基于STM32 單片機的下肢康復機器人控制系統設計

康曉梅

（西安翻譯學院，陜西西安 710105）

0 引言

現代社會人類平均壽命持續延長，人口老齡化問題日益嚴峻，主要是因為醫療科技的快速發展和醫學水平的日益提高[1]。此外，由于高血壓、糖尿病等慢性疾病引起的并發癥以及脊髓損傷、腦損傷、腦腫瘤等疾病，或者意外導致運動能力受損的患者越來越多，很多患者出現了偏癱或截癱。因此，針對下肢偏癱人群的康復治療成為現實的難題[2]。

下肢康復機器人是外骨骼機器人的一種，讓機器人幫助患者訓練以及患者自主訓練，主要依靠控制系統來進行調配。控制系統可以有效地控制下肢康復機器人機械運動機構、運動速度以及檢測患者訓練時的運動狀態，患者康復質量的高低直接取決于康復機器人的控制性能[3]。

本系統采用分布式控制方式，上位機采用STM32F407 單片機，下位機選用直流伺服電機驅動器SP3232EN 實現對下肢各關節的運動控制。康復機器人控制系統既可以實現自主控制，也可以進行人工操作，進而提高其實用性和可靠性。

1 康復機器人控制策略

康復機器人的控制策略主要有主動和被動兩種。康復初期，患者是被動地接受康復訓練，隨著康復進程的推進，患者要提高主動運動意識，既可以進行單關節的康復訓練，也可以多關節協調一致進行康復訓練。

1.1 被動式訓練模式控制策略

康復訓練機器人可采用位置伺服控制的方式來實現被動訓練，將正常人的步態運動作為參考，電機的工作方式為位置控制方式（圖1）。康復初期，患者肌肉無力，會產生協同作用或者聯合反應，主要依靠機器人帶動患者的患肢進行被動訓練。為了保證患者的安全，防止訓練過程中出現肌肉痙攣或者信號異常導致損傷，可采用力控開關這一控制策略。首先設定一個最大值，傳感器檢測患者與機器人之間的實際作用力，當檢測值超過預設的最大值時，控制系統將位置伺服控制方式變換到值較小的阻抗控制。如果訓練過程中檢測到異常情況，康復機器人控制系統指揮電機快速反向運動，將人機間的作用力降低，直到小于最大值進入安全模式。

圖1 被動訓練控制策略

1.2 主動訓練模式控制策略

在經過一段時間的康復訓練后，下肢的功能有所恢復，患者的平衡能力和協調控制能力得到一定提高，這一階段主要采用主動訓練模式。

當采用主動控制策略時，電機采用的是力矩控制方式（圖2）。理想情況下，患者和機器人動作完全一致時，兩者之間的作用力為零。這種情況下機器人沒有進行任何實際運動，此時可認為人獨自完成了正常步行量。該作用力既可以是輔助力也可以是阻力。當系統檢測到患者的自主運動意愿與康復機器人運動方向一致時，該作用力表現為一種輔助力，輔助患者按照預設軌跡運動；如果人的自主運動意愿與機器人運動方向相背，該作用力將阻止患者錯誤的運動意向，促使患者向正確方向運動。人機相互作用力的控制關系為：

圖2 主動訓練模式控制策略

其中，Fdes為需要的人機作用力，Kvtu為虛擬的剛度系數，Xref為機器人末端參考運動位移。

2 硬件電路總體設計

本系統采用分布式控制方式，上位機采用STM32F407 微控制器系列中的STM32F407ZGT6 作為核心控制器，主要因為該控制器處理速度快、刷屏速度高、閃存空間大，通信接口、中斷源、定時器等外設眾多，帶有DSP 和FPU 指令集，便于項目的開發[4]。下位機選用直流伺服電機驅動器SP3232EN 實現對下肢各關節的運動控制（圖3）：當健肢邁步的時候，患者抬腿的角度信號和速度信號通過光電編碼器采集，然后將采集到的數字脈沖信號轉化為模擬電壓信號傳輸給單片機；經與基準電壓信號進行比較后，若此輸入信號小于基準電壓，則經模擬輸出通道送給電機驅動器、驅動電機轉動，帶動患肢的運動，否則健肢落腿、重新邁步。

圖3 控制系統結構

3 軟件設計

下肢偏癱康復機器人在對患者進行訓練時，首先要對控制方式進行選擇，控制方式分為主動控制和被動控制兩種。在被動控制方式下，首先需要選擇訓練的功能，主要實現的功能有站立、起坐、行走和踏步，然后采集健肢的參數，根據得到的參數對患肢進行控制；在主動控制方式下，首先采集患肢狀態，然后啟動電機進行康復訓練。

系統啟動后，單片機發出的PWM 信號經過濾波電路之后成為0～5 V 的電壓信號，傳入由可控硅調速電路和光電編碼器構成的局部速度閉環控制器作為指令信號。為了滿足電機的驅動要求和提高控制精度，該調速器采用PI 校正環節。光電編碼器采集到的脈沖信號不適合直接反饋給模擬電路的調速器和單片機中斷口，因此要經過頻率電壓轉換電路和濾波去噪電路后再分別反饋給調速器和單片機的中斷口。電機旋轉角度通過單片機中的計數器累加脈沖個數計算，再根據傳動比計算出步態控制機構的位置，然后單片機通過8 位FO 將采集到的位置信號作為命令發送給下位機，進而控制機械結構的運動[5]。

4 結語

本文設計了一種適用于偏癱患者康復機器人的控制系統，微控制器采用STM32F407，文中對控制系統的硬件組成結構、控制策略與軟件理論進行了詳細的闡述。在目前腦中風、腦卒中等疾病引起偏癱人數持續增加的情況下，本設計具有積極的社會意義。鑒于系統本身的復雜性和涉及的學科較多，設計仍有很多不足之處，需要未來持續的研究和改進。