張好杰，郭 語，吳鐘鳴

(金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京 211169)

0 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)中心的統(tǒng)計，我國中風患者中接近80%的中風患者因未能及時進行康復治療，導致肌肉萎縮、偏癱等，嚴重影響患者的生活質量[1]。傳統(tǒng)的康復治療不僅消耗大量的人力、物力，且訓練效果不佳[2]，而康復訓練儀器可以給患者提供合理的訓練任務，滿足患者在不同康復階段的需求。

近年來，國內外的大學均開展了對于上肢康復訓練儀的研究，例如，美國麻省理工學院研制的MIT-Manus機器人，能夠用于肘關節(jié)的康復訓練；卡內基梅隆大學基于WAM機器人進行了相關康復醫(yī)療的研究[3]。華中科技大學設計了針對腕關節(jié)的康復訓練機構[4]；哈爾濱工業(yè)大學、東北大學等也在上肢康復訓練儀理論和控制方面進行了研究[5-6]。

然而，市場上存在的上肢康復訓練儀，大多存在一些不足，例如自由度較少、集成度不高、不夠智能化等。針對這些問題，本文設計了一種基于單片機的上肢康復訓練儀交互力采集系統(tǒng)，并對結構工作原理、系統(tǒng)軟硬件設計、數(shù)據(jù)處理等方面進行闡述。

1 結構工作原理

1.1 結構組成

文章的研究對象為一種球鉸式上肢康復訓練儀，其結構如圖1所示。其工作原理為：訓練手柄與球轉子相連，3個定子支架上安裝有牛眼輪，用于定位球轉子，底座中含有盤絲-小傘齒輪結構，該結構與摩擦定子底部的螺紋連接，用于調節(jié)摩擦定子的徑向移動，以調節(jié)球轉子的受力大小。文章針對該上肢康復訓練儀設計力采集裝置，將薄膜力傳感器布置在力采集倉中，其內部結構如圖2所示，由于該裝置工作時涉及3個自由度的訓練，訓練手柄中布置活動軸，活動軸上有4個突起，在活動軸與力采集倉外殼之間布置有4個薄膜力傳感器，用以檢測力值。

圖1 上肢康復訓練儀結構示意

圖2 力傳感器布置示意

1.2 力測量原理

力傳感器的布置方式確定之后，需確定力傳感器測量值與手柄受力之間的關系。通過模擬訓練者在訓練過程中的狀況，繪制出力傳遞關系如圖3所示。

圖3 力傳遞關系

假設訓練者對手柄施加的力為主動力F，第i個力傳感器所測量的力FNi，選取O點為簡化中心，則主動力F對O點的作用可簡化為主動力F′和主動力矩MO(F)。根據(jù)靜力學原理可知：4個力傳感器所測得的力FNi的矢量和與簡化后的主動力F′相平衡，其靜力平衡方程可表示為：

(1)

(2)

2 力采集系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)結構組成

文章設計的上肢康復訓練儀力采集系統(tǒng)由力采集模塊、信號采集處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊3個部分組成，如圖4所示。其中力采集模塊由薄膜力敏力傳感器與電壓轉換模塊組成。當康復者進行康復訓練時，施加在力傳感器薄膜區(qū)域的力會發(fā)生改變，導致力傳感器中電阻值的變化，進而獲取力信息，并將其發(fā)送給電壓轉換模塊進行轉換。信號采集處理模塊的核心是Arduino單片機，單片機與電壓轉換模塊與液晶顯示模塊相連，用于接收經電壓轉換模塊轉換后的力信息，并將力信息進行計算、校核，最后，將處理后的信息發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示模塊，以顯示由單片機發(fā)送過來的實時交互力信息。

圖4 力采集系統(tǒng)組成框架

2.2 系統(tǒng)硬件選型

在系統(tǒng)結構搭建完成后，需確定系統(tǒng)硬件的具體型號，其中，Arduino單片機作為整個系統(tǒng)的核心，需配合系統(tǒng)的硬件進行選取。由于系統(tǒng)中力傳感器的數(shù)量為4個，即需要3個對應的IO接口，據(jù)此確定單片機型號為具有54路數(shù)字輸入輸出的Arduino Mega2560，用于接收、計算、校核數(shù)據(jù)。由于力傳感器布置于活動軸與力采集倉外殼之間，要求其尺寸小、質量輕、同時得滿足測量要求，據(jù)此確定力傳感器型號為薄膜力敏力傳感器FSR402，用于檢測力值。顯示模塊硬件的選取需兼顧到與系統(tǒng)的適配性，據(jù)此選取與 Arduino單片機適配性較好的FYLCD1602A字符型液晶顯示屏，用于力值的輸出。

3 力采集系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)硬件設計完成后，需要根據(jù)系統(tǒng)工作流程進行軟件設計，系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。當訓練者進行康復訓練時，首先，力采集模塊采集力信息；其次，經電壓轉換模塊將信息進行轉換并發(fā)送給Arduino單片機進行接收、計算、處理；最后，單片機將處理后的信息發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。

圖5 系統(tǒng)工作流程

根據(jù)上述系統(tǒng)工作流程，文章使用Arduino IDE作為開發(fā)環(huán)境編譯程序，對數(shù)據(jù)接收、計算、校核最終輸出到顯示模塊上。

3.1 數(shù)據(jù)處理

為直觀地得到康復訓練者在康復訓練時強度的大小，必須對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行處理。對數(shù)據(jù)處理的過程主要分為兩個方面：(1)采取固定力測試實驗，以找到力傳感器采集到的信息與具體力值的關系。(2)根據(jù)上述關系編寫數(shù)據(jù)處理代碼。力傳感器測量電路原理如圖6所示，力傳感器與固定電阻R0串聯(lián)，當壓力作用于力傳感器時，其電阻Rs的阻值發(fā)生變化，則固定電阻R0輸出電壓由式(3)確定。

Vout=Vcc×R0/(R0+Rs)

(3)

圖6 力傳感器電路原理

在交互力采集之前，需對力傳感器進行標定，以確定不同力值對應的電壓數(shù)值。首先，在實驗電路中接入10 kΩ的保護電阻，將連接好的電路通過USB與電腦相接，并且使用0.2～6.0 kg的重物分別放到傳感器待測面上，經多次實驗獲得去程和回程數(shù)據(jù)；其次，借助Matlab進行數(shù)據(jù)處理[7]，數(shù)據(jù)與擬合結果如圖7所示。

圖7 力值-電壓值曲線

3.2 數(shù)據(jù)顯示

為在康復者訓練時直觀地將訓練數(shù)據(jù)信息輸出到液晶顯示模塊上，需在Arduino IDE中進行數(shù)據(jù)處理代碼的編譯。編譯時將固定力實驗中得到的數(shù)據(jù)分割成區(qū)間，在每個區(qū)間上使用Arduino IDE中的map映射函數(shù)，將兩個端點的數(shù)值映射到區(qū)間內，以獲得任意電壓值下對應的力值。類似的，能夠得到力傳感器整個量程內某一電壓值下對應的力值，其代碼框架如下所示。

代碼框架：

void loop(void) {

fsrReading = analogRead(fsrPin);//讀取電壓值數(shù)據(jù)

......

if(fsrReading>X.&&fsrReading<=Y)

{

force=map(fsrReading, X,Y, M,N);//將電壓值分別為X、Y對應的壓力值映射到[M，N]區(qū)間上；

}

......

同時，將液晶顯示模塊與Arduino單片機對應引腳相連，在Arduino IDE中調用LiquidCrystal I2C庫即可對液晶顯示模塊進行編譯，通過編譯輸出程序即可將具體的訓練數(shù)據(jù)信息輸出。

4 結語

設計的球鉸式上肢康復訓練儀交互力采集系統(tǒng)具有集成度高、成本低、智能化等優(yōu)點，利用Arduino單片機實現(xiàn)了對分布式薄膜力傳感器的檢測、處理和顯示。經實驗證實，本系統(tǒng)能夠良好穩(wěn)定地工作，具有很好的應用前景。