海南醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)部 楊 芳

中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)

海南醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)部 楊 芳

本訓(xùn)練裝置實(shí)現(xiàn)用機(jī)械臂帶動(dòng)患肢運(yùn)動(dòng)，幫助病人神經(jīng)康復(fù)。機(jī)械臂采用氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器，給出了訓(xùn)練裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，并采用ARM處理器實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練裝置的運(yùn)算量大和實(shí)時(shí)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(dòng)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(zhǎng)引起的疾病也逐漸增加，其中最常見(jiàn)、危害最大的就是中風(fēng)。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(huì)遺留嚴(yán)重的殘疾，最常見(jiàn)的結(jié)果是上肢運(yùn)動(dòng)與協(xié)調(diào)的功能障礙，大約85%的腦卒中患者一開(kāi)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(duì)其偏癱部位進(jìn)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(jìn)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(jī)械臂帶動(dòng)患肢按預(yù)先設(shè)定的軌跡做被動(dòng)和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。本訓(xùn)練裝置由控制器、壓力比例閥、氣動(dòng)人工肌肉、角度傳感器、壓力傳感器組成。氣動(dòng)人工肌肉工作所需要?dú)鈮河赏獠繗庠刺峁?，?dāng)氣體從外部氣源向氣動(dòng)人工肌肉流動(dòng)時(shí)經(jīng)過(guò)壓力比例閥，壓力比例閥的作用是控制流入氣動(dòng)人工肌肉的氣體壓強(qiáng)。隨后氣流進(jìn)入氣動(dòng)人工肌肉，使得氣動(dòng)人工肌肉收縮或伸張，兩個(gè)氣動(dòng)人工肌肉通過(guò)鏈輪連接，不同的氣壓使得其對(duì)外有力的輸出從而使得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)[3][4]。將測(cè)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(cè)得值與設(shè)定值相比較，并控制壓力比例閥流入氣動(dòng)人工肌肉的氣壓來(lái)消除兩者之間的誤差，從而保證設(shè)定值與實(shí)際值一致。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 氣動(dòng)人工肌肉

氣動(dòng)人工肌肉是患肢運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。氣動(dòng)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(qiáng)的收縮力[5][6][7]。當(dāng)氣動(dòng)人工肌肉充氣后，橡膠筒開(kāi)始變形膨脹。由于纖維編織網(wǎng)的剛度很大，其對(duì)橡膠筒的約束使得氣動(dòng)人工肌肉徑向膨脹和軸向收縮。

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

3 運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

訓(xùn)練裝置對(duì)于運(yùn)動(dòng)路徑有嚴(yán)格要求，必須在直角坐標(biāo)空間中進(jìn)行規(guī)劃，然后將規(guī)劃得到的直角坐標(biāo)空間中的軌跡序列運(yùn)用訓(xùn)練裝備運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法變換到關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中，再進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸的控制。圖2所示就是訓(xùn)練裝置在直角坐標(biāo)空間中進(jìn)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(shí)際運(yùn)行中，要到達(dá)同一個(gè)位置可能有兩種路徑，如何從運(yùn)動(dòng)學(xué)的多組反解中選擇一組合適的解是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。一般地，具有多組反解的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題可以采用優(yōu)化算法來(lái)解決，定義一個(gè)優(yōu)化準(zhǔn)則，選擇滿足優(yōu)化準(zhǔn)則的最優(yōu)解作為運(yùn)動(dòng)學(xué)的確定反解。當(dāng)不存在障礙物時(shí)，可以使用“最短行程”準(zhǔn)則，因?yàn)橛?xùn)練裝置的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，結(jié)合前一次訓(xùn)練裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)反解得到的關(guān)節(jié)坐標(biāo)位置，選取使訓(xùn)練裝置關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)保持連續(xù)。

4 控制系統(tǒng)

為滿足控制系統(tǒng)的運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性要求，本設(shè)計(jì)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(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位144腳ARM7TDMI-S CPU 的微控制器[8]。一個(gè)嵌入式處理器自己是不能獨(dú)立工作的，因此一個(gè)ARM嵌入式最小系統(tǒng)包括：電源電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)存儲(chǔ)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(jì)算出角度的大小θ1、θ2；②通過(guò)θ1、θ2的大小計(jì)算氣動(dòng)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(jì)算流入氣動(dòng)人工肌肉的氣壓并控制壓力比例閥流入氣動(dòng)人工肌肉的氣壓；④比較各壓力傳感器的實(shí)際測(cè)量值與計(jì)算值是否一致，若不一致控制改變壓力比例閥流入氣動(dòng)人工肌肉的氣壓；⑤角度傳感器的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)入控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)比較實(shí)際值和測(cè)量值，若不一致控制并調(diào)整數(shù)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本訓(xùn)練裝置采用的氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)器，氣動(dòng)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(diǎn)，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(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)的訓(xùn)練裝置是以任務(wù)為導(dǎo)向的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練從而使患肢達(dá)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(jì)是基于單一景點(diǎn)深度開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)性的游客服務(wù)的手機(jī)APP。本設(shè)計(jì)專(zhuān)注于單一景點(diǎn)開(kāi)發(fā)，因此景點(diǎn)的信息覆蓋全面，沒(méi)有冗雜信息干擾，目的性明確，垂直服務(wù)于景點(diǎn)旅游的游客。本設(shè)計(jì)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(shí)游客能夠通過(guò)APP隨時(shí)隨地了解某一景區(qū)的最新動(dòng)態(tài)，有利于自己選擇合適的時(shí)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(dāng)10kV母線并列運(yùn)行時(shí)，10kV側(cè)短路：

短路電流周期分量起始有效值：

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

通過(guò)上述的短路電流計(jì)算可進(jìn)行短路的動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)，動(dòng)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(guò)電流峰值(kA)；Idf—電器允許的額定短路開(kāi)斷電流(kA)；

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

由上表可見(jiàn)，各電壓等級(jí)的最大短路電流均在所選斷路器的開(kāi)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(dòng)穩(wěn)定的要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)110kV谷陽(yáng)變電站的設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)短路電流計(jì)算作了重要闡述，為該變電站的進(jìn)一步設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]焦留成.供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)計(jì)劃出版社,1999.

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[3]張煒.電力系統(tǒng)分析[M].中國(guó)水利水電出版社,1999.

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

作者簡(jiǎn)介：

楊曉艷，女，安徽蚌埠人，工程師，現(xiàn)供職于國(guó)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?yàn)獒t(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(zhuān)業(yè)模擬電路與數(shù)字電路課程改革與實(shí)踐》（編號(hào)：HYP201514）。