上肢康復機器人訓練系統的設計與實現

常國權，馮慧玲，郭曉波

（安陽工學院 計算機科學與信息工程學院，安陽 455000）

康復機器人作為醫療機器人的一個重要分支，已成為機器人領域的一個研究熱點。目前，康復機器人已廣泛應用到康復護理、假肢和康復治療等方面，這不僅促進了康復醫學的發展，也帶動了相關領域的新技術和新理論的發展。隨著機器人技術和康復醫學的發展，康復機器人已經成為一種新的運動神經康復治療技術，利用機器人技術進行康復訓練對于中風患者肢體功能的恢復具有重要的意義[1]。有研究表明，對腦中風或有運動功能障礙的患者有針對性的進行肢體康復訓練對促進其恢復運動功能有著重要的作用。

1 系統概述

為幫助患者有效地進行上肢康復訓練，本上肢康復機器人訓練系統主要由3部分構成：手臂運動機械裝置，該機械裝置主要用來固定患者的上肢、手腕等，并在肩關節、肘關節、腕關節以及手掌關節位置安裝有角度傳感器與壓力傳感器；數據采集系統，該系統采用32位STM32微控制器實現對傳感器信號變換、數據處理與數據傳輸等功能，數據傳輸采用成熟的WiFi無線通信技術和PC機通訊，增加了系統的穩定性和可靠性；基于游戲人機交互的數據管理及分析系統，患者可通過機械手臂控制PC機游戲運動畫面進行互動，并可針對不同患者選擇游戲的種類、模式和難易程度，同時把患者在肢體運動過程中采集到的傳感器數據存入數據庫，實現對數據的分析、對比、總結、評估等功能。該系統把復雜的底層控制功能通過游戲的方式表達在用戶界面上，使得患者可與康復機器人進行人機交互，增加了患者康復訓練的趣味性，提高了康復訓練的效果[2]。系統總體結構示意如圖1所示。

圖1 系統的總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the system

2 系統硬件設計

2.1 系統電源電路設計

由于系統采用的STM32微控制器的工作電壓是3.3V，而串口無線WiFi模塊、角度傳感器等需5 V電壓，考慮到5 V電壓系統需要的功率稍大，因此，系統電源設計采用了效率更高、功能更強的DC-DC轉換器LM2576-5.0。LM2576系列是3 A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路，它內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路[3]。而AMS1117則給低功耗的STM32微控器等模塊提供3.3 V工作電壓。自恢復保險絲F1和穩壓二極管D3構成電壓保護電路，當因某原因致使輸出電壓超過3.5 V時，D3導通，使F1自動保護。系統電源設計如圖2所示。

圖2 系統電源設計Fig.2 Design diagram of system power supply

2.2 數據采集電路設計

從成本和性能綜合考慮，主控制器采用STM32-F103RBT6微控制器，它是基于Cortex-M3核心的32位處理器，具有高性能、低功耗、低成本等優點[4]。該芯片內部集成了全速USB2.0設備接口模塊和16通道的12位高精度A/D轉換器、USART接口等，單芯片即可完成設計任務，避免了復雜的接口電路設計，有效降低了系統接口的復雜度和開發難度，在很大程度上提高了系統的穩定性[5]。

此處的數據采集主要用到了STM32的12位高精度A/D轉換器、LM324運算放大器以及INA118精密儀表放大器。如前所述，該上肢康復系統有7路采集傳感器，肩關節有3路角度傳感器，肘關節有2路角度傳感器，腕關節有1路角度傳感器，手掌關節有1路握力傳感器，這些傳感器輸出的都是模擬信號，需要經過處理以后送入到STM32的A/D轉換器轉換為數字信號。角度傳感器采用的是WDG-AM34-360，該角度傳感器將機械轉動或角位移轉化為電信號輸出，5 V工作電壓，輸出信號0～5 V。為了保證傳送到STM32 A/D轉換器的模擬信號不超過3.3 V，此處采用LM324運算放大器對角度傳感器輸出的0～5 V模擬電壓進行線性轉換為0～3.3 V電壓。測量手掌關節的握力傳感器采用的是PLD204D-13，它是內置溫度補償、零點平衡校正、量程為10 kg的電橋壓力傳感器，它的激勵電壓是直流5～10 V，靈敏度為1.0 mV/V，就是說當該傳感器承受10 kg壓力、5 V激勵電壓的情況下它輸出的差分電壓信號才為5 mV，因此，這里采用了TI公司的精密儀表放大器INA118對該差分信號進行放大。INA118具有精度高、功耗低、電路設計簡單等優點，適合對這種微小信號進行放大[6]。所有傳感器的輸出信號經過相應的電壓轉換以后送入到STM32的A/D通道轉換為數字信號。系統數據采集電路設計如圖3所示。在圖3中LM324運算放大器對2路肩關節角度傳感器進行電壓轉換，肘關節和腕關節傳感器轉換圖跟該圖類似。

2.3 無線傳輸電路設計

如前所述，STM32微控制器在把7路傳感器信號轉換為數字信號后，需要再發送給PC機進行處理并實現患者和游戲界面的人機交互操作，出于靈活性和方便性考慮，這里采用了HLK-RM04串口WiFi無線模塊進行無線通信傳輸。HLK-RM04是嵌入式UART-ETH-WiFi（串口-以太網-無線網）模塊。它是基于通用串行接口的符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口、以太網、無線網（WiFi）3個接口之間的轉換。通過HLK-RM04模塊，傳統的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網絡傳輸數據。為用戶的串口設備通過網絡傳輸數據提供完整快速的解決方案[7]。

圖3 系統數據采集電路設計圖Fig.3 System design diagram of data acquisition circuit

要使串口WiFi無線模塊正常工作，必須要先對它進行正確的配置，配置模塊可使用網絡透傳模式或AT指令模式。網絡透傳模式比較靈活方便，因此預留了一個LAN網絡接口，可方便地通過LAN網絡接口和PC機連接對WiFi無線模塊進行配置。正常上電后，模塊會檢查當前的網絡串口配置是否正常，如果網絡連接正常，則模塊自動進入網絡透傳模式，否則進入AT指令模式。這里的串口WiFi無線模塊和PC機人機交互之間被配置成C/S模式，即串口WiFi無線模塊在這里被配置成客戶端，PC機作為服務器。串口WiFi無線模塊具有斷開自動重新連接功能，它的第9引腳CONNECT就是表示C/S模式是否以TCP/IP協議的方式正確連接上的標志，CONNECT若輸出高電平則表示網絡連接已正確連接，未連接則輸出低電平。網絡接口采用的是把變壓器和RJ-45接頭集成到一起的 HR911105A，HR911105A符合 IEEE 802.3標準，采用金屬外殼封裝，抑制EMI性能較好，而且可減少電路板空間和簡化PCB板布局，使信號傳輸更加穩定可靠[8]。無線傳輸電路設計如圖4所示。

圖4 無線傳輸電路設計Fig.4 Design diagram of wireless transmission circuit

3 系統軟件設計

整體軟件在MDK環境下采用C語言編寫，采用ST-LINK仿真器對程序進行調試與下載。系統采集測試圖如圖5所示。STM32微控器上電復位后，首先進行系統初始化，如配置時鐘、設置中斷向量等，然后對串口和ADC進行初始化，初始化完成后，STM32微控制器檢測串口WiFi無線模塊的第9引腳CONNECT的輸出電平，如果CONNECT的輸出為高電平1，則表明串口WiFi無線模塊已和服務器建立了網絡連接，STM32微控制器就對肩關節、肘關節、手掌關節等傳感器采集到的信號依次進行AD轉換，并把AD轉換的數據以浮點精度進行保存，通過串口依次發送給WiFi無線模塊，由WiFi無線模塊進行網絡打包并傳送給PC機人機交互游戲軟件。若通信工程中網絡中斷，WiFi無線模塊可實現自動重連，此時CONNECT的輸出為高電平0，STM32微控制器檢測到該信號后，會停止AD轉換和串口數據發送，直到網絡重新建立起連接為止。系統數據處理流程如圖6所示。

圖5 系統數據采集測試Fig.5 System data acquisition test diagram

圖6 系統數據處理流程Fig.6 Flow chart of system data processing

要把采集的傳感器數據通過無線網絡正確發送到PC機，需要對串口WiFi無線模塊的參數進行配置。如前所述，正常上電后，WiFi無線模塊會檢查當前的網絡串口配置是否正常，如果LAN網絡接口連接正常，則模塊自動進入網絡透傳模式，否則，進入串口AT指令模式。在串口AT指令模式，可以使用特定的串口AT指令集對WiFi無線模塊進行參數配置。使用網絡透傳模式對WiFi無線模塊進行參數配置具有簡單、方便、靈活等優點。系統參數配置流程如圖7所示。

圖7 系統參數配置流程Fig.7 Flow chart of the system parameter configuration

PC機人機交互軟件設計采用的是VC++6.0和Unity3D綜合型游戲開發工具開發而成，VC++6.0主要實現網絡Socket編程、數據分析與處理、數據庫的管理等功能[9]，在VC++中建立一個專門的線程用來監聽指定的IP和端口號，當Socket收到WiFi發送過來的傳感器數據后進行數據的解包和校驗，并把傳感器數據值大小和游戲界面的相關動作及聲音關聯起來，以實現趣味性的人機交互。對數據庫的管理是通過調用相應SQL語句來實現，并在設置的時間間隔內對采集的數據進行存儲。Unity3D主要完成創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等內容的設計，利用交互的圖型化開發環境可簡化復雜三維動畫素材的設計工作[10]。

4 結語

該系統采用32位STM32微控制器和WiFi無線通信技術設計，并采用基于游戲方式的人機交互模式，不但提高了系統的穩定性和可靠性，而且提高了人機交互界面友好性和趣味性，可更好地幫助患者進行上肢康復訓練。本系統在安陽神方康復機器人有限公司測試使用后獲得較好效果，并在多家醫院的實際使用進一步驗證了系統的穩定性和可靠性。

[1]徐寶國，彭思，宋愛國，等.基于運動想象腦電的上肢康復機器人[J].機器人，2011，33（3）：53-59.

[2]張穎，易金花，張曉玉，等.基于嵌入式Linux的上肢康復機器人用戶系統研究[J].電子技術應用，2014，40（5）：23-26.

[3]National Semiconductor Corporation.LM2576 Series SIMPLE SWITCHER 3A Step-Down Voltage Regulator[P].2004.

[4]STMicroelectronics.STM32F103xx datasheet[DB/OL].http：//www.st.com/.2007.

[5]唐偉，于平，李崢輝.STM32F103x的USB多路數據采集系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（8）：39-41.

[6]Texas Instruments Incorporated.INA118 datasheet[DB/OL].http：//www.ti.com/.2000.

[7]深圳市海凌科電子有限公司.HLK-RM04使用手冊[DB/OL].http：//www.hlktech.com/.2012.

[8]漢仁電子有限公司.帶磁模塊和LED的單端口RJ45連接器HR911105A手冊[P].2008．

[9]孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社，2012.

[10]路朝龍.Unity 3D游戲開發從入門到精通[M].北京：中國鐵道出版社，2013.