基于Arduino的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

張皓洋

摘要：本研究開(kāi)發(fā)了一種基于模擬直立行走的下肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制電路及控制軟件等。下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)采用3個(gè)步進(jìn)電機(jī)為訓(xùn)練設(shè)備的下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，選用hrduino板為控制核心，使用WPF設(shè)計(jì)上位機(jī)用戶端，實(shí)現(xiàn)了下肢的同步訓(xùn)練和交替訓(xùn)練。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，滿足了下肢康復(fù)訓(xùn)練的需求。

關(guān)鍵詞：下肢康復(fù);控制系統(tǒng);Arduino;WPF

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)1674-6708（2019）239-0142-03

隨著現(xiàn)在社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步和人們生活水平的提高，人口老齡化的問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，由腦卒死等導(dǎo)致的神經(jīng)損傷引發(fā)下肢功能出現(xiàn)障礙，或由于車禍、工傷等下肢意外受傷的患者，其下肢康復(fù)是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。而傳統(tǒng)的康復(fù)治療手段大多采用醫(yī)生手工輔助完成，大大增加了康復(fù)過(guò)程的成本且效率低下，也會(huì)影響患者的身心健康。目前市面上的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置功能不全，大多只能模擬下肢的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。

本次設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)裝置具有3個(gè)方向的自由度，更貼近于人體正常行走時(shí)的狀態(tài)。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的缺點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)雙腿的張合訓(xùn)練，也實(shí)現(xiàn)了雙腿各自張合和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性。

1功能及性能指標(biāo)

本文研發(fā)的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要功能如下：在訓(xùn)練時(shí)，患者將腳部放置在腳踏板上，本系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，兩個(gè)對(duì)稱放置的電機(jī)分別控制雙腿的旋轉(zhuǎn)，另外一個(gè)電機(jī)用于控制雙腿的分合，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。根據(jù)使用者的訓(xùn)練要求，可在上位機(jī)界面上操縱裝置的運(yùn)動(dòng)，滿足了不同患者的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，同時(shí)也設(shè)置了不同的康復(fù)訓(xùn)練游戲模式，提高了患者的恢復(fù)速度。具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

1）運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練由三個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力，彼此之問(wèn)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。訓(xùn)練模式包括上下前后擬合成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和左右直線的運(yùn)動(dòng)。

2）每種訓(xùn)練模式都有對(duì)應(yīng)的時(shí)間選項(xiàng)，基本選項(xiàng)有6、12、18分鐘訓(xùn)練，同時(shí)用戶可自主設(shè)置時(shí)問(wèn)模式。

3）可針對(duì)病患不同的身體情況，設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速，基本選項(xiàng)有30、40、50轉(zhuǎn)每分鐘，同時(shí)具有自由切換正反轉(zhuǎn)功能。

4）上述訓(xùn)練參數(shù)等設(shè)置均在上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)將命令通過(guò)串口發(fā)送給下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的功能。

2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，整體框圖如圖1所示。硬件部分由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電路控制芯片等硬件組成。軟件部分包括上下位機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)、電機(jī)的同步和獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)、腿部的張合與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)等。

軟件開(kāi)發(fā)是在Windows7系統(tǒng)環(huán)境下，在Visual studio軟件中采用基于c#的WPF開(kāi)發(fā)工具。上位機(jī)軟件通過(guò)串口通信協(xié)議向下位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)及相應(yīng)功能進(jìn)行初始化。由下位機(jī)（Arduino）將接受到的上位機(jī)用戶界面的指令轉(zhuǎn)化為脈沖等信號(hào)輸入運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，從而使電機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能動(dòng)作，先實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所有電機(jī)的功能，達(dá)到相互協(xié)同工作，互不干涉，獲得多個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)控制。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括腳踏板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉸鏈四桿移動(dòng)機(jī)構(gòu)和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成。其中電機(jī)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鉸鏈四桿移動(dòng)機(jī)構(gòu)控制設(shè)備的水平直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)患者雙腿的張合運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到更好的康復(fù)效果。腳踏板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由腳踏板和平行四桿機(jī)構(gòu)組成，左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同且位置成對(duì)稱，分別控制雙腿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，來(lái)模擬人體直立行走時(shí)腿部的運(yùn)動(dòng)，而且兩側(cè)可同步和獨(dú)立工作，滿足了患者恢復(fù)過(guò)程中的不同要求，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4電路設(shè)計(jì)

上下位機(jī)之間的通信使用串口通信協(xié)議，利用封裝好的應(yīng)用程序編程接口，由Arduino將接收到的上位機(jī)指令轉(zhuǎn)化為脈沖等信號(hào)輸入運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)各步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的復(fù)位、停止等操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練中的同步、交替等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，串口通信模塊如圖3所示。

當(dāng)訓(xùn)練系統(tǒng)工作中遇到緊急情況時(shí)需要急停，本研究設(shè)置了急停開(kāi)關(guān)。急停開(kāi)關(guān)位于電路箱的外側(cè)，交流接觸器使用施耐德的LClE2510M5N（額定電壓250V，50HZ）;濾波器選用泰科20EKl電源濾波器（額定電壓250V，額定電流20A）;斷路器使用施耐德IC65N（絕緣電壓500V，電流25A）;經(jīng)過(guò)計(jì)算，熔斷器選用32A保險(xiǎn)絲，急停開(kāi)關(guān)電路圖如圖4所示。

5軟件設(shè)計(jì)

下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件部分為對(duì)壓力傳感器FSR402的壓力變化和Arduino時(shí)鐘模塊進(jìn)行相應(yīng)控制。通過(guò)PCF8591數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片處理壓力傳感器采集到的壓力值，該壓力值再傳輸?shù)接葾rduino組成的控制器并通過(guò)一定的計(jì)算程序處理后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和時(shí)間控制。通過(guò)程序設(shè)置不同的下肢運(yùn)動(dòng)模式，患者根據(jù)自己的身體狀況選擇不同的訓(xùn)練模型。智能康復(fù)訓(xùn)練器控制系統(tǒng)軟件部分的整個(gè)過(guò)程如圖5所示。

6可靠性測(cè)試分析

本課題的測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成，第一部分是下肢康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)械部分，另一部分是控制系統(tǒng)的測(cè)試，其中主要包括上位機(jī)操作界面、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、壓力傳感器。通過(guò)選擇按鈕選擇不同的康復(fù)訓(xùn)練模式和設(shè)置不同的時(shí)問(wèn)模式，并完成康復(fù)訓(xùn)練師的整體表現(xiàn)測(cè)試。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的整體測(cè)試得到如下信息，下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置具有90kg的承載能力，占地面積小于0.5m²。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)工作時(shí)，沒(méi)有產(chǎn)生較大的噪音和明顯的振動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試分析驗(yàn)證了本文提出的設(shè)計(jì)可以模擬人體步態(tài)軌跡和腳部姿勢(shì)，從而幫助患者下肢肌肉的運(yùn)動(dòng)，有助于恢復(fù)患者神經(jīng)系統(tǒng)控制步行功能和患者正常行走功能的能力。與設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，可以看出本系統(tǒng)可達(dá)到原設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)。

7結(jié)論

本文首先介紹了下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的目前研究現(xiàn)狀和性能指標(biāo)，然后給出了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，接著提出了下肢康復(fù)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路原理，最后通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)出其控制算法并進(jìn)行可靠性分析。該康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，能夠很好的實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練，具有成本低、易于控制的特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分析，得出以下總結(jié)：

1）步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)基于人體步態(tài)康復(fù)原理。通過(guò)模擬正常人體步態(tài)的軌跡和腳步的姿勢(shì)，實(shí)現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)的訓(xùn)練康復(fù)。

2）通過(guò)wPF設(shè)計(jì)上位機(jī)用戶端進(jìn)行不同訓(xùn)練模式選擇，結(jié)合Arduino下位機(jī)采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，來(lái)控制電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到下肢康復(fù)訓(xùn)練的目的。

3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定相關(guān)的電路模塊和機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)電路與機(jī)械結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計(jì)，達(dá)到下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)要求。本文實(shí)現(xiàn)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、性價(jià)比高以及操作方便等特點(diǎn)。