基于人機交互的主被動康復機器人設計

摘 要：隨著人口老齡化趨勢的加劇，各種疾病引發的運動功能障礙問題日益突出，尤其是中風、脊髓損傷等疾病導致的肢體功能受限。傳統的手工康復存在效率低、受訓者有數量限制等問題，迫切需要一種更高效且個性化的輔助康復訓練方法。為打破這些限制，文中設計了一款基于STM32F103RCT6的人機交互主被動康復機器人系統，采用閉環控制技術，能夠實現精準的運動控制。該系統具有主動、被動、助力等運動康復模式，且能夠對運行過程中患者的足底壓力、心率、血氧進行實時采集。此外，該康復機器人系統通過智能語音控制系統提高了人機交互的安全性。結果表明，該康復機器人能夠滿足下肢功能障礙患者多場景下的康復需求。

關鍵詞：人機交互；康復機器人；STM32控制；電機驅動；康復模式設計；智能語音控制

中圖分類號：TP242.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-00-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.019

0 引 言

腦卒中人群、術后患者的早期運動康復不僅有利于人體機能的快速恢復，同時能夠及時對大腦受損神經進行重塑[1]。傳統的康復主要以醫師手工作業為主，不但極大消耗體力且患者的治療高度依賴醫師自身的康復水平。而基于人機交互的主被動康復機器人能夠根據患者的不同臨床體征，提供多元化的康復訓練模式[2]。

美國德克薩斯州奧斯汀市Harmony Bionics公司開發出了Harmony SHR上身外骨骼[3-4]，可以讓患者在外骨骼輔助下按照預先編制的程序反復移動，從而幫助患者完成日常的復健動作。瑞士的Hocoma Lokomat下肢康復機器人可用于高重復性的生理恢復性運動，該下肢康復機器人通過模擬正常人的步伐對患者進行訓練，鍛煉其下肢肌肉，使患者恢復下肢行走的能力。中國沈陽艾克申機器人技術開發責任有限公司研發的下肢康復機器人可用于因腦外傷、腦卒中、非完全性脊髓神經或骨關節疾病導致下肢行走功能存在障礙的患者，控制機械腿模擬出人類正常行走時的步態，輔助患者進行康復訓練。

上述國內外康復機器人大多存在價格高昂、機械結構復雜、維護困難、患者難以承擔相應治療費用等問題，因此，開發成本低、功能完善、易于維護的康復機器人尤為必要。基于這一原則，課題組結合STM32微控制器，設計了一款基于人機交互的主被動康復機器人系統，該系統具有運動精準控制、多種康復運動模式供選擇、生理指標實時監測和智能語音控制等多項特性。

1 主被動康復機器人設計

課題組研發的主被動康復機器人由人機交互系統和機械系統構成，人機交互系統通過觸摸屏和智能語音進行數據雙向交互，通過對伺服系統的控制以及對心率、血氧、數據存儲、磁控保護的實時監測，形成對患者康復訓練和過程數據的閉環控制。機械系統主要由機械結構本體和上下、前后、左右的傳動機構組成，在康復機器人的下方設有4個萬向輪，用于機器人的移動。主被動康復機器人如圖1所示。

1.1 人機交互系統設計

設計的主被動康復機器人的人機交互控制系統如圖2所示。人機交互系統采用STM32F103RCT6嵌入式系統編程，STM32F103RCT6系統的處理器主頻高達72 MHz，工作電壓范圍[5]為2～3.6 V。觸摸屏采用大彩DC1060PM101串口屏，該串口屏通過Visual TFT軟件進行屏幕界面設計，通過RX、TX通信，提高了系統的抗干擾能力[6]。醫師通過點擊觸摸屏，將指令發送給STM32控制器，控制器接收指令后通過識別轉化將相應指令發送給驅動器，驅動器完成對電機速度、位移的精準控制。與此同時，STM32控制器接收患者的足底壓力、心率、血氧、實時轉速等數據并實時顯示，便于醫師對患者康復訓練過程的觀察。此外，系統獨有的語音控制系統特別適用于在患者康復訓練過程中實現機器的自我調節以及緊急停止，可實現康復者在無醫師情況下的自我保護。

1.2 驅動系統

所設計的主被動康復機器人的伺服電機采用57BL01直流無刷電機，其質量為1.25 kg，額定轉速為3 000 r/min，運行噪聲≤50 dB，供電電壓為直流36 V。相較于傳統有刷電機，直流無刷電機的效率能夠達到96%以上，相同功率下直流無刷電機的體積更小，有利于實現康復機器人的輕量化[7]。

主被動康復機器人的驅動系統采用雷賽DM542，該驅動系統通過磁場定向控制（FOC）模式，使轉矩波動小、噪聲小、動態響應快。同時，FOC控制模式能夠提供可調阻尼，使電機定子磁場與轉子磁場之間的角度時刻保持在90°，實現一定電流下的最大轉矩輸出。此外，FOC的換向性能十分優秀，能夠在高轉速時順暢進行正反轉換，并且可進行力矩、速度、位置的閉環控制，從而滿足患者不同的康復訓練要求[8]。

系統建立了輪廓轉矩和輪廓速度兩種模式：在輪廓轉矩模式下，電機的電流與轉矩呈線性關系，因此設置串口屏中的阻力模式后，驅動器會控制相應電流實現對扭矩的控制[9]；輪廓速度模式下，給定速度、加速度、減速度后，伺服驅動器可按此設定規劃電機的速度曲線，并實現不同速度指令的平滑切換，此模式可用于串口屏中的被動模式與助力模式。

1.3 磁控保護系統

系統的安全保護采用磁控開關，磁控保護系統將磁信號轉換為電信號，當患者拉下手環后，磁框脫落，磁控傳感器感應不到磁力，電位就會由低電平轉換為高電平，此時電機失能，停止運行。

2 運動康復模式設計

所設計的康復機器人的被動模式適用于不能進行自我運動的重癥患者，由系統帶動患者以一定的速度進行康復訓練。醫師可根據患者臨床表現設定不同的速度和訓練時間。整個訓練過程中，患者的心率、血氧、足底壓力以及訓練時長等會實時顯示在屏幕上，當患者需要立刻停止設備而無法操作觸摸屏時，可通過語音控制模式進行急停控制。

所設計的康復機器人的助力模式適用于有一定行動能力的患者，在該模式下，機器會實時采集患者的運動速度，當速度高于設定值就不再提供轉速，由患者自我主動訓練；反之，機器會按照設定速度，帶動患者達到預定運動速度，從而達到更好的康復效果。

設計的康復機器人的主動模式[10]適用于體能恢復較快的患者，通過主觀訓練起到增強肌肉力量的效果，可根據不同體能的患者實時設定不同阻尼以增強患者的訓練強度。

康復訓練結束時，系統自動計算患者當前的康復訓練數據，包含患者訓練過程中的平均心率、血氧、運動速度、距離、時長與消耗的熱量，幫助醫師及時掌握患者的康復水平。

3 測 試

在不同康復模式下，點擊“開始運動”按鍵后，心率血氧儀通過采集患者的心率和血氧濃度信號得出心率和血氧濃度值，并將數據實時上傳至系統。心率血氧曲線如圖3所示。

與此同時，在患者康復訓練過程中，系統會通過壓力傳感器實時采集足底壓力[11]，醫生可通過分析患者不同階段的足底壓力曲線（圖4）來調整患者的康復治療方案。

此外，在康復訓練過程中，患者的下肢可能會出現痙攣情況，腿部肌肉伴有收縮現象。鑒于此，在康復機器人系統中增加了應對痙攣算法以識別該現象，當患者在一次康復訓練過程中反復出現痙攣次數達到5次時，機器會立即停止運行并通過彈窗提示，如圖5所示。

4 結 語

所設計的康復機器人采用STM32嵌入式控制系統、智能語音識別、FOC電機驅動、心率血氧采集、足底壓力采集等技術，整機運行噪聲控制在50 dB以下。該系統利用智能語音控制技術提高了人機交互的安全性和便捷性，可以滿足下肢功能障礙患者在多種康復場景下的康復需求，同時在安全方面設計了磁控保護和智能語音保護雙系統，保障了患者在使用時的安全。

參考文獻

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[11]蘇樹盛.智能可穿戴柔性壓力傳感器的研究現狀與發展趨勢[J].紡織科技進展，2023，45（7）：5-10.

收稿日期：2023-08-28 修回日期：2023-10-13

基金項目：石家莊市科技計劃重點研發項目（221130253A）；石家莊市數字醫療康復技術創新中心（202204）；2023年度河北省人力資源和社會保障科研合作課題（JRSHZ-2023-01086）；石家莊市科技計劃項目（221200543）

作者簡介：孫建起（1986—），男，河北邢臺人，講師，主要從事康復機器人研究工作。