康曉梅

（西安翻譯學(xué)院，陜西西安 710105）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)人類平均壽命持續(xù)延長，人口老齡化問題日益嚴(yán)峻，主要是因?yàn)獒t(yī)療科技的快速發(fā)展和醫(yī)學(xué)水平的日益提高[1]。此外，由于高血壓、糖尿病等慢性疾病引起的并發(fā)癥以及脊髓損傷、腦損傷、腦腫瘤等疾病，或者意外導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力受損的患者越來越多，很多患者出現(xiàn)了偏癱或截癱。因此，針對(duì)下肢偏癱人群的康復(fù)治療成為現(xiàn)實(shí)的難題[2]。

下肢康復(fù)機(jī)器人是外骨骼機(jī)器人的一種，讓機(jī)器人幫助患者訓(xùn)練以及患者自主訓(xùn)練，主要依靠控制系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)配。控制系統(tǒng)可以有效地控制下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)速度以及檢測(cè)患者訓(xùn)練時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，患者康復(fù)質(zhì)量的高低直接取決于康復(fù)機(jī)器人的控制性能[3]。

本系統(tǒng)采用分布式控制方式，上位機(jī)采用STM32F407 單片機(jī)，下位機(jī)選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SP3232EN 實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制?？祻?fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)自主控制，也可以進(jìn)行人工操作，進(jìn)而提高其實(shí)用性和可靠性。

1 康復(fù)機(jī)器人控制策略

康復(fù)機(jī)器人的控制策略主要有主動(dòng)和被動(dòng)兩種。康復(fù)初期，患者是被動(dòng)地接受康復(fù)訓(xùn)練，隨著康復(fù)進(jìn)程的推進(jìn)，患者要提高主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)，既可以進(jìn)行單關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，也可以多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)一致進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

1.1 被動(dòng)式訓(xùn)練模式控制策略

康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可采用位置伺服控制的方式來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)訓(xùn)練，將正常人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)作為參考，電機(jī)的工作方式為位置控制方式（圖1）?？祻?fù)初期，患者肌肉無力，會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用或者聯(lián)合反應(yīng)，主要依靠機(jī)器人帶動(dòng)患者的患肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練。為了保證患者的安全，防止訓(xùn)練過程中出現(xiàn)肌肉痙攣或者信號(hào)異常導(dǎo)致?lián)p傷，可采用力控開關(guān)這一控制策略。首先設(shè)定一個(gè)最大值，傳感器檢測(cè)患者與機(jī)器人之間的實(shí)際作用力，當(dāng)檢測(cè)值超過預(yù)設(shè)的最大值時(shí)，控制系統(tǒng)將位置伺服控制方式變換到值較小的阻抗控制。如果訓(xùn)練過程中檢測(cè)到異常情況，康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)指揮電機(jī)快速反向運(yùn)動(dòng)，將人機(jī)間的作用力降低，直到小于最大值進(jìn)入安全模式。

圖1 被動(dòng)訓(xùn)練控制策略

1.2 主動(dòng)訓(xùn)練模式控制策略

在經(jīng)過一段時(shí)間的康復(fù)訓(xùn)練后，下肢的功能有所恢復(fù)，患者的平衡能力和協(xié)調(diào)控制能力得到一定提高，這一階段主要采用主動(dòng)訓(xùn)練模式。

當(dāng)采用主動(dòng)控制策略時(shí)，電機(jī)采用的是力矩控制方式（圖2）。理想情況下，患者和機(jī)器人動(dòng)作完全一致時(shí)，兩者之間的作用力為零。這種情況下機(jī)器人沒有進(jìn)行任何實(shí)際運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可認(rèn)為人獨(dú)自完成了正常步行量。該作用力既可以是輔助力也可以是阻力。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到患者的自主運(yùn)動(dòng)意愿與康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，該作用力表現(xiàn)為一種輔助力，輔助患者按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)；如果人的自主運(yùn)動(dòng)意愿與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向相背，該作用力將阻止患者錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)意向，促使患者向正確方向運(yùn)動(dòng)。人機(jī)相互作用力的控制關(guān)系為：

圖2 主動(dòng)訓(xùn)練模式控制策略

其中，F(xiàn)des為需要的人機(jī)作用力，Kvtu為虛擬的剛度系數(shù)，Xref為機(jī)器人末端參考運(yùn)動(dòng)位移。

2 硬件電路總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用分布式控制方式，上位機(jī)采用STM32F407 微控制器系列中的STM32F407ZGT6 作為核心控制器，主要因?yàn)樵摽刂破魈幚硭俣瓤?、刷屏速度高、閃存空間大，通信接口、中斷源、定時(shí)器等外設(shè)眾多，帶有DSP 和FPU 指令集，便于項(xiàng)目的開發(fā)[4]。下位機(jī)選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SP3232EN 實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制（圖3）：當(dāng)健肢邁步的時(shí)候，患者抬腿的角度信號(hào)和速度信號(hào)通過光電編碼器采集，然后將采集到的數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)傳輸給單片機(jī)；經(jīng)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比較后，若此輸入信號(hào)小于基準(zhǔn)電壓，則經(jīng)模擬輸出通道送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)患肢的運(yùn)動(dòng)，否則健肢落腿、重新邁步。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

下肢偏癱康復(fù)機(jī)器人在對(duì)患者進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，首先要對(duì)控制方式進(jìn)行選擇，控制方式分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種。在被動(dòng)控制方式下，首先需要選擇訓(xùn)練的功能，主要實(shí)現(xiàn)的功能有站立、起坐、行走和踏步，然后采集健肢的參數(shù)，根據(jù)得到的參數(shù)對(duì)患肢進(jìn)行控制；在主動(dòng)控制方式下，首先采集患肢狀態(tài)，然后啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)發(fā)出的PWM 信號(hào)經(jīng)過濾波電路之后成為0～5 V 的電壓信號(hào)，傳入由可控硅調(diào)速電路和光電編碼器構(gòu)成的局部速度閉環(huán)控制器作為指令信號(hào)。為了滿足電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求和提高控制精度，該調(diào)速器采用PI 校正環(huán)節(jié)。光電編碼器采集到的脈沖信號(hào)不適合直接反饋給模擬電路的調(diào)速器和單片機(jī)中斷口，因此要經(jīng)過頻率電壓轉(zhuǎn)換電路和濾波去噪電路后再分別反饋給調(diào)速器和單片機(jī)的中斷口。電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度通過單片機(jī)中的計(jì)數(shù)器累加脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算，再根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算出步態(tài)控制機(jī)構(gòu)的位置，然后單片機(jī)通過8 位FO 將采集到的位置信號(hào)作為命令發(fā)送給下位機(jī)，進(jìn)而控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)[5]。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種適用于偏癱患者康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，微控制器采用STM32F407，文中對(duì)控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)、控制策略與軟件理論進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在目前腦中風(fēng)、腦卒中等疾病引起偏癱人數(shù)持續(xù)增加的情況下，本設(shè)計(jì)具有積極的社會(huì)意義。鑒于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和涉及的學(xué)科較多，設(shè)計(jì)仍有很多不足之處，需要未來持續(xù)的研究和改進(jìn)。