溫麗萍

摘 要：本文討論了一種基于多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測與軟判決信息融合技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。以MSP430系列MCU為核心構(gòu)建起一次信號處理系統(tǒng)。軟判決則依據(jù)驅(qū)動輪受力、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、患者坐姿著力傳感器陣列提供的諸多信息，將特有的觀測域分解成若干個互不相容的子區(qū)間，根據(jù)貝葉斯決策原理，通過信息融合方式，導(dǎo)出對康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)和用戶意愿的判定結(jié)果，并隨之作出相應(yīng)的驅(qū)動決策，獲得了較高的判斷精度和較好的訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞：單片機；傳感器；信息融合

1 引言

病中患者的肢體康復(fù)訓(xùn)練過程，一般期望在患者力所能及的情況下，使其盡可能在最重的“驅(qū)動阻尼負載”下實現(xiàn)連續(xù)的運動，由此獲得最佳的康復(fù)鍛煉效果。然而，對于不同的患者或位于不同康復(fù)階段的同一患者來說，達到這一理想狀態(tài)并不是一件容易的事。其中最具挑戰(zhàn)性的工作，是對于患者意圖及自身能力的判定以及隨后的驅(qū)動決策，特別是對于那些位于初級康復(fù)階段的“有心無力”的患者，這一點顯得尤為重要。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，檢測手段的不斷更新和嵌入式系統(tǒng)等高新技術(shù)的逐步成熟，為實現(xiàn)高智能化的康復(fù)訓(xùn)練過程提供了可能。本文討論的基于軟判決信息融合技術(shù)、且以單片機為現(xiàn)場一次信號處理的系統(tǒng)裝置實現(xiàn)了多參量康復(fù)訓(xùn)練過程的狀態(tài)監(jiān)測與控制，大大提高了判斷精度和可控驅(qū)動負載的適應(yīng)性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，通過傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)采集接口模塊送入控制器，控制器的數(shù)據(jù)處理模塊對其進行相應(yīng)處理，作出使用者的當前意圖和個人能力判斷，然后發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動動作命令。執(zhí)行模塊在接收到相應(yīng)命令后，通過外圍電路將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)執(zhí)行動作，驅(qū)動電機進入不同的狀態(tài)和采用不同的負載。

該方法的核心是依據(jù)常識和專家經(jīng)驗，采用合適的算法，借助于信息融合技術(shù)進行的軟判決，做出相應(yīng)的決策，實現(xiàn)智能化的適應(yīng)性負載驅(qū)動。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

訓(xùn)練儀機械系統(tǒng)：作為實驗裝置，這里采用參考文獻[3]的經(jīng)驗，利用電動車改裝構(gòu)成其整體構(gòu)架，整體構(gòu)架上安裝了相應(yīng)的傳感器和可調(diào)的阻尼器等。

傳感器：分別用于轉(zhuǎn)速和張力測量。轉(zhuǎn)速測量采用CS3020霍爾芯片，輸出脈沖信號可以直接輸入數(shù)據(jù)采集模塊。每旋轉(zhuǎn)一周可獲得6個脈沖輸出；張力測量采用多點采集方式，靠背、座墊和兩邊腳蹬各安裝了兩個同型號的薄膜片式張力傳感器，經(jīng)過多通道接口將數(shù)據(jù)送入采集模塊。

控制器：采用MSP430 系列單片機。其特點是低電源電壓、超低功耗、多種功能，適合于各種低功率場合。采樣電路為MSP430F149單片機內(nèi)部12位的A/D，采用標準的RS-232 方式與上位機進行串行通訊。

驅(qū)動負載：沿用電動車原有的電機，通過與控制器相連的接口裝置，使其可分別在電動機和發(fā)電機狀態(tài)下工作，并可通過在線驅(qū)動與調(diào)整，獲得不同的驅(qū)動阻尼。

PC主機：通過232接口與控制器進行通信，可在離線與在線兩種狀態(tài)下實施融合運算，進行決策分析，并將結(jié)果通過接口裝置送到控制器實現(xiàn)驅(qū)動控制。

3 用于康復(fù)訓(xùn)練過程狀態(tài)監(jiān)測的軟判決算法

從系統(tǒng)的諸多輸入信息考慮，有多個采集點的變化是隨機的，所以依賴于分散單一的傳感信號往往難以對患者意圖與其個人能力做出準確的判斷，而只有對各種信號作出綜合考慮，才有可能獲得理想的康復(fù)訓(xùn)練過程。

4 結(jié)論

本文監(jiān)測器因為采用了軟判決信息融合技術(shù)，多個傳感器對康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)多方位的監(jiān)控，能有效地克服傳感器本身離散性大，對其他因素干擾大等問題，從而提高了狀態(tài)監(jiān)測的可信度， 減少了誤判率。采用多參量融合技術(shù)后，融合了多個傳感器的不同信息，任何單個參量出錯都不會導(dǎo)致最終結(jié)果出錯，而且可保證一定的靈敏度，可靠性增強。監(jiān)測器將康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)預(yù)報分為預(yù)報和報警兩級，便于工作人員采取不同的措施。監(jiān)測器還具有結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)等特點。

參考文獻

[1] 宋雪臣 單振清 主編《傳感器與檢測技術(shù)》人民郵電出版社，2012年4月

[2] 黨宏社《控制系統(tǒng)仿真》西安電子科技大學(xué)出版社，2008

[3] 高欣等，“自行車仿真健身器的設(shè)計與實現(xiàn)”，《系統(tǒng)仿真學(xué)報》，Vol.15，No. 5，2005年5， pp.1163-1167

[4] 胡大可等，MSP430 系列FLASH 型超低功耗16 位單片機[M] . 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[5] 李宛洲《計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)》機械工業(yè)出版社 2010年6月