智能輔助行走康復訓練遙控車的設計及應用

梁力中

（廣東醫學院附屬醫院 524001）

0 前言

我國每年新增神經系統疾病患者超過300余萬人。根據大腦可塑性的理論，中樞神經受損患者在經過急性發病期的治療后，其運動功能的康復主要依賴于各種康復運動療法。臨床實踐證明，急性期過后越早訓練，功能康復的效果越好。通過下肢訓練，能明顯改善中樞神經受損患者的生活質量及預后恢復。康復訓練治療的需求因此變得越來越迫切，目前我國下肢訓練這方面，還只能依靠康復師的人力輔助，治療師的勞動強度很大，難以保證訓練的持續性和穩定性，治療效果還受到治療師水平的影響。近年，國內外研究機構開始引入機器人用于中樞神經損傷患者的康復訓練中，各種用于下肢康復或者關節康復的康復訓練機器人也開始研制。但是下肢訓練機器人的技術復雜，產品的造價也相對較高，不利于大規模在基層醫院或社區全面推廣。本文將介紹一種具有無線遙控和可自動尋跡功能的智能輔助行走康復訓練遙控車（下文稱康復訓練車）的設計及應用，該車可以可通過無線進行遙控并可識別地上黑白軌跡線，實現循跡行走，康復患者可以護車進行下肢康復訓練。康復訓練車以用自行車的底座為車體平臺，以P89V51RB2單片機為控制核心，采用L298N作為直流電機的驅動芯片，通過PT2262/ PT2272無線發射接收模塊實現小車的遠距離遙控。

1 系統概述

1.1 設計基本要求

⑴康復訓練車可通過無線進行遙控。①遙控實現小車模式切換：可遙控康復訓練車進入遙控行走、循跡行走；②遙控實現康復訓練車行走控制：可遙控小車前進、后退、左右轉彎；③遙控距離不少于50米；④遙控用無線射頻方式實現。

⑵康復訓練車可識別地上黑白軌跡線，實現循跡行走：①白色軌跡線線寬不超過5cm；②軌跡線最小轉彎半徑不小于25cm；③使用一長度近10米的白色軌跡曲線，讓康復訓練車沿該曲線行走。

1.2 系統的組成及結構

系統主要由中央處理器P89V51RB2、PT2262/PT2272無線發射接收模塊、直流電機驅動模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成。系統的結構框圖如圖1所示：

圖1

2 系統功能設計

康復訓練車主要分為控制器模塊、驅動模塊、遙控模塊、尋跡模塊和電源模塊等五大模塊。主要的設計思路如下：

2.1 控制器模塊

本系統主要是進行無線遙控和尋跡運行的檢測，以及電機的控制。采用Philips公司的P89V51RB2單片機作為主控制器，包含16KB Flash和1024字節的數據RAM，32個IO口，3個16位可編程定時計數器，具有五通道的PWM和捕獲/比較功能，具有SPI和增強型UART，這樣將方便地實現程序的下載與整機的調試。

2.2 遙控模塊

采用PT2262/PT2272編碼解碼芯片作為發射和接收模塊PT2262/2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路 PT2262發射的頻率比較高（315或433M），遙控的距離也遠。由于接收機PT2272的溫度適應性強，所以接收靈敏度很高，而且工作穩定可靠，抗干擾能力強，產品的一致性好。

2.3 尋跡傳感器模塊

本模塊采用TCRT5000型光電對管。TCRT5000是一種一體化反射型光電探測器，其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，其特點是：⑴ 塑料透鏡可以提高靈敏度；⑵ 內置可見光過濾器能減小離散光的影響；⑶ 體積小，結構緊湊此光電對管調理電路簡單，工作性能穩定。

2.4 電機模塊

本系統為智能電動車，對于電動車來說，其驅動輪的驅動電機的選擇就顯得十分重要。由于本系統要實現對路徑的準確定位和精確測量.采用直流電機，由于直流電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生較大扭力。

3 硬件設計

3.1 尋跡傳感器電路設計

對于TCRT5000傳感器應用電路的設計，主要考慮可調電阻R3可以調節比較器的門限電壓，經示波器觀察，輸出波形相當規則，可以直接供單片機查詢使用。而且經試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為本設計的傳感器檢測與調理電路。

3.2 運動車傳感電路設計

應用L298N雙通道直流電機驅動芯片是很好用的直流電機驅動芯片，它可以驅動兩個直流電機或者雙極性步進電機，實現運動車的控制。

3.3 控制電板電路

由于系統不需要復雜的邏輯功能，對數據的處理速度的要求也不是非常高，且從使用及經濟的角度考慮使用較為便宜的Philips公司的P89V51RB2單片機作為主控制器。

4 軟件設計

軟件設計的關鍵思路是：單片機P2口通過不停查詢PT2272接收板數據腳VT是否為高電平，當PT2262發射機有某個按鍵給按下時VT=1，單片機即刻響應該按鍵所對應的子函數，從而通過P1口控制L298N驅動芯片去驅動電機，執行相應的動作。在尋跡方面上，TCRT5000光電對管傳感器不停的發射紅外線檢測地面黑白軌跡的變化。當紅外線遇白色地面反射回來后使光電三極管導通，再經電壓比較器比較后輸出高電平。當小車處于某個偏離狀態時，即刻響應該狀態所對應的子函數，通過P1口驅動電機執行相應的動作進行軌道糾正，同時引導小車按正確的方向行走，從而實現黑白自主尋跡。

5 結束語

康復訓練車在臨床中應用，不僅可將康復治療師從醫患一對一繁重的治療過程中解放出來，而且通過計算機的輸入定量的軌跡及行進距離的設定實現數字化管理患者的運動數據及及行進路徑，大大強化了下肢運動不便病患的運動刺激，使定量檢測和評價手段的實現，為患者提供更為科學的康復行動訓練模式，在保證訓練安全性，提高訓練效率，改善訓練效果方面具有巨大的潛力和優越性。對于降低患者的痛苦，縮短住院時間，讓患早日康復，回歸家庭、回歸社會，有明顯的改善作用。

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