一種肌力訓練設備的動力控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

林鑫，李玉榕，陳建國

1. 福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108；2. 福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術重點實驗室，福建 福州 350108

引言

肌力是反映人體運動功能的重要指標，一些肌肉骨骼系統(tǒng)受損的患者通常會導致肌力減弱，進而影響肢體的運動功能[1]。針對這種情況，適當?shù)刈鲆恍┘×τ柧?，可以促進患者運動功能的康復[2]。有相關研究將肌力訓練應用于疾病的治療中，也取得了良好的治療效果[3-5]。訓練的模式有等長、等速、等張以及被動模式。等長模式是通過設備使得受試者關節(jié)能夠固定在指定位置。等速模式是通過設備使得受試者關節(jié)保持恒定的速度運動。等張模式是由設備輸出一個恒定的阻力矩進行訓練。被動模式是由設備帶動受試者關節(jié)以設定的速度運動[6]。

早期的肌力訓練設備由于缺乏動力控制系統(tǒng)，不僅訓練的效率低下，而且只能依靠經(jīng)驗來制定訓練計劃?，F(xiàn)在的肌力訓練設備大部分都引入控制系統(tǒng)，但是設備的功能也存在差異。比如法國BodyGreen公司開發(fā)的實用型等速訓練機只能實現(xiàn)單一的等速訓練模式，不帶有計算機系統(tǒng)。美國Biodex公司設計的多關節(jié)等速力量測試及訓練系統(tǒng)可以進行多關節(jié)多模式的訓練，所配備的計算機系統(tǒng)功能也很完善，但是上位機顯示的數(shù)據(jù)比較繁瑣，不方便觀察。廣州一康公司生產(chǎn)的肌力訓練設備雖然可以實現(xiàn)多種模式的訓練，但是等長模式下，無法選擇角度。綜合來看，國外設計的肌力訓練設備還是比較穩(wěn)定、可靠，大部分的研究也都是基于國外的產(chǎn)品，比如Biodex 、Isomed[7-8]。

本文利用伺服電機作為執(zhí)行機構，以STM32作為控制器， 并加入伺服驅動器，利用驅動器的轉速模式以及位置模式，實現(xiàn)電機的轉速閉環(huán)和位置閉環(huán)控制。還加入角度傳感器和扭矩傳感器，用于采集訓練過程中的角度、力矩數(shù)據(jù)。同時，基于JAVA語言設計了對應的上位機軟件用于訓練參數(shù)的設置以及數(shù)據(jù)的顯示。

1 硬件設計

1.1 動力控制系統(tǒng)結構

本文設計的動力控制系統(tǒng)組成部分有計算機、控制器STM32、伺服驅動器ASDA-B2、伺服電機、扭矩傳感器、角度傳感器。信號連接如圖1所示，以控制器STM32為核心，上位機、角度傳感器、扭矩傳感器以及伺服驅動器都連接到控制器上。其中，上位機連接到控制器的串口1，角度傳感器連接到控制器的SPI接口，扭矩傳感器連接到控制器的CAN接口，伺服驅動器連接到控制器的串口2。

圖1 動力控制系統(tǒng)信號連接圖

為了便于操作，搭建了一個平臺用來放置伺服電機、傳感器等硬件，機械結構如圖2所示。由伺服電機、傳感器等硬件所組成的動力頭是肌力訓練控制系統(tǒng)的執(zhí)行部位，主要是利用伺服電機來帶動主傳動軸轉動。伺服電機到主傳動軸的動力傳遞是采用同步帶輪以及渦輪蝸桿實現(xiàn)的，然后在主傳動軸的輸出軸上安裝訓練支架就可以實現(xiàn)對應關節(jié)的訓練。扭矩傳感器通過螺絲與主傳動軸固定連接，并將扭矩傳感器的底座固定在渦輪中，當主傳動軸與扭矩傳感器底座之間產(chǎn)生相對運動，扭矩傳感器的彈性軸會產(chǎn)生形變，粘貼在彈性軸上的應變電橋的阻值也就會發(fā)生變化，再將應變電橋電阻的變化轉變?yōu)殡娦盘柕淖兓⑼ㄟ^放大器放大，然后經(jīng)過CAN控制芯片輸出數(shù)字信號，控制器通過CAN通信就可以讀取扭矩的數(shù)字信號，實現(xiàn)扭矩的測量。角度傳感器固定在距離主傳動軸后方約2 mm處，且芯片正對主傳動軸軸心，并將磁鋼放置在主傳動軸上，當主傳動軸轉動時，會導致磁鋼的磁場發(fā)生變化，角度傳感器首先檢測磁鋼的磁場，然后利用集成芯片將磁場的變化轉變成數(shù)字信號輸出，控制器就可以利用SPI或者IIC通信讀取角度的數(shù)字信號，實現(xiàn)角度的測量[9]。動力控制系統(tǒng)實物如圖3所示。

圖2 動力頭機械結構圖

圖3 動力控制系統(tǒng)實物圖

1.2 串口通信

要實現(xiàn)控制器和上位機、控制器和伺服驅動器之間的數(shù)據(jù)傳輸，首先需要配置通信的相關協(xié)議。本文選擇串口通信，利用串口1實現(xiàn)控制器和上位機的通信，利用串口2實現(xiàn)控制器和伺服驅動器的通信。首先根據(jù)用到的串口號，開啟對應的時鐘信號，然后將引腳設置為串口功能，并設置引腳的工作模式、串口波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)和停止位等。接著對串口中斷進行配置，包括中斷優(yōu)先級、相關的串口中斷服務函數(shù)等。最后使能對應的串口號，就完成串口的基礎配置。

來自上位機的數(shù)據(jù)就是通過串口中斷服務函數(shù)接收，通過讀取串口狀態(tài)寄存器USART_SR的值來判斷是否有串口中斷發(fā)生，當值為1時，表示上位機有數(shù)據(jù)到來，然后就進入串口中斷服務函數(shù)中，將本次接收到的字符數(shù)據(jù)轉化為整形數(shù)保存在定義的整形數(shù)組buf中。然后先判斷第一個元素的值確定接收到的數(shù)據(jù)是控制指令還是訓練參數(shù)。比如為1，表示接收到的是訓練參數(shù)，就先將模式標志位Mode_Flag置1，并依次讀取數(shù)組的元素，將速度、力矩等訓練參數(shù)保存在定義的變量中。比如為7，表示這是啟動指令，將啟動標志位Start_Flag置1。

1.3 伺服控制系統(tǒng)原理

伺服電機與控制器、伺服驅動器組成一個伺服系統(tǒng)，控制框圖如圖4所示，有位置環(huán)、速度環(huán)以及電流環(huán)。位置環(huán)可以使伺服系統(tǒng)準確的定位，速度環(huán)可以使電機的轉速保持設定值，電流環(huán)可以使電機電樞繞組電流準確地跟蹤電流指令[10-11]。伺服驅動器的三種工作模式：位置模式、轉速模式以及扭矩模式分別對應伺服系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)以及電流環(huán)控制，因此可以通過給伺服驅動器發(fā)送指令選擇工作模式實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制。本文選用伺服驅動器的轉速模式來實現(xiàn)等長訓練模式、等速訓練模式和等張訓練模式，選擇伺服驅動器的位置模式實現(xiàn)被動訓練模式。伺服驅動器ASDA-B2可支持Modbus協(xié)議，這個協(xié)議有兩種工作模式：ASCII模式和RTU模式。兩種模式的數(shù)據(jù)格式不一樣，ASCII模式傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)要轉化為2個ASCII碼，比RTU數(shù)據(jù)量多，但是對數(shù)據(jù)格式的表達更加直觀、清楚[12-14]。因此，本文選擇了ASCII模式進行通信。

圖4 伺服系統(tǒng)控制框圖

根據(jù)伺服驅動器ASDA-B2在ASCII模式下的ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，定義了長度為27位的字符數(shù)組Send[27]，結構如表1所示。STM32發(fā)送給伺服驅動器的指令，實際上就是按照約定的數(shù)據(jù)格式對字符數(shù)組Send寫入數(shù)據(jù)。當伺服驅動器識別該數(shù)據(jù)后，就會控制電機執(zhí)行相應的指令。

表1 字符數(shù)組Send結構

1.4 傳感器數(shù)據(jù)采集

角度傳感器AS5048A支持SPI或者IIC通信，本文將角度傳感器連接到STM32的SPI接口。SPI 接口一般使用 4 條線通信：MISO 主設備數(shù)據(jù)輸入，從設備數(shù)據(jù)輸出。MOSI 主設備數(shù)據(jù)輸出，從設備數(shù)據(jù)輸入。SCLK 時鐘信號，由主設備產(chǎn)生。CS 從設備片選信號，由主設備控制。根據(jù)AS5048A的數(shù)據(jù)手冊，對AS5048A的控制需要在下降沿讀數(shù)據(jù)，在上升沿寫數(shù)據(jù)，而且每發(fā)送一次指令后片選信號需要拉高一次。通過改變片選信號的電平，再發(fā)送角度對應的寄存器地址，就可以讀取角度對應的數(shù)字信號，再將這個信號通過公式(1)換算成角度，XA是角度傳感器輸出的14位數(shù)字信號。

扭矩傳感器的信號輸出端連接到一個CAN控制器，CAN的數(shù)據(jù)接收由FIFO來完成，CAN 接收到的有效數(shù)據(jù)都被存儲在3 級郵箱深度的 FIFO 中。FIFO 完全由硬件管理，從而節(jié)省了 CPU 的處理負荷。STM32通過查詢FIFO是否為空來判斷有沒有力矩數(shù)據(jù)傳輸過來，如果為空，就表示FIFO中沒有數(shù)據(jù)。如果不為空扭矩傳感器會返回兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，分別定義了兩個整形變量A、B用來保存高字節(jié)、低字節(jié)的數(shù)據(jù)，并利用公式(2)計算出力矩。

1.5 訓練模式控制算法

訓練模式的控制算法在主函數(shù)中完成，通過對上位機、傳感器的數(shù)據(jù)解析處理實現(xiàn)四種訓練模式。主函數(shù)首先進行串口、SPI等協(xié)議配置的初始化，然后進入一個While()循環(huán)，利用Switch語句判斷模式標志位Mode_Flag的值，然后進入對應的分支結構執(zhí)行對應的功能。

如果Mode_Flag的值為4，就進入等長訓練模式的分支，程序流程如圖5所示。首先設置驅動器的工作模式為轉速模式，然后將轉速設置為0，并啟動電機開始訓練。訓練的過程中一直循環(huán)讀取角度、扭矩傳感器的值，并發(fā)送到上位機顯示。當上位機發(fā)送了停止指令，即停止電機。

圖5 等長訓練模式程序流程圖

如果Mode_Flag的值為3，就進入等張訓練模式的分支，程序流程如圖6所示。首先設置驅動器的工作模式為轉速模式，再讀取角度、扭矩傳感器的值，并發(fā)送到上位機顯示。并將檢測到的力矩與上位機設定的阻力矩作比較，如果比設定的阻力矩大，就給伺服電機轉速，兩者之間的差值越大，給定的轉速值就越大，最后啟動電機開始訓練。如果到達限定的位置，就設定轉速為0，再判斷是否接收到停止指令，如果是，就停止電機，否則就讀取下一時刻的角度、力矩。

圖6 等張訓練模式程序流程圖

如果Mode_Flag的值為2，就進入等速訓練模式的分支結構，程序流程如圖7所示。首先設置驅動器的工作模式為轉速模式，并將上位機設定的轉速值寫入驅動器，然后檢測關節(jié)的用力情況。如果力矩不為0，就啟動電機開始訓練。當?shù)竭_限定的位置時，就設定轉速為0，然后讀取下一時刻的角度、力矩，直到接收到停止指令時，就停止電機。

圖7 等速訓練模式程序流程圖

如果Mode_Flag的值為1，就進入被動訓練模式的分支結構，程序流程如圖8所示。首先設置伺服驅動器的工作模式為位置模式，利用STM32的定時器生成脈沖來控制伺服電機的轉動。其中，輸入的脈沖個數(shù)確定轉動的角度，脈沖頻率確定轉動的速度。上位機設定好活動范圍以及訓練速度后，先將其轉化為脈沖個數(shù)以及脈沖頻率，然后再發(fā)送脈沖給伺服驅動器。當?shù)竭_上位機設定的次數(shù)后，就關閉定時器。

圖8 被動訓練模式程序流程圖

2 軟件設計

上位機軟件的整體設計采用JAVA的Swing組件，即用于開發(fā)JAVA圖形界面的工具包，包含了構建圖形界面的各種組件如窗口、標簽、文本框等[15]。Swing工具包主要包含兩種元素：組件和容器。界面的設計過程首先是創(chuàng)建一個容器，然后在容器里面放置組件如按鈕、文本框等，再通過合理的布局就組成了一個圖形界面。

設計的上位機程序結構如圖9所示，src文件夾用于存放設計的JAVA文件。其中，Chart.java是曲線繪制程序，SerialPortManager.java是串口通信程序，SetFrame.java是設置界面設計程序，MainFrame.java是訓練界面設計程序。Referenced libraries 中包含了用到的jar包，jar包就是官方把一些常用的驅動類、方法等壓縮成一個文件包，通過調(diào)用這個jar包就可以實現(xiàn)對應的功能，比如串口通信程序的設計就是基于RXTXcomm.jar，曲線的框架繪制則是基于jfreechart.jar。

圖9 上位機程序結構

2.1 設置界面設計

上位機設置界面如圖10所示，界面設計時，首先調(diào)用窗體類JFrame創(chuàng)建一個窗體，然后再調(diào)用按鍵類JButton、文本框類JTextArea，生成按鍵與文本框，并調(diào)用標簽類JLabel添加對應的標簽用于說明文本框的內(nèi)容。

圖10 上位機設置界面

為實現(xiàn)和STM32的數(shù)據(jù)傳輸，首先在這個界面的初始化中約定好波特率、數(shù)據(jù)的位數(shù)以及停止位數(shù)，再調(diào)用相關的串口類函數(shù)實現(xiàn)和STM32的通信。然后利用監(jiān)聽函數(shù)將用戶所填寫的訓練信息保存在定義的字符數(shù)組Set中，字符數(shù)組Set結構如表2所示。第一個字節(jié)表示訓練模式，比如模式選擇中的四個按鍵分別對應四種模式，每個模式對應一個值，當點擊按鍵時，會將按鍵對應的值保存在Set[0]中。接著讀取速度、力矩等內(nèi)容并依次保存，最后將字符數(shù)組Set通過串口發(fā)送到STM32。

表2 字符數(shù)組Set結構

2.2 訓練界面設計

上位機訓練界面如圖11所示，界面的設計與設置界面類似，同樣是創(chuàng)建窗體，然后放置按鍵、文本框等組件。與設置界面不同的是多調(diào)用了面板容器類JPanel，將生成的面板嵌套在窗體中，用于曲線的繪制。曲線的繪制是利用JAVA的Graphics2D類，這是一種用于繪制幾何圖形的類，可以畫直線、矩形、圓等基本圖形。首先創(chuàng)建串口的監(jiān)聽類函數(shù)用于接收控制器發(fā)送的角度、力矩數(shù)據(jù)，并保存在定義的整形數(shù)組Ang、Tor里面。然后繪制坐標軸以及刻度線，再將數(shù)組中的數(shù)據(jù)畫在坐標軸里面，并通過刷新面板實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。

圖11 上位機訓練界面

3 測試結果

本文以肘關節(jié)為例對四種訓練模式進行了測試，在上位機設置界面中選擇訓練的模式、設定活動的范圍、輸入訓練的速度、力矩等參數(shù)，然后進入上位機訓練界面，點擊“開始”按鍵進行訓練，點擊“停止”按鍵結束訓練。

3.1 等長訓練模式測試

選擇了三個位置進行測試，角度值分別為50°、100°以及150°。其中角度值為100°時的力矩、位置與時間的關系曲線如圖12所示，從圖12中可以看出當力矩值為0時，對應的角度值沒有發(fā)生變化。當力矩值不為0時，對應的角度值也沒有發(fā)生變化，表明肘關節(jié)的位置不隨肘關節(jié)的用力情況而發(fā)生變化，可以保持在設定的位置靜止不動，符合等長訓練模式的需求。

圖12 角度值為100°時的力矩、位置曲線

3.2 等速訓練模式測試

選擇了三個訓練速度進行測試，分別設定為12°/s、18°/s以及30°/s，肘關節(jié)支架速度的最大誤差如表3所示?？梢钥闯?，肘關節(jié)支架速度的最大誤差為0.4～1.2°/s，在合理的波動范圍內(nèi)[16]。造成速度波動的原因在于速度校正和負載波動之間存在時間差，而交流伺服系統(tǒng)的響應時間較快，影響系統(tǒng)響應的主要原因還是在于機械連接裝置的傳遞時間。伺服電機所帶傳動機構的響應速度根據(jù)所采用材料的剛性差異而不同，如果剛性較低其響應速度也就比較慢，就會導致一定的速度波動。

表3 等速訓練模式下肘關節(jié)支架速度最大誤差（°/s）

其中訓練速度為30°/s時的力矩、位置與時間的曲線關系如圖13所示，從圖中可以看出當力矩值為0時，角度值會保持不變，說明肘關節(jié)沒有用力的時候，肘關節(jié)的位置不會發(fā)生變化。當肘關節(jié)順時針用力時，角度值會線性減小，說明此時肘關節(jié)保持設定的速度順時針轉動。當肘關節(jié)逆時針用力時，角度值會線性增大，說明此時肘關節(jié)保持設定的速度逆時針轉動。當肘關節(jié)到達限定的位置時，即使繼續(xù)往前用力，但是角度值會保持不變，說明此時停止在限定的位置，只有往相反方向用力才可以轉動。測試情況符合等速訓練模式的需求。

圖13 訓練速度為30°/s時的力矩、位置曲線

3.3 等張訓練模式測試

選擇了三個阻力級別進行測試，分別設定為5、8、10 N.m。其中阻力矩為10 N.m時的力矩、位置與時間的曲線關系如圖14所示，從圖中可以看出當肘關節(jié)用力情況小于設定的阻力矩時，角度值是保持不變的，說明肘關節(jié)的位置沒有發(fā)生變化。當肘關節(jié)用力情況大于設定的阻力矩時，角度值會發(fā)生變化，而且力矩值越大，角度值變化越大，說明肘關節(jié)轉動的速度隨著肘關節(jié)用力地增加而變大。當肘關節(jié)到達限定的位置時，即使肘關節(jié)的用力情況大于設定的阻力矩，但是角度值仍然保持不變，說明此時停止在限定的位置，只有往相反方向用力才可以轉動。測試情況符合等張訓練模式的需求。

圖14 阻力矩為10 N·m時的力矩、位置曲線

3.4 被動訓練模式測試

被動訓練模式是由設備帶動受試者關節(jié)運動，因此訓練時在上位機設定好訓練的速度以及活動范圍，并設定訓練的次數(shù)為3次，然后點擊開始。選擇了三個訓練速度進行測試，分別設定為30°/s、42°/s以及60°/s，肘關節(jié)支架速度的最大誤差如表4所示?？梢钥闯?，肘關節(jié)支架速度的最大誤差在0.9°/s到2.0°/s之間，在合理的波動范圍內(nèi)[17]。被動訓練模式由于采用的是伺服驅動器的位置模式，運算量大，驅動器對控制信號的響應會相對慢一點。影響速度穩(wěn)定的主要原因在于伺服電機與機械傳動結構不匹配，機械響應速度不夠及時，導致速度校正存在延時。

表4 被動訓練模式下肘關節(jié)支架速度最大誤差（°/s）

其中訓練速度為30°/s時的力矩、位置與時間的曲線關系如圖15所示，從圖中可以看出，角度值先線性減小，接著又線性增大回到初始的角度，然后重復這個過程3次。說明肘關節(jié)在設定的活動范圍內(nèi)保持設定的速度做了3次訓練，測試情況符合被動訓練模式的需求。

圖15 訓練速度為30°/s時的力矩、位置曲線

4 討論與總結

在硬件上，本文采用伺服電機作為執(zhí)行機構，具備過載能力強、轉動慣量低等優(yōu)點。并且電機的控制方案相對簡單，而等速設備采用電磁摩擦制動器作為執(zhí)行機構，由于電磁制動器是高度非線性的電磁器件，導致控制方案比較復雜[18]。本研究選用的控制器STM32具備高性能、低成本、低功耗的特點，芯片的外設接口較多，可以和多種傳感器對接。機械連接上，部分設備采用聯(lián)軸器直接連接，需要配備對應的諧波減速器，成本比較高。本文采用同步帶輪以及渦輪蝸桿實現(xiàn)伺服電機到輸出軸的動力傳遞，提高輸出扭矩的同時達到減速的目的。

在軟件上，本文基于JAVA語言設計了對應的上位機操作界面。JAVA語言作為解釋型語言，可以實現(xiàn)跨平臺運行，具有較好的移植性。程序包也比較豐富，通過調(diào)用jar包，可以提高程序的開發(fā)效率。后期還可以引入數(shù)據(jù)庫，通過JDBC接口函數(shù)實現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫的連接，方便管理用戶數(shù)據(jù)[19]。有的肌力訓練設備缺乏上位機軟件，只通過人機交互界面進行操作，數(shù)據(jù)的存儲量有限，而且傳輸數(shù)據(jù)不便捷[20]。

目前，用于肌力訓練的設備主要依靠進口國外的產(chǎn)品，這些設備不僅價格昂貴，而且資料有限，所以自主設計肌力訓練設備就顯得尤為重要。本文利用JAVA上位機以及STM32控制伺服驅動器，進而控制伺服電機，能夠實現(xiàn)等長、等速、等張以及被動訓練模式，通過更換不同的支架可以實現(xiàn)多關節(jié)的訓練，所設計的動力控制系統(tǒng)滿足應用需求。下一步工作將在醫(yī)院進行臨床試用，對硬件、算法、上位機軟件進行優(yōu)化，如硬件上可以增加控制芯片專門處理傳感器的信號，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，上位機軟件引入數(shù)據(jù)庫管理功能。