基于多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與軟判決的智能型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

溫麗萍

摘 要：本文討論了一種基于多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與軟判決信息融合技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。以MSP430系列MCU為核心構(gòu)建起一次信號(hào)處理系統(tǒng)。軟判決則依據(jù)驅(qū)動(dòng)輪受力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、患者坐姿著力傳感器陣列提供的諸多信息，將特有的觀測(cè)域分解成若干個(gè)互不相容的子區(qū)間，根據(jù)貝葉斯決策原理，通過(guò)信息融合方式，導(dǎo)出對(duì)康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)和用戶意愿的判定結(jié)果，并隨之作出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)決策，獲得了較高的判斷精度和較好的訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；傳感器；信息融合

1 引言

病中患者的肢體康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程，一般期望在患者力所能及的情況下，使其盡可能在最重的“驅(qū)動(dòng)阻尼負(fù)載”下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，由此獲得最佳的康復(fù)鍛煉效果。然而，對(duì)于不同的患者或位于不同康復(fù)階段的同一患者來(lái)說(shuō)，達(dá)到這一理想狀態(tài)并不是一件容易的事。其中最具挑戰(zhàn)性的工作，是對(duì)于患者意圖及自身能力的判定以及隨后的驅(qū)動(dòng)決策，特別是對(duì)于那些位于初級(jí)康復(fù)階段的“有心無(wú)力”的患者，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)手段的不斷更新和嵌入式系統(tǒng)等高新技術(shù)的逐步成熟，為實(shí)現(xiàn)高智能化的康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程提供了可能。本文討論的基于軟判決信息融合技術(shù)、且以單片機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)一次信號(hào)處理的系統(tǒng)裝置實(shí)現(xiàn)了多參量康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制，大大提高了判斷精度和可控驅(qū)動(dòng)負(fù)載的適應(yīng)性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，通過(guò)傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)采集接口模塊送入控制器，控制器的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理，作出使用者的當(dāng)前意圖和個(gè)人能力判斷，然后發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作命令。執(zhí)行模塊在接收到相應(yīng)命令后，通過(guò)外圍電路將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)執(zhí)行動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入不同的狀態(tài)和采用不同的負(fù)載。

該方法的核心是依據(jù)常識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)，采用合適的算法，借助于信息融合技術(shù)進(jìn)行的軟判決，做出相應(yīng)的決策，實(shí)現(xiàn)智能化的適應(yīng)性負(fù)載驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

訓(xùn)練儀機(jī)械系統(tǒng)：作為實(shí)驗(yàn)裝置，這里采用參考文獻(xiàn)[3]的經(jīng)驗(yàn)，利用電動(dòng)車改裝構(gòu)成其整體構(gòu)架，整體構(gòu)架上安裝了相應(yīng)的傳感器和可調(diào)的阻尼器等。

傳感器：分別用于轉(zhuǎn)速和張力測(cè)量。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用CS3020霍爾芯片，輸出脈沖信號(hào)可以直接輸入數(shù)據(jù)采集模塊。每旋轉(zhuǎn)一周可獲得6個(gè)脈沖輸出；張力測(cè)量采用多點(diǎn)采集方式，靠背、座墊和兩邊腳蹬各安裝了兩個(gè)同型號(hào)的薄膜片式張力傳感器，經(jīng)過(guò)多通道接口將數(shù)據(jù)送入采集模塊。

控制器：采用MSP430 系列單片機(jī)。其特點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗、多種功能，適合于各種低功率場(chǎng)合。采樣電路為MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部12位的A/D，采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232 方式與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊。

驅(qū)動(dòng)負(fù)載：沿用電動(dòng)車原有的電機(jī)，通過(guò)與控制器相連的接口裝置，使其可分別在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)下工作，并可通過(guò)在線驅(qū)動(dòng)與調(diào)整，獲得不同的驅(qū)動(dòng)阻尼。

PC主機(jī)：通過(guò)232接口與控制器進(jìn)行通信，可在離線與在線兩種狀態(tài)下實(shí)施融合運(yùn)算，進(jìn)行決策分析，并將結(jié)果通過(guò)接口裝置送到控制器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制。

3 用于康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)的軟判決算法

從系統(tǒng)的諸多輸入信息考慮，有多個(gè)采集點(diǎn)的變化是隨機(jī)的，所以依賴于分散單一的傳感信號(hào)往往難以對(duì)患者意圖與其個(gè)人能力做出準(zhǔn)確的判斷，而只有對(duì)各種信號(hào)作出綜合考慮，才有可能獲得理想的康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程。

4 結(jié)論

本文監(jiān)測(cè)器因?yàn)椴捎昧塑浥袥Q信息融合技術(shù)，多個(gè)傳感器對(duì)康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)多方位的監(jiān)控，能有效地克服傳感器本身離散性大，對(duì)其他因素干擾大等問(wèn)題，從而提高了狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可信度， 減少了誤判率。采用多參量融合技術(shù)后，融合了多個(gè)傳感器的不同信息，任何單個(gè)參量出錯(cuò)都不會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果出錯(cuò)，而且可保證一定的靈敏度，可靠性增強(qiáng)。監(jiān)測(cè)器將康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)預(yù)報(bào)分為預(yù)報(bào)和報(bào)警兩級(jí)，便于工作人員采取不同的措施。監(jiān)測(cè)器還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋雪臣 單振清 主編《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》人民郵電出版社，2012年4月

[2] 黨宏社《控制系統(tǒng)仿真》西安電子科技大學(xué)出版社，2008

[3] 高欣等，“自行車仿真健身器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，《系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)》，Vol.15，No. 5，2005年5， pp.1163-1167

[4] 胡大可等，MSP430 系列FLASH 型超低功耗16 位單片機(jī)[M] . 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[5] 李宛洲《計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)》機(jī)械工業(yè)出版社 2010年6月