智能肢體康復訓練器設計

張 冰, 朱仰博， 張邦成, 關博文,陳玉超, 何 猛, 謝 涵

(長春工業大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

智能肢體康復訓練器設計

張 冰, 朱仰博， 張邦成*, 關博文,陳玉超, 何 猛, 謝 涵

(長春工業大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

基于STM32系列芯片控制系統實時檢測腿部力量的大小，實現了上下肢功能障礙者訓練時從被動到主動的自由轉換，增加了訓練系統的柔順性?？刂葡到y通過檢測剩余力量自動調整力矩，使訓練更加智能化。實驗結果表明，設計開發的智能上下肢康復訓練器，重力檢測精度為0.6 N,速度控制誤差δ<2%。

智能; 肢體; 康復; 訓練器

0 引 言

對于上下肢功能障礙者的康復，醫學上通常是通過進行重復的特定任務訓練，讓患者進行足夠的重復性活動，以此增強腿部肌肉和提高關節靈活性，基于這種方法的訓練已取得良好的臨床效果[1-3]。康復訓練器作為醫療機器人的一個重要分支，已經成為國際機器人領域的一個研究熱點?？祻陀柧氃O備大致可以分為兩類，一類是借助于跑步機、懸吊帶等幫助患者進行上下肢運動訓練，例如瑞士的LOKOMAT步行康復訓練機器人；另一類是臥式伸曲腿，利用電機或氣囊型人造肌肉作為驅動裝置，通過電機軸的旋轉或使氣囊充、放氣實現上下肢的彎曲或伸長，例如布魯塞爾Vrije大學研發的ALTACRO康復訓練器。

國內的研究者也是使用懸吊步行式，例如清華大學研制的關節直接驅動方式康復訓練器；哈爾濱工業大學研制的臥式康復訓練機器人。懸吊式訓練康復器雖然結構簡單、價格便宜，但訓練過程中必須有專業人員幫助，而且隨意性較強，不符合人體的運動機理，只能用于病情較輕的患者。臥式訓練康復器的設計雖然更接近人腿真實的運動形式，具有輸出力大、有一定柔度等優點，但是其穿戴復雜，沒有減重措施，對于病情較為嚴重的患者此方法實現難度較大。因此，文中設計了一種基于STM32系列控制芯片的踏車式康復訓練器，訓練系統智能靈活、柔性度高、便于上下肢功能障礙者康復訓練。

1 上下肢康復訓練器工作原理

上下肢康復訓練器分兩部分：一部分是訓練上肢康復；另一部分是訓練下肢康復。除上肢與下肢的力矩不同、設計尺寸不同外，上肢與下肢的訓練方法和方式一樣。文中以下肢康復為例作詳細分解。

利用安裝在支架上的腳蹬，將腿部的力量通過曲柄傳遞給中軸，在中軸上增加了慣性輪，利用慣性輪具有保持動能的特性，能夠使系統旋轉時保持一定的轉動力矩，克服了主被動轉換時旋轉速度產生的波動，使運動更加穩定[4]。在中心軸上安裝一對齒輪，減速比為50∶1，小齒輪的中心軸上一端經聯軸器與直流無刷電機相連，一端經聯軸器與中空旋轉型磁粉制動器相連。當上位機STM32控制器通過壓力傳感器和編碼器檢測到訓練者腿部的力矩不足以驅動曲柄旋轉時，控制系統啟動直流無刷電機，驅動輸出軸帶動小齒輪旋轉，經減速器后，帶動中軸旋轉，由腳蹬帶動腳部和腿部運動，從而達到帶動使用者訓練效果。當使用者的力量有剩余時，曲柄的轉動速度會加快，編碼器檢測到速度信號，并反饋至上位機，上位機則根據反饋信號速度的大小，控制中空旋轉型磁粉制動器的電壓，使中空旋轉型磁粉制動器產生一定的反向力矩，克服使用者剩余的力量，使曲柄的轉速始終保持一個定值。實時檢測系統由壓力傳感器和編碼器組成，將腳部的力矩和中軸旋轉的速度反饋給上位機STM32控制器，構成雙閉環控制[5]?？刂凭雀?，系統響應速度快。上下肢康復訓練器結構設計如圖1所示。

1.支架; 2.觸摸屏； 3.下肢訓練模塊； 4.上肢訓練模塊；5.微調電機1； 6.微調電機2； 7.光杠； 8.絲杠； 9.蝸輪蝸桿；10.微調電機3； 11.蝸輪蝸桿； 12.光杠； 13.絲杠； 14.微調電機5；15.座椅； 16.腳蹬； 17.曲柄1； 18.把手； 19.曲柄2

2 位置調節結構設計

由于上下肢功能障礙者的身高不同，設計智能康復訓練器要盡可能地滿足所有的使用者。因此，在設計時，以下肢康復訓練模塊與支架固定為原則，調節座椅和上肢康復訓練模塊，使智能康復訓練器滿足使用者的要求。在圖1中，使用者坐在座椅上，將腳放在腳蹬上，先打開被動模式，腳蹬帶動使用者的腳部和腿部運動。使用者可以根據自己的身高和曲柄旋轉時腿部的彎曲情況調節微調電機，微調電機的功能是帶動座椅前后移動。同時，也可以調節微調電機，使座椅上下移動，直到調節至最佳位置。

座椅上下調節的原理是利用絲杠旋轉使螺母產生位移的原理。在智能上下肢康復訓練器的結構設計中，將螺母的位置固定，只有一個旋轉自由度，螺母下方放置一個端面軸承，為了防止在使用過程中螺母發生偏轉，在底座上加工一個圓形凸臺，保證了螺母X,Y,Z方向的位置不變。座椅的可調范圍就是螺母的長度，根據人體功能學設計，螺母長0.5 m，即可滿足使用者的調節需求。位置調節時，微調電機帶動蝸桿轉動，由蝸桿將動力傳遞給蝸輪，蝸輪通過鍵連接與螺母連接在一起，蝸輪與螺母一起旋轉，蝸輪蝸桿的減速比為1∶20，增大了傳動力矩，螺柱選擇是鋸齒形螺紋，傳動效率高，且具有自鎖功能，同時，蝸輪蝸桿減速系統也具有自鎖功能，能夠保障座椅調整機構運行的安全性。由于螺母上下移動的位置被固定了，同時，為了克服座椅跟隨螺母旋轉的力矩，增加了光杠，保證座椅的位置固定，增加了系統的穩定性。同樣的，上肢康復訓練模塊的上下位置調節也是采用蝸輪蝸桿調節，由于上肢訓練模塊重量較下肢訓練模塊輕，因此上肢訓練模塊前后位置調節通過微調電機直接驅動即可，驅動方式采用齒輪齒條式。

3 系統總體硬件設計

智能上下肢康復訓練器控制系統的硬件主要由STM32F103系列控制芯片、可編程智能TFT LCD,J3806系列絕對式編碼器、直流無刷電機、中空旋轉型磁粉制動器等模塊組成。布置在曲柄旋轉軸上的絕對式編碼器和腳蹬上的壓力傳感器作為系統的檢測部分，將曲柄旋轉的速度和腳蹬的力矩傳送至控制芯片[6]，控制芯片向直流無刷電機和制動器的驅動電路發送控制信號，由直流無刷電機驅動曲柄旋轉或者由制動器抑制曲柄旋轉?？刂葡到y如圖2所示。

圖2 控制系統示意圖

系統以STM32控制芯片作為控制核心，力矩傳感器檢測到腳蹬上的力，以電壓值形式輸出，STM32控制芯片通過3次數據采樣取均值后得到更加精確的數據。由于使用者的體重不同，使用者在使用康復訓練器時，先將訓練器運行在被動模式下，此時使用者不要用力踩腳蹬，只是將腳放在腳蹬上即可，由曲柄帶動使用者的腿部和腳部運動，被動旋轉兩圈，由控制系統采集腳蹬上的力，作為在以后訓練時腿部力量的判斷，并為腿部是否痙攣提供依據。當腿部痙攣時，腿部的肌肉發生錯亂，使腿部的肢體僵硬，從而使腳踩在腳蹬上的力發生突變，STM32控制芯片檢測的信號發生突變時，就會發出報警信號，提醒醫護人員做防護工作。

3.1傳感器選擇

根據系統檢測精度要求及傳感器性能比較，壓力傳感器選用高精度、輸出量程廣的BMP085壓力傳感器，精度控制誤差小于3 Pa。輸出方式為I2C接口，便于與STM32控制芯片通訊，供電電源在1.8～3.6 V，功耗較低，適應性強，與STM32控制芯片的供電電壓相同。BMP085是一種高精度氣壓傳感器。BMP085是基于EMC魯棒性、精度高、線性度以及長期穩定的技術壓阻式傳感器，可以直接連接到一個微控制器，反應時間只有7.5 ms。

3.2控制芯片的選擇

通過搜集相關芯片資料，也同時對小面積的AVR單片機和51單片機進行了大致的比較，以CortexM3為內核的STM32，比LPC2148芯片擁有更豐富和靈活的外設，按照MIPS值計算，STM32系列芯片的性能幾乎是LPC2148的兩倍[7]。在核心1.8 V供電情況下，與DSP2811相比較，135 MHz×1 MIPS。現在用STM32F103，72 MHz×1.25 MIPS，性能是DSP的66%，STM32F103R型(64管腳)芯片面積只有2811芯片的51%，STM32F103C型(48管腳)面積是2811芯片的25%，最大功耗是DSP的20%，單片價格是DSP的30%，且有更多的串口，CAP和PWM。高端型號有SDIO，理論上比SPI速度快。

4 軟件設計

4.1數字濾波

濾波方法有硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波主要是通過電容電阻組合電路濾波，不適合用于信號快速變化的場合[8]，對采集的信號有一定的抑制作用，且很容易濾掉有用的信號，因此采用軟件濾波方法。

常用的數字濾波方法有中位值法、慣性濾波法和平均值法。中位值濾波法對變化緩慢的信號進行濾波有較好的效果，如溫度、液位的變化，不宜對流量、速度等變化快速的量進行濾波。慣性濾波運算量大，占用內存大，不適合快速采樣與響應的系統。平均值法簡單，運算速度快，能夠對具有隨機干擾的信號進行濾波，在保證采樣精度的同時節省系統調節時間。因此，信號采樣采用平均值法濾波，選擇采樣次數為N=3。

4.2控制流程圖

軟件設計流程如圖4所示。

圖4 控制流程

控制電路上電后，對檢測電路和驅動電路進行初始化，然后讀取壓力傳感器輸出的電壓值，進行3次采樣后，用平均值法得到3個軸的值與被動測試時的壓力值分別比較，如果相等或大于，且大于的數值波動不大，即無突變，則說明此時的壓力處于正常狀態；如果小于或壓力值有突變，則表明訓練者的腿部出現痙攣或者機械系統出現故障，此時，應停止旋轉，并報警提示醫護人員。

5 實驗結果與分析

實驗測試時，使用者將腳放在腳蹬上，打開被動模式進行采集，在使用者不加力的情況下，得到腿部重力為50.3 N，中軸設定轉速為6 r/min，以此為判斷主被動模式標準。在測試時，使用者隨機地使用腳力，測得壓力檢測與轉速關系，見表1。

表1 轉速、工作模式與壓力關系

由表1可看出，轉速實際值偏離理論值的誤差在2%之內，且重復性好，滿足使用精度。

系統響應時間測試時，傳感器通過使用者將檢測到的壓力模擬量給STM32控制芯片，控制芯片計算出驅動電機所需的脈沖占空比，并發送給驅動模塊、驅動電機。從腳蹬的壓力變化到制動器將速度保持設定值為止，記錄所用的時間，反復調整，使整個過程響應在1 s之內。在STM32控制芯片處理數據中，讀取壓力值轉換的數據，轉換時間為65 μs，制動器響應時間為50 ms，相對于1 s的運行周期可以忽略不計，影響系統響應時間的是STM32控制芯片向電機驅動芯片發送脈沖的頻率與機械調整機構所需要的傳動時間。實驗結果表明，發送脈沖頻率大于8 kHz時，電動座椅椅面平衡控制系統響應周期時間t<1 s。

6 結 語

以STM32控制芯片為主控芯片，內置A/D轉換器能夠對壓力傳感器進行直接、實時采樣，并進行多次采樣取均值，能夠有效地提高控制精度。直流無刷電機驅動模塊是采用24 V低電壓，輸出電流峰值高達4 A的高電流供電，能夠為康復訓練器提供1 kN的力矩。系統響應速度快，能夠快速地調整電機的轉速和制動器的工作電壓，其壓力誤差δ<0.6 N，速度控制誤差δ<2%，能夠滿足康復訓練器壓力檢測和速度調節的要求。實際應用結果表明，所設計的上下肢康復訓練器達到了使用要求，增強了訓練效果。

[1] 陳仲武.我國現代康復醫學事業的發展歷程[J].中國康復理論與實踐，2001，7(3):97-100.

[2] Werner G. Strength and conditioning techniques in the rehabilitation of sports injury [J]. Clinics in Sports Medicine,2010,29(1):177-191.

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[5] 閆茂德，吳青云，賀昱曜.非完整移動機器人的自適應滑模軌跡跟蹤控制[J].系統仿真學報，2007,19(3):579-581.

[6] 張立杰，劉穎，黃真.平面2自由度驅動冗余并聯機器人的輸出速度分析[J].機械設計,2002(2)：19-21.

[7] Richard Barnett, Larry O’Cull, Sarah Cox.嵌入式C編程與Atmel AVR[M].周俊杰,譯.北京：清華大學出版社，2003.

[8] 竇海鵬.數字濾波語音信號除噪設計[J].長春工業大學學報：自然科學版，2013，34(6)：663-667.

Intelligent limbs rehabilitation device design

ZHANG Bing, ZHU Yang-bo, ZHANG Bang-cheng*， GUAN Bo-wen,CHEN Yu-chao, HE Meng, XIE Han

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The STM32 based control system freely transforms the disorder rehabilitation from passive to active during the training time according to the real-time detections of leg strength so that the flexibility of training system was improved. The system can automatically adjust output torque by measuring the remained strength, so that the training was more intellectualized. The experimental results show that the designed device can meet the needs with gravity precision 0.6 N and speed control error less thanδ<2%.

intelligent; limbs; rehabilitation; device.

2014-06-20

吉林省發展和改革委員會基金資助項目(20B-00005000419)

張 冰(1989-)，女，漢族，吉林敦化人，長春工業大學碩士研究生，主要從事機電檢測與控制方向研究,E-mail:bingyanzhi@126.com. *聯系人：張邦成(1972-)，男，漢族，吉林敦化人，長春工業大學教授，博士，主要從事機電檢測與控制方向研究,E-mail:zhangbangcheng@mail.ccut.edu.cn.

TP 272; TP 311.1

A

1674-1374(2014)05-0552-05