基于GSM的遠程外骨骼下肢康復機器人系統的設計與實現

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(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

基于GSM的遠程外骨骼下肢康復機器人系統的設計與實現

吳帆,殷躍紅

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

康復醫學是致力于減輕與消除患者的功能障礙，恢復正常的生理與心理機能，改善患者的生命與生活質量的醫學學科[1]。外骨骼下肢康復機器人是基于多種康復需求與下肢康復的特點，結合機電自動化技術與康復醫學專業知識而產生的有效康復工具，并且已在研究與臨床領域有多項成果[2]。

然而，考慮到患者下肢功能障礙，行動不便，康復是一個長期過程，同時醫院醫療資源有限，使用遠程康復技術來實現社區康復甚至家庭康復是當下康復系統的研究熱點[3]。物聯網技術[4]在醫療康復系統中有很高的應用價值。而使用GSM技術[5]來配合外骨骼下肢康復機器人的使用，并且不限于該種類康復機器人的使用，可以滿足患者就近康復甚至在家康復的需求。

1 系統構架

系統的拓撲結構如圖1所示。其中，康復機器人終端使用GSM通訊模塊以及相應的上位機軟件模塊，將編碼后的信息通過短信方式傳輸到網絡信息中心的GSM模塊上，并通過網絡信息中心計算機上的信息管理系統軟件解碼并存儲，從而實現遠程的信息收集與錯誤監控。同時，系統采用點對點的方式，來實現用戶定制短信的收發功能，當系統判斷收到指定用戶需要的信息時，信息中心將該信息發送到該用戶的手機，從而實現醫務人員及系統維護人員實時的信息更新。

圖1 系統拓撲學結構

此外，系統使用公用GSM通訊網絡，無需自行進行組網，各終端與信息中心間使用GSM的短信息(SMS)服務進行通訊。

2 系統設計

在系統中使用北良電子科技有限公司開發的模塊開發板，開發板集成天線、串口、電源接頭和按鈕等配件，來實現GSM及GPRS組網功能。

2.1 外骨骼下肢康復機器人終端設計

在外骨骼下肢康復機器人終端，使用自行開發的六軸運動控制卡,對外骨骼下肢康復機器人的驅動電機進行運動控制。驅動電機以曲柄滑塊的方式,分別驅動兩側外骨骼機構的髖關節與膝關節擺動。在這個過程中，通過相關指令，運動控制卡將讀取的位置數據與狀態數據反饋給上位機。當在康復機器人終端進行操作后，上位機軟件模塊將該操作過程的具體信息進行編碼，并通過RS232串口與GTM900-C模塊通訊，以短信的形式通過GSM無線網絡發送到網絡信息中心。每個外骨骼下肢康復機器人終端,都配有SIM卡來使用移動通訊網絡。康復機器人端的硬件結構如圖2所示。

圖2 康復機器人端硬件結構

2.2 網絡信息中心設計

在網絡信息中心端，系統的組成部分與機器人終端大致相似，只是不包含運動控制卡部分。GTM900-C模塊通過標準RS232串口與信息中心的計算機相連。此外，開發板裝有SIM卡以使用移動通訊網絡。當GTM900-C模塊收到短信后，通過串口通訊，將短信內容交給網絡信息中心的計算機進行解碼，并存儲到數據庫中。同時，由信息管理系統的軟件模塊,判斷是否需要將解碼后的信息轉發到短信定制用戶的手機上。此外，通過系統還可以查詢與管理多個外骨骼康復機器人終端的康復信息。

3 軟件設計

3.1 外骨骼下肢康復機器人終端的軟件模塊

外骨骼下肢康復機器人的用戶界面軟件集成了GSM通訊模塊。在外骨骼機器人的操作過程中，軟件模塊通過指令與運動控制卡通訊，讀取運動中的相關數據，并在發送前對該次操作中的重要信息進行提取，結合操作代碼生成包含該次操作信息的短信內容，通過Visual Basic 6.0的MSComm串口控件進行串口通訊，控制GSM模塊進行發送。

上位機軟件設計中使用AT指令集對GSM模塊進行通訊控制。其中，主要使用“AT+CMGF”與“AT+CMGS”指令。

“AT+CMGF”命令用于對所發送的短信格式進行選擇，指令為“AT+CMGF=0”時使用PDU模式，指令為“AT+CMGF=1”時使用文本模式。其中，文本模式不需進行PDU碼轉換，直觀便捷，但只能發送ASCII碼，不能發送中文的Unicode碼[6]，因此，系統使用PDU模式發送中文短信。在發送新用戶記錄信息時，由于短信內容的組成部分為患者或醫生的中文信息，所以需要進行PDU碼轉換，將中文信息的漢字轉換為Unicode模式，并生成PDU字符串。在發送其他操作記錄時，由于短信內容的組成部分為字母代碼與關鍵數據，因此，選用短信格式為文本模式。

系統使用“AT+CMGS”指令進行短信的發送。使用文本模式時，首先通過串口控件發送該指令與目標手機號碼到GSM模塊，然后發送由操作標志位、操作中關鍵信息與數據組成的字符串。使用PDU模式時，首先將操作標志位與操作中的關鍵信息組成待轉換的短信內容字符串，然后將該字符串轉換為Unicode碼格式，并分別對短信中心號碼與目標手機號碼進行處理，將3個信息部分進行處理后組成所要發送的PDU字符串。發送時，將發送指令與標志該PDU字符串長度的數字，通過串口控件發送到GSM模塊，等待0.5 s后發送該PDU字符串，即完成短信內容的發送。此外，系統發送中文短信的單條短信字數限制為70個字，當軟件模塊判斷短信內容過長時，則將內容分為2部分發送，并分別在2條短信的首尾加上標志位，以便網絡信息中心進行識別。短信發送流程如圖3所示。

圖3 PDU模式下的短信發送流程

3.2 信息管理系統軟件模塊

信息管理系統所收集與檢測的信息包括以下康復信息：患者的個人信息、患者的處方信息、患者的訓練記錄、醫生基本信息、患者肌力測試的測試結果、康復機器人自檢結果以及在機器人運行過程中的報警與報錯信息。當在外骨骼下肢康復機器人終端進行相關操作后，終端發送短信到網絡信息管理中心的計算機上。

所有短信的首2位為標志位，以數字對應以上的各項康復信息內容。其中，新記錄信息短信包括患者的個人信息新記錄與醫生基本信息新記錄。對于固定長度的信息，直接以字符串的形式添加在短信內容中，而對于不固定長度的信息，則在該部分內容前加上標志該內容長度的2位數字。其他操作信息包括：處方信息、訓練記錄、肌力測試結果、自檢結果、報警與報錯信息。這些信息的組成內容均為標志位與標準長度的信息字符串。

系統使用Visual Basic的Timer定時器控件與MSComm串口控件，不斷監測串口通訊。當判斷收到短信后，使用“AT+CMGR”指令讀取新短信。讀取短信后，信息管理系統軟件首先對短信進行分析解碼。首先，根據短信前2位的標志位數字判斷操作或記錄類型；然后，根據不同的操作或記錄類型調用不同的信息處理函數，對數字、字母或中文字符串數據進行分析，分離出各項信息或數據的具體內容，并存儲到Microsoft Office Access的對應表格中。

同時，信息管理系統軟件在收到短信后，根據短信標志位數字判斷短信內容類型，如果短信內容為需要轉發的信息，則調用短信轉發模塊，在數據庫中查找來源號碼所對應的短信定制用戶號碼。在將短信內容的信息分離出后，調用相應的服務短信處理函數，組成符合服務短信格式的短信內容，通過串口通訊控制GSM模塊，將該消息服務短信發送到定制用戶的手機上。短信處理流程如圖4所示。

此外，使用Visual Basic 6.0結合Microsoft Office Access編寫系統中的信息管理功能，完成系統菜單各項功能的開發。

圖4 短信處理流程

4 結束語

設計了遠程外骨骼下肢康復機器人系統，集成了外骨骼下肢康復機器人終端、信息管理系統以及用戶定制的短信提醒服務。在完成硬件部分與軟件部分的設計與實現后，系統可以收集并檢查來自不同地點的外骨骼下肢康復機器人，在運行與操作過程中的重要信息，以實現遠程的狀態監控與信息管理。此外，系統可以提供消息提醒服務，向定制該服務的手機用戶發送其權限范圍內的系統信息，實現了相關的醫務人員以及系統維護人員的信息實時更新。系統可作為子系統，在此基礎上展開后續的研究開發，構建一個基于物聯網技術的智慧康復系統。

[1] 王恩海，趙玉金，殷雨臣，等.順應醫學發展趨勢振興我國康復醫學事業[J].中國醫院，2008,12(5)：24-25.

[2] 萬大千，徐義明，白躍宏.下肢外骨骼康復機器人的研究與進展[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011,15(52)：9855-9858.

[3] Brennan D M,Mawson S，Brownsell S.Telerehabilitation: enabling the remote delivery of healthcare,rehabilitation,and self management[J].Studies in Health Technology and Informatics，2009,145: 231-248.

[4] Li X,Lu R X,Liang X H,et al.Smart community: an internet of things application[J].IEEE Communications Magazine,2011，49(11):68-75.

[5] 黃摯雄，蔣愛蘇.利用GSM短消息業務實現排灌泵站集群監控[J].機電一體化，2003,9(3)：62-64.

[6] 馬 慧，陳陽平，謝 強.基于GSM Modem終端的短信系統研究與實現[J].中國制造業信息化，2008,37(11):10-14.

Design of Remote Information System for Lower Limb Rehabilitation Robots Based on GSM

WUFan,YINYuehong

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

根據下肢康復的需要，結合已有的外骨骼下肢康復機器人技術，使用GSM構建了一個遠程的下肢康復系統。系統使用短信服務實現康復信息的遠程監控，并具有信息管理功能。同時，系統可以實現責任醫務人員與系統維護人員的定制短消息提醒服務。此系統可以作為基于物聯網的智慧醫療系統的子系統進行應用，以實現社區康復或家庭康復的需求。

外骨骼下肢康復機器人；遠程系統；信息管理；GSM

A rehabilitation system is designed with existing exoskeleton rehabilitation robots for lower limbs based on GSM. SMS is used to realize the remote monitoring of rehabilitation information from the terminal robots,and an information management system is included. Meanwhile,the system contains short message reminding services for medical physicians and maintenance staff to inform them of notable information. This system can be used as a subsystem of a smart healthcare system which is based on IoT to realize community-based rehabilitation or home-based rehabilitation.

exoskeleton rehabilitation robot for lower limbs; remote system; information management; GSM

2013-12-23

TP24；TP27

A

1001-2257(2014)07-0078-03

吳帆(1989-)，女，江西景德鎮人，碩士研究生，研究方向為康復機器人系統與其在智慧城市中的應用；殷躍紅(1968-),男，江蘇泰興人，博士研究生導師，研究方向為機器人及機電控制。