廖偉強(qiáng) 曾慶華

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528400；2.中山市廣盛機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東 中山 528415）

0 引言

“十三五”規(guī)劃提出了市場主導(dǎo)、質(zhì)量為先、強(qiáng)化基礎(chǔ)、創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展原則，實(shí)現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域等重點(diǎn)領(lǐng)域的示范應(yīng)用，并開展核心零部件攻關(guān)、前沿共性技術(shù)研發(fā)、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用等重點(diǎn)工作。隨著對電刺激療法的深入研究，肌電刺激的發(fā)展受到臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的青睞，尤其是在康復(fù)機(jī)器人方面的應(yīng)用，肌電刺激是高端康復(fù)機(jī)器人在給具有關(guān)節(jié)及神經(jīng)障礙患者進(jìn)行刺激和康復(fù)訓(xùn)練的關(guān)鍵技術(shù)，肌電刺激過程中表面肌電信號的采集和特征提取具有重要的生理學(xué)意義[1-2]。

對于肌電刺激在康復(fù)機(jī)器人治療因刺激信號與反饋控制不當(dāng)易導(dǎo)致肌肉疲勞，使患者的最大作功能力或者最大收縮能力的暫時下降，對人體實(shí)施長時間多次刺激后，人體就會對刺激產(chǎn)生適應(yīng)性，從而導(dǎo)致治療效果減弱[3]。另外一方面因缺少刺激后處理，以致大多的肌電刺激不能滿足不同人群康復(fù)訓(xùn)練的需求，訓(xùn)練模式單一[4]。本文在研究康復(fù)機(jī)器人肌電刺激的過程中刺激信號的給出方式與信號反饋的處理，提高機(jī)器人的刺激后康復(fù)效果；探索利用生物反饋和模糊控制規(guī)則控制患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的問題，促使患者必須主動參與康復(fù)治療,對患者自我意識的恢復(fù)進(jìn)行有效引導(dǎo)并以此構(gòu)建康復(fù)機(jī)器人多種訓(xùn)練模式，增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)不同人群康復(fù)的能力。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

機(jī)器人肌電刺激控制系統(tǒng)依據(jù)信息流的思路進(jìn)行設(shè)計。使用者根據(jù)患者的當(dāng)前情況預(yù)設(shè)一定的刺激和訓(xùn)練信息，這部分信息全部被控制中心捕獲；然后調(diào)制刺激信號所需的波形信號并進(jìn)行功率放大，主控根據(jù)需要向總線發(fā)出通道信號，通過適當(dāng)?shù)碾姌O進(jìn)行刺激輸出。刺激過程中系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測刺激后反饋情況，通過總線向主控輸送反饋信息。主控分析給出刺激與反饋信號后應(yīng)做出兩個反應(yīng)。一方面根據(jù)設(shè)置信息和反饋信息驅(qū)動康復(fù)機(jī)器人給出適當(dāng)?shù)挠?xùn)練信號，另一方面確定是否需要對刺激波形進(jìn)行調(diào)節(jié)并輸出新的刺激波形。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)功能模塊主要包括：主控單元，負(fù)責(zé)總體的信息處理與控制；信息模塊，負(fù)責(zé)信息的輸入與顯示；刺激波形發(fā)生模塊，產(chǎn)生刺激基本波形；功率調(diào)節(jié)模塊，對刺激功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；刺激輸出與反饋模塊；總線模塊，刺激下達(dá)和反饋上傳及及級間通訊；康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動訓(xùn)練控制與監(jiān)測模塊，負(fù)責(zé)訓(xùn)練信號給出與監(jiān)測反饋。

2 主控單元設(shè)計

主控單元負(fù)責(zé)總體的信息處理與控制，接收用戶的控制指令和控制對象的放開信息，將信息進(jìn)行分析并給出對應(yīng)的控制信號驅(qū)動刺激電機(jī)和機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練。采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)以Cortex-M3[5]為內(nèi)核的高性能stm系列32位增強(qiáng)型微處理器。該主控芯片內(nèi)部集成度高，低功耗，低成本，高效率并且提供高質(zhì)量的固件庫，方便用戶開發(fā)。芯片時鐘頻率超過 150MHz，具有大容量的Flash和SRAM，內(nèi)含以太網(wǎng)控制器、CAN總線接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、多個UART和GPIO；并使用FSMC進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[6-8]，對于存在大量浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算非常適合。為確保系統(tǒng)的長時間可靠性運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計過程中采用外部自設(shè)看門狗和內(nèi)部看門狗進(jìn)行多重保護(hù)。

3 信息控制模塊設(shè)計

信息控制模塊負(fù)責(zé)信息的輸入與顯示。信息的輸入包括刺激模式、刺激量、訓(xùn)練模式等相關(guān)信息的輸入，考慮到信息的輸入有可能是患者或者患者的照料者，信息固定式和移動式兩種方式?；颊咴谥委熯^程中康復(fù)機(jī)器人需要實(shí)時顯示患者及系統(tǒng)的監(jiān)控信息。因此在固定端采用交互式的觸摸屏進(jìn)行控制信息的輸入和監(jiān)測信息的顯示[9]。

使用康復(fù)機(jī)器人的患者往往是存在肢體障礙，系統(tǒng)運(yùn)行過程中的反饋信息最好用語音的形式進(jìn)行播報，以便患者可以隨時或者一些重要信息。同時通過無線通訊的方式設(shè)計一手持式遙控器，方便存在肢體障礙的患者可以方便地參考機(jī)器人。

圖2 SPWM調(diào)制機(jī)理示意圖Fig.2 SPWM modulation mechanism

4 波形發(fā)生和功率調(diào)節(jié)模塊

這部分主要實(shí)現(xiàn)刺激基本波形的產(chǎn)生和功率放大。在刺激波形發(fā)生部分主要采用DSP芯片利用SPWM調(diào)制機(jī)理產(chǎn)生所需波形[10]。如圖2所示，根據(jù)采樣控制理論中沖量等效的原理，把圖中的正弦波多份等分，曲線中每一等份與時間軸所圍成的面積用重合中心點(diǎn)且幅值相同的矩形脈沖來代替，從而得到SPWM波形。

圖3 功率放大電路Fig.3 Power amplifier circuit

5 刺激輸出與反饋提取模塊

刺激輸出部分是刺激強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的多路輸出，這樣患者在刺激治療過程中可以根據(jù)自身情況使用所需數(shù)量的刺激及調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，并進(jìn)行刺激強(qiáng)度與康復(fù)效果的對比分析。設(shè)計中用差分雙向電流的方法實(shí)現(xiàn)寬量程雙向電流的檢測[12]。

刺激后反饋信號使用Delta-sigma技術(shù)的均方根值(RMS)檢測方法對特征進(jìn)行提取，無需對動態(tài)波形進(jìn)行較高頻率的實(shí)時采集。將反饋信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并以此測量刺激者主動誘發(fā)的表面信號，其中輸出與輸入復(fù)合如下關(guān)系。

6 總線控制模塊

為了方便實(shí)現(xiàn)控制信號傳達(dá)和信號的提取，設(shè)計中采用了can總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。主控單元通過總線可以隨時控制任意刺激模塊輸出刺激信號，同時反饋信號也可以通過總線把各個刺激點(diǎn)的反饋信號以數(shù)字的形式反饋給主控單元。除此以外，系統(tǒng)的各種信息還可以通過總線向上位機(jī)或者康復(fù)機(jī)器人的其他功能模塊，甚至與機(jī)器人連接的遠(yuǎn)程機(jī)進(jìn)行信息的交互。

7 關(guān)節(jié)運(yùn)動訓(xùn)練控制與監(jiān)測模塊

這部分主要根據(jù)給出刺激和提取的反饋信號，驅(qū)動康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制患者進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練并監(jiān)測運(yùn)動和肌肉的康復(fù)情況。在輸出控制前主控單元必須首先對輸出刺激和反饋信號進(jìn)行對比分析，并給出適合于患者的康復(fù)訓(xùn)練模式。訓(xùn)練控制模塊根據(jù)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動關(guān)節(jié)的情況驅(qū)動相應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行一定速度的驅(qū)動控制。監(jiān)測部分要負(fù)責(zé)運(yùn)動關(guān)機(jī)運(yùn)動速度和運(yùn)動角度的實(shí)時測量，確保關(guān)節(jié)運(yùn)動的準(zhǔn)確性和安全性。

在此基礎(chǔ)上利用生物反饋和模糊控制規(guī)則控制患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，引導(dǎo)患者主動參與康復(fù)治療,對患者自我意識的恢復(fù)進(jìn)行有效引導(dǎo)并以此構(gòu)建康復(fù)機(jī)器人多種訓(xùn)練模式，增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)不同人群康復(fù)的能力。

［1］王穎.肌電信號評價電刺激致肌疲勞方法的研究[D].北京:北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院,2013:1-10.

［2］仝浩.便攜式電刺激儀與腦電反饋儀的研究[D].河北:河北科技大學(xué),2012:20-22.

［3］陳翼雄.基于功能性電刺激及生物信號反饋的下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計及控制[D].北京:中國科學(xué)院自動化研究所,2014:39-47.

［4］龍燕玲,林秀芳,黃金梅.腦卒中癱瘓病人早期康復(fù)訓(xùn)練模式的探討[J].現(xiàn)代醫(yī)院,2011,11(2):85-86.

［5］姚文詳.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［6］張志威.基于STM32嵌入式系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動控制與可靠性分析[D].成都:電子科技大學(xué),2017:2-3.

［7］趙星.STM32基于FSMC的SRAM擴(kuò)展技術(shù)[J].工業(yè)控制計算機(jī),2015,28(6):102-106.

［8］湯莉莉,黃偉.基于 STM32的 FSMC接口驅(qū)動 TFT彩屏設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(20):139-144.

［9］翟言,趙國英,黃心淵.體感交互在大型觸摸屏環(huán)境中的應(yīng)用與研究[J].計算機(jī)工程,2015,41(3):317-321.

［10］戴智鵬.基于 TMS320LF2812單相 SPWM波形發(fā)生設(shè)計[J].裝備維修技術(shù),2012(2):58-60.

［11］李辰,李開成,等.繼電保護(hù)測試儀用大電流功率放大電路的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013(8):129-134.

［12］郭旭東,徐秀林,張東衡.基于肌電特征提取的智能電刺激儀[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2011(2):260-263.