穿戴式頸椎外骨骼控制系統(tǒng)研究

鄭宏宇，石 萍，李素姣，方凡夫，喻洪流

頸椎?。╟ervical spondylosis）是頸椎椎間盤退行性改變和其繼發(fā)的相鄰結構病理改變累及周圍組織結構（如神經(jīng)、血管等），并出現(xiàn)與影像學改變相應的臨床表現(xiàn)的癥候群[1]。 近年由于不良工作方式與生活習慣的影響，頸椎病已成為脊柱性疾病中最常見的疾病，發(fā)病人群呈年輕化的趨勢，且人數(shù)逐年上升。 目前，根據(jù)頸部疼痛和其伴隨癥狀將頸椎病分為局部頸痛（local neck pain）、頸脊髓病變（cervical myelopathy）和頸神經(jīng)根病變（cervical radiculopathy）三類[1]。

頸椎病目前最常見的治療方法是牽引治療。牽引治療方法對于神經(jīng)根型頸椎病的療效是最佳的。牽引的三大要素在臨床中一般指牽引力量、牽引角度及牽引時間。牽引康復設備是頸椎病治療的一種非常重要的輔助器械，可以針對一些不需要手術進行治療的頸椎病進行治療，通過相應的技術能夠提高治療過程的穩(wěn)定性和安全性。 頸椎康復設備雖然不能消除一些病理改變，但是可以使得頸椎恢復正常的生理能力和工作能力[1]。

近年來，國內外部分學者對于頸椎牽引設備進行了相關的研究。 王廣歡[2]設計了一種頸椎牽引康復機器人，該設備可實現(xiàn)頸椎病精準、定量的智能化康復治療，并且系統(tǒng)集成了穴位按摩等功能，但是體積巨大。 戚世家[3]設計一款基于并聯(lián)機構的頸椎康復機器人， 主要針對頭部運動障礙或頭部下垂綜合征的患者。哈爾濱天愈康復醫(yī)療機器人有限公司設計了一種可穿戴的3 個自由度頸椎康復機器人，可以實現(xiàn)跟隨頭部的3 個自由度的轉動[4]，但沒有進行相關的評估研究。 Yee CA 等[5]設計了一款助力的被動矯形器機構，通過力的再分配，實現(xiàn)減緩頸部肌肉伸縮活動度的功能，從而減輕頸椎病的疼痛；然而該系統(tǒng)未考慮相關的人機交互功能。Wu DS 等[6]開發(fā)了一種新穎的用于輔助頭頸部運動的基于6 個自由度并聯(lián)機構系統(tǒng)，通過肌電信號提取患者頭部運動過程中頸部肌肉的特征以評估頸部力量。東南大學的Gao BT 等[7]設計了一種由繩驅動的3 個自由度頸椎模型，針對該3 個自由度柔性頸部并聯(lián)機器人的工作空間進行了廣泛的仿真并證明了其可行性逆運動學的有效性和方便性，然而該系統(tǒng)雖然為穿戴式設備， 但依舊存在體積巨大、在沒有輔助的情況下無法進行治療的問題。上述針對頸椎疾病設計的系統(tǒng)具有一定的牽引功能，但大多數(shù)缺少人機交互功能，無法實時采集牽引過程中的治療數(shù)據(jù)，進行治療參數(shù)的過程化調整，且大多數(shù)體積巨大、設備昂貴，需要在專業(yè)人員的指導下使用。

筆者設計了一種用于頸椎牽引的穿戴式頸椎外骨骼控制系統(tǒng)，研究其使用的可行性和方便性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選用如下主要實驗材料進行實驗平臺搭建。直線電機（型號P16。Actuonix，加拿大）；角度傳感器（型號JY901。 維特科技，中國）；壓力傳感器（型號DYZ-101。 大豐傳感科技，中國）；3D 打印零部件定制（中國）；各類芯片若干（ST/TI/AD）。

1.2 方法

1.2.1 穿戴式頸椎外骨骼控制系統(tǒng)總體設計

頸椎是由7 節(jié)錐體連接而成，從上到下分為C1～C7（圖1）。C1連接顱骨，C7連接胸骨，是頭顱和軀干的連接樞紐；在它周圍有許多肌肉、血管和神經(jīng)。頸椎關節(jié)非常靈活，屈曲運動和頭部轉動主要由上頸椎段完成， 即C1～C3， 頭部的大幅度伸屈主要在C5～C7節(jié)段，頸椎側屈運動主要由中段頸椎完成。 頸部肌肉的收縮和舒張使頸椎完成各種動作[8]。

穿戴式頸椎外骨骼結構基于Stewart（斯圖爾特）結構設計（圖2）。 該結構包括電機驅動模塊、固定支撐模塊和活動關節(jié)組件。電機驅動模塊包括左肩推桿電機、右肩推桿電機、頸胸椎左前側推桿電機、頸胸椎左后側推桿電機、頸胸椎右前側推桿電機、頸胸椎右后側推桿電機。外骨骼牽引系統(tǒng)是由電機驅動模塊與系統(tǒng)的各個活動關節(jié)組件共同組合成的6 連桿動力驅動結構。參照頸椎病牽引治療專家共識[9]，設置了頸椎的運動特性及舒適范圍（表1）。

表1 頸椎運動特性及舒適范圍Tab.1 Cervical spine movement characteristics and comfortable range

為了實現(xiàn)穿戴式頸椎外骨骼控制裝置對人體的精準牽引治療，進而設計了智能化、多模塊化的穿戴式頸椎外骨骼控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)設計框架如圖3 所示。穿戴式頸椎外骨骼控制系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成，主要包括主控制器模塊、人機交互模塊、通信模塊、電機驅動模塊、傳感線信息處理模塊。此外，考慮到實驗或者治療過程的安全性，該系統(tǒng)還包括安全保障性相關設計。 見圖3。

1.2.2 系統(tǒng)模塊設計

1.2.2.1 主控制器模塊設計 主控制器模塊為穿戴式外骨骼控制系統(tǒng)的中央主控，通過解析相關治療參數(shù)信息之后，完成控制系統(tǒng)的整體控制。 該模塊是由一個32 位的微控制單元 （microcontroller unit，MCU）芯片作為控制器，完成硬件模塊相關的配置。 主控制器模塊通過運行實時多線程操作系統(tǒng) （real timethread，RT-Thread）操作平臺完成如線程、信號量、事件集等相關機制， 以及各個模塊之間的相關任務調度，并通過接收其他模塊所傳遞的相應信號，完成相關參數(shù)的計算與處理。主控制器模塊的硬件主要包括以下幾個主要部分：①單片機最小系統(tǒng)，即去耦濾波電路、串行調試（serial wire debug，SWD）下載電路、復位電路、晶振電路等；②牽引位置檢測子模塊，即系統(tǒng)運行過程中， 電機位置由MCU 芯片自帶的12 位模擬數(shù)字轉換器（analog to digital converter，ADC）計算電機運行的實時位置信息；③低通濾波電路，即電機的位置反饋是通過電位計檢測的，其輸入是多路的電壓信號，必須通過ADC 模塊對這些信號進行檢測，為保證輸入信號的穩(wěn)定性，通過低通濾波電路去除系統(tǒng)運行中的干擾信號；④光電耦合電路，由于穿戴式頸椎外骨骼控制裝置的電機驅動模塊為12 V 供電，而主控制器模塊為3.3 V 供電，太高或者太低的電源都會給系統(tǒng)造成一定的不良影響，通過光電耦合電路可以對各個系統(tǒng)進行隔離處理，以保證牽引治療的可靠性與安全性。 此外，主控制器模塊還包括供電電源系統(tǒng)用于給穿戴式頸椎外骨骼控制系統(tǒng)提供低紋波的電源。 整體的設計框圖如圖4 所示。

1.2.2.2 人機交互模塊設計 頸椎病治療最主要的參數(shù)是牽引力量、牽引角度、牽引時間。人機交互模塊可以保證患者或者相關的醫(yī)療人員設定準確的牽引參數(shù)以保證治療的有效性。該系統(tǒng)設計的人機交互模塊有按鍵功能[9]用于進行牽引參數(shù)的設定和治療時的參數(shù)調整，以及治療開始與停止的控制；還有有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示模塊用于系統(tǒng)運行過程中的治療模式顯示，供患者和醫(yī)生實時了解治療參數(shù)。 人機交互模塊系統(tǒng)框圖如圖5所示，初始化主要包括檢測電機位置是否為牽引治療開始的位置、 按鍵的實時狀態(tài)和急停開關是否按下；在完成之后，進入人機交互界面進行相關牽引治療參數(shù)的設定，在計算后進行牽引治療。同時，在牽引治療過程中，通過檢測治療時對按鍵的操作及牽引過程中的相關數(shù)據(jù)從而對人機交互的相關數(shù)據(jù)進行進一步的處理。

1.2.2.3 通信模塊設計 通信模塊主要用于牽引治療時各模塊之間的信息傳輸，讓電機本體更好地達到用戶的控制要求，具有很大的靈活性與方便性。 模塊間數(shù)據(jù)通信的有效性保證了系統(tǒng)運行中的穩(wěn)定性。通信模塊主要包括數(shù)據(jù)的有線傳輸與無線傳輸兩種模式：①有線通信，使用RS485 總線進行通信，主要用于主控制器模塊與電機驅動模塊間的通信；電機驅動器使用MODBUS 通信作為通信協(xié)議， 主控制器模塊通過串口經(jīng)高速光耦隔離電路后與系統(tǒng)用于牽引功能的電機驅動器進行通信，控制電機在牽引過程中的實時速度或實時電流大小，并讀取實時參數(shù)；②無線通信，完成主控制器模塊輸出的采樣、信息接收等指令與后文中傳感器數(shù)據(jù)之間進行通信；無線通信基于ESP8266 模塊運行， 使用傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）作為通信協(xié)議。 見圖6。

1.2.2.4 電機驅動模塊設計 電機驅動模塊用于實現(xiàn)對牽引過程中各個電機的控制。該模塊主要功能是進行電機的位置控制，并完成主控制器模塊之間的數(shù)據(jù)交互。 由上主控制器模塊可知，主控制器模塊通過RS485 總線與電機驅動模塊進行通信， 通過MODBUS 協(xié)議對電機驅動器的實時狀態(tài)進行讀寫操作。治療所需的各個牽引角度對應的電機運動學反解相應位置存放在程序中， 通過讀取人機交互模塊設置對應的治療參數(shù)，定位到電機對應的目標位置。 電機的位置控制基于比例積分微分（proportion integral differential，PID）算法設計。該模塊中所使用的電機控制為位置式PID，其主要控制目標是使電機平穩(wěn)地到達目標位置， 其輸入為主控制器模塊通過ADC 處理后所得到的治療過程中電機實際位置數(shù)據(jù)量。由于積分飽和度問題，該系統(tǒng)僅使用比例微分（proportion differential，PD）控制[10]（圖7）。

1.2.2.5 傳感器信息采集與處理模塊設計 該系統(tǒng)加載有壓力傳感器和角度傳感器， 將實際輸出的力、位移、角度進行測量，把患者進行牽引治療時運動的信息及時有效地傳送給主控制器系統(tǒng)，并實時地進行反饋調節(jié)， 該模塊對于進行治療具有非常重要的作用。傳感器信息采集模塊負責處理角度傳感器與壓力傳感器的采集數(shù)據(jù)，并通過WIFI（行動熱點）發(fā)送給主控制器模塊。傳感器信息處理模塊主要包括壓力傳感器子模塊、 角度傳感器子模塊與數(shù)據(jù)處理子模塊。壓力傳感器的輸出量為多路的電壓差分信號，并且這些電壓值較小，約為15 ～20 mV，為保證檢測的準確性與抗干擾能力，需要通過差分運放電路且通過多級濾波對該牽引過程中的力度信號進行一個放大與濾波處理[11，12]。對應的角度傳感器為9 軸慣性測量單元，用于獲取牽引過程中系統(tǒng)的牽引實時角度值。圖8 為傳感器信息處理模塊的系統(tǒng)框圖。

1.2.2.6 安全保障性相關設計 醫(yī)療器械是用于人體治療的特殊設備， 安全性是保證患者進行正常治療的基本要求。 考慮到牽引治療或多或少會給患者帶來心理上的壓力，出現(xiàn)心理緊張的狀態(tài)。 為此，對系統(tǒng)的安全保障主要用于患者在治療過程中連續(xù)穩(wěn)定運行，以及緊急情況下的急停動作。 該功能實現(xiàn)主要通過包括看門狗模塊與電機限位來保證系統(tǒng)的安全性。在“看門狗”模塊中，每20 ms 進行一次指令確認操作，保證系統(tǒng)在不死機的情況下運行。 電機限位線程主要保證牽引治療階段的最大電機位移量不超過設定的牽引最大位移量，以保證使用者的安全。 同時，系統(tǒng)還配置了一個急停開關， 保證患者在使用時能夠根據(jù)需要隨時停止系統(tǒng)操作。

1.2.3 系統(tǒng)性能測試

對穿戴式頸椎外骨骼控制裝置實驗樣機進行了運動學分析，并得出了各個牽引角度對應的電機推桿位移量（圖9）。 為了驗證該控制系統(tǒng)設計的穩(wěn)定性和可行性，并保證后續(xù)該控制系統(tǒng)在康復臨床治療中的應用，根據(jù)圖9 的運動學反解數(shù)據(jù)[13]，進行了系統(tǒng)性能測試，性能測試的指標為前屈/后伸、左/右側屈、左/右旋轉。

同時，對上述的急停開關進行了測試，測試在電機行進過程中完成，以測試急停開關按下后系統(tǒng)的安全性。

1.2.4 人體體模測試方法

采用角度傳感器對人體穿戴后的3 個坐標軸方向的頸椎運動康復訓練過程進行了角度采集，角度傳感器位置如圖10（a）所示，穿戴方式如圖10（b）所示。由于文獻中提到大于49.03 N（5 kg）的牽引治療最好在醫(yī)師指導下進行，因此試驗未對人體進行牽引治療試驗。 測試指標前屈/后伸、左/右側屈、左/右旋轉。

2 結果

2.1 系統(tǒng)性能測試結果

基于表1 所設定的頸椎牽引及運動康復訓練范圍，穿戴式頸椎外骨骼控制裝置實驗樣機可以實現(xiàn)頸椎三維方向的力牽引、前屈/后伸、左/右側屈和左/右旋轉4 種模式的康復運動模式（圖11）。 前屈/后伸15°/-30°，左/右側屈20°/-20°，左/右旋轉15°/-15°。

在電機行進過程中進行了急停開關測試，測試中發(fā)現(xiàn)， 急停開關按下后電機可以實現(xiàn)100%停止，并且由于直線電機的絲桿特性，設備在電機停止后不會失去正常形態(tài)。

2.2 人體體模測試結果

角度傳感器采集結果可見，motion 1 為前屈/后伸運動康復訓練，motion 2 為左/右側屈運動康復訓練，motion 3 為左/右旋轉運動康復訓練， 橫坐標為訓練時間， 縱坐標為角度傳感器所采集到的角度值。 從圖12 中可以看出，該控制系統(tǒng)運動康復試驗符合人體頸部康復訓練相關舒適范圍。 具體角度范圍分別為前屈/后伸15°/-30°，左/右側屈為20°/- 20°，左/右旋轉15°/- 15°，基本與硅膠模型實驗一致。

3 討論

從實驗結果可知，實驗所設計的穿戴式頸椎外骨骼控制裝置能夠在所設定范圍內實現(xiàn)被動牽引與運動訓練，相關頸椎外骨骼系統(tǒng)原理具備可行性。 該系統(tǒng)兼具牽引訓練與運動康復訓練的功能， 其功能齊全，穿戴舒適性良好，且體積小，可用于家庭與醫(yī)院等，適用于神經(jīng)根型頸椎病的非手術治療，缺點是穿戴具有一定難度且角度范圍的精確控制還存在不足之處，在以后的研究中會進一步優(yōu)化完善，以實現(xiàn)最佳的頸椎康復療效。

4 結論

頸椎病作為一種年輕化且發(fā)病率不斷增長的疾病，正在逐漸威脅人們的正常工作與生活。 針對現(xiàn)有頸椎康復設備適用范圍窄， 智能化程度不高的問題，筆者設計了一種智能化、輕量化的可穿戴式頸椎外骨骼控制裝置， 重點是根據(jù)治療需求研制了其控制系統(tǒng)，試制了實驗樣機并進行了實驗測試。 實驗結果表明，該控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同的牽引治療模式，其牽引力輸出范圍為0 ～49.03 N（0 ～5 kg），前屈/后伸運動康復訓練角度范圍15°/-30°， 左/右側屈運動康復訓練角度范圍20°/-20°， 左/右旋轉運動康復訓練角度范圍15°/-15°； 同時該系統(tǒng)具有在治療過程中實時采集運動角度與牽引力等治療參數(shù)的功能。綜上所述，筆者設計的控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)穿戴式頸椎外骨骼控制裝置牽引與3 個自由度運動康復訓練治療功能，運動范圍達到預期要求，證明了穿戴式頸椎外骨骼控制系統(tǒng)原理的可行性。