多模式肌力康復(fù)訓(xùn)練裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張琳芳，李玉榕

(1.三明醫(yī)學(xué)科技職業(yè)學(xué)院，福建 三明 365000；2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350000)

醫(yī)學(xué)理論研究和臨床實(shí)踐證明，正確合理的肌力訓(xùn)練能夠有效增強(qiáng)肌肉的力量和耐力，預(yù)防各類骨關(guān)節(jié)攣縮，保持患肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度，改善肢體運(yùn)動(dòng)功能，是康復(fù)訓(xùn)練的重中之重[1]。目前我國使用的肌力訓(xùn)練設(shè)備大都依賴進(jìn)口，設(shè)備價(jià)格昂貴，僅少數(shù)醫(yī)院配置，患者康復(fù)訓(xùn)練費(fèi)用高且不方便[2]。因此，研制價(jià)格實(shí)惠、家庭適用的肌力訓(xùn)練裝置具有一定的社會(huì)價(jià)值和市場前景。

基于此，本文針對肌力康復(fù)治療的要求，探討了肌力康復(fù)訓(xùn)練的多種方法[3]，構(gòu)建了多模式肌力康復(fù)訓(xùn)練裝置的控制方案，以達(dá)到肌力訓(xùn)練的效果。

1 肌力訓(xùn)練的四種訓(xùn)練模式

本文設(shè)計(jì)的肌力康復(fù)訓(xùn)練裝置可以實(shí)現(xiàn)等長、等張、被動(dòng)與等速四種肌力訓(xùn)練模式。

1)等長訓(xùn)練模式。等長訓(xùn)練模式下，設(shè)備控制肢體關(guān)節(jié)始終固定在一定角度，不產(chǎn)生關(guān)節(jié)活動(dòng)，保持肌纖維長度不變，但訓(xùn)練者可以根據(jù)自己意愿選擇合適的力量訓(xùn)練，調(diào)整肌肉收縮力度大小。等長訓(xùn)練模式需要具備的基本功能包括：可調(diào)整指定位置(粗調(diào)、微調(diào))，可設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可顯示并記錄訓(xùn)練者的訓(xùn)練位置、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩等控制功能。

2)等張訓(xùn)練模式。等張訓(xùn)練模式下，設(shè)備輸出阻力矩恒定，但訓(xùn)練時(shí)肌肉收縮，改變肌纖維長度，產(chǎn)生明顯的關(guān)節(jié)活動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于訓(xùn)練者與設(shè)備輸出力矩的相互關(guān)系。等張訓(xùn)練模式需要具備的基本功能包括：可自行設(shè)定轉(zhuǎn)矩大小，顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩、實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)位置，可設(shè)定運(yùn)動(dòng)起始范圍、方向選擇、最大限速度、啟?？刂频瓤刂乒δ堋?/p>

3)被動(dòng)訓(xùn)練模式。被動(dòng)訓(xùn)練模式用于控制肢體在設(shè)備的帶動(dòng)下，按照指定的角度范圍內(nèi)以設(shè)定的恒定速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中訓(xùn)練者肌肉張力的大小變化不會(huì)改變運(yùn)動(dòng)速度。被動(dòng)訓(xùn)練模式需要具備的基本功能包括：可設(shè)定和顯示運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)范圍、加減速時(shí)間、訓(xùn)練組數(shù)、時(shí)間間隔、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩等，具備啟停、清零等控制功能。

4)等速訓(xùn)練模式。等速訓(xùn)練模式用于控制鍛煉肌肉等速收縮。等速訓(xùn)練模式下，輸出阻力矩始終與訓(xùn)練者肌肉收縮產(chǎn)生的關(guān)節(jié)力矩相等，以保持肢體按照設(shè)定的恒定速度運(yùn)動(dòng)[4]。等速訓(xùn)練模式需要具備的基本功能包括：可設(shè)定和顯示轉(zhuǎn)動(dòng)速度、實(shí)時(shí)位置、實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩、運(yùn)動(dòng)起始位置、增益、轉(zhuǎn)矩閾值等，具備正反向模式、啟?？刂频瓤刂乒δ堋?/p>

根據(jù)四種訓(xùn)練模式，設(shè)備的主要性能要求如下：(1)設(shè)備具備等長、等張、被動(dòng)、等速四種訓(xùn)練模式，須配置多種輔助連接附件，帶有機(jī)械電氣雙重保護(hù)；(2)人機(jī)交互功能，訓(xùn)練者可自動(dòng)設(shè)定訓(xùn)練模式、訓(xùn)練參數(shù)等信息，可顯示、記錄肌力訓(xùn)練實(shí)時(shí)情況；(3)兼容性和集成性功能，測試系統(tǒng)可與各功能配件集成，從而適用于人體多部位的力量訓(xùn)練和肌力測評。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的肌力康復(fù)訓(xùn)練裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、控制器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、扭矩傳感器、角度傳感器、渦輪傳動(dòng)組、電動(dòng)升降導(dǎo)柱組、橫向?qū)к壵{(diào)節(jié)組、縱向?qū)к壵{(diào)節(jié)組和座椅等，系統(tǒng)總體框架見圖2。其中伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、控制器等安裝在設(shè)備前端的動(dòng)力執(zhí)行部位上。

圖1 多模式肌力訓(xùn)練裝置基本結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)總體框架

2.1 控制器的選用

本設(shè)計(jì)選用STM32F103ZET6 單片機(jī)作為控制器，單片機(jī)的SPI接口完成角度傳感器的信息采集，用CAN接口完成扭矩傳感器的信息采集，用串口2完成伺服驅(qū)動(dòng)器的連接，用串口1完成上位機(jī)的連接。

2.2 角度傳感器的選用

角度傳感器選用AS5048A，安裝正對主傳動(dòng)軸軸心，距離正后方2 mm處，磁鋼安裝在主傳動(dòng)軸上。當(dāng)主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過磁電阻效應(yīng)，將磁場信號(hào)的變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻阻值變化量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電壓的變化量(需外加電勢)[5]。經(jīng)過信號(hào)處理電路，模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成角度對應(yīng)數(shù)字信號(hào)輸入STM32的SPI接口，通過信號(hào)換算公式換算成角度，從而實(shí)現(xiàn)角度測量功能，其換算如下Angle=XA/(214-1)×360，其中，XA是角度傳感器輸出的14位數(shù)字信號(hào)。

2.3 扭矩傳感器的選用

扭矩傳感器選用T908D，一端與主傳動(dòng)軸固定連接，另一端的底座固定在渦輪上。該扭矩傳感器采用應(yīng)變片電測技術(shù)，在彈性軸上組成應(yīng)變橋。在主傳動(dòng)軸與扭矩傳感器產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)的情況下，彈性軸產(chǎn)生形變引起應(yīng)變電橋阻值的變化量，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化量后再放大，再通過CAN通信將輸出數(shù)字信號(hào)傳給輸入STM32的CAN接口，通過信號(hào)換算公式計(jì)算出力矩，其表示如下T=A×256+B，其中，A、B分別是扭矩傳感器輸出的高字節(jié)、低字節(jié)數(shù)據(jù)。

2.4 伺服控制系統(tǒng)的選用

本文設(shè)計(jì)的肌力訓(xùn)練設(shè)備裝置主要利用伺服電機(jī)通過同步帶輪和渦輪蝸桿動(dòng)力傳遞到主傳動(dòng)軸，帶動(dòng)輸出軸上的訓(xùn)練支架運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到關(guān)節(jié)訓(xùn)練的效果。由STM32控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器臺(tái)達(dá)ASDA-B2和伺服電機(jī)組成伺服系統(tǒng)?？刂破鱏TM32發(fā)送控制信號(hào)，控制伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)通過編碼器反饋位置信號(hào)，經(jīng)過伺服驅(qū)動(dòng)器將運(yùn)行狀態(tài)傳送給控制器STM32。

該伺服驅(qū)動(dòng)器有三種運(yùn)動(dòng)模式，分別為速度控制模式、位置控制模式、扭矩控制模式和一種混合控制模式[6]。根據(jù)本設(shè)計(jì)的性能要求，選用速度控制模式實(shí)現(xiàn)等長、等張、等速訓(xùn)練模式，選用位置控制模式實(shí)現(xiàn)被動(dòng)訓(xùn)練模式。伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)模式設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)模式參數(shù)

通過Modbus 協(xié)議的通信，可設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器ASDA-B2內(nèi)部寄存器參數(shù)。Modbus 協(xié)議有兩種工作模式，ASCII模式和 RTU模式。本文選擇了ASCII模式，定義了27位的字符數(shù)組?？刂破鱏TM32即按照以下數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)寫入字符數(shù)組控制伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制電機(jī)執(zhí)行指令。ASCII模式的數(shù)據(jù)格式定義如下：(1)起始碼，第1字節(jié)，采用冒號(hào)(3AH)表示；(2)通信地址，第2～3字節(jié)，2個(gè)ASCII碼代表一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；(3)命令碼，第4～5字節(jié)，2個(gè)ASCII碼代表一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；(4)數(shù)據(jù)內(nèi)容，第6～23字節(jié)，4n個(gè)ASCII碼代表2n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，含數(shù)據(jù)起始地址、數(shù)目、字節(jié)數(shù)和內(nèi)容；(5)校驗(yàn)碼，第23～24字節(jié)，LRC校驗(yàn)結(jié)果，2個(gè)ASCII碼代表一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；(6)結(jié)束碼，第26～27字節(jié)，采用結(jié)束符(回車、換行)表示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 多模式選擇控制程序

本設(shè)計(jì)的主控制器采用 STM32單片機(jī)，利用 Keil 5編寫系統(tǒng)程序，主程序流程如圖3所示。系統(tǒng)通電，程序首先調(diào)用初始化子函數(shù)對系統(tǒng)的引腳、串口、SPI等協(xié)議配置初始化[7]。通過對上位機(jī)、傳感器等數(shù)據(jù)解析處理，確定模式標(biāo)志位Mode_Flag表達(dá)式的值，再利用switch語句進(jìn)行訓(xùn)練模式分支結(jié)構(gòu)的選擇。根據(jù)Mode_Flag表達(dá)式的值，選擇等長、等張、等速或被動(dòng)訓(xùn)練模式。以等張訓(xùn)練模式為例，程序?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)器設(shè)置為轉(zhuǎn)速工作模式，系統(tǒng)讀取扭矩傳感器和角度傳感器值，將檢測值與設(shè)定阻力矩進(jìn)行比較。若檢測值大于設(shè)定值，則根據(jù)兩者差值給定對應(yīng)轉(zhuǎn)速值，啟動(dòng)電機(jī)訓(xùn)練。訓(xùn)練過程到達(dá)限定位置時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為0，根據(jù)是否接收停止指令來判斷是否進(jìn)行下一輪訓(xùn)練。

圖3 程序流程

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖4所示，上位機(jī)軟件采用JAVA的Swing組件來設(shè)計(jì)整體界面。在主控界面上，可以選擇等長、等張、等速、被動(dòng)四種康復(fù)訓(xùn)練模式，并根據(jù)訓(xùn)練者康復(fù)需求設(shè)定訓(xùn)練的速度、力矩、次數(shù)等參數(shù)，具有良好的人機(jī)交互性和訓(xùn)練效果。

圖4 上位機(jī)界面

4 結(jié)語

本文利用STM32控制伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)，配合實(shí)時(shí)監(jiān)測的力矩和角度傳感器，實(shí)現(xiàn)等速、等張、等長、被動(dòng)四種訓(xùn)練模式，通過配合不同支架，可實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)的肌力訓(xùn)練，滿足康復(fù)訓(xùn)練的應(yīng)用要求。下一步主要對上位機(jī)軟件的開發(fā)優(yōu)化、康復(fù)評估等進(jìn)行研究與改善。