基于Arduino的輪椅式上肢康復訓練系統(tǒng)的設計與開發(fā)

湯玄

摘? ?要：上肢在日常生活中有著重要的功能，上肢功能障礙會嚴重降低患者的日常生活質(zhì)量。文章設計完成了一套以步進電機驅(qū)動為驅(qū)動的上肢康復訓練裝置。主要工作內(nèi)容包括：建立上肢康復訓練裝置的三維模型，使用Arduino作為控制芯片設計了控制系統(tǒng)整體電路，并搭建移動式上肢康復訓練裝置的控制系統(tǒng)硬件平臺，開發(fā)并編寫了康復訓練裝置上位機控制系統(tǒng)軟件，最后驗證了裝置被動康復訓練可行性。

關鍵詞：上肢康復訓練裝置;Arduino;硬件平臺;運動控制系統(tǒng)1? ? 研究背景及意義

腦卒中是發(fā)病率、致殘率和死亡率都高的多發(fā)病癥，是危害人類健康的最主要疾病之一。在腦卒中患者中，因為腦卒中導致終生殘疾的高達86.5%，導致生活不能自理的高達42.3%。在這些腦卒中患者中，肢體功能障礙是最常見的病理表現(xiàn)，而上肢功能障礙會給生活造成諸多不便。

上肢康復訓練機器人是一種常用的上肢功能康復訓練的智能設備，可以幫助上肢功能障礙患者完成各種軌跡上肢康復訓練。與人工治療相比，這種康復機器人能夠承受的工作強度高，且性能穩(wěn)定，可持續(xù)提供高強度且科學準確的康復治療，而不須考慮治療師的技能和疲勞程度[1]。

2? ? 康復裝置結(jié)構設計

本設計的上肢康復訓練裝置在運動實現(xiàn)上設計為：使肩關節(jié)可以完成水平面內(nèi)的肩關節(jié)內(nèi)收外展運動和矢狀面的屈伸運動，使肘關節(jié)可以完成矢狀面的屈伸運動，使腕關節(jié)的屈伸和側(cè)彎運動均可以由肩關節(jié)運動和肘關節(jié)運動帶動。

經(jīng)過查閱資料和計算可知上肢康復訓練裝置的設計要求如表1所示。

本文設計的步進電機驅(qū)動上肢康復訓練裝置安裝在輪椅的右側(cè)扶手上方，上肢康復訓練裝置需要安裝在一個固定平臺上進行康復訓練，即將裝置安裝在輪椅上。上肢機械臂外骨骼的結(jié)構如圖1所示，其中，1為肩關節(jié)內(nèi)收外展驅(qū)動步進電機，可以驅(qū)動肩關節(jié)完成﹣70°～20°范圍內(nèi)的內(nèi)收外展康復運動。2，3為肩關節(jié)屈伸運動驅(qū)動連桿，在2，3連桿的共同作用下，肩關節(jié)可以完成﹣45°～ 45°范圍內(nèi)屈伸運動。4，5為驅(qū)動肘關節(jié)屈伸運動的連桿，在這兩根連桿的共同作用下，肘關節(jié)可以完成0～90°屈伸運動。6，7分別為上肢外骨骼的大臂和小臂，該部分可手動調(diào)節(jié)長度以滿足設計要求中提出來的裝置對不同患者身高具有一定的兼容性，其中，大臂的調(diào)節(jié)范圍為270～330 mm，小臂的調(diào)節(jié)范圍為200～280 mm。8，9，10分別為上肢康復機械臂外骨骼肩關節(jié)部分，肘關節(jié)部分和把手部分[2]。

3? ? 下位機系統(tǒng)設計

本研究設計的上肢康復訓練控制系統(tǒng)中下位機系統(tǒng)整體的技術路線為：上位機控制系統(tǒng)發(fā)送運動控制指令，下位機系統(tǒng)接收到指令后，將指令轉(zhuǎn)換為控制信號，輸出給驅(qū)動端的控制器，完成對上肢機械臂外骨骼的控制，實現(xiàn)康復訓練功能的設計。

下位機系統(tǒng)編程開發(fā)工具采用Arduino IDE，下位機系統(tǒng)軟件功能模塊主要包括藍牙通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、被動控制模塊、主動控制模塊。

下位機系統(tǒng)通上電后，首先，初始化單片機的系統(tǒng)時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、計數(shù)器和串口等，將角度傳感器搖桿傳感器輸出的電壓信號進行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機將位置信號和搖桿信號通過串口發(fā)送給上位機控制系統(tǒng)，并實時接收上位機控制系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，對接收到的指令進行判斷，得到康復訓練模式[3]。

4? ? 上位機控制系統(tǒng)設計

4.1? 上位機控制系統(tǒng)整體結(jié)構

上位機控制系統(tǒng)模塊中的藍牙通信模塊，發(fā)送控制系統(tǒng)被動康復訓練或主動康復訓練控制指令給下位機系統(tǒng)，完成對下位機系統(tǒng)的控制。在被動康復訓練過程中，藍牙通信模塊接收下位機系統(tǒng)發(fā)送的關節(jié)角度信號，判斷康復訓練裝置是否需要進行復位操作。根據(jù)康復訓練裝置人機交互的功能需要，上位機控制系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

在主頁面選擇康復訓練模式，藍牙通信負責進行上下位機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。被動康復訓練部分控制系統(tǒng)向下位機系統(tǒng)發(fā)送包括：肩關節(jié)內(nèi)收外展運動、肩關節(jié)屈伸運動和肘關節(jié)屈伸運動訓練的單關節(jié)訓練模式和多關節(jié)協(xié)同訓練模式、訓練時間和訓練暫停信號[4]。

4.2? 被動控制模塊

在開始訓練之前，需要設置訓練時間，點擊“開始”按鈕進行康復訓練，“開始”按鈕變成“暫停”按鈕，被動康復訓練開始。點擊“停止”按鈕康復訓練停止。被動康復訓練軟件在進入被動康復訓練模式時有4種訓練模式可供選擇，分別為肩關節(jié)內(nèi)收外展、肩關節(jié)屈伸、肘關節(jié)屈伸和多關節(jié)協(xié)同。時間設置默認為5 min，可以由使用者設置。選擇點擊各個模式下“開始”按鈕，上肢康復訓練裝置外骨骼各個關節(jié)自動復位，該模式開始被動康復訓練，“開始”按鈕變成“暫?！卑粹o。單擊“暫停”按鈕，訓練暫停，“暫?！卑粹o變成“繼續(xù)”按鈕，點擊“繼續(xù)”按鈕可繼續(xù)當前倒計時時間繼續(xù)訓練。點擊“停止”按鈕，訓練停止，康復裝置機械臂外骨骼各個關節(jié)復位，時間設置恢復默認的5 min。

5? ? 結(jié)語

本課題具體工作內(nèi)容如下：康復裝置機械結(jié)構的設計、上肢康復訓練控制系統(tǒng)下位機系統(tǒng)的設計、上肢康復訓練控制系統(tǒng)上位機控制系統(tǒng)的設計、康復訓練裝置實驗的驗證。

在目前研究的基礎上，對設計的上肢外骨骼康復訓練裝置進行加工制造，與三甲醫(yī)院康復訓練科聯(lián)系，進行臨床實驗，驗證機械機構設計的合理性與軟硬件控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與有效性。對軟件系統(tǒng)的訓練模塊進行進一步的研究，探索更多的控制方式，包括運用腦電、肌電及肌力控制、VR眼鏡控制等先進技術，增加主動康復訓練方式，以提升使用者的用戶體驗。

[參考文獻]

[1]陳以華，陶月仙.我國腦卒中患者康復護理服務模式研究現(xiàn)狀[J].中國醫(yī)療管理科學，2016（6）：49-54.

[2]朱曉莉，武秋鋒，楊莎.腦卒中患者康復護理研究進展[J].內(nèi)蒙古中醫(yī)藥，2014（7）：32-34.

[3]胡永林，肖玉華，陸安民.神經(jīng)松動術聯(lián)合簡易上肢功能訓練對腦卒中偏癱患者上肢功能的影響[J].中國康復醫(yī)學雜志，2017（8）：949-951.

[4]呂明.淺談構建和諧社會與弱勢群體參與體育運動[J].體育研究與教育，2010（4）：22-24.

Design and development of wheel chair upper limb

rehabilitation training system based on Arduino

Tang Xuan

（Nanjing Foreign Language School， Nanjing 210008， China）

Abstract：Upper limbs have important functions in daily life. Upper limb dysfunction can seriously reduce the quality of daily life of patients. This paper designed a set of upper limb rehabilitation training device driven by stepper motor drive. The main work includes： establishing a three-dimensional model of the upper limb rehabilitation training device， designing the overall circuit of the control system using Arduino as the control chip， and setting up the control system hardware platform of the mobile upper limb rehabilitation training device， developing and writing the rehabilitation training device upper computer control system. The software finally verified the feasibility of passive rehabilitation training.

Key words：upper limb rehabilitation training device; Arduino; hardware platform; motion control system