上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常國權(quán)，馮慧玲，郭曉波

（安陽工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，安陽 455000）

康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支，已成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，康復(fù)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用到康復(fù)護(hù)理、假肢和康復(fù)治療等方面，這不僅促進(jìn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也帶動了相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論的發(fā)展。隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)成為一種新的運(yùn)動神經(jīng)康復(fù)治療技術(shù)，利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練對于中風(fēng)患者肢體功能的恢復(fù)具有重要的意義[1]。有研究表明，對腦中風(fēng)或有運(yùn)動功能障礙的患者有針對性的進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練對促進(jìn)其恢復(fù)運(yùn)動功能有著重要的作用。

1 系統(tǒng)概述

為幫助患者有效地進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練，本上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：手臂運(yùn)動機(jī)械裝置，該機(jī)械裝置主要用來固定患者的上肢、手腕等，并在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及手掌關(guān)節(jié)位置安裝有角度傳感器與壓力傳感器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用32位STM32微控制器實(shí)現(xiàn)對傳感器信號變換、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，?shù)據(jù)傳輸采用成熟的WiFi無線通信技術(shù)和PC機(jī)通訊，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；基于游戲人機(jī)交互的數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)，患者可通過機(jī)械手臂控制PC機(jī)游戲運(yùn)動畫面進(jìn)行互動，并可針對不同患者選擇游戲的種類、模式和難易程度，同時(shí)把患者在肢體運(yùn)動過程中采集到的傳感器數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、對比、總結(jié)、評估等功能。該系統(tǒng)把復(fù)雜的底層控制功能通過游戲的方式表達(dá)在用戶界面上，使得患者可與康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行人機(jī)交互，增加了患者康復(fù)訓(xùn)練的趣味性，提高了康復(fù)訓(xùn)練的效果[2]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)采用的STM32微控制器的工作電壓是3.3V，而串口無線WiFi模塊、角度傳感器等需5 V電壓，考慮到5 V電壓系統(tǒng)需要的功率稍大，因此，系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)采用了效率更高、功能更強(qiáng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器LM2576-5.0。LM2576系列是3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路[3]。而AMS1117則給低功耗的STM32微控器等模塊提供3.3 V工作電壓。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1和穩(wěn)壓二極管D3構(gòu)成電壓保護(hù)電路，當(dāng)因某原因致使輸出電壓超過3.5 V時(shí)，D3導(dǎo)通，使F1自動保護(hù)。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)Fig.2 Design diagram of system power supply

2.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

從成本和性能綜合考慮，主控制器采用STM32-F103RBT6微控制器，它是基于Cortex-M3核心的32位處理器，具有高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)[4]。該芯片內(nèi)部集成了全速USB2.0設(shè)備接口模塊和16通道的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器、USART接口等，單芯片即可完成設(shè)計(jì)任務(wù)，避免了復(fù)雜的接口電路設(shè)計(jì)，有效降低了系統(tǒng)接口的復(fù)雜度和開發(fā)難度，在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

此處的數(shù)據(jù)采集主要用到了STM32的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器、LM324運(yùn)算放大器以及INA118精密儀表放大器。如前所述，該上肢康復(fù)系統(tǒng)有7路采集傳感器，肩關(guān)節(jié)有3路角度傳感器，肘關(guān)節(jié)有2路角度傳感器，腕關(guān)節(jié)有1路角度傳感器，手掌關(guān)節(jié)有1路握力傳感器，這些傳感器輸出的都是模擬信號，需要經(jīng)過處理以后送入到STM32的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。角度傳感器采用的是WDG-AM34-360，該角度傳感器將機(jī)械轉(zhuǎn)動或角位移轉(zhuǎn)化為電信號輸出，5 V工作電壓，輸出信號0～5 V。為了保證傳送到STM32 A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號不超過3.3 V，此處采用LM324運(yùn)算放大器對角度傳感器輸出的0～5 V模擬電壓進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換為0～3.3 V電壓。測量手掌關(guān)節(jié)的握力傳感器采用的是PLD204D-13，它是內(nèi)置溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)平衡校正、量程為10 kg的電橋壓力傳感器，它的激勵(lì)電壓是直流5～10 V，靈敏度為1.0 mV/V，就是說當(dāng)該傳感器承受10 kg壓力、5 V激勵(lì)電壓的情況下它輸出的差分電壓信號才為5 mV，因此，這里采用了TI公司的精密儀表放大器INA118對該差分信號進(jìn)行放大。INA118具有精度高、功耗低、電路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，適合對這種微小信號進(jìn)行放大[6]。所有傳感器的輸出信號經(jīng)過相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換以后送入到STM32的A/D通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)如圖3所示。在圖3中LM324運(yùn)算放大器對2路肩關(guān)節(jié)角度傳感器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)傳感器轉(zhuǎn)換圖跟該圖類似。

2.3 無線傳輸電路設(shè)計(jì)

如前所述，STM32微控制器在把7路傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，需要再發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)患者和游戲界面的人機(jī)交互操作，出于靈活性和方便性考慮，這里采用了HLK-RM04串口WiFi無線模塊進(jìn)行無線通信傳輸。HLK-RM04是嵌入式UART-ETH-WiFi（串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)）模塊。它是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。為用戶的串口設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供完整快速的解決方案[7]。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)圖Fig.3 System design diagram of data acquisition circuit

要使串口WiFi無線模塊正常工作，必須要先對它進(jìn)行正確的配置，配置模塊可使用網(wǎng)絡(luò)透傳模式或AT指令模式。網(wǎng)絡(luò)透傳模式比較靈活方便，因此預(yù)留了一個(gè)LAN網(wǎng)絡(luò)接口，可方便地通過LAN網(wǎng)絡(luò)接口和PC機(jī)連接對WiFi無線模塊進(jìn)行配置。正常上電后，模塊會檢查當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)串口配置是否正常，如果網(wǎng)絡(luò)連接正常，則模塊自動進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)透傳模式，否則進(jìn)入AT指令模式。這里的串口WiFi無線模塊和PC機(jī)人機(jī)交互之間被配置成C/S模式，即串口WiFi無線模塊在這里被配置成客戶端，PC機(jī)作為服務(wù)器。串口WiFi無線模塊具有斷開自動重新連接功能，它的第9引腳CONNECT就是表示C/S模式是否以TCP/IP協(xié)議的方式正確連接上的標(biāo)志，CONNECT若輸出高電平則表示網(wǎng)絡(luò)連接已正確連接，未連接則輸出低電平。網(wǎng)絡(luò)接口采用的是把變壓器和RJ-45接頭集成到一起的 HR911105A，HR911105A符合 IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，采用金屬外殼封裝，抑制EMI性能較好，而且可減少電路板空間和簡化PCB板布局，使信號傳輸更加穩(wěn)定可靠[8]。無線傳輸電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 無線傳輸電路設(shè)計(jì)Fig.4 Design diagram of wireless transmission circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整體軟件在MDK環(huán)境下采用C語言編寫，采用ST-LINK仿真器對程序進(jìn)行調(diào)試與下載。系統(tǒng)采集測試圖如圖5所示。STM32微控器上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如配置時(shí)鐘、設(shè)置中斷向量等，然后對串口和ADC進(jìn)行初始化，初始化完成后，STM32微控制器檢測串口WiFi無線模塊的第9引腳CONNECT的輸出電平，如果CONNECT的輸出為高電平1，則表明串口WiFi無線模塊已和服務(wù)器建立了網(wǎng)絡(luò)連接，STM32微控制器就對肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、手掌關(guān)節(jié)等傳感器采集到的信號依次進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并把AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)精度進(jìn)行保存，通過串口依次發(fā)送給WiFi無線模塊，由WiFi無線模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)打包并傳送給PC機(jī)人機(jī)交互游戲軟件。若通信工程中網(wǎng)絡(luò)中斷，WiFi無線模塊可實(shí)現(xiàn)自動重連，此時(shí)CONNECT的輸出為高電平0，STM32微控制器檢測到該信號后，會停止AD轉(zhuǎn)換和串口數(shù)據(jù)發(fā)送，直到網(wǎng)絡(luò)重新建立起連接為止。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集測試Fig.5 System data acquisition test diagram

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程Fig.6 Flow chart of system data processing

要把采集的傳感器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)正確發(fā)送到PC機(jī)，需要對串口WiFi無線模塊的參數(shù)進(jìn)行配置。如前所述，正常上電后，WiFi無線模塊會檢查當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)串口配置是否正常，如果LAN網(wǎng)絡(luò)接口連接正常，則模塊自動進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)透傳模式，否則，進(jìn)入串口AT指令模式。在串口AT指令模式，可以使用特定的串口AT指令集對WiFi無線模塊進(jìn)行參數(shù)配置。使用網(wǎng)絡(luò)透傳模式對WiFi無線模塊進(jìn)行參數(shù)配置具有簡單、方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)參數(shù)配置流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)參數(shù)配置流程Fig.7 Flow chart of the system parameter configuration

PC機(jī)人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)采用的是VC++6.0和Unity3D綜合型游戲開發(fā)工具開發(fā)而成，VC++6.0主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Socket編程、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)庫的管理等功能[9]，在VC++中建立一個(gè)專門的線程用來監(jiān)聽指定的IP和端口號，當(dāng)Socket收到WiFi發(fā)送過來的傳感器數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的解包和校驗(yàn)，并把傳感器數(shù)據(jù)值大小和游戲界面的相關(guān)動作及聲音關(guān)聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)趣味性的人機(jī)交互。對數(shù)據(jù)庫的管理是通過調(diào)用相應(yīng)SQL語句來實(shí)現(xiàn)，并在設(shè)置的時(shí)間間隔內(nèi)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。Unity3D主要完成創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動畫等內(nèi)容的設(shè)計(jì)，利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境可簡化復(fù)雜三維動畫素材的設(shè)計(jì)工作[10]。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)采用32位STM32微控制器和WiFi無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)，并采用基于游戲方式的人機(jī)交互模式，不但提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且提高了人機(jī)交互界面友好性和趣味性，可更好地幫助患者進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練。本系統(tǒng)在安陽神方康復(fù)機(jī)器人有限公司測試使用后獲得較好效果，并在多家醫(yī)院的實(shí)際使用進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

[1]徐寶國，彭思，宋愛國，等.基于運(yùn)動想象腦電的上肢康復(fù)機(jī)器人[J].機(jī)器人，2011，33（3）：53-59.

[2]張穎，易金花，張曉玉，等.基于嵌入式Linux的上肢康復(fù)機(jī)器人用戶系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（5）：23-26.

[3]National Semiconductor Corporation.LM2576 Series SIMPLE SWITCHER 3A Step-Down Voltage Regulator[P].2004.

[4]STMicroelectronics.STM32F103xx datasheet[DB/OL].http：//www.st.com/.2007.

[5]唐偉，于平，李崢輝.STM32F103x的USB多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（8）：39-41.

[6]Texas Instruments Incorporated.INA118 datasheet[DB/OL].http：//www.ti.com/.2000.

[7]深圳市海凌科電子有限公司.HLK-RM04使用手冊[DB/OL].http：//www.hlktech.com/.2012.

[8]漢仁電子有限公司.帶磁模塊和LED的單端口RJ45連接器HR911105A手冊[P].2008．

[9]孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[10]路朝龍.Unity 3D游戲開發(fā)從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2013.