康復(fù)機(jī)器人肌電刺激控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

廖偉強(qiáng)　曾慶華

【摘 要】在分析康復(fù)患者對肌電刺激需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行了康復(fù)機(jī)器人肌電刺激控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，以32位嵌入式芯片作為主控單元，基于can總線實(shí)現(xiàn)了個模塊的信息交互與控制。通過波形的調(diào)制和均方根值檢測方法實(shí)現(xiàn)了刺激信號的可調(diào)輸出及反饋信號的特征提取。設(shè)計(jì)了康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動訓(xùn)練控制與監(jiān)測模塊，對患者的恢復(fù)進(jìn)行有效引導(dǎo)并以此構(gòu)建康復(fù)機(jī)器人多種訓(xùn)練模式，增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)不同人群康復(fù)的能力。

【關(guān)鍵詞】肌電刺激控制；特征提??；康復(fù)機(jī)器人；康復(fù)訓(xùn)練

中圖分類號： TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）02-0215-002

【Abstract】On the analysis of the rehabilitation of patients on the basis of the demand for electrical stimulation of rehabilitation robot overall design of the control system of electrical stimulation， in 32-bit embedded chip as master control unit， based on can bus to realize the information interaction and control module. The modulated output of the stimulus signal and the feature extraction of the feedback signal are realized by the modulation of waveform and the method of RMS. Designed the rehabilitation training robot joint movement control and monitoring module， to effectively guide and the recovery of patients with various training modes to build rehabilitation robots， enhance the ability of the robot adapt to different crowds.

【Key words】Electrical stimulation control；Feature extraction；Rehabilitation robot；Rehabilitation training

0 引言

“十三五”規(guī)劃提出了市場主導(dǎo)、質(zhì)量為先、強(qiáng)化基礎(chǔ)、創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展原則，實(shí)現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域等重點(diǎn)領(lǐng)域的示范應(yīng)用，并開展核心零部件攻關(guān)、前沿共性技術(shù)研發(fā)、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用等重點(diǎn)工作。隨著對電刺激療法的深入研究，肌電刺激的發(fā)展受到臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的青睞，尤其是在康復(fù)機(jī)器人方面的應(yīng)用，肌電刺激是高端康復(fù)機(jī)器人在給具有關(guān)節(jié)及神經(jīng)障礙患者進(jìn)行刺激和康復(fù)訓(xùn)練的關(guān)鍵技術(shù)，肌電刺激過程中表面肌電信號的采集和特征提取具有重要的生理學(xué)意義[1-2]。

對于肌電刺激在康復(fù)機(jī)器人治療因刺激信號與反饋控制不當(dāng)易導(dǎo)致肌肉疲勞，使患者的最大作功能力或者最大收縮能力的暫時下降，對人體實(shí)施長時間多次刺激后，人體就會對刺激產(chǎn)生適應(yīng)性，從而導(dǎo)致治療效果減弱[3]。另外一方面因缺少刺激后處理，以致大多的肌電刺激不能滿足不同人群康復(fù)訓(xùn)練的需求，訓(xùn)練模式單一[4]。本文在研究康復(fù)機(jī)器人肌電刺激的過程中刺激信號的給出方式與信號反饋的處理，提高機(jī)器人的刺激后康復(fù)效果；探索利用生物反饋和模糊控制規(guī)則控制患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的問題，促使患者必須主動參與康復(fù)治療，對患者自我意識的恢復(fù)進(jìn)行有效引導(dǎo)并以此構(gòu)建康復(fù)機(jī)器人多種訓(xùn)練模式，增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)不同人群康復(fù)的能力。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人肌電刺激控制系統(tǒng)依據(jù)信息流的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。使用者根據(jù)患者的當(dāng)前情況預(yù)設(shè)一定的刺激和訓(xùn)練信息，這部分信息全部被控制中心捕獲；然后調(diào)制刺激信號所需的波形信號并進(jìn)行功率放大，主控根據(jù)需要向總線發(fā)出通道信號，通過適當(dāng)?shù)碾姌O進(jìn)行刺激輸出。刺激過程中系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測刺激后反饋情況，通過總線向主控輸送反饋信息。主控分析給出刺激與反饋信號后應(yīng)做出兩個反應(yīng)。一方面根據(jù)設(shè)置信息和反饋信息驅(qū)動康復(fù)機(jī)器人給出適當(dāng)?shù)挠?xùn)練信號，另一方面確定是否需要對刺激波形進(jìn)行調(diào)節(jié)并輸出新的刺激波形。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

Fig.1 System block diagram

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)功能模塊主要包括：主控單元，負(fù)責(zé)總體的信息處理與控制；信息模塊，負(fù)責(zé)信息的輸入與顯示；刺激波形發(fā)生模塊，產(chǎn)生刺激基本波形；功率調(diào)節(jié)模塊，對刺激功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；刺激輸出與反饋模塊；總線模塊，刺激下達(dá)和反饋上傳及及級間通訊；康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動訓(xùn)練控制與監(jiān)測模塊，負(fù)責(zé)訓(xùn)練信號給出與監(jiān)測反饋。

2 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元負(fù)責(zé)總體的信息處理與控制，接收用戶的控制指令和控制對象的放開信息，將信息進(jìn)行分析并給出對應(yīng)的控制信號驅(qū)動刺激電機(jī)和機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練。采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)以Cortex-M3[5]為內(nèi)核的高性能stm系列32位增強(qiáng)型微處理器。該主控芯片內(nèi)部集成度高，低功耗，低成本，高效率并且提供高質(zhì)量的固件庫，方便用戶開發(fā)。芯片時鐘頻率超過150MHz，具有大容量的Flash和SRAM，內(nèi)含以太網(wǎng)控制器、CAN總線接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、多個UART和GPIO；并使用FSMC進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[6-8]，對于存在大量浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算非常適合。為確保系統(tǒng)的長時間可靠性運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采用外部自設(shè)看門狗和內(nèi)部看門狗進(jìn)行多重保護(hù)。

3 信息控制模塊設(shè)計(jì)

信息控制模塊負(fù)責(zé)信息的輸入與顯示。信息的輸入包括刺激模式、刺激量、訓(xùn)練模式等相關(guān)信息的輸入，考慮到信息的輸入有可能是患者或者患者的照料者，信息固定式和移動式兩種方式?；颊咴谥委熯^程中康復(fù)機(jī)器人需要實(shí)時顯示患者及系統(tǒng)的監(jiān)控信息。因此在固定端采用交互式的觸摸屏進(jìn)行控制信息的輸入和監(jiān)測信息的顯示[9]。

使用康復(fù)機(jī)器人的患者往往是存在肢體障礙，系統(tǒng)運(yùn)行過程中的反饋信息最好用語音的形式進(jìn)行播報(bào)，以便患者可以隨時或者一些重要信息。同時通過無線通訊的方式設(shè)計(jì)一手持式遙控器，方便存在肢體障礙的患者可以方便地參考機(jī)器人。

圖2 SPWM調(diào)制機(jī)理示意圖

Fig.2 SPWM modulation mechanism

4 波形發(fā)生和功率調(diào)節(jié)模塊

這部分主要實(shí)現(xiàn)刺激基本波形的產(chǎn)生和功率放大。在刺激波形發(fā)生部分主要采用DSP芯片利用SPWM調(diào)制機(jī)理產(chǎn)生所需波形[10]。如圖2所示，根據(jù)采樣控制理論中沖量等效的原理，把圖中的正弦波多份等分，曲線中每一等份與時間軸所圍成的面積用重合中心點(diǎn)且幅值相同的矩形脈沖來代替，從而得到SPWM波形。

圖3 功率放大電路

Fig.3 Power amplifier circuit

5 刺激輸出與反饋提取模塊

刺激輸出部分是刺激強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的多路輸出，這樣患者在刺激治療過程中可以根據(jù)自身情況使用所需數(shù)量的刺激及調(diào)節(jié)刺激強(qiáng)度，并進(jìn)行刺激強(qiáng)度與康復(fù)效果的對比分析。設(shè)計(jì)中用差分雙向電流的方法實(shí)現(xiàn)寬量程雙向電流的檢測[12]。

刺激后反饋信號使用Delta-sigma技術(shù)的均方根值（RMS）檢測方法對特征進(jìn)行提取，無需對動態(tài)波形進(jìn)行較高頻率的實(shí)時采集。將反饋信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并以此測量刺激者主動誘發(fā)的表面信號，其中輸出與輸入復(fù)合如下關(guān)系。

6 總線控制模塊

為了方便實(shí)現(xiàn)控制信號傳達(dá)和信號的提取，設(shè)計(jì)中采用了can總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。主控單元通過總線可以隨時控制任意刺激模塊輸出刺激信號，同時反饋信號也可以通過總線把各個刺激點(diǎn)的反饋信號以數(shù)字的形式反饋給主控單元。除此以外，系統(tǒng)的各種信息還可以通過總線向上位機(jī)或者康復(fù)機(jī)器人的其他功能模塊，甚至與機(jī)器人連接的遠(yuǎn)程機(jī)進(jìn)行信息的交互。

7 關(guān)節(jié)運(yùn)動訓(xùn)練控制與監(jiān)測模塊

這部分主要根據(jù)給出刺激和提取的反饋信號，驅(qū)動康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制患者進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練并監(jiān)測運(yùn)動和肌肉的康復(fù)情況。在輸出控制前主控單元必須首先對輸出刺激和反饋信號進(jìn)行對比分析，并給出適合于患者的康復(fù)訓(xùn)練模式。訓(xùn)練控制模塊根據(jù)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動關(guān)節(jié)的情況驅(qū)動相應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行一定速度的驅(qū)動控制。監(jiān)測部分要負(fù)責(zé)運(yùn)動關(guān)機(jī)運(yùn)動速度和運(yùn)動角度的實(shí)時測量，確保關(guān)節(jié)運(yùn)動的準(zhǔn)確性和安全性。

在此基礎(chǔ)上利用生物反饋和模糊控制規(guī)則控制患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，引導(dǎo)患者主動參與康復(fù)治療，對患者自我意識的恢復(fù)進(jìn)行有效引導(dǎo)并以此構(gòu)建康復(fù)機(jī)器人多種訓(xùn)練模式，增強(qiáng)機(jī)器人適應(yīng)不同人群康復(fù)的能力。

【參考文獻(xiàn)】（下轉(zhuǎn)第194頁）

（上接第216頁）

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