速度處開始，而是從較小的速度開始，這樣在實驗過程中就會出現(xiàn)一個瞬時的高速數(shù)值，但實驗者的肢體速度跟不上這個值，就會出現(xiàn)滑蹬現(xiàn)象，即肢體感覺有蹬空的現(xiàn)象。

通過改變電機的速度環(huán)增益和速度環(huán)積分時間參數(shù)，有利于調(diào)整系統(tǒng)改變滑蹬現(xiàn)象，并能增加系統(tǒng)的平順性和反應(yīng)速度。經(jīng)過改進，調(diào)整過的波形圖如圖8，雖然滑蹬現(xiàn)象無法完全消除，但已有很大程度改善。

圖7 滑蹬現(xiàn)象波形圖

4 討論

本文討論的肢體康復(fù)訓(xùn)練器控制系統(tǒng)，不僅能產(chǎn)生助力，帶動患者進行被動訓(xùn)練，而且能產(chǎn)生阻力，使患者克服阻力進行主動訓(xùn)練，進一步恢復(fù)肌肉的力量。控制系統(tǒng)采用觸摸屏生動、實時檢測全部運動過程，反饋功能對患者具有積極的激勵作用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入，使得患者在輕松愉快的環(huán)境中鍛煉，增強了訓(xùn)練效果。

控制系統(tǒng)提供多種訓(xùn)練治療模式，為物理治療提供了理想的康復(fù)解決方案，適用于神經(jīng)科、骨科、心內(nèi)科、康復(fù)科等臨床治療科室，亦可在家庭中日常使用。臨床試驗表明，該康復(fù)訓(xùn)練器對患者具有顯著的療效，可極大改善患者的治療效果。

圖8 調(diào)整后波形圖

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