基于物聯網技術的康復訓練器械設計與研究

何亞峰，張光南，干為民

(1.常州工學院機電工程學院，江蘇 常州 213002;2.寶雞文理學院計算機科學系，陜西 寶雞 721000)

0 引言

目前我國平均每年新增596萬老年人口，年均增長速度達到3.28%，到2020年，老齡人口將達到2.48億，老齡化水平達到17.17%。社會老齡化使得老年疾病患者激增，如腦血栓、腦梗等疾病。同時社會上還存在高血壓疾病中年化和血管畸形少年化問題，腦血管疾病成為危害人類健康的第一殺手，而國內外對于腦病后遺癥(如偏癱等運動神經元疾病)至今還沒有特效的治療方法。醫學理論和臨床醫學證明，偏癱患者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，采用先進的康復訓練器械進行合理、科學的訓練，對于偏癱患者的恢復具有非常重要的作用。多年來國內外學者對康復訓練器械進行了大量的開發，如，南開大學的高渤［1］設計了偏癱患者主動型輔助康復設備，清華大學胡宇川［2］進行了偏癱上肢復合運動康復訓練機器人研制，美國麻省理工學院的Vol-pe和Krebs［3-4］研制了上肢康復訓練機器人MITManus，中國科學院羅東峰［5］對桌面式上肢康復機器人進行了控制研究。傳統的康復訓練器械需要醫師隨時指導患者進行康復訓練，當多名患者同時訓練時，需要配備多名醫生;而當患者自行練習時，又往往得不到醫生的實時指導，長此以往患者容易失去耐心和信心。因此，將物聯網技術引入到康復訓練器械，醫生可隨時隨地使用專用的監護儀器或者各種通信終端(如，PC、手持設備等)，通過無線方式(如，移動通信網:3G、GSM;無線局域網:Wi-fi;、ZigBee等)同時監控多臺康復訓練器械，通過康復訓練器械上的各種傳感器采集的數據監測病人的訓練狀態和康復情況，并通過控制康復訓練器械的運行來提高患者的康復進度，還可通過語音、文字等多種方式與患者交流，大大節約了醫療資源，提高了患者的康復效果和速度?；谄c患者康復規律，利用物聯網技術，設計出新穎的偏癱康復訓練器械和醫用無線監控終端，通過醫患配合進行康復訓練，恢復神經系統對運動功能的控制能力，達到治療偏癱患者的目的?；谖锫摼W技術的康復訓練器械的設計，對于發展康復事業具有重要的意義和一定的工程應用價值。

1 康復訓練器械總體設計方案

1.1 總體設計方法

圖1 康復訓練器械總體設計方案

圖1為康復訓練器械總體設計方案，該方案由機械部分和控制部分組成。機械部分主要涉及偏癱患者康復訓練器械的結構開發與設計。控制部分主要涉及無線監測控制模塊的設計與控制。無線監測控制模塊主要實現康復訓練器械的信息采集、電機控制以及組網通信等，該模塊主要由傳感器采集電路、主處理器CC2530、電機驅動電路以及天線組成，通過無線方式與ZigBee網絡中的協調器或其他節點組網通信。偏癱患者在康復訓練過程中由傳感器采集電路采集安裝在康復訓練器械拉環上的拉力傳感器數據，然后交由主處理器處理并完成電機控制。另外，主處理器通過天線向網絡中協調器發送傳感器采集數據，并接收協調器發來的信息控制電機。

根據偏癱患者訓練模式特點和使用要求設計的康復訓練器械，體現了人性化，安全可靠，其結構主要由座椅升降裝置、手部訓練組件、電機驅動機構、彈簧阻尼組件、訓練支架組件等構成，如圖2所示。其中座椅升降裝置由座椅、電動推桿、導柱組成。手部訓練組件由繩子、拉環、滑輪組等組成。電機驅動機構由制動電機、絲杠、螺母、導軌、滑塊、連接桿組成。彈簧阻尼組件由彈簧、連接板、導向柱、導向滑塊組成。訓練支架組件由直橢圓管、弧形橢圓管組成。

圖2 康復訓練器械

1.2 基本工作原理

康復訓練器械的基本原理是患者手部拉動拉環用力時，通過繩子和滑輪組帶動彈簧沿導向柱緩慢上升，彈簧阻尼力逐步增大，此時電動機驅動機構帶動連接桿運動。當患者手部拉動繩子的速度大于電動機驅動機構帶動連接桿運動的速度時，患者手部用自身力量完成主動康復訓練。當患者手部拉動繩子的速度小于電動機驅動機構帶動連接桿運動的速度時，電動機驅動機構的連接桿帶動繩子上的固定套克服彈簧力運動，此時患者只需要用很小的力或只需拉住拉環即可完成被動訓練。如果訓練中出現電動機突然斷電，電動機的制動將迅速啟動，確?；颊叩陌踩?。該康復訓練器械能對患者的身體恢復起到重要的作用。

為了滿足患者的使用需求，提高訓練效果，電機速度應可以控制并實現分段速度，因而在康復訓練器械拉環上安裝拉力傳感器，由此判斷患者手部力量的大小，調整電動機運行速度，以滿足不同患者的需求，確保器械的安全性。

2 康復訓練器械控制部分設計

2.1 康復訓練器械控制界面

圖3是基于物聯網技術的偏癱康復訓練器械控制界面，為了滿足偏癱患者的訓練需求，更好地體現人性化特點，控制界面可供使用者選擇擋位和選擇電動機運行狀態，不同擋位所控制的電動機運行速度也不同，不同運行狀態所控制的電動機驅動裝置驅動端位置也不同，另外控制界面可實現多個康復訓練患者與醫生之間的信息交流，便于醫生及時在線掌握患者訓練情況和訓練效果。該康復訓練控制界面簡潔、功能齊全，使用方法。

圖3 康復訓練器械控制界面

2.2 康復訓練器械四個擋位控制部分程序

康復訓練器械控制程序主要包括PWM控制電動機程序、通道控制程序、擋位控制程序、狀態控制程序等，本文只給出康復訓練器械四個擋位控制的部分程序，程序如下:

3 康復訓練器械物聯網設計

物聯網(Internet of Things)是指將各種信息傳感設備及系統，如，傳感器網絡、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設備、全球定位系統和其他基于物—物通信模式(M2M)的短距無線自組織網絡，通過各種接入網與互聯網結合起來而形成的一個巨大智能網絡。物聯網用途廣泛，遍及工業、農業、交通、醫護、公共安全等多個領域。其在醫護領域中，主要用于人體監護和生理參數的測量等，可對人體的各種狀況進行監控，并將數據傳送到各種通信終端。各種傳感器可以把測量數據通過無線方式傳送到專用的監護儀器或者各種通信終端，如，PC、手機、PDA等。

圖4為多臺康復訓練器械物聯網設計，該系統是由節點、協調器以及專用監護設備構成。工作區域內每個節點是一個偏癱患者的康復訓練器械，將工作區域內的多個康復訓練器械節點用物聯網技術(ZigBee)無線組網，節點的傳感器信息最終通過協調器傳輸到專用監護設備，醫生或用戶可直接通過專用監護設備查看到偏癱患者康復訓練的數據，還可以直接控制每個節點機器人的運行。專用監護設備可以采用計算機開發專用軟件，實現對網絡內所有節點傳感器上的數據整合、分析和顯示，以及對網絡內某個節點機器人的運行進行控制。

圖4 多臺康復訓練器械物聯網設計

4 結論

1)康復訓練器械具有柔性、遞進式特點，符合偏癱患者康復訓練要求。

2)康復訓練器械控制界面功能齊全，簡潔實用，體現了人性化。

3)基于物聯網技術的康復訓練器械，可以實現偏癱患者與醫生之間的實時交流，對患者康復有著積極的作用，具有一定的工程價值。

［1］高渤.偏癱患者主動型輔助康復設備設計［D］.天津:南開大學，2010.

［2］胡宇川.偏癱上肢復合運動康復訓練機器人的研制［D］.北京:清華大學，2004.

［3］Volpe B T，Krebs H I，Hogan N.Is Robot-aided Sensorimotor Training in Stroke Rehabilitation a Realistic Option［J］.Curr Opin Neurol，2001，14(6):745-752.

［4］Krebs H I，Hogan N.Robot-aided Neuro-rehabilitation［J］.IEEE T.Rehabil.Eng.，1998，6:75-87.

［5］羅東峰.桌面式上肢康復機器人控制研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2012.