基于GSM的遠(yuǎn)程外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

基于GSM的遠(yuǎn)程外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳帆,殷躍紅

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

康復(fù)醫(yī)學(xué)是致力于減輕與消除患者的功能障礙，恢復(fù)正常的生理與心理機(jī)能，改善患者的生命與生活質(zhì)量的醫(yī)學(xué)學(xué)科[1]。外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人是基于多種康復(fù)需求與下肢康復(fù)的特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)與康復(fù)醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)而產(chǎn)生的有效康復(fù)工具，并且已在研究與臨床領(lǐng)域有多項(xiàng)成果[2]。

然而，考慮到患者下肢功能障礙，行動(dòng)不便，康復(fù)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，同時(shí)醫(yī)院醫(yī)療資源有限，使用遠(yuǎn)程康復(fù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)社區(qū)康復(fù)甚至家庭康復(fù)是當(dāng)下康復(fù)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]在醫(yī)療康復(fù)系統(tǒng)中有很高的應(yīng)用價(jià)值。而使用GSM技術(shù)[5]來(lái)配合外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人的使用，并且不限于該種類康復(fù)機(jī)器人的使用，可以滿足患者就近康復(fù)甚至在家康復(fù)的需求。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，康復(fù)機(jī)器人終端使用GSM通訊模塊以及相應(yīng)的上位機(jī)軟件模塊，將編碼后的信息通過(guò)短信方式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)信息中心的GSM模塊上，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息中心計(jì)算機(jī)上的信息管理系統(tǒng)軟件解碼并存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的信息收集與錯(cuò)誤監(jiān)控。同時(shí)，系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶定制短信的收發(fā)功能，當(dāng)系統(tǒng)判斷收到指定用戶需要的信息時(shí)，信息中心將該信息發(fā)送到該用戶的手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)務(wù)人員及系統(tǒng)維護(hù)人員實(shí)時(shí)的信息更新。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)

此外，系統(tǒng)使用公用GSM通訊網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需自行進(jìn)行組網(wǎng)，各終端與信息中心間使用GSM的短信息(SMS)服務(wù)進(jìn)行通訊。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中使用北良電子科技有限公司開(kāi)發(fā)的模塊開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板集成天線、串口、電源接頭和按鈕等配件，來(lái)實(shí)現(xiàn)GSM及GPRS組網(wǎng)功能。

2.1 外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人終端設(shè)計(jì)

在外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人終端，使用自行開(kāi)發(fā)的六軸運(yùn)動(dòng)控制卡,對(duì)外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)以曲柄滑塊的方式,分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)外骨骼機(jī)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)相關(guān)指令，運(yùn)動(dòng)控制卡將讀取的位置數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)。當(dāng)在康復(fù)機(jī)器人終端進(jìn)行操作后，上位機(jī)軟件模塊將該操作過(guò)程的具體信息進(jìn)行編碼，并通過(guò)RS232串口與GTM900-C模塊通訊，以短信的形式通過(guò)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)信息中心。每個(gè)外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人終端,都配有SIM卡來(lái)使用移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)。康復(fù)機(jī)器人端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 康復(fù)機(jī)器人端硬件結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)信息中心設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)信息中心端，系統(tǒng)的組成部分與機(jī)器人終端大致相似，只是不包含運(yùn)動(dòng)控制卡部分。GTM900-C模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口與信息中心的計(jì)算機(jī)相連。此外，開(kāi)發(fā)板裝有SIM卡以使用移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)GTM900-C模塊收到短信后，通過(guò)串口通訊，將短信內(nèi)容交給網(wǎng)絡(luò)信息中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行解碼，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，由信息管理系統(tǒng)的軟件模塊,判斷是否需要將解碼后的信息轉(zhuǎn)發(fā)到短信定制用戶的手機(jī)上。此外，通過(guò)系統(tǒng)還可以查詢與管理多個(gè)外骨骼康復(fù)機(jī)器人終端的康復(fù)信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人終端的軟件模塊

外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人的用戶界面軟件集成了GSM通訊模塊。在外骨骼機(jī)器人的操作過(guò)程中，軟件模塊通過(guò)指令與運(yùn)動(dòng)控制卡通訊，讀取運(yùn)動(dòng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在發(fā)送前對(duì)該次操作中的重要信息進(jìn)行提取，結(jié)合操作代碼生成包含該次操作信息的短信內(nèi)容，通過(guò)Visual Basic 6.0的MSComm串口控件進(jìn)行串口通訊，控制GSM模塊進(jìn)行發(fā)送。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中使用AT指令集對(duì)GSM模塊進(jìn)行通訊控制。其中，主要使用“AT+CMGF”與“AT+CMGS”指令。

“AT+CMGF”命令用于對(duì)所發(fā)送的短信格式進(jìn)行選擇，指令為“AT+CMGF=0”時(shí)使用PDU模式，指令為“AT+CMGF=1”時(shí)使用文本模式。其中，文本模式不需進(jìn)行PDU碼轉(zhuǎn)換，直觀便捷，但只能發(fā)送ASCII碼，不能發(fā)送中文的Unicode碼[6]，因此，系統(tǒng)使用PDU模式發(fā)送中文短信。在發(fā)送新用戶記錄信息時(shí)，由于短信內(nèi)容的組成部分為患者或醫(yī)生的中文信息，所以需要進(jìn)行PDU碼轉(zhuǎn)換，將中文信息的漢字轉(zhuǎn)換為Unicode模式，并生成PDU字符串。在發(fā)送其他操作記錄時(shí)，由于短信內(nèi)容的組成部分為字母代碼與關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此，選用短信格式為文本模式。

系統(tǒng)使用“AT+CMGS”指令進(jìn)行短信的發(fā)送。使用文本模式時(shí)，首先通過(guò)串口控件發(fā)送該指令與目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼到GSM模塊，然后發(fā)送由操作標(biāo)志位、操作中關(guān)鍵信息與數(shù)據(jù)組成的字符串。使用PDU模式時(shí)，首先將操作標(biāo)志位與操作中的關(guān)鍵信息組成待轉(zhuǎn)換的短信內(nèi)容字符串，然后將該字符串轉(zhuǎn)換為Unicode碼格式，并分別對(duì)短信中心號(hào)碼與目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行處理，將3個(gè)信息部分進(jìn)行處理后組成所要發(fā)送的PDU字符串。發(fā)送時(shí)，將發(fā)送指令與標(biāo)志該P(yáng)DU字符串長(zhǎng)度的數(shù)字，通過(guò)串口控件發(fā)送到GSM模塊，等待0.5 s后發(fā)送該P(yáng)DU字符串，即完成短信內(nèi)容的發(fā)送。此外，系統(tǒng)發(fā)送中文短信的單條短信字?jǐn)?shù)限制為70個(gè)字，當(dāng)軟件模塊判斷短信內(nèi)容過(guò)長(zhǎng)時(shí)，則將內(nèi)容分為2部分發(fā)送，并分別在2條短信的首尾加上標(biāo)志位，以便網(wǎng)絡(luò)信息中心進(jìn)行識(shí)別。短信發(fā)送流程如圖3所示。

圖3 PDU模式下的短信發(fā)送流程

3.2 信息管理系統(tǒng)軟件模塊

信息管理系統(tǒng)所收集與檢測(cè)的信息包括以下康復(fù)信息：患者的個(gè)人信息、患者的處方信息、患者的訓(xùn)練記錄、醫(yī)生基本信息、患者肌力測(cè)試的測(cè)試結(jié)果、康復(fù)機(jī)器人自檢結(jié)果以及在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的報(bào)警與報(bào)錯(cuò)信息。當(dāng)在外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人終端進(jìn)行相關(guān)操作后，終端發(fā)送短信到網(wǎng)絡(luò)信息管理中心的計(jì)算機(jī)上。

所有短信的首2位為標(biāo)志位，以數(shù)字對(duì)應(yīng)以上的各項(xiàng)康復(fù)信息內(nèi)容。其中，新記錄信息短信包括患者的個(gè)人信息新記錄與醫(yī)生基本信息新記錄。對(duì)于固定長(zhǎng)度的信息，直接以字符串的形式添加在短信內(nèi)容中，而對(duì)于不固定長(zhǎng)度的信息，則在該部分內(nèi)容前加上標(biāo)志該內(nèi)容長(zhǎng)度的2位數(shù)字。其他操作信息包括：處方信息、訓(xùn)練記錄、肌力測(cè)試結(jié)果、自檢結(jié)果、報(bào)警與報(bào)錯(cuò)信息。這些信息的組成內(nèi)容均為標(biāo)志位與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的信息字符串。

系統(tǒng)使用Visual Basic的Timer定時(shí)器控件與MSComm串口控件，不斷監(jiān)測(cè)串口通訊。當(dāng)判斷收到短信后，使用“AT+CMGR”指令讀取新短信。讀取短信后，信息管理系統(tǒng)軟件首先對(duì)短信進(jìn)行分析解碼。首先，根據(jù)短信前2位的標(biāo)志位數(shù)字判斷操作或記錄類型；然后，根據(jù)不同的操作或記錄類型調(diào)用不同的信息處理函數(shù)，對(duì)數(shù)字、字母或中文字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，分離出各項(xiàng)信息或數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容，并存儲(chǔ)到Microsoft Office Access的對(duì)應(yīng)表格中。

同時(shí)，信息管理系統(tǒng)軟件在收到短信后，根據(jù)短信標(biāo)志位數(shù)字判斷短信內(nèi)容類型，如果短信內(nèi)容為需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息，則調(diào)用短信轉(zhuǎn)發(fā)模塊，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找來(lái)源號(hào)碼所對(duì)應(yīng)的短信定制用戶號(hào)碼。在將短信內(nèi)容的信息分離出后，調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)短信處理函數(shù)，組成符合服務(wù)短信格式的短信內(nèi)容，通過(guò)串口通訊控制GSM模塊，將該消息服務(wù)短信發(fā)送到定制用戶的手機(jī)上。短信處理流程如圖4所示。

此外，使用Visual Basic 6.0結(jié)合Microsoft Office Access編寫(xiě)系統(tǒng)中的信息管理功能，完成系統(tǒng)菜單各項(xiàng)功能的開(kāi)發(fā)。

圖4 短信處理流程

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，集成了外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人終端、信息管理系統(tǒng)以及用戶定制的短信提醒服務(wù)。在完成硬件部分與軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)后，系統(tǒng)可以收集并檢查來(lái)自不同地點(diǎn)的外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人，在運(yùn)行與操作過(guò)程中的重要信息，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的狀態(tài)監(jiān)控與信息管理。此外，系統(tǒng)可以提供消息提醒服務(wù)，向定制該服務(wù)的手機(jī)用戶發(fā)送其權(quán)限范圍內(nèi)的系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的醫(yī)務(wù)人員以及系統(tǒng)維護(hù)人員的信息實(shí)時(shí)更新。系統(tǒng)可作為子系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上展開(kāi)后續(xù)的研究開(kāi)發(fā)，構(gòu)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧康復(fù)系統(tǒng)。

[1] 王恩海，趙玉金，殷雨臣，等.順應(yīng)醫(yī)學(xué)發(fā)展趨勢(shì)振興我國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)[J].中國(guó)醫(yī)院，2008,12(5)：24-25.

[2] 萬(wàn)大千，徐義明，白躍宏.下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究與進(jìn)展[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2011,15(52)：9855-9858.

[3] Brennan D M,Mawson S，Brownsell S.Telerehabilitation: enabling the remote delivery of healthcare,rehabilitation,and self management[J].Studies in Health Technology and Informatics，2009,145: 231-248.

[4] Li X,Lu R X,Liang X H,et al.Smart community: an internet of things application[J].IEEE Communications Magazine,2011，49(11):68-75.

[5] 黃摯雄，蔣愛(ài)蘇.利用GSM短消息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)排灌泵站集群監(jiān)控[J].機(jī)電一體化，2003,9(3)：62-64.

[6] 馬 慧，陳陽(yáng)平，謝 強(qiáng).基于GSM Modem終端的短信系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2008,37(11):10-14.

Design of Remote Information System for Lower Limb Rehabilitation Robots Based on GSM

WUFan,YINYuehong

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

根據(jù)下肢康復(fù)的需要，結(jié)合已有的外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)，使用GSM構(gòu)建了一個(gè)遠(yuǎn)程的下肢康復(fù)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用短信服務(wù)實(shí)現(xiàn)康復(fù)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并具有信息管理功能。同時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)責(zé)任醫(yī)務(wù)人員與系統(tǒng)維護(hù)人員的定制短消息提醒服務(wù)。此系統(tǒng)可以作為基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)的子系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)社區(qū)康復(fù)或家庭康復(fù)的需求。

外骨骼下肢康復(fù)機(jī)器人；遠(yuǎn)程系統(tǒng)；信息管理；GSM

A rehabilitation system is designed with existing exoskeleton rehabilitation robots for lower limbs based on GSM. SMS is used to realize the remote monitoring of rehabilitation information from the terminal robots,and an information management system is included. Meanwhile,the system contains short message reminding services for medical physicians and maintenance staff to inform them of notable information. This system can be used as a subsystem of a smart healthcare system which is based on IoT to realize community-based rehabilitation or home-based rehabilitation.

exoskeleton rehabilitation robot for lower limbs; remote system; information management; GSM

2013-12-23

TP24；TP27

A

1001-2257(2014)07-0078-03

吳帆(1989-)，女，江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭祻?fù)機(jī)器人系統(tǒng)與其在智慧城市中的應(yīng)用；殷躍紅(1968-),男，江蘇泰興人，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人及機(jī)電控制。