基于Arduino的輪椅式上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(huì)嚴(yán)重降低患者的日常生活質(zhì)量。文章設(shè)計(jì)完成了一套以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)的上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置。主要工作內(nèi)容包括：建立上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的三維模型，使用Arduino作為控制芯片設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)整體電路，并搭建移動(dòng)式上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，開發(fā)并編寫了康復(fù)訓(xùn)練裝置上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件，最后驗(yàn)證了裝置被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練可行性。

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置;Arduino;硬件平臺(tái);運(yùn)動(dòng)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?yàn)槟X卒中導(dǎo)致終生殘疾的高達(dá)86.5%，導(dǎo)致生活不能自理的高達(dá)42.3%。在這些腦卒中患者中，肢體功能障礙是最常見(jiàn)的病理表現(xiàn)，而上肢功能障礙會(huì)給生活造成諸多不便。

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

2? ? 康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置在運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上設(shè)計(jì)為：使肩關(guān)節(jié)可以完成水平面內(nèi)的肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)和矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)，使肘關(guān)節(jié)可以完成矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)，使腕關(guān)節(jié)的屈伸和側(cè)彎運(yùn)動(dòng)均可以由肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)。

經(jīng)過(guò)查閱資料和計(jì)算可知上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)要求如表1所示。

本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置安裝在輪椅的右側(cè)扶手上方，上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置需要安裝在一個(gè)固定平臺(tái)上進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，即將裝置安裝在輪椅上。上肢機(jī)械臂外骨骼的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，1為肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，可以驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)完成﹣70°～20°范圍內(nèi)的內(nèi)收外展康復(fù)運(yùn)動(dòng)。2，3為肩關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)連桿，在2，3連桿的共同作用下，肩關(guān)節(jié)可以完成﹣45°～ 45°范圍內(nèi)屈伸運(yùn)動(dòng)。4，5為驅(qū)動(dòng)肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)的連桿，在這兩根連桿的共同作用下，肘關(guān)節(jié)可以完成0～90°屈伸運(yùn)動(dòng)。6，7分別為上肢外骨骼的大臂和小臂，該部分可手動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度以滿足設(shè)計(jì)要求中提出來(lái)的裝置對(duì)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(fù)機(jī)械臂外骨骼肩關(guān)節(jié)部分，肘關(guān)節(jié)部分和把手部分[2]。

3? ? 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)中下位機(jī)系統(tǒng)整體的技術(shù)路線為：上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令，下位機(jī)系統(tǒng)接收到指令后，將指令轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，輸出給驅(qū)動(dòng)端的控制器，完成對(duì)上肢機(jī)械臂外骨骼的控制，實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練功能的設(shè)計(jì)。

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

下位機(jī)系統(tǒng)通上電后，首先，初始化單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、計(jì)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(hào)進(jìn)行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將位置信號(hào)和搖桿信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)控制系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)接收上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，對(duì)接收到的指令進(jìn)行判斷，得到康復(fù)訓(xùn)練模式[3]。

4? ? 上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1? 上位機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

上位機(jī)控制系統(tǒng)模塊中的藍(lán)牙通信模塊，發(fā)送控制系統(tǒng)被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練或主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練控制指令給下位機(jī)系統(tǒng)，完成對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的控制。在被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，藍(lán)牙通信模塊接收下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的關(guān)節(jié)角度信號(hào)，判斷康復(fù)訓(xùn)練裝置是否需要進(jìn)行復(fù)位操作。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練裝置人機(jī)交互的功能需要，上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

在主頁(yè)面選擇康復(fù)訓(xùn)練模式，藍(lán)牙通信負(fù)責(zé)進(jìn)行上下位機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練部分控制系統(tǒng)向下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送包括：肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)、肩關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)和肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的單關(guān)節(jié)訓(xùn)練模式和多關(guān)節(jié)協(xié)同訓(xùn)練模式、訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練暫停信號(hào)[4]。

4.2? 被動(dòng)控制模塊

在開始訓(xùn)練之前，需要設(shè)置訓(xùn)練時(shí)間，點(diǎn)擊“開始”按鈕進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，“開始”按鈕變成“暫?！卑粹o，被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練開始。點(diǎn)擊“停止”按鈕康復(fù)訓(xùn)練停止。被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練軟件在進(jìn)入被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式時(shí)有4種訓(xùn)練模式可供選擇，分別為肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外展、肩關(guān)節(jié)屈伸、肘關(guān)節(jié)屈伸和多關(guān)節(jié)協(xié)同。時(shí)間設(shè)置默認(rèn)為5 min，可以由使用者設(shè)置。選擇點(diǎn)擊各個(gè)模式下“開始”按鈕，上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置外骨骼各個(gè)關(guān)節(jié)自動(dòng)復(fù)位，該模式開始被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，“開始”按鈕變成“暫?！卑粹o。單擊“暫?！卑粹o，訓(xùn)練暫停，“暫?！卑粹o變成“繼續(xù)”按鈕，點(diǎn)擊“繼續(xù)”按鈕可繼續(xù)當(dāng)前倒計(jì)時(shí)時(shí)間繼續(xù)訓(xùn)練。點(diǎn)擊“停止”按鈕，訓(xùn)練停止，康復(fù)裝置機(jī)械臂外骨骼各個(gè)關(guān)節(jié)復(fù)位，時(shí)間設(shè)置恢復(fù)默認(rèn)的5 min。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本課題具體工作內(nèi)容如下：康復(fù)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)上位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、康復(fù)訓(xùn)練裝置實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

在目前研究的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)的上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行加工制造，與三甲醫(yī)院康復(fù)訓(xùn)練科聯(lián)系，進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與軟硬件控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與有效性。對(duì)軟件系統(tǒng)的訓(xùn)練模塊進(jìn)行進(jìn)一步的研究，探索更多的控制方式，包括運(yùn)用腦電、肌電及肌力控制、VR眼鏡控制等先進(jìn)技術(shù)，增加主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練方式，以提升使用者的用戶體驗(yàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳以華，陶月仙.我國(guó)腦卒中患者康復(fù)護(hù)理服務(wù)模式研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)醫(yī)療管理科學(xué)，2016（6）：49-54.

[2]朱曉莉，武秋鋒，楊莎.腦卒中患者康復(fù)護(hù)理研究進(jìn)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(dòng)術(shù)聯(lián)合簡(jiǎn)易上肢功能訓(xùn)練對(duì)腦卒中偏癱患者上肢功能的影響[J].中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2017（8）：949-951.

[4]呂明.淺談構(gòu)建和諧社會(huì)與弱勢(shì)群體參與體育運(yùn)動(dòng)[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