下肢智能康復機器人控制系統設計與實現

顧綺芳 （無錫城市職業技術學院電子信息工程系，江蘇 無錫214153）

傳統的下肢康復訓練機器人控制系統存在著訓練功能單一、保護患者的安全措施不夠完善、不能保存患者信息并與上位醫療管理系統進行共享、訓練過程枯燥乏味等缺點。為此，筆者對下肢智能康復機器人控制系統（簡稱系統）進行了設計與開發，設計一套融合現代先進技術且成本相對低廉的智能康復訓練機器人并加以推廣，讓更多的患者能夠通過康復訓練機器人的幫助改善康復過程，重建運動機能，具有重要的現實意義。

1 系統總體架構

系統設計要求主要包括如下幾方面：通過上位ARM控制器與下位驅動器通信，實現對直流電機的控制；選用的驅動器可以實現對直流電機的恒電流、恒速度和位置控制；系統工作模式包括主動訓練模式（由訓練踏車以可調節的恒速度帶動患者運動）、被動訓練模式（患者做踏車運動，電機為患者提供恒定阻力矩）和力量測試模式（踏車在患者可選的位置鎖定，測定患者蹬力）。根據設計要求，確定系統主要組成部件如下：基于ARM9內核的上位觸控平臺；24V－200W直流伺服電機（帶有光電編碼器）；直流電機驅動器（可以實現對電機的恒流、恒速和位置控制）；轉軸扭矩傳感器（輸入24V，輸出0～5V），量程為30Nm；電壓放大器（輸入24V，輸出0～5V）；RS232串口通信模塊；89S52下位單片機最小系統（負責采集轉軸扭矩信號）；電壓轉換模塊（輸入7～40V，穩定輸出12V和5V電壓）。系統總體架構圖如圖1所示。用戶通過觸摸屏來向基于ARM內核的處理機（簡稱ARM處理機）來發送控制命令，ARM處理機將控制信息轉化為驅動器能夠識別的指令，通過RS232串行接口發送給驅動器。驅動器接收到指令后，根據指令控制直流伺服電動機運轉，使直流伺服電動機實現恒流或者恒速運轉。在驅動器對直流電動機控制的過程中，直流電機尾部的光電編碼器不斷采集直流電機的轉軸位置，并反饋給驅動器，驅動器借以得到直流電機的轉軸位置和轉軸速度，同時對供電電流或者電壓進行相關調節來實現控制要求［1－2］。直流電機在運轉過程中，AD轉換接口不斷通過轉軸扭矩傳感器采集轉軸上的力矩值，在必要時反饋給ARM處理機并顯示在觸摸屏上。

圖1 系統總體架構圖

2 系統硬件設計

系統硬件連接圖如圖2所示。220V轉24V的穩壓電源輸出3路24V電源，分別為低壓電源轉換模塊、電壓放大模塊、直流伺服電機驅動器供電。低壓電源轉換模塊將24V電壓轉換為5V和12V的穩定電壓，偏差不超過±3%，5V電源為89S52單片機最小系統供電，12V電源為ARM觸摸屏控制平臺供電。ARM觸摸屏控制平臺通過2個RS232串行通信模塊分別直流伺服電機驅動器和89S52單片機最小系統通信。89S52單片機最小系統通過電源線、控制總線、數據總線與ADC0809模數轉換模塊連接。由于轉軸扭矩傳感器的輸出電壓范圍為0～5V，ADC0809模數轉換模塊無法直接采集，需要由電壓放大模塊將轉軸扭矩傳感器的輸出電壓放大后再提供給ADC0809模數轉換模塊采集。轉軸扭矩傳感器通過聯軸器連接在直流伺服電機輸出軸和傳動軸之間。直流伺服電機驅動器通過電源線與直流伺服電機相連，同時為直流伺服電機尾部的光電編碼器提供＋5V電源。光電編碼器通過A、B兩路通道將直流伺服電機轉軸的位置信息反饋給直流伺服電機驅動器。

圖2 系統硬件連接圖

3 人機操作界面設計

人機操作界面（簡稱界面）設計的基本要求如下：與用戶交流界面友好，易于看懂和操作；界面盡量美觀，達到商品化的要求；實現ARM控制平臺的WINCE啟動后控制軟件自動運行。

3.1 操作系統的選擇

該硬件平臺采用基于ARM內核的處理器，目前適用于該類處理器的主流操作系統有Windows CE系統和Linux系統，由于Windows系統的開發環境比較自由，因而選擇Windows CE系統來作為該控制平臺的操作系統［3］。

3.2 界面美化處理

界面設計運用的軟件為Visual Studio 2005，使用的語言為VC＋＋。界面使用桌面圖標的樣式，具有二級頁面，包括桌面和功能界面，必要時加入附屬功能界面。利用外加的“CeButtonST按鈕”類進行界面美化處理，即通過“CeButtonST按鈕”類所包含的多個函數，根據需要修改圖標，為按鈕添加各種豐富的樣式，實現類似桌面圖標風格的效果［4－5］

3.3 操作流程

1）用戶注冊和登錄 如果患者第一次使用該系統，那么需要進行注冊，單擊進入注冊界面（見圖3）。首先輸入賬號、密碼和確認密碼，若信息填寫無誤，則出現注冊成功的界面。患者注冊成功后即返回登錄界面，將注冊時的信息填寫進去，錯誤時會有信息提示，信息填寫無誤時則出現成功信息。最后返回主界面，在桌面正下方會出現患者登錄的賬號信息。

圖3 注冊界面

圖4 主動訓練模式界面

2）訓練模式選擇 成功登錄后，患者可以單擊主動訓練模式圖標，此時會出現相應界面（見圖4）。主動訓練模式適用于具有部分運動機能的患者，因而可以選擇訓練時間，也可以自定義時間，單擊之后即返回訓練界面。此外，可以拖動界面的滑塊來調節訓練的強度值，也可以通過單擊滑塊下方的4個按鈕來實現強度的微調。選擇好上述內容后即可進行主動式訓練。在訓練過程中，也可以重新調節強度，只要設置后單擊“應用”按鈕即可有效。訓練結束后，系統會自動停止，并提示訓練時間結束。如果訓練中想暫停，可以單擊“暫停”鍵。如果想提前結束可以單擊“結束訓練”按鈕鍵。被動訓練模式適用于喪失肢體運動機能的患者，其界面和使用方法與主動訓練模式類似，其主要區別是系統中的直流伺服電機會以患者選擇的速度帶動下肢進行踏車運動，從而幫助患者恢復運動機能。

3）娛樂功能的使用 如果患者在訓練過程忠感覺枯燥的話，也可以選擇訓練界面的“娛樂”鍵，再單擊“打開”按鈕進行音樂選擇。在播放音樂時，可以選擇“后臺運行”鍵，返回到訓練界面。當患者結束訓練時，音樂會隨機自動關閉。

4）力量測試模式的運用 在桌面上單擊“力量測量”圖標，即會出現相應界面（見圖5）。測力模式適用于下肢具有一定運動機能的患者，其可以通過運用測力模式測試下肢蹬力。在該模式下，患者單擊“手動軸位”按鈕，手動調節測力時轉軸的位置（此時一定要先按下“松開”鍵，使轉軸處于自由狀態），調節好后按下“抱緊”鍵即可開始測試。此外，可以選擇“自動軸位”，通過“上轉”、“下轉”按鈕來調節轉軸的位置，然后點擊“開始測試”鍵進行下肢力量測試。測試結束后，可以單擊“結束測試”鍵并保存測試結果。

5）查看訓練歷史界面 在登錄情況下，在桌面上單擊“訓練歷史”圖標，即可出現訓練歷史查看主界面，單擊圖標后會出現相應模式的訓練歷史紀錄，包含患者的訓練時間、強度和時長。在主動訓練模式和被動訓練模式下，系統會自動為患者存儲訓練歷史。在力量測試模式下，單擊“保存結果”按鍵后會保存測試結果。

6）注銷界面 如果患者訓練后想關閉賬號信息，可以單擊桌面的“注銷”按鈕，這樣便于其他患者使用該系統。

圖5 力量測試模式界面

4 結語

根據下肢康復機器人控制系統的設計要求，具體闡述了該系統硬件和人機操作界面的設計和搭建，并詳細介紹了人機操作界面的操作流程（包括用戶注冊和登錄、訓練模式選擇、娛樂功能的使用、力量測試模式的運用、查看訓練歷史及界面注銷）。下肢康復機器人控制系統可以滿足不同康復階段患者的需求，從而提高下肢運動缺陷患者的康復訓練水平。

［1］ 謝欲曉，白偉，張羽 .下肢康復訓練機器人的研究現狀與趨勢 ［J］.中國醫療器械信息，2010，16（2）：5－8，56.

［2］ 張付祥，付宜利，王樹國 .康復機器人研究進展 ［J］.河北工業科技，2005，22（2）：100－105.

［3］ 杜志江，孫傳杰，陳艷寧 .康復機器人研究現狀 ［J］.中國康復醫學雜志，2003，18（5）：293－294.

［4］ 王廣志，任宇鵬，季林紅，等 .機器人輔助運動神經康復的研究現狀 ［J］.機器人技術與應用，2004，16（4）：9－14.

［5］ 丁敏，李建民，吳慶文，等 .下肢步態康復機器人：研究進展及臨床應用 ［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（5）：6604－6607.