吳偉銘　孟巧玲　倪偉　喻洪流

摘要：為實現(xiàn)康復數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和數(shù)據(jù)使用的有效性，確?？祻蜋C器人能夠發(fā)揮智能化、個性化康復訓練功能，從康復機器人與其協(xié)同工作的人機交互系統(tǒng)之間采用的通信技術(shù)出發(fā)，對康復機器人數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀在有線與無線兩個方面進行分類綜述。首先，總結(jié)了現(xiàn)有康復機器人通信技術(shù)的基本特點與應用方式。其次，基于準確性與實時性在通信方面的重要性，闡述并分析了案例中通信技術(shù)應用的局限，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)提出解決方案。接著，總結(jié)了有線與無線通信技術(shù)在康復機器人應用上的適用性與優(yōu)缺點。最后，基于現(xiàn)有技術(shù)與期望目標間的差距，提出了改善康復機器人通信技術(shù)的解決方案。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù)；康復機器人；有線通信技術(shù)；無線通信技術(shù)

中圖分類號：R 496??????????? 文獻標志碼：A

Application status of data communication technology inrehabilitation robot systems

WU Weiming1，2，3， MENG Qiaoling1，2，3， NI Wei2，3， YU Hongliu1，2，3

（1. School of Health Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;2. Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices， Shanghai 200093， China; 3. Key Laboratory of Neural-functionalInformation and Rehabilitation Engineering of the Ministry of Civil Affairs， Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to realize the timeliness of rehabilitation data transmission and the effectiveness ofdata? use，? and? to? ensure? that? the? rehabilitation? robot? can? perform? intelligent? and? personalizedrehabilitation training functions， from the perspective of the communication technologies used betweenrehabilitation? robots? and? their? cooperative? human-computer? interaction? systems，? the? currentdevelopment? status? of? rehabilitation? robot? data? communication? technologies? was? categorized? andreviewed from both wired and wireless aspects. Firstly， the basic features and application methods ofexisting communication technologies for rehabilitation robots were summarized. Secondly， based on theimportance? of? accuracy? and? real-time? in? communication，? the? limitations? of? the? communicationtechnology? application ?in? the? case? were? described? and? analyzed，? and? solutions? were? proposed? inconjunction with existing technologies. Then， the applicability， advantages， and disadvantages of bothwired? and? wireless? communication? technologies? of? the? rehabilitation? robot? application? weresummarized. Finally， based on the gap between the existing technology and the desired goal， a solutionwas proposed to improve the communication technology of the rehabilitation robot.

Keywords： communication technology; rehabilitation robot; wired communication technology;wireless communication technology

康復機器人是以康復醫(yī)學理論為基礎(chǔ)，結(jié)合機器人技術(shù)進行康復訓練和康復輔助的設(shè)備統(tǒng)稱[1]。功能障礙患者可以通過康復機器人的輔助訓練與康復治療重塑神經(jīng)功能，改善功能狀況，增強日常生活自理能力及社會交流能力等[2]。除此之外，康復機器人還能代替治療師工作，為患者提供重復性的康復訓練。治療師可通過上位機對康復機器人進行智能控制，并把實時記錄的康復訓練數(shù)據(jù)直觀地進行可視化呈現(xiàn)。智能化的康復機器人已成為康復醫(yī)院、社區(qū)、家庭等解決老年人康復醫(yī)療與助老助殘的一大助力[3]。

康復機器人數(shù)據(jù)通信一方面是下位機接收并解釋來自上位機的控制指令，然后控制系統(tǒng)執(zhí)行指令完成康復訓練；另一方面，下位機將采集到的生物電信號、力或力矩等物理信號轉(zhuǎn)換為康復訓練數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行記錄，并對記錄的數(shù)據(jù)進行有效處理[4]，從而對康復訓練方案實施的有效性、患者訓練時的生理狀態(tài)變化等進行評估?？祻蜋C器人數(shù)據(jù)的獲取分為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用。數(shù)據(jù)傳輸作為獲取數(shù)據(jù)最為重要的步驟，對于存儲與調(diào)用采集的數(shù)據(jù)起著承上啟下的連接作用。

隨著康復機器人使用頻率和使用人數(shù)的增加，以及人機交互游戲與數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)等功能的技術(shù)迭代加快，對康復機器人數(shù)據(jù)管理的要求也逐步提升。其中，最為關(guān)鍵的是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性[5]，這對于數(shù)據(jù)后續(xù)管理、康復機器人控制方式選擇等有著較為重要的影響。本文將對目前的康復機器人數(shù)據(jù)通信技術(shù)進行綜述，對不同的數(shù)據(jù)通信方式進行探討，以促進康復機器人人機交互體驗，為康復機器人提供切實有效的設(shè)計研究依據(jù)。

1康復機器人數(shù)據(jù)通信技術(shù)的分類

結(jié)合康復機器人人機交互系統(tǒng)具有的信息反饋與引導人主動參與信息交互的特點，患者或康復治療師需及時地將控制信息通過人機交互系統(tǒng)傳遞給康復機器人?？祻蜋C器人在接收控制信息之后將機器人信息、運動學、動力學等信號轉(zhuǎn)換為訓練信息、訓練數(shù)據(jù)等直觀內(nèi)容，通過人機交互系統(tǒng)反饋給醫(yī)生或治療師，這些信息的反饋有助于對康復治療作出更有效的調(diào)整與規(guī)劃。這一過程中人機交互系統(tǒng)與康復機器人之間的信息反饋主要通過數(shù)據(jù)通信技術(shù)來實現(xiàn)，本文將數(shù)據(jù)通信技術(shù)分為有線通信（串口通信、 USB 通信）和無線通信（藍牙通信、 ZigBee 通信、 Wi-Fi 通信）。各通信方式的特點如表1所示。

2有線通信技術(shù)

2.1串口通信技術(shù)

串口通信（serial communication）指通過數(shù)據(jù)信號線、控制線和地線等在計算機和外設(shè)間進行按位傳輸數(shù)據(jù)的通信方式。這種通信方式傳輸接線數(shù)少，成本低，開發(fā)擴展性好，操作簡單，成為康復機器人常用的通信技術(shù)之一。串口通信在康復機器人領(lǐng)域的應用可分為3個部分：康復機器人電機驅(qū)動；康復機器人的虛擬現(xiàn)實交互；康復機器人控制指令的發(fā)送與訓練數(shù)據(jù)接收。

2.1.1康復機器人電機驅(qū)動

電機驅(qū)動是控制康復機器人機械臂進行康復訓練的核心，主要通過上位機與康復機器人控制系統(tǒng)之間建立串口通信，將控制指令傳輸至電機驅(qū)動器完成機械臂的控制。串口通信的實現(xiàn)需進行串行接口電路的設(shè)計。設(shè)計好的串行接口電路會將接收自 CPU（central processing unit）的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流進行發(fā)送，同時將接收的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU 器件，通常會選擇使用 STM32單片機等進行串行接口電路的設(shè)計。劉修泉等[6]設(shè)計的上肢康復機器人采用串口通信的方式，從 PC 端將數(shù)據(jù)傳輸給 STM32控制器進行電機控制，從而帶動機械臂進行運動。但由于計算機的處理速度高于調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送速度，這導致調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)會被很快讀取，此時，串口電路模塊會向計算機發(fā)送中斷信息。同時， STM32串口電路緩存數(shù)據(jù)容量小的特點，會增快中斷信息的發(fā)送頻率，降低計算機的數(shù)據(jù)處理效率，導致延遲的增加，不利于數(shù)據(jù)的高速傳輸與電機驅(qū)動的控制。朱玉成等[22]、張旭等[23]、張繼國[24]都提出利用 FPGA （ field programmable gate array ）功耗較低、容量較大、設(shè)計靈活性較高等特點進行串口通信電路的設(shè)計。 FPGA 在采樣速度、時序控制等性能上都優(yōu)于 STM32串口電路，可以為高速信息傳輸提供較快的計算能力，實現(xiàn)與計算機之間的高速串口通信，也可以為高速信息傳輸提供較快的計算能力，實現(xiàn)與計算機之間的高速串口通信[25]。

2.1.2康復機器人的虛擬現(xiàn)實交互

虛擬現(xiàn)實交互可減少康復訓練中的枯燥乏味，提高患者康復訓練的積極性。串口通信可實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實游戲與康復機器人之間的交互。河北工業(yè)大學設(shè)計的下肢康復機器人采用串口通信與基于 MFC（microsoft foundation classes）設(shè)計的虛擬現(xiàn)實康復系統(tǒng)進行交互，實行虛擬現(xiàn)實康復訓練系統(tǒng)與康復機器人之間的控制指令傳輸與數(shù)據(jù)交互[7]。虛擬現(xiàn)實交互對于數(shù)據(jù)的實時性反饋有著較高的要求，串口通信的傳輸速率主要受波特率和幀格式兩種參數(shù)的影響，常用 RS-232，RS485等串行接口傳輸，但傳輸時波特率一旦約定好就不易修改。而隨著虛擬現(xiàn)實交互的更新升級，版本更新前約定的波特率無法滿足更新之后虛擬現(xiàn)實交互數(shù)據(jù)量增大的傳輸需求。對此，孫夫文等[26]提出一種基于 FPGA 的串行通信速率自動檢測、自動設(shè)置的模塊，采用該設(shè)計，通信主機可發(fā)出重置通信速率的命令，此時，通信從機會開啟通信速率自測試與自設(shè)置功能，重新設(shè)定新的速率與主機建立通信鏈路。

2.1.3康復機器人控制指令的發(fā)送與訓練數(shù)據(jù)接收華中科技大學設(shè)計的上肢康復機器人通過RS232串口與下位機工控系統(tǒng)建立連接，實時將指令發(fā)送給上肢康復機器人進行反饋控制，同時將采集的訓練數(shù)據(jù)在 Windows交互界面上實現(xiàn)動態(tài)曲線繪制[27]。嚴澤宇等[8]通過在腰部推頂牽引治療裝置中開發(fā)基于PyQt平臺的上位機，通過 RS485串口建立上位機與主控板的通信，用于發(fā)送控制指令執(zhí)行康復治療方案，同時采集數(shù)據(jù)進行康復效果分析。隨著當前無線通信技術(shù)的興起，串口有線傳輸受場地制約的缺點被放大。針對這一缺陷，楊怡婷等[28]提出 UART （ universalasynchronous receiver/transmitter）與射頻模塊（ radio frequency）之間的數(shù)據(jù)通信，將 ZigBee 技術(shù)嵌入無線射頻模塊中，實現(xiàn)串口的無線數(shù)據(jù)傳輸，消除了串口通信有線傳輸?shù)闹萍s。

2.2 USB 通信技術(shù)

USB （universal serial bus）作為外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通信。 USB 雖然也是用串行方式進行通信，但在通信時序和信號電平上和串口完全不同，在使用上相比串口傳輸速度更快，支持設(shè)備的即插即拔與熱插拔，功能應用范圍更廣。 USB 通信在康復機器人上的應用可分為：康復機器人與人機交互設(shè)備通信；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。

2.2.1康復機器人與人機交互設(shè)備通信

USB 接口在眾多硬件設(shè)備上都設(shè)有，因此，康復機器人在設(shè)計時也會選用 USB 接口作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌?。山東大學設(shè)計的踝關(guān)節(jié)行走增力裝置可通過上位機與電路板中自帶的 USB 接口進行通信，實現(xiàn)繼電器的通斷控制，以及氣體壓力傳感器數(shù)據(jù)的采集與記錄[10]。谷士鵬等[11]設(shè)計的上下肢康復訓練機器人采用 USB 2.0接口與PC 機通信，開發(fā)時調(diào)用封裝好的函數(shù)實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的讀寫[29]。但直接通過 USB 將康復機器人上下位機進行連接限制了機器人的靈活性，特別是上位機采用 PC 端設(shè)計時不利于康復機器人的多場景應用。孫恒等[30]借助 USB 轉(zhuǎn) NRF24L01模塊將上位機發(fā)送的指令通過無線傳輸至以單片機為核心單元設(shè)計的下位機系統(tǒng)，這樣很好地解決了 USB 有線傳輸?shù)南拗?，?USB 有線通信與無線通信有機地結(jié)合起來。

2.2.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口

由于串口通信使用的串行通信接口大多為 COM 口，在物理接口上多用于工控設(shè)備，對于設(shè)備接口有特殊要求，而此類接口的設(shè)備可以采用 USB 作為轉(zhuǎn)換接口的形式進行數(shù)據(jù)傳輸。大連海事大學采用 RS485-USB 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)3個編碼器與計算機的串行通信，通過 USB 轉(zhuǎn)換器連接計算機后與虛擬應用場景進行交互，實現(xiàn)被動式上肢康復機器人數(shù)據(jù)的接收和處理[31]。李少坤等[12]通過 RS232串口轉(zhuǎn) USB 接入語音識別模塊作為獨立的子系統(tǒng)，與康復機器人控制系統(tǒng)軟件進行通信，通過語音識別控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，從而執(zhí)行相應的康復運動。東南大學采用 USB 轉(zhuǎn)串口芯片 PL2303解決 PC 機沒有串行接口進行通信的問題，通過轉(zhuǎn)換之后的 USB 接口與 PC 端監(jiān)護軟件通信進行生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測[32]。

USB 雖然可作為統(tǒng)一接口與康復機器人進行通信，但轉(zhuǎn)換之后還是以有線方式進行傳輸。雖然傳輸速度較快，但 USB 的抗干擾能力弱[33]，通信過程不穩(wěn)定，傳輸距離與穩(wěn)定性受 USB 數(shù)據(jù)線長短與外界干擾影響較大，限制了其應用場合。牟奎霖[34]提出基于 NS1021延長器收發(fā)芯片的增強型 USB 傳輸方案，彌補了標準 USB 接口傳輸距離近和抗干擾性差的不足，同時也擴展了 USB 接口的使用范圍。馬萍[35]以 USB 總線接口實現(xiàn) CAN總線控制的多個主節(jié)點同計算機進行通信，該設(shè)計使 USB 傳輸具有較強的穩(wěn)定性、可靠性和實時性，且抗干擾能力較強。

綜上，有線通信技術(shù)更多地用于康復機器人與 PC 端進行通信的情況，一般利用 PC 端作為人機交互平臺的康復機器人都具有康復場所固定、康復機器人訓練時不可移動的特點，對于不考慮通信靈活性的設(shè)備可選擇使用有線通信。盡管有線通信在數(shù)據(jù)傳輸上較為穩(wěn)定，但使得康復機器人不具備靈活性與便攜性。同時通信線纜的連接在物理空間上容易受到不確定外力的破壞導致通信中斷。為確保在康復機器人使用過程中不被破壞與干擾，設(shè)計中需要重點考慮康復機器人通信線纜位置的布置與保護。

3無線通信技術(shù)

3.1藍牙通信技術(shù)

藍牙通信技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，它可為固定的或移動的設(shè)備建立一種特殊的近距離無線通信環(huán)境[36]。藍牙通信主要利用一個藍牙設(shè)備搜索到另一個具有藍牙功能的設(shè)備，迅速建立起兩個設(shè)備之間的聯(lián)系，在控制軟件的操作下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[37]。藍牙通信在康復機器人上的應用可分為：康復機器人控制指令的發(fā)送與訓練數(shù)據(jù)接收；康復機器人的虛擬現(xiàn)實交互。

3.1.1康復機器人控制指令的發(fā)送與訓練數(shù)據(jù)接收

藍牙作為移動設(shè)備間的一種小范圍無線連接技術(shù)，可為康復機器人與其共同工作的人機交互設(shè)備之間進行控制指令的發(fā)送和訓練數(shù)據(jù)的接收提供方便快捷、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸。重慶大學通過 Android 上位機與設(shè)計好的三自由度上肢康復機器人的藍牙設(shè)備連接實現(xiàn)康復訓練參數(shù)的發(fā)送[38]。哈爾濱工業(yè)大學采用 HC-06從機藍牙模塊將 Android 平板電腦與拇指功能康復機器人間建立通信連接，發(fā)送指令進行機器人控制與訓練參數(shù)設(shè)定，同時采集相關(guān)數(shù)據(jù)進行可視化顯示并保存[13]。胡杰[39]通過多模態(tài)下肢康復訓練輪椅上外接藍牙從機模塊與平板電腦藍牙模塊建立主從機藍牙通信，實現(xiàn)壓力傳輸與虛擬現(xiàn)實游戲交互訓練。

當前康復機器人采用的藍牙無線通信技術(shù)大多是基于藍牙4.0及以下版本進行開發(fā)的，雖然具有功耗和成本低的優(yōu)點，但通信距離短的缺點，導致康復機器人與上位機通信時存在距離間隔越大數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和實時性越差的問題。而第五代藍牙的出現(xiàn)，將通信速度提高了一倍。通信速度的提高減少了通信所需時間與藍牙使用的功耗，同時，相較于藍牙4.2版本，數(shù)據(jù)承載量提高了8倍，通信距離也提高了4倍[40]。此外，藍牙5.0后加入了 Mesh 技術(shù)可以實現(xiàn)藍牙設(shè)備“多對多”的連接通信[41]。

3.1.2康復機器人的虛擬現(xiàn)實交互

藍牙通信用于虛擬現(xiàn)實交互是當前最為常見的方式，通常會使用藍牙手柄、鍵盤等設(shè)備進行虛擬現(xiàn)實游戲的操控，對于康復機器人中的虛擬現(xiàn)實交互也可以通過藍牙通信進行。李文肖等[14]設(shè)計的下肢主動康復訓練系統(tǒng)通過 Unity 3D 軟件平臺開發(fā)人機互動游戲[42]，將采集到的傳感器姿態(tài)信息通過藍牙通信與虛擬康復場景匹配完成訓練，同時實現(xiàn)康復效果的評估。王洪等[15]針對上肢腕關(guān)節(jié)功能訓練，將表面肌電信號（ sEMG）處理技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，將采集的sEMG信號以藍牙通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C，用于驅(qū)動虛擬訓練環(huán)境中目標物的運動。

虛擬現(xiàn)實交互需保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與實時性，故在藍牙通信設(shè)計時應當避免使用低功耗藍牙（ BLE ）。低功耗藍牙雖然在使用上保證了低功耗，但是限制了數(shù)據(jù)的傳輸量，當數(shù)據(jù)量較大時就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，不利于虛擬現(xiàn)實交互的進行。

3.2 ZigBee 通信技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它的最大特點是可自組網(wǎng)[43]。一個 ZigBee 協(xié)調(diào)器可對應上萬個 ZigBee 終端，在通信范圍內(nèi)， ZigBee 可通過動態(tài)路由的方式選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑。當一條路徑因為網(wǎng)絡堵塞或建筑物阻擋等原因?qū)е聰?shù)據(jù)傳輸被中斷，動態(tài)路由結(jié)合 ZigBee 的網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)則可以重新選擇另一條路徑直至數(shù)據(jù)傳輸完成[44]。ZigBee 通信在康復機器人的應用可分為：監(jiān)測康復機器人使用狀態(tài)；家庭康復通信網(wǎng)絡的構(gòu)建。

3.2.1監(jiān)測康復機器人使用狀態(tài)

ZigBee 可在一定的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署節(jié)點網(wǎng)絡通信，構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡，監(jiān)測康復機器人康復訓練時人體與機器人的狀態(tài)。Braidot等[45]開發(fā)了一個名為 ZIMUED 的便攜式傳感器系統(tǒng)用于上肢康復機器人，通過 ZigBee 終端設(shè)備將采集的人體數(shù)據(jù)傳輸?shù)?ZigBee 協(xié)調(diào)器上。蔣興松[16]通過 ZigBee 終端節(jié)點將肢體康復監(jiān)測系統(tǒng)采集的病人姿態(tài)、關(guān)節(jié)活動度等數(shù)據(jù)傳輸給 ZigBee 協(xié)調(diào)器，再以串口連接 PC 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC 端軟件上，由 PC 端軟件進行數(shù)據(jù)處理。

ZigBee 通信若用在康復機器人上會受限于 ZigBee 協(xié)調(diào)器的放置位置，且 ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸需要以上位機作為中轉(zhuǎn)，限制了機器人使用的范圍。張毅等[46]通過設(shè)計 ZigBee-Wi-Fi 無線網(wǎng)關(guān)解決了不需要有專門與 ZigBee 協(xié)調(diào)器相連的上位機進行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，這樣的設(shè)計對于協(xié)調(diào)器的放置位置不受限，在數(shù)據(jù)傳輸上更加靈活方便。另外，可忽視墻體等障礙物對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。

3.2.2家庭康復通信網(wǎng)絡的構(gòu)建

數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點可應用于遠程監(jiān)控家庭、醫(yī)院等室內(nèi)康復機器人的使用、患者康復生理狀態(tài)等情況[47]。Chen 等[17]通過 ZigBee 模塊構(gòu)建家庭康復生理監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測患者的生命體征， ZigBee 終端將監(jiān)測對象的穿戴設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)傳輸至 ZigBee 協(xié)調(diào)器上，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的跌倒和生理監(jiān)測。李堯[18]針對中風病人設(shè)計了上肢家庭康復訓練系統(tǒng)，通過 ZigBee無線發(fā)送模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC 端設(shè)備的外接ZigBee 協(xié)調(diào)器上， PC 端通過串口連接讀取 ZigBee 協(xié)調(diào)器上的數(shù)據(jù)用于人機交互和游戲驅(qū)動。

ZigBee 用于家庭康復通信網(wǎng)絡構(gòu)建時，由于 ZigBee 通信頻段與 Wi-Fi 相同，這種情況下ZigBee 通信易受干擾。曾鵬等[48]針對無線局域網(wǎng)（WLAN）在同一區(qū)域共存將造成 ZigBee 網(wǎng)絡性能顯著下降的問題，提出了多信道干擾避免策略。通過應用多信道通信的方法提高 ZigBee 通信時信道切換的成功率，增強了 ZigBee 通信在 WLAN 干擾下的可靠傳輸。

3.3 Wi-Fi 通信技術(shù)

Internet 作為當今全球信息交互最活躍的領(lǐng)域，在利用計算機進行收集連接時，家居、醫(yī)療健康、教育、金融等領(lǐng)域的電子裝備也逐步融入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這有利于裝備之間經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)進行資源共享[49]?；?Wi-Fi 通信可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)或者無線網(wǎng)之間的傳輸，最底層的 IP 協(xié)議與上一層的 TCP （ transmission control protocol）協(xié)議或 UDP （ user datagram protocol）協(xié)議的組合可實現(xiàn)網(wǎng)絡層與應用層之間通過接口進行數(shù)據(jù)流傳輸，從而進行數(shù)據(jù)交互。 TCP 是一種面向連接的、可靠的通信協(xié)議，適合通信質(zhì)量要求較高的場景的應用，例如 http 傳輸、文件傳輸、 smtp 等，目前大部分的傳輸都是基于 TCP 協(xié)議進行的。 UDP 通信則提供了無連接的、實時性好的數(shù)據(jù)報服務，適合對網(wǎng)絡通信質(zhì)量要求不高，但速度要求盡量快、更實時的情況，例如語音、視頻等。本文 Wi-Fi 通信在康復機器人上的應用介紹包括：康復訓練時視頻語音等數(shù)據(jù)交互；康復機器人控制指令傳輸與數(shù)據(jù)采集。

3.3.1康復訓練時視頻語音等數(shù)據(jù)交互

隨著遠程醫(yī)療概念的提出，遠程康復系統(tǒng)可為康復患者提供線上與康復醫(yī)師面對面的康復診療，成為康復機器人系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一大熱門，通過 UDP 數(shù)據(jù)傳輸過程中延遲小、數(shù)據(jù)傳輸效率高的特點可進行遠程視頻康復診療的應用。王楠[19]設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程康復訓練機器人系統(tǒng)一方面將控制指令通過 TCP 傳輸發(fā)送至康復機器人設(shè)備，另一方面，視頻語音數(shù)據(jù)采集使用 UDP 協(xié)議進行傳輸，保證虛擬現(xiàn)實游戲交互的體驗。Tamez-duque等[20]設(shè)計了實時壓力皮帶傳感器系統(tǒng)，用于監(jiān)測 Rehab Rex下肢動力外骨骼使用時的壓力，將采集的傳感器陣列數(shù)據(jù)通過 UDP 通信傳送至 GUI 軟件處理并顯示。UDP 通信雖然相較于 TCP 在傳輸數(shù)據(jù)前不需要建立連接，但是在數(shù)據(jù)傳輸上受連接的主機在線情況、網(wǎng)絡擁擠、阻塞等影響，數(shù)據(jù)傳輸可能會丟失，且無法監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，是一種可靠性不高的數(shù)據(jù)傳輸方式[50]。Google 提出的 QUIC （ quick udp internet connections）[51]協(xié)議是一種基于 UDP 并且融合了眾多其他協(xié)議優(yōu)點的新型多路復用和安全傳輸協(xié)議。它具備連接建立迅速的優(yōu)點，解決了隊頭阻塞、重傳模糊等問題，保證了網(wǎng)絡切換時業(yè)務的連續(xù)性。

3.3.2康復機器人控制指令傳輸與數(shù)據(jù)采集

TCP 通信在數(shù)據(jù)傳輸上可靠性較強，對于控制指令這類需要可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信較為適用。賀玲玲[21]借助 TCP/IP 協(xié)議具備的跨網(wǎng)絡通信的特點，提出了基于運動損傷康復機器人的康復關(guān)節(jié)多數(shù)據(jù)交互協(xié)議（RJMIP），用以滿足康復機器人對運動時角度的數(shù)據(jù)傳輸誤差要求與多關(guān)節(jié)多數(shù)據(jù)交換需求。沈麗云等[52]基于 Android 平臺與 Wi-Fi 轉(zhuǎn)換器設(shè)計了上肢康復醫(yī)療機器人，通過 Wi-Fi 無線通信實現(xiàn)對康復醫(yī)療機器人本體肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)三自由度的驅(qū)動，同時將數(shù)據(jù)實時反饋至 Android 客戶端。

TCP 通信前需要建立連接，且需時時監(jiān)聽連接是否正常，存在傳輸時隊頭阻塞、網(wǎng)絡切換導致連接中斷等問題，使得移動端的傳輸效率低、延遲高[53]。袁凱等[54]提出了一種聯(lián)合應用層糾錯、檢錯和重發(fā)機制的 UDP 傳輸方案，在提供低時延傳輸服務的同時也能保障報文的可靠性，該方案針對 TCP 不能保障實時性以及 UDP 不能保障可靠性的問題提出了解決方案。

綜上，康復機器人無線通信技術(shù)的使用根據(jù)不同的應用場景不盡相同，藍牙通信技術(shù)適用于便攜式設(shè)備與康復機器人近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸； ZigBee 通信技術(shù)則適用于構(gòu)建家庭等室內(nèi)康復無線通信網(wǎng)絡； Wi-Fi 通信技術(shù)適用于遠程康復與數(shù)據(jù)傳輸量較大的無線通信。雖然無線通信技術(shù)的可移動性和不受傳輸線纜限制的特點，為康復機器人的使用帶來了極大的方便，但其對信號及通信雙方網(wǎng)絡連接狀態(tài)的要求較高，通信過程中若出現(xiàn)信號抖動、連接中斷等情況，均會對機器人控制、訓練數(shù)據(jù)接收、虛擬現(xiàn)實交互體驗等產(chǎn)生不同程度的影響。因此，在保證通信實時性的同時，如何確保連接的可靠性，需要進一步的研究。

4對未來康復機器人通信技術(shù)研究的幾點啟示

作為用于康復機器人控制、數(shù)據(jù)獲取、交互的通信技術(shù)，在設(shè)計時應當遵循“以人為本”的設(shè)計思想，從患者、康復治療師的角度出發(fā)，結(jié)合康復機器人使用特點，選擇適合康復機器人的通信技術(shù)，在確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性的前提下，提高康復機器人人機交互體驗。從現(xiàn)有技術(shù)與期望目標之間的差距，對康復機器人通信技術(shù)在功能實現(xiàn)、通信技術(shù)缺陷與改進辦法上進行了總結(jié)，在未來的康復機器人通信設(shè)計開發(fā)上可以參考以下幾個方面的策略。

a.復合通信策略。

單一的通信技術(shù)不能滿足復雜的人機交互功能的實現(xiàn)，通過在康復機器人設(shè)計過程中結(jié)合多種通信技術(shù)的使用，可以滿足多功能多需求的人機交互。如 ZigBee 具有的多節(jié)點接入的優(yōu)勢結(jié)合 Wi-Fi 遠程通信的優(yōu)點可以滿足患者居家康復與康復醫(yī)師遠程指導康復訓練的結(jié)合，實現(xiàn)康復方式更便捷化的目標。

b.便攜式設(shè)備無線通信。

隨著手機、平板電腦、智能手環(huán)等便攜式智能通信設(shè)備的興起，康復物聯(lián)網(wǎng)朝著輕型化、智能化的方向發(fā)展?；谥悄苁汁h(huán)與智能手機等小型化智能設(shè)備可結(jié)合自身功能在通信技術(shù)上選擇 NFC 無線通信、5G 通信等，NFC 近場通信具有的連接速度、傳輸速度快，功耗低等優(yōu)點，可通過移動設(shè)備存儲的身份信息為康復機器人的使用提供身份確認康復訓練數(shù)據(jù)存儲，以確?？祻蜋C器人使用的安全保障與數(shù)據(jù)傳輸。5G 通信高速率、低延遲的優(yōu)點可提供時時刻刻的遠程指導訓練。

c.高速安全通信。

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、康復醫(yī)療等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，未來對于康復訓練數(shù)據(jù)的傳輸、讀取、上傳、下載等功能在保證準確性與可靠性的同時，對于傳輸?shù)陌踩杂兄叩囊?，未來在設(shè)計康復機器人人機交互系統(tǒng)時，對于通信數(shù)據(jù)的加密、校驗、存儲等都應按照法律法規(guī)加入相應的安全防范措施。

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（編輯：丁紅藝）