多模式肌力康復訓練裝置控制系統的設計與實現*

張琳芳，李玉榕

(1.三明醫學科技職業學院，福建 三明 365000；2.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350000)

醫學理論研究和臨床實踐證明，正確合理的肌力訓練能夠有效增強肌肉的力量和耐力，預防各類骨關節攣縮，保持患肢關節活動度，改善肢體運動功能，是康復訓練的重中之重[1]。目前我國使用的肌力訓練設備大都依賴進口，設備價格昂貴，僅少數醫院配置，患者康復訓練費用高且不方便[2]。因此，研制價格實惠、家庭適用的肌力訓練裝置具有一定的社會價值和市場前景。

基于此，本文針對肌力康復治療的要求，探討了肌力康復訓練的多種方法[3]，構建了多模式肌力康復訓練裝置的控制方案，以達到肌力訓練的效果。

1 肌力訓練的四種訓練模式

本文設計的肌力康復訓練裝置可以實現等長、等張、被動與等速四種肌力訓練模式。

1)等長訓練模式。等長訓練模式下，設備控制肢體關節始終固定在一定角度，不產生關節活動，保持肌纖維長度不變，但訓練者可以根據自己意愿選擇合適的力量訓練，調整肌肉收縮力度大小。等長訓練模式需要具備的基本功能包括：可調整指定位置(粗調、微調)，可設置轉動速度，可顯示并記錄訓練者的訓練位置、實時轉矩和最大轉矩等控制功能。

2)等張訓練模式。等張訓練模式下，設備輸出阻力矩恒定，但訓練時肌肉收縮，改變肌纖維長度，產生明顯的關節活動，運動狀態取決于訓練者與設備輸出力矩的相互關系。等張訓練模式需要具備的基本功能包括：可自行設定轉矩大小，顯示實時轉矩、實時速度、實時位置，可設定運動起始范圍、方向選擇、最大限速度、啟停控制等控制功能。

3)被動訓練模式。被動訓練模式用于控制肢體在設備的帶動下，按照指定的角度范圍內以設定的恒定速度往復運動，運動過程中訓練者肌肉張力的大小變化不會改變運動速度。被動訓練模式需要具備的基本功能包括：可設定和顯示運動速度、運動范圍、加減速時間、訓練組數、時間間隔、實時轉矩、最大轉矩等，具備啟停、清零等控制功能。

4)等速訓練模式。等速訓練模式用于控制鍛煉肌肉等速收縮。等速訓練模式下，輸出阻力矩始終與訓練者肌肉收縮產生的關節力矩相等，以保持肢體按照設定的恒定速度運動[4]。等速訓練模式需要具備的基本功能包括：可設定和顯示轉動速度、實時位置、實時速度、實時轉矩、運動起始位置、增益、轉矩閾值等，具備正反向模式、啟停控制等控制功能。

根據四種訓練模式，設備的主要性能要求如下：(1)設備具備等長、等張、被動、等速四種訓練模式，須配置多種輔助連接附件，帶有機械電氣雙重保護；(2)人機交互功能，訓練者可自動設定訓練模式、訓練參數等信息，可顯示、記錄肌力訓練實時情況；(3)兼容性和集成性功能，測試系統可與各功能配件集成，從而適用于人體多部位的力量訓練和肌力測評。

2 硬件設計

本文設計的肌力康復訓練裝置基本結構如圖1所示。系統主要包括計算機、控制器、伺服電機、伺服驅動器、扭矩傳感器、角度傳感器、渦輪傳動組、電動升降導柱組、橫向導軌調節組、縱向導軌調節組和座椅等，系統總體框架見圖2。其中伺服電機、驅動器、傳感器、控制器等安裝在設備前端的動力執行部位上。

圖1 多模式肌力訓練裝置基本結構

圖2 系統總體框架

2.1 控制器的選用

本設計選用STM32F103ZET6 單片機作為控制器，單片機的SPI接口完成角度傳感器的信息采集，用CAN接口完成扭矩傳感器的信息采集，用串口2完成伺服驅動器的連接，用串口1完成上位機的連接。

2.2 角度傳感器的選用

角度傳感器選用AS5048A，安裝正對主傳動軸軸心，距離正后方2 mm處，磁鋼安裝在主傳動軸上。當主傳動軸轉動時，通過磁電阻效應，將磁場信號的變化信號轉化為電阻阻值變化量，進而轉化成電壓的變化量(需外加電勢)[5]。經過信號處理電路，模擬電壓信號轉化成角度對應數字信號輸入STM32的SPI接口，通過信號換算公式換算成角度，從而實現角度測量功能，其換算如下Angle=XA/(214-1)×360，其中，XA是角度傳感器輸出的14位數字信號。

2.3 扭矩傳感器的選用

扭矩傳感器選用T908D，一端與主傳動軸固定連接，另一端的底座固定在渦輪上。該扭矩傳感器采用應變片電測技術，在彈性軸上組成應變橋。在主傳動軸與扭矩傳感器產生相對運動的情況下，彈性軸產生形變引起應變電橋阻值的變化量，轉變成電信號的變化量后再放大，再通過CAN通信將輸出數字信號傳給輸入STM32的CAN接口，通過信號換算公式計算出力矩，其表示如下T=A×256+B，其中，A、B分別是扭矩傳感器輸出的高字節、低字節數據。

2.4 伺服控制系統的選用

本文設計的肌力訓練設備裝置主要利用伺服電機通過同步帶輪和渦輪蝸桿動力傳遞到主傳動軸，帶動輸出軸上的訓練支架運動，從而達到關節訓練的效果。由STM32控制器、伺服驅動器臺達ASDA-B2和伺服電機組成伺服系統。控制器STM32發送控制信號，控制伺服驅動器驅動伺服電機轉動。伺服電機通過編碼器反饋位置信號，經過伺服驅動器將運行狀態傳送給控制器STM32。

該伺服驅動器有三種運動模式，分別為速度控制模式、位置控制模式、扭矩控制模式和一種混合控制模式[6]。根據本設計的性能要求，選用速度控制模式實現等長、等張、等速訓練模式，選用位置控制模式實現被動訓練模式。伺服驅動器的運動模式設置參數如表1所示。

表1 伺服驅動器的運動模式參數

通過Modbus 協議的通信，可設置伺服驅動器ASDA-B2內部寄存器參數。Modbus 協議有兩種工作模式，ASCII模式和 RTU模式。本文選擇了ASCII模式，定義了27位的字符數組。控制器STM32即按照以下數據格式將數據寫入字符數組控制伺服驅動器，進而控制電機執行指令。ASCII模式的數據格式定義如下：(1)起始碼，第1字節，采用冒號(3AH)表示；(2)通信地址，第2～3字節，2個ASCII碼代表一個字節數據；(3)命令碼，第4～5字節，2個ASCII碼代表一個字節數據；(4)數據內容，第6～23字節，4n個ASCII碼代表2n個字節數據，含數據起始地址、數目、字節數和內容；(5)校驗碼，第23～24字節，LRC校驗結果，2個ASCII碼代表一個字節數據；(6)結束碼，第26～27字節，采用結束符(回車、換行)表示。

3 軟件設計

3.1 多模式選擇控制程序

本設計的主控制器采用 STM32單片機，利用 Keil 5編寫系統程序，主程序流程如圖3所示。系統通電，程序首先調用初始化子函數對系統的引腳、串口、SPI等協議配置初始化[7]。通過對上位機、傳感器等數據解析處理，確定模式標志位Mode_Flag表達式的值，再利用switch語句進行訓練模式分支結構的選擇。根據Mode_Flag表達式的值，選擇等長、等張、等速或被動訓練模式。以等張訓練模式為例，程序將驅動器設置為轉速工作模式，系統讀取扭矩傳感器和角度傳感器值，將檢測值與設定阻力矩進行比較。若檢測值大于設定值，則根據兩者差值給定對應轉速值，啟動電機訓練。訓練過程到達限定位置時，電機轉速設定為0，根據是否接收停止指令來判斷是否進行下一輪訓練。

圖3 程序流程

3.2 上位機界面設計

上位機界面設計如圖4所示，上位機軟件采用JAVA的Swing組件來設計整體界面。在主控界面上，可以選擇等長、等張、等速、被動四種康復訓練模式，并根據訓練者康復需求設定訓練的速度、力矩、次數等參數，具有良好的人機交互性和訓練效果。

圖4 上位機界面

4 結語

本文利用STM32控制伺服驅動器、伺服電機，配合實時監測的力矩和角度傳感器，實現等速、等張、等長、被動四種訓練模式，通過配合不同支架，可實現多關節的肌力訓練，滿足康復訓練的應用要求。下一步主要對上位機軟件的開發優化、康復評估等進行研究與改善。