楊 濛 ，卞永明，張圣良，季鵬成

（1.同濟(jì)大學(xué)控制科學(xué)與工程系，上海201804；2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027；3.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804；4.上海驥虎機(jī)器人科技有限公司，上海200092）

腦卒中是一種嚴(yán)重危害國(guó)民健康的急性腦血管疾病，具有發(fā)病率高、致殘率高、復(fù)發(fā)率高、死亡率高、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)高等5 大特點(diǎn)。隨著社會(huì)人口老齡化的加劇及不健康生活方式的流行，我國(guó)腦卒中發(fā)病率逐漸呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)的趨勢(shì)［1-2］。據(jù)最新全球疾病負(fù)擔(dān)研究（Global Burden of Disease Study，GBD）結(jié)果顯示，我國(guó)整體腦卒中發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)為39.9%，位居全球首位。雖然大多數(shù)腦卒中患者經(jīng)過積極治療可挽救生命，但是仍然有約75%的人群會(huì)發(fā)生偏癱后遺癥，喪失部分肢體運(yùn)動(dòng)能力，且以手部功能障礙最為常見，嚴(yán)重影響患者的日常生活和勞動(dòng)能力［3-4］。

目前，國(guó)內(nèi)外的手功能康復(fù)方法主要依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學(xué)（Evidence-Based Medicine，EBM）和持續(xù)被動(dòng)活動(dòng)（Continuous Passive Motion，CPM）理論，即通過對(duì)患者的肌肉肌腱進(jìn)行持續(xù)被動(dòng)的強(qiáng)化訓(xùn)練來輔助修復(fù)受損運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，進(jìn)而重建或改善手部的運(yùn)動(dòng)功能［6-7］。在傳統(tǒng)康復(fù)治療中，職業(yè)治療師通常采用手把手的方式對(duì)患者進(jìn)行一對(duì)一的康復(fù)訓(xùn)練，不僅勞動(dòng)密集、價(jià)格昂貴，而且無法保證康復(fù)效果與效率。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，手功能康復(fù)機(jī)器人逐漸引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。

手功能康復(fù)機(jī)器人是一種能夠通過傳感器信息，自主驅(qū)動(dòng)手指完成指定動(dòng)作，進(jìn)而輔助重建人體運(yùn)動(dòng)功能的生機(jī)電一體化系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出一些解決方案，并取得了一定的進(jìn)展。Kim等［8］設(shè)計(jì)了采用四連桿機(jī)構(gòu)與電位計(jì)的手部外骨骼系統(tǒng)，通過直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)手指進(jìn)行伸展與彎曲動(dòng)作。Decker 等［9］采用欠驅(qū)動(dòng)串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了可穿戴式手部外骨骼裝置，直流電機(jī)通過絞盤驅(qū)動(dòng)器連接到每個(gè)手指的杠桿機(jī)構(gòu)，并利用電機(jī)行程對(duì)手部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位。Zhang 等［10］針對(duì)每個(gè)手指設(shè)計(jì)了對(duì)稱的小齒輪齒條平行滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠適應(yīng)不同厚度的手指，并通過鮑登線雙向驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)有的手功能康復(fù)機(jī)器人大多包含連桿、齒輪、電機(jī)等剛性構(gòu)件，不僅質(zhì)量大、便攜性差，而且還存在剛性沖擊，具有安全隱患。近些年，利用氣動(dòng)肌肉等柔性致動(dòng)器的穿戴式手功能康復(fù)機(jī)器人發(fā)展迅速［11-12］，但也存在康復(fù)訓(xùn)練模式單調(diào)、不能差異化訓(xùn)練等問題。

本文基于柔性致動(dòng)器的手功能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練控制，提出了手功能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的氣動(dòng)回路和控制電路。針對(duì)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，根據(jù)患者不同病情的康復(fù)需求，設(shè)計(jì)了被動(dòng)、鏡像兩種訓(xùn)練模式。為了評(píng)估所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的性能，對(duì)手功能康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。最終，通過測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性及穩(wěn)定性。

1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于柔性致動(dòng)器的手功能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要由主控制模塊、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)采集模塊、狀態(tài)顯示模塊、人機(jī)交互模塊以及鋰電池管理模塊組成，以柔性氣動(dòng)仿生致動(dòng)器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輔助患者通過運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)，提高手部活動(dòng)能力，加快手功能康復(fù)進(jìn)程，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Overall block diagram of the control system

手功能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心為主控制模塊，能夠根據(jù)人機(jī)交互模塊所采集的訓(xùn)練模式、訓(xùn)練強(qiáng)度、訓(xùn)練啟停等指令信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合運(yùn)動(dòng)采集模塊所獲取的手勢(shì)信息數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)回路的切換，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)柔性致動(dòng)器完成患者用戶的自動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。其中，氣動(dòng)回路的控制邏輯根據(jù)被動(dòng)、鏡像兩種訓(xùn)練模式的選擇可以進(jìn)行自由切換。電源管理模塊不僅為整個(gè)控制系統(tǒng)提供電源，還負(fù)責(zé)控制鋰電池的充電啟停與過流保護(hù)。同時(shí)，手功能康復(fù)機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)等信息，可以通過主控制模塊驅(qū)動(dòng)狀態(tài)顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 氣動(dòng)回路

氣動(dòng)回路的主要作業(yè)是輔助柔性致動(dòng)器進(jìn)行內(nèi)部氣流方向的切換，實(shí)現(xiàn)充氣與抽氣功能。根據(jù)功能要求，本文結(jié)合柔性致動(dòng)器的膨脹收縮特性設(shè)計(jì)了完整的氣動(dòng)回路，利用電磁閥線圈通電失電時(shí)閥體位置的變化，控制回路中氣體的流向，最終實(shí)現(xiàn)柔性致動(dòng)器的屈曲與伸展動(dòng)作。氣動(dòng)回路的原理如圖2 所示。其中，氣動(dòng)回路所用的電磁閥為兩位三通換向閥，此處電磁閥線圈均處于失電狀態(tài)，電磁閥內(nèi)黑色箭頭方向不表示氣體的流動(dòng)方向；柔性致動(dòng)器除尾端存在一個(gè)通氣口外，內(nèi)部空間完全封閉。

圖2 柔性致動(dòng)器氣動(dòng)回路原理Fig.2 Schematic diagram of the pneumatic circuit for flexible pneumatic actuator

所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)回路可以實(shí)現(xiàn)3 種工作狀態(tài)：充氣狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)與抽氣狀態(tài)。在氣泵處于工作狀態(tài)時(shí)，若兩個(gè)電磁閥同時(shí)處于通電狀態(tài)，大氣中的空氣會(huì)被氣泵壓縮，經(jīng)電磁閥B 持續(xù)輸送至柔性致動(dòng)器的封閉空間中，此時(shí)處于充氣狀態(tài)，柔性致動(dòng)器膨脹屈曲；反之，若兩個(gè)電磁閥同時(shí)處于失電狀態(tài)，柔性致動(dòng)器封閉空間中的空氣則會(huì)被氣泵壓縮，經(jīng)電磁閥A 持續(xù)輸送至大氣中，此時(shí)處于抽氣狀態(tài)，柔性致動(dòng)器收縮伸展。在氣泵與兩個(gè)電磁閥均不處于工作狀態(tài)時(shí)，柔性致動(dòng)器的通氣口不與大氣相通，內(nèi)部氣壓保持不變，此時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，柔性致動(dòng)器動(dòng)作不變。

2.2 控制電路

為了滿足手功能康復(fù)機(jī)器人的可靠性、功能性、便攜性、友好性以及穩(wěn)定性的要求，控制電路主要包括電源管理電路、最小系統(tǒng)電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路、觸摸按鍵輸入電路、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路、運(yùn)動(dòng)采集電路等?？刂齐娐吩砣鐖D3所示。

圖3 控制電路原理Fig.3 Schematic block diagram of the control circuit

控制電路的核心元件為微控制器。在綜合考慮控制系統(tǒng)需求以及微控制器的處理能力和應(yīng)用場(chǎng)合后，選取宏晶科技有限公司的STC8G1K08 單片機(jī)作為手功能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的微控制器。STC8G1K08 是以超強(qiáng)抗干擾、高速與低功耗為目標(biāo)的新一代8051 單片機(jī)，支持在線實(shí)時(shí)仿真，內(nèi)部集成高精度R/C 時(shí)鐘與高可靠復(fù)位電路，可徹底省掉外部的晶振與復(fù)位電路，內(nèi)部最高時(shí)鐘頻率24 MHz。芯片內(nèi)部還集成有1 路SPI 串行外設(shè)接口、1 路 I2C 總線接口、2 路 UART 接口和 15 路高速ADC通道。上述特性與接口使得STC8G1K08適用于各種家電控制場(chǎng)合。

控制系統(tǒng)的人機(jī)交互采用電容式觸摸按鍵，根據(jù)功能需求共設(shè)計(jì)有7個(gè)觸摸按鍵，包括開關(guān)機(jī)、功能選擇、運(yùn)行/暫停、強(qiáng)度調(diào)整等指令。因此，觸摸按鍵輸入電路選擇使用VK3710IM單按鍵觸摸檢測(cè)芯片。該芯片內(nèi)部建有低壓差線性穩(wěn)壓器以增強(qiáng)抗干擾能力，最多可以提供10 個(gè)感應(yīng)通道，能夠滿足人機(jī)交互模塊的數(shù)量需求，通過I2C 總線與外部中斷INT接口與微控制器相連。驅(qū)動(dòng)輸出電路主要控制氣動(dòng)回路的氣泵與電磁閥，由微控制器的GPIO 接口輸出驅(qū)動(dòng)電流，經(jīng)NPN 三極管的放大作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泵與電磁閥的通電失電狀態(tài)改變；同時(shí)，為了保護(hù)其他電路元件，在線圈兩端還并聯(lián)有續(xù)流二極管。運(yùn)動(dòng)采集電路利用定制的薄膜開關(guān)采集板獲取健康側(cè)手的握緊、張開狀態(tài)，通過GPIO接口與微控制器相連。手功能康復(fù)機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)采用定制的7 位8 段LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示，其驅(qū)動(dòng)顯示電路采用TM1668 專用驅(qū)動(dòng)控制LED 數(shù)碼管芯片，內(nèi)部集成有數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 高壓驅(qū)動(dòng)等電路，通過串行接口與微控制器相連。電源管理電路采用鋰電池恒流/恒壓線性充電芯片TC4056A，能夠?qū)Τ潆婋娏鬟M(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并防止鋰電池倒充；微控制器通過ADC 接口采集鋰電池電壓，并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示剩余電量。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序使用KEIL 軟件進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試，開發(fā)語(yǔ)言為C 語(yǔ)言。程序的主要功能是根據(jù)人機(jī)交互模塊所設(shè)置的訓(xùn)練模式等控制指令，結(jié)合健康側(cè)手的狀態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)氣泵和電磁閥執(zhí)行相應(yīng)的輸出動(dòng)作，同時(shí)將手功能康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練模式狀態(tài)、訓(xùn)練強(qiáng)度、運(yùn)行時(shí)間、剩余電量等狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LED數(shù)碼管上。

控制系統(tǒng)上電后，主程序集中在main 入口函數(shù)，首先初始化GPIO 接口、定時(shí)器、外部中斷和I2C總線接口；定時(shí)器中斷函數(shù)能夠在被動(dòng)訓(xùn)練模式中，根據(jù)提前設(shè)定的訓(xùn)練強(qiáng)度定時(shí)發(fā)送執(zhí)行相應(yīng)輸出動(dòng)作的邏輯，同時(shí)記錄康復(fù)訓(xùn)練所用的時(shí)間；外部中斷服務(wù)函數(shù)能夠處理觸摸按鍵輸入電路所采集的控制指令。隨后，程序?qū)⑦M(jìn)入while 主循環(huán)，在主循環(huán)中，程序不斷讀取所設(shè)置的訓(xùn)練模式，如果設(shè)置為被動(dòng)訓(xùn)練模式，根據(jù)所讀取的訓(xùn)練強(qiáng)度參數(shù)，循環(huán)控制氣泵與電磁閥，實(shí)現(xiàn)柔性致動(dòng)器的循環(huán)屈曲-伸展動(dòng)作，訓(xùn)練強(qiáng)度參數(shù)越大，屈曲與伸展?fàn)顟B(tài)的時(shí)間保持越長(zhǎng)；如果設(shè)置為主動(dòng)訓(xùn)練模式，則會(huì)根據(jù)所讀取的健康側(cè)手狀態(tài)，協(xié)同控制柔性致動(dòng)器執(zhí)行屈曲-伸展動(dòng)作。此外，程序還會(huì)不斷讀取鋰電池的剩余電量，并將手功能康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示?？刂葡到y(tǒng)的程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Program flow diagram of the control system

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 被動(dòng)訓(xùn)練模式

在被動(dòng)訓(xùn)練模式中，根據(jù)職業(yè)治療師在手部運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療中所使用的訓(xùn)練方法，手功能康復(fù)機(jī)器人可柔性帶動(dòng)患病側(cè)手循環(huán)進(jìn)行屈曲與伸展運(yùn)動(dòng)。為了評(píng)估該訓(xùn)練模式的性能，使用基于柔性致動(dòng)器的手功能康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 被動(dòng)訓(xùn)練模式測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of passive training mode

從圖5 中可以看出，控制系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)手功能康復(fù)機(jī)器人完成預(yù)定的手勢(shì)動(dòng)作，輔助患者自動(dòng)完成康復(fù)訓(xùn)練，手指的屈曲與伸展均可達(dá)到正常人的角度，且沒有剛性沖擊的不適感，從而證明了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與舒適性。

4.2 鏡像訓(xùn)練模式

在鏡像訓(xùn)練模式中，控制系統(tǒng)可以通過薄膜開關(guān)采集板檢測(cè)健康側(cè)手的狀態(tài)，獲取患者的運(yùn)動(dòng)意圖，同步控制患病側(cè)手進(jìn)行屈伸動(dòng)作。此外，還可以在健康側(cè)手的抓握帶領(lǐng)下，輔助患者用患病側(cè)手完成日常生活中物品的抓取活動(dòng)。為了評(píng)估該訓(xùn)練模式的性能，同樣使用樣機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 鏡像訓(xùn)練模式測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of mirror training mode

從圖6 中可以看出，患病側(cè)手能夠在健康側(cè)手的帶動(dòng)下，進(jìn)行鏡像協(xié)同運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)自主意識(shí)。同時(shí)，也成功輔助患者完成對(duì)日常生活中不同尺寸以及重量物體的抓取動(dòng)作，并且能夠使柔性致動(dòng)器根據(jù)物體的形狀進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，形成包裹抓取，進(jìn)而證明了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的可行性與適應(yīng)性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于柔性致動(dòng)器的手功能康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，首先提出了包括氣動(dòng)回路與控制電路在內(nèi)的硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)不同患者病情康復(fù)的需求，設(shè)計(jì)了具有被動(dòng)、鏡像兩種訓(xùn)練模式的控制程序。之后，為了評(píng)估所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的性能，在兩種訓(xùn)練模式下利用手功能康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。最終，測(cè)試結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可控性。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用效果，能夠保證自動(dòng)訓(xùn)練過程的可行性與舒適性，可以在基于柔性致動(dòng)器的手功能康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際研發(fā)項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。