張皓洋

摘要：本研究開發(fā)了一種基于模擬直立行走的下肢康復訓練控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括下肢康復訓練機構(gòu)設計、電機控制電路及控制軟件等。下肢康復訓練系統(tǒng)采用3個步進電機為訓練設備的下肢運動機構(gòu)提供動力，選用hrduino板為控制核心，使用WPF設計上位機用戶端，實現(xiàn)了下肢的同步訓練和交替訓練。本實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，滿足了下肢康復訓練的需求。

關鍵詞：下肢康復;控制系統(tǒng);Arduino;WPF

中圖分類號：TP273 文獻標識碼A 文章編號1674-6708（2019）239-0142-03

隨著現(xiàn)在社會的不斷發(fā)展進步和人們生活水平的提高，人口老齡化的問題日趨嚴峻，由腦卒死等導致的神經(jīng)損傷引發(fā)下肢功能出現(xiàn)障礙，或由于車禍、工傷等下肢意外受傷的患者，其下肢康復是個漫長的過程。而傳統(tǒng)的康復治療手段大多采用醫(yī)生手工輔助完成，大大增加了康復過程的成本且效率低下，也會影響患者的身心健康。目前市面上的下肢康復訓練裝置功能不全，大多只能模擬下肢的兩個自由度運動。

本次設計的下肢康復裝置具有3個方向的自由度，更貼近于人體正常行走時的狀態(tài)。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有下肢康復訓練設備的缺點，既可以實現(xiàn)雙腿的張合訓練，也實現(xiàn)了雙腿各自張合和旋轉(zhuǎn)運動的獨立性。

1功能及性能指標

本文研發(fā)的下肢康復訓練系統(tǒng)主要功能如下：在訓練時，患者將腳部放置在腳踏板上，本系統(tǒng)設置三個步進電機，兩個對稱放置的電機分別控制雙腿的旋轉(zhuǎn)，另外一個電機用于控制雙腿的分合，實現(xiàn)三個自由度的運動訓練。根據(jù)使用者的訓練要求，可在上位機界面上操縱裝置的運動，滿足了不同患者的運動習慣，同時也設置了不同的康復訓練游戲模式，提高了患者的恢復速度。具體實現(xiàn)功能如下：

1）運動訓練由三個電機提供動力，彼此之問實現(xiàn)獨立驅(qū)動。訓練模式包括上下前后擬合成的旋轉(zhuǎn)運動和左右直線的運動。

2）每種訓練模式都有對應的時間選項，基本選項有6、12、18分鐘訓練，同時用戶可自主設置時問模式。

3）可針對病患不同的身體情況，設置電機的轉(zhuǎn)速，基本選項有30、40、50轉(zhuǎn)每分鐘，同時具有自由切換正反轉(zhuǎn)功能。

4）上述訓練參數(shù)等設置均在上位機界面實現(xiàn)，上位機將命令通過串口發(fā)送給下位機來實現(xiàn)裝置的功能。

2運動控制系統(tǒng)總體設計

整個下肢康復訓練系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，整體框圖如圖1所示。硬件部分由機構(gòu)設計、驅(qū)動電機、電路控制芯片等硬件組成。軟件部分包括上下位機通訊的實現(xiàn)、電機的同步和獨立運動的實現(xiàn)、腿部的張合與旋轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)等。

軟件開發(fā)是在Windows7系統(tǒng)環(huán)境下，在Visual studio軟件中采用基于c#的WPF開發(fā)工具。上位機軟件通過串口通信協(xié)議向下位機控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，對下位機控制系統(tǒng)及相應功能進行初始化。由下位機（Arduino）將接受到的上位機用戶界面的指令轉(zhuǎn)化為脈沖等信號輸入運動驅(qū)動器，從而使電機實現(xiàn)相應的功能動作，先實現(xiàn)一個電機的功能，進而實現(xiàn)所有電機的功能，達到相互協(xié)同工作，互不干涉，獲得多個電機的驅(qū)動下康復訓練的運動控制。

3結(jié)構(gòu)設計

設備機構(gòu)設計主要包括腳踏板運動機構(gòu)、鉸鏈四桿移動機構(gòu)和齒輪齒條傳動機構(gòu)三部分組成。其中電機、齒輪齒條傳動機構(gòu)和鉸鏈四桿移動機構(gòu)控制設備的水平直線運動，實現(xiàn)患者雙腿的張合運動，以達到更好的康復效果。腳踏板運動機構(gòu)由腳踏板和平行四桿機構(gòu)組成，左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同且位置成對稱，分別控制雙腿的旋轉(zhuǎn)運動，來模擬人體直立行走時腿部的運動，而且兩側(cè)可同步和獨立工作，滿足了患者恢復過程中的不同要求，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4電路設計

上下位機之間的通信使用串口通信協(xié)議，利用封裝好的應用程序編程接口，由Arduino將接收到的上位機指令轉(zhuǎn)化為脈沖等信號輸入運動驅(qū)動器，從而實現(xiàn)各步進電機相應的復位、停止等操作，進而實現(xiàn)康復訓練中的同步、交替等復雜運動，串口通信模塊如圖3所示。

當訓練系統(tǒng)工作中遇到緊急情況時需要急停，本研究設置了急停開關。急停開關位于電路箱的外側(cè)，交流接觸器使用施耐德的LClE2510M5N（額定電壓250V，50HZ）;濾波器選用泰科20EKl電源濾波器（額定電壓250V，額定電流20A）;斷路器使用施耐德IC65N（絕緣電壓500V，電流25A）;經(jīng)過計算，熔斷器選用32A保險絲，急停開關電路圖如圖4所示。

5軟件設計

下肢康復訓練系統(tǒng)的軟件部分為對壓力傳感器FSR402的壓力變化和Arduino時鐘模塊進行相應控制。通過PCF8591數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片處理壓力傳感器采集到的壓力值，該壓力值再傳輸?shù)接葾rduino組成的控制器并通過一定的計算程序處理后，對電機進行相應的運轉(zhuǎn)速度和時間控制。通過程序設置不同的下肢運動模式，患者根據(jù)自己的身體狀況選擇不同的訓練模型。智能康復訓練器控制系統(tǒng)軟件部分的整個過程如圖5所示。

6可靠性測試分析

本課題的測試系統(tǒng)由兩部分組成，第一部分是下肢康復訓練的機械部分，另一部分是控制系統(tǒng)的測試，其中主要包括上位機操作界面、電機和電機驅(qū)動模塊、電源模塊、壓力傳感器。通過選擇按鈕選擇不同的康復訓練模式和設置不同的時問模式，并完成康復訓練師的整體表現(xiàn)測試。通過對系統(tǒng)的整體測試得到如下信息，下肢康復訓練裝置具有90kg的承載能力，占地面積小于0.5m²。測試發(fā)現(xiàn)，當康復訓練系統(tǒng)工作時，沒有產(chǎn)生較大的噪音和明顯的振動。整個系統(tǒng)測試分析驗證了本文提出的設計可以模擬人體步態(tài)軌跡和腳部姿勢，從而幫助患者下肢肌肉的運動，有助于恢復患者神經(jīng)系統(tǒng)控制步行功能和患者正常行走功能的能力。與設計的技術(shù)指標進行比較，可以看出本系統(tǒng)可達到原設定的技術(shù)指標。

7結(jié)論

本文首先介紹了下肢康復訓練機器人的目前研究現(xiàn)狀和性能指標，然后給出了運動控制系統(tǒng)的整體設計，接著提出了下肢康復系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和電路原理，最后通過軟件編程設計出其控制算法并進行可靠性分析。該康復訓練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計巧妙，能夠很好的實現(xiàn)下肢康復訓練，具有成本低、易于控制的特點。

通過對本系統(tǒng)的可靠性驗證實驗分析，得出以下總結(jié)：

1）步態(tài)康復訓練機構(gòu)模型的設計基于人體步態(tài)康復原理。通過模擬正常人體步態(tài)的軌跡和腳步的姿勢，實現(xiàn)下肢運動障礙患者的髖關節(jié)、膝關節(jié)以及踝關節(jié)的訓練康復。

2）通過wPF設計上位機用戶端進行不同訓練模式選擇，結(jié)合Arduino下位機采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，來控制電機帶動機械結(jié)構(gòu)運動，以達到下肢康復訓練的目的。

3）通過實驗，確定相關的電路模塊和機械結(jié)構(gòu)，通過電路與機械結(jié)構(gòu)的融合設計，達到下肢康復訓練裝置的設計要求。本文實現(xiàn)的康復訓練系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、性價比高以及操作方便等特點。