智能輔助行走康復(fù)訓(xùn)練遙控車的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梁力中

（廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 524001）

0 前言

我國每年新增神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者超過300余萬人。根據(jù)大腦可塑性的理論，中樞神經(jīng)受損患者在經(jīng)過急性發(fā)病期的治療后，其運(yùn)動功能的康復(fù)主要依賴于各種康復(fù)運(yùn)動療法。臨床實(shí)踐證明，急性期過后越早訓(xùn)練，功能康復(fù)的效果越好。通過下肢訓(xùn)練，能明顯改善中樞神經(jīng)受損患者的生活質(zhì)量及預(yù)后恢復(fù)?？祻?fù)訓(xùn)練治療的需求因此變得越來越迫切，目前我國下肢訓(xùn)練這方面，還只能依靠康復(fù)師的人力輔助，治療師的勞動強(qiáng)度很大，難以保證訓(xùn)練的持續(xù)性和穩(wěn)定性，治療效果還受到治療師水平的影響。近年，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開始引入機(jī)器人用于中樞神經(jīng)損傷患者的康復(fù)訓(xùn)練中，各種用于下肢康復(fù)或者關(guān)節(jié)康復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人也開始研制。但是下肢訓(xùn)練機(jī)器人的技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品的造價也相對較高，不利于大規(guī)模在基層醫(yī)院或社區(qū)全面推廣。本文將介紹一種具有無線遙控和可自動尋跡功能的智能輔助行走康復(fù)訓(xùn)練遙控車（下文稱康復(fù)訓(xùn)練車）的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，該車可以可通過無線進(jìn)行遙控并可識別地上黑白軌跡線，實(shí)現(xiàn)循跡行走，康復(fù)患者可以護(hù)車進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。康復(fù)訓(xùn)練車以用自行車的底座為車體平臺，以P89V51RB2單片機(jī)為控制核心，采用L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片，通過PT2262/ PT2272無線發(fā)射接收模塊實(shí)現(xiàn)小車的遠(yuǎn)距離遙控。

1 系統(tǒng)概述

1.1 設(shè)計(jì)基本要求

⑴康復(fù)訓(xùn)練車可通過無線進(jìn)行遙控。①遙控實(shí)現(xiàn)小車模式切換：可遙控康復(fù)訓(xùn)練車進(jìn)入遙控行走、循跡行走；②遙控實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練車行走控制：可遙控小車前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎；③遙控距離不少于50米；④遙控用無線射頻方式實(shí)現(xiàn)。

⑵康復(fù)訓(xùn)練車可識別地上黑白軌跡線，實(shí)現(xiàn)循跡行走：①白色軌跡線線寬不超過5cm；②軌跡線最小轉(zhuǎn)彎半徑不小于25cm；③使用一長度近10米的白色軌跡曲線，讓康復(fù)訓(xùn)練車沿該曲線行走。

1.2 系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由中央處理器P89V51RB2、PT2262/PT2272無線發(fā)射接收模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

康復(fù)訓(xùn)練車主要分為控制器模塊、驅(qū)動模塊、遙控模塊、尋跡模塊和電源模塊等五大模塊。主要的設(shè)計(jì)思路如下：

2.1 控制器模塊

本系統(tǒng)主要是進(jìn)行無線遙控和尋跡運(yùn)行的檢測，以及電機(jī)的控制。采用Philips公司的P89V51RB2單片機(jī)作為主控制器，包含16KB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，32個IO口，3個16位可編程定時計(jì)數(shù)器，具有五通道的PWM和捕獲/比較功能，具有SPI和增強(qiáng)型UART，這樣將方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。

2.2 遙控模塊

采用PT2262/PT2272編碼解碼芯片作為發(fā)射和接收模塊PT2262/2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路 PT2262發(fā)射的頻率比較高（315或433M），遙控的距離也遠(yuǎn)。由于接收機(jī)PT2272的溫度適應(yīng)性強(qiáng)，所以接收靈敏度很高，而且工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，產(chǎn)品的一致性好。

2.3 尋跡傳感器模塊

本模塊采用TCRT5000型光電對管。TCRT5000是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，其特點(diǎn)是：⑴ 塑料透鏡可以提高靈敏度；⑵ 內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響；⑶ 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。

2.4 電機(jī)模塊

本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和精確測量.采用直流電機(jī)，由于直流電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機(jī)提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 尋跡傳感器電路設(shè)計(jì)

對于TCRT5000傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)，主要考慮可調(diào)電阻R3可以調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當(dāng)規(guī)則，可以直接供單片機(jī)查詢使用。而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為本設(shè)計(jì)的傳感器檢測與調(diào)理電路。

3.2 運(yùn)動車傳感電路設(shè)計(jì)

應(yīng)用L298N雙通道直流電機(jī)驅(qū)動芯片是很好用的直流電機(jī)驅(qū)動芯片，它可以驅(qū)動兩個直流電機(jī)或者雙極性步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動車的控制。

3.3 控制電板電路

由于系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高，且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮使用較為便宜的Philips公司的P89V51RB2單片機(jī)作為主控制器。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思路是：單片機(jī)P2口通過不停查詢PT2272接收板數(shù)據(jù)腳VT是否為高電平，當(dāng)PT2262發(fā)射機(jī)有某個按鍵給按下時VT=1，單片機(jī)即刻響應(yīng)該按鍵所對應(yīng)的子函數(shù)，從而通過P1口控制L298N驅(qū)動芯片去驅(qū)動電機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)的動作。在尋跡方面上，TCRT5000光電對管傳感器不停的發(fā)射紅外線檢測地面黑白軌跡的變化。當(dāng)紅外線遇白色地面反射回來后使光電三極管導(dǎo)通，再經(jīng)電壓比較器比較后輸出高電平。當(dāng)小車處于某個偏離狀態(tài)時，即刻響應(yīng)該狀態(tài)所對應(yīng)的子函數(shù)，通過P1口驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動作進(jìn)行軌道糾正，同時引導(dǎo)小車按正確的方向行走，從而實(shí)現(xiàn)黑白自主尋跡。

5 結(jié)束語

康復(fù)訓(xùn)練車在臨床中應(yīng)用，不僅可將康復(fù)治療師從醫(yī)患一對一繁重的治療過程中解放出來，而且通過計(jì)算機(jī)的輸入定量的軌跡及行進(jìn)距離的設(shè)定實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理患者的運(yùn)動數(shù)據(jù)及及行進(jìn)路徑，大大強(qiáng)化了下肢運(yùn)動不便病患的運(yùn)動刺激，使定量檢測和評價手段的實(shí)現(xiàn)，為患者提供更為科學(xué)的康復(fù)行動訓(xùn)練模式，在保證訓(xùn)練安全性，提高訓(xùn)練效率，改善訓(xùn)練效果方面具有巨大的潛力和優(yōu)越性。對于降低患者的痛苦，縮短住院時間，讓患早日康復(fù)，回歸家庭、回歸社會，有明顯的改善作用。

[1]萬福君，潘松峰 等編著.單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用術(shù)（第2版）.安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2005，11-15

[2]夏昊聽，張立勛，王嵐.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[J].應(yīng)用科技，2004，31（2）：4-7

[3]張立勛，顏慶，楊勇等.下肢康復(fù)習(xí)11練機(jī)器人AVR單片機(jī)控制系統(tǒng).機(jī)械與電子，2004（10）：52-54

[4]張曉超，張立勛，顏慶.一種新型三自由度下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及仿真.自動化技術(shù)及應(yīng)用，2005，24（3）：32-35 頁