張 冰, 朱仰博， 張邦成, 關(guān)博文,陳玉超, 何 猛, 謝 涵

(長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

智能肢體康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計

張 冰, 朱仰博， 張邦成*, 關(guān)博文,陳玉超, 何 猛, 謝 涵

(長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

基于STM32系列芯片控制系統(tǒng)實時檢測腿部力量的大小，實現(xiàn)了上下肢功能障礙者訓(xùn)練時從被動到主動的自由轉(zhuǎn)換，增加了訓(xùn)練系統(tǒng)的柔順性?？刂葡到y(tǒng)通過檢測剩余力量自動調(diào)整力矩，使訓(xùn)練更加智能化。實驗結(jié)果表明，設(shè)計開發(fā)的智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器，重力檢測精度為0.6 N,速度控制誤差δ<2%。

智能; 肢體; 康復(fù); 訓(xùn)練器

0 引 言

對于上下肢功能障礙者的康復(fù)，醫(yī)學(xué)上通常是通過進行重復(fù)的特定任務(wù)訓(xùn)練，讓患者進行足夠的重復(fù)性活動，以此增強腿部肌肉和提高關(guān)節(jié)靈活性，基于這種方法的訓(xùn)練已取得良好的臨床效果[1-3]?？祻?fù)訓(xùn)練器作為醫(yī)療機器人的一個重要分支，已經(jīng)成為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點?？祻?fù)訓(xùn)練設(shè)備大致可以分為兩類，一類是借助于跑步機、懸吊帶等幫助患者進行上下肢運動訓(xùn)練，例如瑞士的LOKOMAT步行康復(fù)訓(xùn)練機器人；另一類是臥式伸曲腿，利用電機或氣囊型人造肌肉作為驅(qū)動裝置，通過電機軸的旋轉(zhuǎn)或使氣囊充、放氣實現(xiàn)上下肢的彎曲或伸長，例如布魯塞爾Vrije大學(xué)研發(fā)的ALTACRO康復(fù)訓(xùn)練器。

國內(nèi)的研究者也是使用懸吊步行式，例如清華大學(xué)研制的關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式康復(fù)訓(xùn)練器；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的臥式康復(fù)訓(xùn)練機器人。懸吊式訓(xùn)練康復(fù)器雖然結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但訓(xùn)練過程中必須有專業(yè)人員幫助，而且隨意性較強，不符合人體的運動機理，只能用于病情較輕的患者。臥式訓(xùn)練康復(fù)器的設(shè)計雖然更接近人腿真實的運動形式，具有輸出力大、有一定柔度等優(yōu)點，但是其穿戴復(fù)雜，沒有減重措施，對于病情較為嚴(yán)重的患者此方法實現(xiàn)難度較大。因此，文中設(shè)計了一種基于STM32系列控制芯片的踏車式康復(fù)訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)智能靈活、柔性度高、便于上下肢功能障礙者康復(fù)訓(xùn)練。

1 上下肢康復(fù)訓(xùn)練器工作原理

上下肢康復(fù)訓(xùn)練器分兩部分：一部分是訓(xùn)練上肢康復(fù)；另一部分是訓(xùn)練下肢康復(fù)。除上肢與下肢的力矩不同、設(shè)計尺寸不同外，上肢與下肢的訓(xùn)練方法和方式一樣。文中以下肢康復(fù)為例作詳細(xì)分解。

利用安裝在支架上的腳蹬，將腿部的力量通過曲柄傳遞給中軸，在中軸上增加了慣性輪，利用慣性輪具有保持動能的特性，能夠使系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時保持一定的轉(zhuǎn)動力矩，克服了主被動轉(zhuǎn)換時旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的波動，使運動更加穩(wěn)定[4]。在中心軸上安裝一對齒輪，減速比為50∶1，小齒輪的中心軸上一端經(jīng)聯(lián)軸器與直流無刷電機相連，一端經(jīng)聯(lián)軸器與中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動器相連。當(dāng)上位機STM32控制器通過壓力傳感器和編碼器檢測到訓(xùn)練者腿部的力矩不足以驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)時，控制系統(tǒng)啟動直流無刷電機，驅(qū)動輸出軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器后，帶動中軸旋轉(zhuǎn)，由腳蹬帶動腳部和腿部運動，從而達到帶動使用者訓(xùn)練效果。當(dāng)使用者的力量有剩余時，曲柄的轉(zhuǎn)動速度會加快，編碼器檢測到速度信號，并反饋至上位機，上位機則根據(jù)反饋信號速度的大小，控制中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動器的電壓，使中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動器產(chǎn)生一定的反向力矩，克服使用者剩余的力量，使曲柄的轉(zhuǎn)速始終保持一個定值。實時檢測系統(tǒng)由壓力傳感器和編碼器組成，將腳部的力矩和中軸旋轉(zhuǎn)的速度反饋給上位機STM32控制器，構(gòu)成雙閉環(huán)控制[5]。控制精度高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。上下肢康復(fù)訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.支架; 2.觸摸屏； 3.下肢訓(xùn)練模塊； 4.上肢訓(xùn)練模塊；5.微調(diào)電機1； 6.微調(diào)電機2； 7.光杠； 8.絲杠； 9.蝸輪蝸桿；10.微調(diào)電機3； 11.蝸輪蝸桿； 12.光杠； 13.絲杠； 14.微調(diào)電機5；15.座椅； 16.腳蹬； 17.曲柄1； 18.把手； 19.曲柄2

2 位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于上下肢功能障礙者的身高不同，設(shè)計智能康復(fù)訓(xùn)練器要盡可能地滿足所有的使用者。因此，在設(shè)計時，以下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊與支架固定為原則，調(diào)節(jié)座椅和上肢康復(fù)訓(xùn)練模塊，使智能康復(fù)訓(xùn)練器滿足使用者的要求。在圖1中，使用者坐在座椅上，將腳放在腳蹬上，先打開被動模式，腳蹬帶動使用者的腳部和腿部運動。使用者可以根據(jù)自己的身高和曲柄旋轉(zhuǎn)時腿部的彎曲情況調(diào)節(jié)微調(diào)電機，微調(diào)電機的功能是帶動座椅前后移動。同時，也可以調(diào)節(jié)微調(diào)電機，使座椅上下移動，直到調(diào)節(jié)至最佳位置。

座椅上下調(diào)節(jié)的原理是利用絲杠旋轉(zhuǎn)使螺母產(chǎn)生位移的原理。在智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將螺母的位置固定，只有一個旋轉(zhuǎn)自由度，螺母下方放置一個端面軸承，為了防止在使用過程中螺母發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在底座上加工一個圓形凸臺，保證了螺母X,Y,Z方向的位置不變。座椅的可調(diào)范圍就是螺母的長度，根據(jù)人體功能學(xué)設(shè)計，螺母長0.5 m，即可滿足使用者的調(diào)節(jié)需求。位置調(diào)節(jié)時，微調(diào)電機帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，由蝸桿將動力傳遞給蝸輪，蝸輪通過鍵連接與螺母連接在一起，蝸輪與螺母一起旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿的減速比為1∶20，增大了傳動力矩，螺柱選擇是鋸齒形螺紋，傳動效率高，且具有自鎖功能，同時，蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)也具有自鎖功能，能夠保障座椅調(diào)整機構(gòu)運行的安全性。由于螺母上下移動的位置被固定了，同時，為了克服座椅跟隨螺母旋轉(zhuǎn)的力矩，增加了光杠，保證座椅的位置固定，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同樣的，上肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的上下位置調(diào)節(jié)也是采用蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)，由于上肢訓(xùn)練模塊重量較下肢訓(xùn)練模塊輕，因此上肢訓(xùn)練模塊前后位置調(diào)節(jié)通過微調(diào)電機直接驅(qū)動即可，驅(qū)動方式采用齒輪齒條式。

3 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器控制系統(tǒng)的硬件主要由STM32F103系列控制芯片、可編程智能TFT LCD,J3806系列絕對式編碼器、直流無刷電機、中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動器等模塊組成。布置在曲柄旋轉(zhuǎn)軸上的絕對式編碼器和腳蹬上的壓力傳感器作為系統(tǒng)的檢測部分，將曲柄旋轉(zhuǎn)的速度和腳蹬的力矩傳送至控制芯片[6]，控制芯片向直流無刷電機和制動器的驅(qū)動電路發(fā)送控制信號，由直流無刷電機驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)或者由制動器抑制曲柄旋轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)以STM32控制芯片作為控制核心，力矩傳感器檢測到腳蹬上的力，以電壓值形式輸出，STM32控制芯片通過3次數(shù)據(jù)采樣取均值后得到更加精確的數(shù)據(jù)。由于使用者的體重不同，使用者在使用康復(fù)訓(xùn)練器時，先將訓(xùn)練器運行在被動模式下，此時使用者不要用力踩腳蹬，只是將腳放在腳蹬上即可，由曲柄帶動使用者的腿部和腳部運動，被動旋轉(zhuǎn)兩圈，由控制系統(tǒng)采集腳蹬上的力，作為在以后訓(xùn)練時腿部力量的判斷，并為腿部是否痙攣提供依據(jù)。當(dāng)腿部痙攣時，腿部的肌肉發(fā)生錯亂，使腿部的肢體僵硬，從而使腳踩在腳蹬上的力發(fā)生突變，STM32控制芯片檢測的信號發(fā)生突變時，就會發(fā)出報警信號，提醒醫(yī)護人員做防護工作。

3.1傳感器選擇

根據(jù)系統(tǒng)檢測精度要求及傳感器性能比較，壓力傳感器選用高精度、輸出量程廣的BMP085壓力傳感器，精度控制誤差小于3 Pa。輸出方式為I2C接口，便于與STM32控制芯片通訊，供電電源在1.8～3.6 V，功耗較低，適應(yīng)性強，與STM32控制芯片的供電電壓相同。BMP085是一種高精度氣壓傳感器。BMP085是基于EMC魯棒性、精度高、線性度以及長期穩(wěn)定的技術(shù)壓阻式傳感器，可以直接連接到一個微控制器，反應(yīng)時間只有7.5 ms。

3.2控制芯片的選擇

通過搜集相關(guān)芯片資料，也同時對小面積的AVR單片機和51單片機進行了大致的比較，以CortexM3為內(nèi)核的STM32，比LPC2148芯片擁有更豐富和靈活的外設(shè)，按照MIPS值計算，STM32系列芯片的性能幾乎是LPC2148的兩倍[7]。在核心1.8 V供電情況下，與DSP2811相比較，135 MHz×1 MIPS。現(xiàn)在用STM32F103，72 MHz×1.25 MIPS，性能是DSP的66%，STM32F103R型(64管腳)芯片面積只有2811芯片的51%，STM32F103C型(48管腳)面積是2811芯片的25%，最大功耗是DSP的20%，單片價格是DSP的30%，且有更多的串口，CAP和PWM。高端型號有SDIO，理論上比SPI速度快。

4 軟件設(shè)計

4.1數(shù)字濾波

濾波方法有硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波主要是通過電容電阻組合電路濾波，不適合用于信號快速變化的場合[8]，對采集的信號有一定的抑制作用，且很容易濾掉有用的信號，因此采用軟件濾波方法。

常用的數(shù)字濾波方法有中位值法、慣性濾波法和平均值法。中位值濾波法對變化緩慢的信號進行濾波有較好的效果，如溫度、液位的變化，不宜對流量、速度等變化快速的量進行濾波。慣性濾波運算量大，占用內(nèi)存大，不適合快速采樣與響應(yīng)的系統(tǒng)。平均值法簡單，運算速度快，能夠?qū)哂须S機干擾的信號進行濾波，在保證采樣精度的同時節(jié)省系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。因此，信號采樣采用平均值法濾波，選擇采樣次數(shù)為N=3。

4.2控制流程圖

軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 控制流程

控制電路上電后，對檢測電路和驅(qū)動電路進行初始化，然后讀取壓力傳感器輸出的電壓值，進行3次采樣后，用平均值法得到3個軸的值與被動測試時的壓力值分別比較，如果相等或大于，且大于的數(shù)值波動不大，即無突變，則說明此時的壓力處于正常狀態(tài)；如果小于或壓力值有突變，則表明訓(xùn)練者的腿部出現(xiàn)痙攣或者機械系統(tǒng)出現(xiàn)故障，此時，應(yīng)停止旋轉(zhuǎn)，并報警提示醫(yī)護人員。

5 實驗結(jié)果與分析

實驗測試時，使用者將腳放在腳蹬上，打開被動模式進行采集，在使用者不加力的情況下，得到腿部重力為50.3 N，中軸設(shè)定轉(zhuǎn)速為6 r/min，以此為判斷主被動模式標(biāo)準(zhǔn)。在測試時，使用者隨機地使用腳力，測得壓力檢測與轉(zhuǎn)速關(guān)系，見表1。

表1 轉(zhuǎn)速、工作模式與壓力關(guān)系

由表1可看出，轉(zhuǎn)速實際值偏離理論值的誤差在2%之內(nèi)，且重復(fù)性好，滿足使用精度。

系統(tǒng)響應(yīng)時間測試時，傳感器通過使用者將檢測到的壓力模擬量給STM32控制芯片，控制芯片計算出驅(qū)動電機所需的脈沖占空比，并發(fā)送給驅(qū)動模塊、驅(qū)動電機。從腳蹬的壓力變化到制動器將速度保持設(shè)定值為止，記錄所用的時間，反復(fù)調(diào)整，使整個過程響應(yīng)在1 s之內(nèi)。在STM32控制芯片處理數(shù)據(jù)中，讀取壓力值轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換時間為65 μs，制動器響應(yīng)時間為50 ms，相對于1 s的運行周期可以忽略不計，影響系統(tǒng)響應(yīng)時間的是STM32控制芯片向電機驅(qū)動芯片發(fā)送脈沖的頻率與機械調(diào)整機構(gòu)所需要的傳動時間。實驗結(jié)果表明，發(fā)送脈沖頻率大于8 kHz時，電動座椅椅面平衡控制系統(tǒng)響應(yīng)周期時間t<1 s。

6 結(jié) 語

以STM32控制芯片為主控芯片，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器能夠?qū)毫鞲衅鬟M行直接、實時采樣，并進行多次采樣取均值，能夠有效地提高控制精度。直流無刷電機驅(qū)動模塊是采用24 V低電壓，輸出電流峰值高達4 A的高電流供電，能夠為康復(fù)訓(xùn)練器提供1 kN的力矩。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能夠快速地調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速和制動器的工作電壓，其壓力誤差δ<0.6 N，速度控制誤差δ<2%，能夠滿足康復(fù)訓(xùn)練器壓力檢測和速度調(diào)節(jié)的要求。實際應(yīng)用結(jié)果表明，所設(shè)計的上下肢康復(fù)訓(xùn)練器達到了使用要求，增強了訓(xùn)練效果。

[1] 陳仲武.我國現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展歷程[J].中國康復(fù)理論與實踐，2001，7(3):97-100.

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Intelligent limbs rehabilitation device design

ZHANG Bing, ZHU Yang-bo, ZHANG Bang-cheng*， GUAN Bo-wen,CHEN Yu-chao, HE Meng, XIE Han

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The STM32 based control system freely transforms the disorder rehabilitation from passive to active during the training time according to the real-time detections of leg strength so that the flexibility of training system was improved. The system can automatically adjust output torque by measuring the remained strength, so that the training was more intellectualized. The experimental results show that the designed device can meet the needs with gravity precision 0.6 N and speed control error less thanδ<2%.

intelligent; limbs; rehabilitation; device.

2014-06-20

吉林省發(fā)展和改革委員會基金資助項目(20B-00005000419)

張 冰(1989-)，女，漢族，吉林敦化人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事機電檢測與控制方向研究,E-mail:bingyanzhi@126.com. *聯(lián)系人：張邦成(1972-)，男，漢族，吉林敦化人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事機電檢測與控制方向研究,E-mail:zhangbangcheng@mail.ccut.edu.cn.

TP 272; TP 311.1

A

1674-1374(2014)05-0552-05