基于Arduino的下肢康復訓練系統

張皓洋

摘要：本研究開發了一種基于模擬直立行走的下肢康復訓練控制系統，該系統包括下肢康復訓練機構設計、電機控制電路及控制軟件等。下肢康復訓練系統采用3個步進電機為訓練設備的下肢運動機構提供動力，選用hrduino板為控制核心，使用WPF設計上位機用戶端，實現了下肢的同步訓練和交替訓練。本實驗結果表明，該控制系統具有良好的穩定性，滿足了下肢康復訓練的需求。

關鍵詞：下肢康復;控制系統;Arduino;WPF

中圖分類號：TP273 文獻標識碼A 文章編號1674-6708（2019）239-0142-03

隨著現在社會的不斷發展進步和人們生活水平的提高，人口老齡化的問題日趨嚴峻，由腦卒死等導致的神經損傷引發下肢功能出現障礙，或由于車禍、工傷等下肢意外受傷的患者，其下肢康復是個漫長的過程。而傳統的康復治療手段大多采用醫生手工輔助完成，大大增加了康復過程的成本且效率低下，也會影響患者的身心健康。目前市面上的下肢康復訓練裝置功能不全，大多只能模擬下肢的兩個自由度運動。

本次設計的下肢康復裝置具有3個方向的自由度，更貼近于人體正常行走時的狀態。該系統克服了現有下肢康復訓練設備的缺點，既可以實現雙腿的張合訓練，也實現了雙腿各自張合和旋轉運動的獨立性。

1功能及性能指標

本文研發的下肢康復訓練系統主要功能如下：在訓練時，患者將腳部放置在腳踏板上，本系統設置三個步進電機，兩個對稱放置的電機分別控制雙腿的旋轉，另外一個電機用于控制雙腿的分合，實現三個自由度的運動訓練。根據使用者的訓練要求，可在上位機界面上操縱裝置的運動，滿足了不同患者的運動習慣，同時也設置了不同的康復訓練游戲模式，提高了患者的恢復速度。具體實現功能如下：

1）運動訓練由三個電機提供動力，彼此之問實現獨立驅動。訓練模式包括上下前后擬合成的旋轉運動和左右直線的運動。

2）每種訓練模式都有對應的時間選項，基本選項有6、12、18分鐘訓練，同時用戶可自主設置時問模式。

3）可針對病患不同的身體情況，設置電機的轉速，基本選項有30、40、50轉每分鐘，同時具有自由切換正反轉功能。

4）上述訓練參數等設置均在上位機界面實現，上位機將命令通過串口發送給下位機來實現裝置的功能。

2運動控制系統總體設計

整個下肢康復訓練系統包括硬件和軟件兩大部分，整體框圖如圖1所示。硬件部分由機構設計、驅動電機、電路控制芯片等硬件組成。軟件部分包括上下位機通訊的實現、電機的同步和獨立運動的實現、腿部的張合與旋轉運動的實現等。

軟件開發是在Windows7系統環境下，在Visual studio軟件中采用基于c#的WPF開發工具。上位機軟件通過串口通信協議向下位機控制系統發送控制指令，對下位機控制系統及相應功能進行初始化。由下位機（Arduino）將接受到的上位機用戶界面的指令轉化為脈沖等信號輸入運動驅動器，從而使電機實現相應的功能動作，先實現一個電機的功能，進而實現所有電機的功能，達到相互協同工作，互不干涉，獲得多個電機的驅動下康復訓練的運動控制。

3結構設計

設備機構設計主要包括腳踏板運動機構、鉸鏈四桿移動機構和齒輪齒條傳動機構三部分組成。其中電機、齒輪齒條傳動機構和鉸鏈四桿移動機構控制設備的水平直線運動，實現患者雙腿的張合運動，以達到更好的康復效果。腳踏板運動機構由腳踏板和平行四桿機構組成，左右兩側結構相同且位置成對稱，分別控制雙腿的旋轉運動，來模擬人體直立行走時腿部的運動，而且兩側可同步和獨立工作，滿足了患者恢復過程中的不同要求，具體結構如圖2所示。

4電路設計

上下位機之間的通信使用串口通信協議，利用封裝好的應用程序編程接口，由Arduino將接收到的上位機指令轉化為脈沖等信號輸入運動驅動器，從而實現各步進電機相應的復位、停止等操作，進而實現康復訓練中的同步、交替等復雜運動，串口通信模塊如圖3所示。

當訓練系統工作中遇到緊急情況時需要急停，本研究設置了急停開關。急停開關位于電路箱的外側，交流接觸器使用施耐德的LClE2510M5N（額定電壓250V，50HZ）;濾波器選用泰科20EKl電源濾波器（額定電壓250V，額定電流20A）;斷路器使用施耐德IC65N（絕緣電壓500V，電流25A）;經過計算，熔斷器選用32A保險絲，急停開關電路圖如圖4所示。

5軟件設計

下肢康復訓練系統的軟件部分為對壓力傳感器FSR402的壓力變化和Arduino時鐘模塊進行相應控制。通過PCF8591數模轉換芯片處理壓力傳感器采集到的壓力值，該壓力值再傳輸到由Arduino組成的控制器并通過一定的計算程序處理后，對電機進行相應的運轉速度和時間控制。通過程序設置不同的下肢運動模式，患者根據自己的身體狀況選擇不同的訓練模型。智能康復訓練器控制系統軟件部分的整個過程如圖5所示。

6可靠性測試分析

本課題的測試系統由兩部分組成，第一部分是下肢康復訓練的機械部分，另一部分是控制系統的測試，其中主要包括上位機操作界面、電機和電機驅動模塊、電源模塊、壓力傳感器。通過選擇按鈕選擇不同的康復訓練模式和設置不同的時問模式，并完成康復訓練師的整體表現測試。通過對系統的整體測試得到如下信息，下肢康復訓練裝置具有90kg的承載能力，占地面積小于0.5m²。測試發現，當康復訓練系統工作時，沒有產生較大的噪音和明顯的振動。整個系統測試分析驗證了本文提出的設計可以模擬人體步態軌跡和腳部姿勢，從而幫助患者下肢肌肉的運動，有助于恢復患者神經系統控制步行功能和患者正常行走功能的能力。與設計的技術指標進行比較，可以看出本系統可達到原設定的技術指標。

7結論

本文首先介紹了下肢康復訓練機器人的目前研究現狀和性能指標，然后給出了運動控制系統的整體設計，接著提出了下肢康復系統的機械結構和電路原理，最后通過軟件編程設計出其控制算法并進行可靠性分析。該康復訓練系統結構設計巧妙，能夠很好的實現下肢康復訓練，具有成本低、易于控制的特點。

通過對本系統的可靠性驗證實驗分析，得出以下總結：

1）步態康復訓練機構模型的設計基于人體步態康復原理。通過模擬正常人體步態的軌跡和腳步的姿勢，實現下肢運動障礙患者的髖關節、膝關節以及踝關節的訓練康復。

2）通過wPF設計上位機用戶端進行不同訓練模式選擇，結合Arduino下位機采集壓力傳感器數據，來控制電機帶動機械結構運動，以達到下肢康復訓練的目的。

3）通過實驗，確定相關的電路模塊和機械結構，通過電路與機械結構的融合設計，達到下肢康復訓練裝置的設計要求。本文實現的康復訓練系統具有結構緊湊、占地面積小、性價比高以及操作方便等特點。