康復機器人肌電刺激控制系統的研究與設計

廖偉強 曾慶華

（1.中山職業技術學院機電工程學院，廣東 中山 528400；2.中山市廣盛機電設備有限公司，廣東 中山 528415）

0 引言

“十三五”規劃提出了市場主導、質量為先、強化基礎、創新驅動的發展原則，實現在醫療領域等重點領域的示范應用，并開展核心零部件攻關、前沿共性技術研發、醫療康復機器人應用等重點工作。隨著對電刺激療法的深入研究，肌電刺激的發展受到臨床醫學、康復醫學等領域的青睞，尤其是在康復機器人方面的應用，肌電刺激是高端康復機器人在給具有關節及神經障礙患者進行刺激和康復訓練的關鍵技術，肌電刺激過程中表面肌電信號的采集和特征提取具有重要的生理學意義[1-2]。

對于肌電刺激在康復機器人治療因刺激信號與反饋控制不當易導致肌肉疲勞，使患者的最大作功能力或者最大收縮能力的暫時下降，對人體實施長時間多次刺激后，人體就會對刺激產生適應性，從而導致治療效果減弱[3]。另外一方面因缺少刺激后處理，以致大多的肌電刺激不能滿足不同人群康復訓練的需求，訓練模式單一[4]。本文在研究康復機器人肌電刺激的過程中刺激信號的給出方式與信號反饋的處理，提高機器人的刺激后康復效果；探索利用生物反饋和模糊控制規則控制患者進行康復訓練的問題，促使患者必須主動參與康復治療,對患者自我意識的恢復進行有效引導并以此構建康復機器人多種訓練模式，增強機器人適應不同人群康復的能力。

1 控制系統總體設計

機器人肌電刺激控制系統依據信息流的思路進行設計。使用者根據患者的當前情況預設一定的刺激和訓練信息，這部分信息全部被控制中心捕獲；然后調制刺激信號所需的波形信號并進行功率放大，主控根據需要向總線發出通道信號，通過適當的電極進行刺激輸出。刺激過程中系統實時監測刺激后反饋情況，通過總線向主控輸送反饋信息。主控分析給出刺激與反饋信號后應做出兩個反應。一方面根據設置信息和反饋信息驅動康復機器人給出適當的訓練信號，另一方面確定是否需要對刺激波形進行調節并輸出新的刺激波形。

圖1 系統總體框圖Fig.1 System block diagram

系統的總體框圖如圖1所示，系統功能模塊主要包括：主控單元，負責總體的信息處理與控制；信息模塊，負責信息的輸入與顯示；刺激波形發生模塊，產生刺激基本波形；功率調節模塊，對刺激功率進行調節；刺激輸出與反饋模塊；總線模塊，刺激下達和反饋上傳及及級間通訊；康復機器人關節運動訓練控制與監測模塊，負責訓練信號給出與監測反饋。

2 主控單元設計

主控單元負責總體的信息處理與控制，接收用戶的控制指令和控制對象的放開信息，將信息進行分析并給出對應的控制信號驅動刺激電機和機器人的康復訓練。采用意法半導體生產以Cortex-M3[5]為內核的高性能stm系列32位增強型微處理器。該主控芯片內部集成度高，低功耗，低成本，高效率并且提供高質量的固件庫，方便用戶開發。芯片時鐘頻率超過 150MHz，具有大容量的Flash和SRAM，內含以太網控制器、CAN總線接口、數模轉換接口、多個UART和GPIO；并使用FSMC進行數據的傳輸[6-8]，對于存在大量浮點數的運算非常適合。為確保系統的長時間可靠性運行，系統設計過程中采用外部自設看門狗和內部看門狗進行多重保護。

3 信息控制模塊設計

信息控制模塊負責信息的輸入與顯示。信息的輸入包括刺激模式、刺激量、訓練模式等相關信息的輸入，考慮到信息的輸入有可能是患者或者患者的照料者，信息固定式和移動式兩種方式。患者在治療過程中康復機器人需要實時顯示患者及系統的監控信息。因此在固定端采用交互式的觸摸屏進行控制信息的輸入和監測信息的顯示[9]。

使用康復機器人的患者往往是存在肢體障礙，系統運行過程中的反饋信息最好用語音的形式進行播報，以便患者可以隨時或者一些重要信息。同時通過無線通訊的方式設計一手持式遙控器，方便存在肢體障礙的患者可以方便地參考機器人。

圖2 SPWM調制機理示意圖Fig.2 SPWM modulation mechanism

4 波形發生和功率調節模塊

這部分主要實現刺激基本波形的產生和功率放大。在刺激波形發生部分主要采用DSP芯片利用SPWM調制機理產生所需波形[10]。如圖2所示，根據采樣控制理論中沖量等效的原理，把圖中的正弦波多份等分，曲線中每一等份與時間軸所圍成的面積用重合中心點且幅值相同的矩形脈沖來代替，從而得到SPWM波形。

圖3 功率放大電路Fig.3 Power amplifier circuit

5 刺激輸出與反饋提取模塊

刺激輸出部分是刺激強度可調節的多路輸出，這樣患者在刺激治療過程中可以根據自身情況使用所需數量的刺激及調節刺激強度，并進行刺激強度與康復效果的對比分析。設計中用差分雙向電流的方法實現寬量程雙向電流的檢測[12]。

刺激后反饋信號使用Delta-sigma技術的均方根值(RMS)檢測方法對特征進行提取，無需對動態波形進行較高頻率的實時采集。將反饋信號轉換成電壓信號，并以此測量刺激者主動誘發的表面信號，其中輸出與輸入復合如下關系。

6 總線控制模塊

為了方便實現控制信號傳達和信號的提取，設計中采用了can總線結構的設計方案。主控單元通過總線可以隨時控制任意刺激模塊輸出刺激信號，同時反饋信號也可以通過總線把各個刺激點的反饋信號以數字的形式反饋給主控單元。除此以外，系統的各種信息還可以通過總線向上位機或者康復機器人的其他功能模塊，甚至與機器人連接的遠程機進行信息的交互。

7 關節運動訓練控制與監測模塊

這部分主要根據給出刺激和提取的反饋信號，驅動康復機器人的關節控制患者進行運動訓練并監測運動和肌肉的康復情況。在輸出控制前主控單元必須首先對輸出刺激和反饋信號進行對比分析，并給出適合于患者的康復訓練模式。訓練控制模塊根據康復機器人運動關節的情況驅動相應的關節電機進行一定速度的驅動控制。監測部分要負責運動關機運動速度和運動角度的實時測量，確保關節運動的準確性和安全性。

在此基礎上利用生物反饋和模糊控制規則控制患者進行康復訓練，引導患者主動參與康復治療,對患者自我意識的恢復進行有效引導并以此構建康復機器人多種訓練模式，增強機器人適應不同人群康復的能力。

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