智能肢體康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

張 冰, 朱仰博， 張邦成, 關(guān)博文,陳玉超, 何 猛, 謝 涵

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

智能肢體康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

張 冰, 朱仰博， 張邦成*, 關(guān)博文,陳玉超, 何 猛, 謝 涵

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

基于STM32系列芯片控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)腿部力量的大小，實(shí)現(xiàn)了上下肢功能障礙者訓(xùn)練時(shí)從被動(dòng)到主動(dòng)的自由轉(zhuǎn)換，增加了訓(xùn)練系統(tǒng)的柔順性?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)檢測(cè)剩余力量自動(dòng)調(diào)整力矩，使訓(xùn)練更加智能化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器，重力檢測(cè)精度為0.6 N,速度控制誤差δ<2%。

智能; 肢體; 康復(fù); 訓(xùn)練器

0 引 言

對(duì)于上下肢功能障礙者的康復(fù)，醫(yī)學(xué)上通常是通過(guò)進(jìn)行重復(fù)的特定任務(wù)訓(xùn)練，讓患者進(jìn)行足夠的重復(fù)性活動(dòng)，以此增強(qiáng)腿部肌肉和提高關(guān)節(jié)靈活性，基于這種方法的訓(xùn)練已取得良好的臨床效果[1-3]。康復(fù)訓(xùn)練器作為醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支，已經(jīng)成為國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?？祻?fù)訓(xùn)練設(shè)備大致可以分為兩類，一類是借助于跑步機(jī)、懸吊帶等幫助患者進(jìn)行上下肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，例如瑞士的LOKOMAT步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人；另一類是臥式伸曲腿，利用電機(jī)或氣囊型人造肌肉作為驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)或使氣囊充、放氣實(shí)現(xiàn)上下肢的彎曲或伸長(zhǎng)，例如布魯塞爾Vrije大學(xué)研發(fā)的ALTACRO康復(fù)訓(xùn)練器。

國(guó)內(nèi)的研究者也是使用懸吊步行式，例如清華大學(xué)研制的關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式康復(fù)訓(xùn)練器；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的臥式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。懸吊式訓(xùn)練康復(fù)器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但訓(xùn)練過(guò)程中必須有專業(yè)人員幫助，而且隨意性較強(qiáng)，不符合人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，只能用于病情較輕的患者。臥式訓(xùn)練康復(fù)器的設(shè)計(jì)雖然更接近人腿真實(shí)的運(yùn)動(dòng)形式，具有輸出力大、有一定柔度等優(yōu)點(diǎn)，但是其穿戴復(fù)雜，沒(méi)有減重措施，對(duì)于病情較為嚴(yán)重的患者此方法實(shí)現(xiàn)難度較大。因此，文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32系列控制芯片的踏車式康復(fù)訓(xùn)練器，訓(xùn)練系統(tǒng)智能靈活、柔性度高、便于上下肢功能障礙者康復(fù)訓(xùn)練。

1 上下肢康復(fù)訓(xùn)練器工作原理

上下肢康復(fù)訓(xùn)練器分兩部分：一部分是訓(xùn)練上肢康復(fù)；另一部分是訓(xùn)練下肢康復(fù)。除上肢與下肢的力矩不同、設(shè)計(jì)尺寸不同外，上肢與下肢的訓(xùn)練方法和方式一樣。文中以下肢康復(fù)為例作詳細(xì)分解。

利用安裝在支架上的腳蹬，將腿部的力量通過(guò)曲柄傳遞給中軸，在中軸上增加了慣性輪，利用慣性輪具有保持動(dòng)能的特性，能夠使系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)保持一定的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，克服了主被動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生的波動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定[4]。在中心軸上安裝一對(duì)齒輪，減速比為50∶1，小齒輪的中心軸上一端經(jīng)聯(lián)軸器與直流無(wú)刷電機(jī)相連，一端經(jīng)聯(lián)軸器與中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動(dòng)器相連。當(dāng)上位機(jī)STM32控制器通過(guò)壓力傳感器和編碼器檢測(cè)到訓(xùn)練者腿部的力矩不足以驅(qū)動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)輸出軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)減速器后，帶動(dòng)中軸旋轉(zhuǎn)，由腳蹬帶動(dòng)腳部和腿部運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到帶動(dòng)使用者訓(xùn)練效果。當(dāng)使用者的力量有剩余時(shí)，曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)加快，編碼器檢測(cè)到速度信號(hào)，并反饋至上位機(jī)，上位機(jī)則根據(jù)反饋信號(hào)速度的大小，控制中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動(dòng)器的電壓，使中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生一定的反向力矩，克服使用者剩余的力量，使曲柄的轉(zhuǎn)速始終保持一個(gè)定值。實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)由壓力傳感器和編碼器組成，將腳部的力矩和中軸旋轉(zhuǎn)的速度反饋給上位機(jī)STM32控制器，構(gòu)成雙閉環(huán)控制[5]。控制精度高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。上下肢康復(fù)訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.支架; 2.觸摸屏； 3.下肢訓(xùn)練模塊； 4.上肢訓(xùn)練模塊；5.微調(diào)電機(jī)1； 6.微調(diào)電機(jī)2； 7.光杠； 8.絲杠； 9.蝸輪蝸桿；10.微調(diào)電機(jī)3； 11.蝸輪蝸桿； 12.光杠； 13.絲杠； 14.微調(diào)電機(jī)5；15.座椅； 16.腳蹬； 17.曲柄1； 18.把手； 19.曲柄2

2 位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于上下肢功能障礙者的身高不同，設(shè)計(jì)智能康復(fù)訓(xùn)練器要盡可能地滿足所有的使用者。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，以下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊與支架固定為原則，調(diào)節(jié)座椅和上肢康復(fù)訓(xùn)練模塊，使智能康復(fù)訓(xùn)練器滿足使用者的要求。在圖1中，使用者坐在座椅上，將腳放在腳蹬上，先打開(kāi)被動(dòng)模式，腳蹬帶動(dòng)使用者的腳部和腿部運(yùn)動(dòng)。使用者可以根據(jù)自己的身高和曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)腿部的彎曲情況調(diào)節(jié)微調(diào)電機(jī)，微調(diào)電機(jī)的功能是帶動(dòng)座椅前后移動(dòng)。同時(shí)，也可以調(diào)節(jié)微調(diào)電機(jī)，使座椅上下移動(dòng)，直到調(diào)節(jié)至最佳位置。

座椅上下調(diào)節(jié)的原理是利用絲杠旋轉(zhuǎn)使螺母產(chǎn)生位移的原理。在智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將螺母的位置固定，只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，螺母下方放置一個(gè)端面軸承，為了防止在使用過(guò)程中螺母發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在底座上加工一個(gè)圓形凸臺(tái)，保證了螺母X,Y,Z方向的位置不變。座椅的可調(diào)范圍就是螺母的長(zhǎng)度，根據(jù)人體功能學(xué)設(shè)計(jì)，螺母長(zhǎng)0.5 m，即可滿足使用者的調(diào)節(jié)需求。位置調(diào)節(jié)時(shí)，微調(diào)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，由蝸桿將動(dòng)力傳遞給蝸輪，蝸輪通過(guò)鍵連接與螺母連接在一起，蝸輪與螺母一起旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿的減速比為1∶20，增大了傳動(dòng)力矩，螺柱選擇是鋸齒形螺紋，傳動(dòng)效率高，且具有自鎖功能，同時(shí)，蝸輪蝸桿減速系統(tǒng)也具有自鎖功能，能夠保障座椅調(diào)整機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全性。由于螺母上下移動(dòng)的位置被固定了，同時(shí)，為了克服座椅跟隨螺母旋轉(zhuǎn)的力矩，增加了光杠，保證座椅的位置固定，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同樣的，上肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的上下位置調(diào)節(jié)也是采用蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)，由于上肢訓(xùn)練模塊重量較下肢訓(xùn)練模塊輕，因此上肢訓(xùn)練模塊前后位置調(diào)節(jié)通過(guò)微調(diào)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)即可，驅(qū)動(dòng)方式采用齒輪齒條式。

3 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

智能上下肢康復(fù)訓(xùn)練器控制系統(tǒng)的硬件主要由STM32F103系列控制芯片、可編程智能TFT LCD,J3806系列絕對(duì)式編碼器、直流無(wú)刷電機(jī)、中空旋轉(zhuǎn)型磁粉制動(dòng)器等模塊組成。布置在曲柄旋轉(zhuǎn)軸上的絕對(duì)式編碼器和腳蹬上的壓力傳感器作為系統(tǒng)的檢測(cè)部分，將曲柄旋轉(zhuǎn)的速度和腳蹬的力矩傳送至控制芯片[6]，控制芯片向直流無(wú)刷電機(jī)和制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)，由直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)或者由制動(dòng)器抑制曲柄旋轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)以STM32控制芯片作為控制核心，力矩傳感器檢測(cè)到腳蹬上的力，以電壓值形式輸出，STM32控制芯片通過(guò)3次數(shù)據(jù)采樣取均值后得到更加精確的數(shù)據(jù)。由于使用者的體重不同，使用者在使用康復(fù)訓(xùn)練器時(shí)，先將訓(xùn)練器運(yùn)行在被動(dòng)模式下，此時(shí)使用者不要用力踩腳蹬，只是將腳放在腳蹬上即可，由曲柄帶動(dòng)使用者的腿部和腳部運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)兩圈，由控制系統(tǒng)采集腳蹬上的力，作為在以后訓(xùn)練時(shí)腿部力量的判斷，并為腿部是否痙攣提供依據(jù)。當(dāng)腿部痙攣時(shí)，腿部的肌肉發(fā)生錯(cuò)亂，使腿部的肢體僵硬，從而使腳踩在腳蹬上的力發(fā)生突變，STM32控制芯片檢測(cè)的信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒醫(yī)護(hù)人員做防護(hù)工作。

3.1傳感器選擇

根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)精度要求及傳感器性能比較，壓力傳感器選用高精度、輸出量程廣的BMP085壓力傳感器，精度控制誤差小于3 Pa。輸出方式為I2C接口，便于與STM32控制芯片通訊，供電電源在1.8～3.6 V，功耗較低，適應(yīng)性強(qiáng)，與STM32控制芯片的供電電壓相同。BMP085是一種高精度氣壓傳感器。BMP085是基于EMC魯棒性、精度高、線性度以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的技術(shù)壓阻式傳感器，可以直接連接到一個(gè)微控制器，反應(yīng)時(shí)間只有7.5 ms。

3.2控制芯片的選擇

通過(guò)搜集相關(guān)芯片資料，也同時(shí)對(duì)小面積的AVR單片機(jī)和51單片機(jī)進(jìn)行了大致的比較，以CortexM3為內(nèi)核的STM32，比LPC2148芯片擁有更豐富和靈活的外設(shè)，按照MIPS值計(jì)算，STM32系列芯片的性能幾乎是LPC2148的兩倍[7]。在核心1.8 V供電情況下，與DSP2811相比較，135 MHz×1 MIPS?，F(xiàn)在用STM32F103，72 MHz×1.25 MIPS，性能是DSP的66%，STM32F103R型(64管腳)芯片面積只有2811芯片的51%，STM32F103C型(48管腳)面積是2811芯片的25%，最大功耗是DSP的20%，單片價(jià)格是DSP的30%，且有更多的串口，CAP和PWM。高端型號(hào)有SDIO，理論上比SPI速度快。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1數(shù)字濾波

濾波方法有硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波主要是通過(guò)電容電阻組合電路濾波，不適合用于信號(hào)快速變化的場(chǎng)合[8]，對(duì)采集的信號(hào)有一定的抑制作用，且很容易濾掉有用的信號(hào)，因此采用軟件濾波方法。

常用的數(shù)字濾波方法有中位值法、慣性濾波法和平均值法。中位值濾波法對(duì)變化緩慢的信號(hào)進(jìn)行濾波有較好的效果，如溫度、液位的變化，不宜對(duì)流量、速度等變化快速的量進(jìn)行濾波。慣性濾波運(yùn)算量大，占用內(nèi)存大，不適合快速采樣與響應(yīng)的系統(tǒng)。平均值法簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，能夠?qū)哂须S機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，在保證采樣精度的同時(shí)節(jié)省系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。因此，信號(hào)采樣采用平均值法濾波，選擇采樣次數(shù)為N=3。

4.2控制流程圖

軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 控制流程

控制電路上電后，對(duì)檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行初始化，然后讀取壓力傳感器輸出的電壓值，進(jìn)行3次采樣后，用平均值法得到3個(gè)軸的值與被動(dòng)測(cè)試時(shí)的壓力值分別比較，如果相等或大于，且大于的數(shù)值波動(dòng)不大，即無(wú)突變，則說(shuō)明此時(shí)的壓力處于正常狀態(tài)；如果小于或壓力值有突變，則表明訓(xùn)練者的腿部出現(xiàn)痙攣或者機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)故障，此時(shí)，應(yīng)停止旋轉(zhuǎn)，并報(bào)警提示醫(yī)護(hù)人員。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，使用者將腳放在腳蹬上，打開(kāi)被動(dòng)模式進(jìn)行采集，在使用者不加力的情況下，得到腿部重力為50.3 N，中軸設(shè)定轉(zhuǎn)速為6 r/min，以此為判斷主被動(dòng)模式標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)試時(shí)，使用者隨機(jī)地使用腳力，測(cè)得壓力檢測(cè)與轉(zhuǎn)速關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)速、工作模式與壓力關(guān)系

由表1可看出，轉(zhuǎn)速實(shí)際值偏離理論值的誤差在2%之內(nèi)，且重復(fù)性好，滿足使用精度。

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，傳感器通過(guò)使用者將檢測(cè)到的壓力模擬量給STM32控制芯片，控制芯片計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的脈沖占空比，并發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。從腳蹬的壓力變化到制動(dòng)器將速度保持設(shè)定值為止，記錄所用的時(shí)間，反復(fù)調(diào)整，使整個(gè)過(guò)程響應(yīng)在1 s之內(nèi)。在STM32控制芯片處理數(shù)據(jù)中，讀取壓力值轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為65 μs，制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間為50 ms，相對(duì)于1 s的運(yùn)行周期可以忽略不計(jì)，影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的是STM32控制芯片向電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送脈沖的頻率與機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)所需要的傳動(dòng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)送脈沖頻率大于8 kHz時(shí)，電動(dòng)座椅椅面平衡控制系統(tǒng)響應(yīng)周期時(shí)間t<1 s。

6 結(jié) 語(yǔ)

以STM32控制芯片為主控芯片，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器能夠?qū)毫鞲衅鬟M(jìn)行直接、實(shí)時(shí)采樣，并進(jìn)行多次采樣取均值，能夠有效地提高控制精度。直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是采用24 V低電壓，輸出電流峰值高達(dá)4 A的高電流供電，能夠?yàn)榭祻?fù)訓(xùn)練器提供1 kN的力矩。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能夠快速地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和制動(dòng)器的工作電壓，其壓力誤差δ<0.6 N，速度控制誤差δ<2%，能夠滿足康復(fù)訓(xùn)練器壓力檢測(cè)和速度調(diào)節(jié)的要求。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的上下肢康復(fù)訓(xùn)練器達(dá)到了使用要求，增強(qiáng)了訓(xùn)練效果。

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Intelligent limbs rehabilitation device design

ZHANG Bing, ZHU Yang-bo, ZHANG Bang-cheng*， GUAN Bo-wen,CHEN Yu-chao, HE Meng, XIE Han

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The STM32 based control system freely transforms the disorder rehabilitation from passive to active during the training time according to the real-time detections of leg strength so that the flexibility of training system was improved. The system can automatically adjust output torque by measuring the remained strength, so that the training was more intellectualized. The experimental results show that the designed device can meet the needs with gravity precision 0.6 N and speed control error less thanδ<2%.

intelligent; limbs; rehabilitation; device.

2014-06-20

吉林省發(fā)展和改革委員會(huì)基金資助項(xiàng)目(20B-00005000419)

張 冰(1989-)，女，漢族，吉林敦化人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事機(jī)電檢測(cè)與控制方向研究,E-mail:bingyanzhi@126.com. *聯(lián)系人：張邦成(1972-)，男，漢族，吉林敦化人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事機(jī)電檢測(cè)與控制方向研究,E-mail:zhangbangcheng@mail.ccut.edu.cn.

TP 272; TP 311.1

A

1674-1374(2014)05-0552-05