輪椅式下肢訓練系統測試平臺控制系統設計

杜妍辰，林俊文，周 琦

（1.上海理工大學康復工程與技術研究所；2.上海康復器械工程技術研究中心；3.民政部神經功能信息與康復工程重點實驗室，上海 200093）

0 引言

日益嚴重的人口老齡化以及因疾病致使肢體殘障，我國下肢功能障礙患者逐年遞增［1］。對患者來說，既有輪椅等輔助移動設備需求，也有幫助下肢訓練康復設備的需求，而需求設備間的移動和穿戴給患者帶來許多阻礙。因此，集康復訓練功能和移動功能于一體的輪椅系統越來越多。

我國針對輪椅車出臺了GB/ T 18029 系列國家標準，對輪椅車產品進入市場前進行測試，相對應的國際標準為ISO 7176 系列。針對輪椅靜態強度性能，俞顯佳等［2］提出一種輪椅靜態強度測試系統，可對扶手、腳踏、手把同時測試，并用數控比例閥和高精度力傳感器與放大器配合實現高精度力值抓取，但施加載荷未考慮人體乘坐時的生理工況；針對輪椅動態強度性能，王志明等［3］提出一種輪椅車動態測試系統，可對前后輪間距為350～1 500mm 輪椅車進行顛簸測試和0～40°爬坡測試，并可切換電動或手推式測試模式，但其測試未考慮輪椅的負載情況；針對輪椅腳輪疲勞度性能，美國匹茲堡大學Jonathan 等［4］研究了新型路況模擬腳輪測試系統，通過與頂置電機配合旋轉的盤面模擬測試接觸平面，通過在盤面上裝載如砂礫、泥水、黏土等，模擬不同道路表面材質情況，但其測試未考慮乘員操作對腳輪的磨損增值。

綜合分析現有針對輪椅的測試設備后發現，目前未有相關設備對帶下肢康復功能輪椅的康復性能進行測試評定，且對輪椅的測試設備大多未考慮乘員質量、生理特征和主動操作等影響。由于國內尚未出臺輪椅車中下肢康復訓練部分國家標準，本文參考GB 24436-2009、GB/T 28919-2012 及ISO 7176 系列，提出一種針對下肢康復訓練模塊的測試平臺，模擬人體質量、人體生理特征及主動運動等特點，完成對下肢訓練、平衡訓練和痙攣保護等功能的安全性測試。

1 總體設計

1.1 機械結構

該測試平臺由測試假人主體與外掛架兩部分組成，如圖1 所示。其中假人主體按照人體結構分為足部、小腿、大腿和軀干4 個部分，如圖2 所示。假人尺寸、質量及質心與人體生理特征相同，下肢訓練的平穩性由髖、膝關節處安裝的角度及扭矩傳感器采集數值進行分析測試。平衡訓練安全性由足底壓力傳感器、整機雙平行四邊形設計、軀干內絲桿電機與外掛架組成機械結構，通過被限制的平面內主動傾斜運動完成測試。痙攣保護安全性由膝關節中的摩擦盤和大腿中部的氣動夾鉗提供可調制動力組成的可調阻力模塊完成。

1.2 控制系統

控制系統主要由STM32F429IGT 核心控制模塊、通訊模塊、步進電機驅動模塊、傳感器信號多通道變送模塊、抱閘控制模塊、電源模塊等組成，如圖3 所示。整個系統主要對核心動力源步進電機進行控制，實現機構對人體傾斜時髖部運動模擬。另外，在左右髖部和膝部都安裝了角度傳感器和扭矩傳感器，在腳底安裝了壓力傳感器，能夠在整個機械運動時檢測髖部、膝部、腳部的相關參數，并通過MUC 將初步的數據處理上傳至PC 端，進行數據儲存和進一步分析。

Fig.1 Test platform components圖1 測試平臺組成部分

Fig.2 Design of each part of dummy body圖2 假人主體各部設計

2 控制系統模塊化設計

2.1 電源模塊

控制系統電路電源由外部開關電源模塊提供24V 直流電源，為滿足系統中各個模塊對于不同電壓的需求，采用逐級降壓方案，如圖4 所示。先采用LM2596 芯片將24V直流電壓轉化為12V，然后通過LM7805 芯片將12V 轉為5V 電壓，5V 直流電主要供傳感器使用。核心MUC 的供電為3.3V，由LM1117MPX-3.3芯片將5V 轉化為3.3V。

2.2 通訊模塊

通訊模塊支持WiFi通訊和USB 通訊兩種模式。

本系統WiFi通訊使得該裝置具有遠程無線控制功能，并且可以通過WiFi 將傳感器的實時數據傳輸至自建的數據庫，方便對數據進行后期分析管理。

PC 端上位機通過USB 通訊對本裝置進行運動控制及程序調試。USB 總線作為一種高速串行總線，其極高的傳輸速度可以滿足高速數據傳輸的應用環境要求，支持即插即用和熱插拔，具有兼容性好的特點。

2.3 傳感器信號多通道變送模塊

本模塊將傳感器的信號轉換為MUC 可識別的電壓信號，主要由一階RC 濾波電路、INA128 儀表放大器電路和二階SK 型低通濾波器電路組成，如圖5所示。

Fig.3 General design of control system圖3 控制系統總體設計

Fig.4 Power module circuit圖4 電源模塊電路

Fig.5 Circuit of transducer signal transmission module圖5 傳感器信號變送模塊電路

一階RC 濾波電路的作用是對傳感器的輸入信號進行簡單的濾波處理，減少高頻噪聲。RC 濾波器電路的截止頻率公式如下：

當R 為10KΩ，C 為100nF 時，截止頻率f 為159H，意味著低通濾波器只會對高于141Hz的信號起到抑制作用。

NA128 是低功耗通用儀器放大器，可提供很高的精度，多功能的三運放設計和小尺寸使其應用廣泛。電流反饋輸入電路即使在高增益（G=100 時為200kHz）下也能提供寬帶寬。該放大電路的輸出電壓VO和輸入電壓VIN-、VIN+的關系如式（2）所示：

在INA128 的后級加上一個二階SK 型低通濾波器電路，對輸出信號進行濾波以提高信號的穩定性。濾波器電路的截止頻率公式如下：

多通道變送模塊對應每一個傳感器都有一個相同信號的變送電路，而且每路信號放大的倍數可調，可根據不同傳感器進行調節。

2.4 抱閘控制模塊設計

抱閘控制模塊負責控制氣動剎車電磁閥的啟停功能，并由電磁閥門的開合控制氣動剎車進行制動工作，實現痙攣狀態模擬。抱閘控制模塊由信號輸入、光耦芯片、MOS管開關和抱閘開關組成。如圖6 所示，BREAK LEFT CRL及BREAK RIGHT CRL 是由STM32 單片機發出的控制信號，傳遞至TLP521 光耦隔離器芯片定的電氣阻隔功能，可實現精準的開垂直導電結構帶來的耐壓和耐電流能力，光耦芯片即可控制MOS 管Q1 和Q2 通斷，以實現抱閘開關BREAK LEFT 和BREAK RIGHT 的開合，實現3.3V 開關控制24V 電路開關的功能。

2.5 步進電機驅動模塊

本裝置使用一個兩相四線步進電機，需要對電機調速、正反轉以及位置控制。直接用高低電平方式驅動兩相四線電機有四拍、八拍方式，對應細分為滿步、半步。本文選擇滿步細分、四拍方式驅動，具體驅動時序如表1

Fig.6 Circuit of switch control module圖6 抱閘控制模塊電路

Table 1 Driver chronology表1 驅動時序

DRV8874是一款集成電機驅動器，具有N 通道H 橋、電荷泵、電流傳感和比例輸出、電流調節和保護電路。電荷泵通過支持N 溝道MOSFET 半橋和100%占空比驅動來提高效率。這一系列設備采用針對針RDS（on）變體，以最小的設計變化來支持不同的負載。采用兩塊DRV8874 芯片組成兩相四線步進電機電路，如圖7所示。

Fig.7 Motor drive circuit圖7 電機驅動電路

為實現電機調速，采用單極性正弦脈沖寬度調制（SPWM）調速，如圖8 所示。在PWM 基礎上改變調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列，輸出的波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。SPWM 具有開關損耗低、效率高、輸出波形良好的優點。

使用STM32F429IGT 的高級定時器可以輸出PWM 波，設置PWM 波的頻率，根據定時器的輸出比較模式產生PWM 波的頻率計算公式如下：

其中，arr 為重裝載值，psc 為預分頻值。在成功設置PWM 基礎上，采用規則采樣法，通過控制計數比較模塊和輸出控制模塊可以輸出SPWM 波，如圖9所示。

Fig.8 SPWM pulse waveform圖8 SPWM脈沖波形

Fig.9 SPWM wave conversion process圖9 SPWM波轉換流程

3 SPWM輸出實驗及傾斜運動仿真實驗

3.1 SPWM輸出實驗

因步進電機轉速與步進距離是根據電壓信號的大小控制的，因此通過改變SPWM 波的波形，可以達到控制電機轉速和行程的目的。本實驗通過示波器查看控制板輸出的SPWM 波形，判斷其是否滿足控制電機需求。由圖10可知，示波器顯示的SPWM 輸出波形與計算機模擬情況一致，通過改變SPWM 波脈沖寬度可有效地對電機進行運動控制。由圖11 可知，在輸出端設置一個電容后，對輸出的波形進行調制可得到單極性的正弦波。

3.2 傾斜運動仿真實驗

本文基于Adams 軟件構建假人三維測試模型，對由貫通式絲桿步進電機驅動的傾斜運動進行運動過程模擬，如圖12 所示。測試假人的傾斜運動功能由絲桿與電機組成的螺旋副實現，相對貫通式絲桿步進電機軸向移動速度為2 mm/s，根據絲桿電機選型，絲桿導程為4 mm，則步進電機轉子旋轉360 °絲桿前進4 mm。由傾斜角θ=20 °可知，對應螺旋副旋轉角度為2 300 °，總運動時長25.56 s，因此設置驅動函數如下：

為求解測試假人傾斜過程中整體質心投影地面變化情況，使用外部子程序標記其整體質心位置，再由求解文件繪制質心在仿真運動過程中的參數數值變化。假人在傾斜運動過程中質心投影于地面Y 軸隨時間變化的曲線如圖13 所示。由圖13 可知，質心投影點變化距離范圍在0～135 mm 以內，因機構整體運行平穩，其投影點位移曲線在整個變化周期內的變化趨勢呈直線狀，機構質心移動過程平穩，滿足設計所需要求。

Fig.10 The oscilloscope outputs the SPWM waveform圖10 示波器輸出SPWM波形

Fig.11 Modulate unipolar sine waves圖11 調制單極性正弦波

Fig.12 Tilt simulation motion process圖12 傾斜仿真運動過程

Fig.13 Distance change curve of projection point of center of mass圖13 質心投影點位移變化曲線

4 結語

本文提出一種輪椅式下肢訓練設備測試平臺控制系統設計，通過傳感器、制動器及驅動電機的配合，對相關設備的下肢訓練、平衡訓練及痙攣保護安全性進行測試。控制系統中，由核心控制模塊STM32F429IGT 的高級定時器輸出PWM 波，通過控制計數比較模塊和輸出控制模塊得到SPWM 波，經過計算機模擬和示波器輸出驗證，可更平穩地控制電機運動。通過傳感器信號變送模塊及通訊模塊中的USB 及WiFi 通訊，將采集信息交由上位機處理，得到測試的實時數據。經ADAMS 仿真軟件仿真，可知此測試平臺進行主動測試時機構運行平穩，滿足設計要求。但在真實人體傾斜過程中，因各類人群生理特征中質量及力量不同，引起的轉動慣量及傾斜速度也不同，其運動控制需要模擬各類人群的運動特征。因此，后續研究應通過優化控制算法，增加系統反饋，以模擬不同人群的傾斜運動情況。