一種基于STM32單片機的手部運動機能康復訓練系統(tǒng)設計

收稿日期：2023-07-15

基金項目：2020年河北省高等學校科學研究項目（Z2020126）；2022年河北省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202210082063）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.013

摘" 要：針對腦卒中等疾病引起的手部運動機能減退以及由于長期活動不暢可能導致肌肉萎縮甚至手部功能逐步喪失問題，提出一種基于STM32單片機的手部康復訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運動輔助訓練模塊和康復訓練動作示范模塊組成。STM32處理器通過設定、保存并記錄一個訓練周期的康復示范動作全過程，并由帶高精度編碼器的直流伺服電機配合減速器完成各關節(jié)設定動作的執(zhí)行。利用所提出的從動式康復訓練方法，經過階段性訓練，可以在一定程度上保持或者增強手部各關節(jié)的運動機能，達到防止肌肉萎縮或關節(jié)功能退化等問題的產生，有效提升手部功能康復的效果。

關鍵詞：運動機能減退；手部康復；輔助訓練；動作示范；從動式康復訓練

中圖分類號：TP368" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）05-0059-05

Design of a Hand Movement Function Rehabilitation Training System Based on STM32 Single-Chip Microcomputer

LU Wei1， TAN Yingli1， WANG Wenjun2， FAN Jinhui2

（1.Shijiazhuang Medical College， Shijiazhuang" 050599， China;

2.Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang" 050018， China）

Abstract： A hand rehabilitation training system based on STM32 Single-Chip Microcomputer is proposed to address the issue of hand movement dysfunction caused by moderate stroke and the possibility of muscle atrophy or even gradual loss of hand function due to long-term poor activity. The system consists of a motion assistance training module and a rehabilitation training action demonstration module. The STM32 processor sets， saves， and records the entire process of rehabilitation demonstration actions for a training cycle， and is executed by a DC servo motor with a high-precision encoder in conjunction with a reducer to complete each joint setting action. By utilizing the proposed passive rehabilitation training method and undergoing phased training， it is possible to maintain or promote the motor function of various joints in the patient's hand to a certain extent， thereby preventing muscle atrophy or joint function degradation， and effectively improving the effectiveness of hand function rehabilitation.

Keywords： movement dysfunction; hand rehabilitation; assistance training; action demonstration; passive rehabilitation training

0" 引" 言

近年來，隨著中國經濟和社會的快速發(fā)展，中國人口結構發(fā)生了明顯的變化，開始逐漸步入老齡化社會。在老年人群體中，腦卒中等疾病的發(fā)病率非常高，且患病后由于腦卒中或其他并發(fā)癥等導致的患者手部運動功能退化、甚至手部運動機能喪失的比例也相對較大[1，2]。另一方面，隨著我國工業(yè)化進程的加快和規(guī)模擴大，由于各類交通事故、工業(yè)現(xiàn)場不規(guī)范操作等導致的肢體傷殘，尤其是手部傷殘的比例也在不斷上升。在腦卒中患者或者外部原因導致的肢體機能受損者中，手部運動機能下降或者部分功能喪失人數(shù)可觀，因此，手部康復訓練設備的市場需求也在日益增加。

對于手部康復訓練而言，手指和手腕關節(jié)的康復是手部運動機能治療和恢復過程中最關鍵的環(huán)節(jié)[3]。研發(fā)手部運動機能康復訓練設備的主要目的，就是通過有計劃的增加手部各關節(jié)單位時間的運動量、適度增加運動頻次，逐步改善和提升手指、手腕和相關肌肉的活力和耐力，在促進血液循環(huán)的同時，改善手部神經感知機能和關節(jié)、肌肉的運動機能。手指、手腕關節(jié)及手部肌肉機能的康復訓練系統(tǒng)，廣泛適用于各種疾病或外部原因導致的手指關節(jié)功能障礙患者、手部肌肉功能障礙患者、手術后上肢手指功能需康復患者等人群。因此，手部康復訓練設備在醫(yī)療機構、社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老院、康復機構等行業(yè)均有大量的社會和市場需求，并已經逐步成為普及型的理療康復產品[4，5]。

1" 系統(tǒng)總體設計方案

在手部康復訓練系統(tǒng)的總體設計上，其核心是康復訓練功能模塊，另外，系統(tǒng)還配備了康復訓練的示教手套模塊，該模塊可以配合康復訓練功能模塊，完成示教式的康復動作示范，并保存示教的參數(shù)，以供康復訓練者按照示教的過程和運動強度進行康復訓練。

1.1" 康復訓練主模塊設計

手部運動康復訓練設備的相關研究和設計較多[6-8]，在綜合考慮主要功能與技術參數(shù)的基礎上，系統(tǒng)主模塊在控制架構的設計上，進行了如下的幾個功能模塊的劃分主要包括：1）STM32F103系列單片機為系統(tǒng)的主控單元模塊；2）多路電機驅動實現(xiàn)對電機或舵機的驅動單元；3）直流伺服電機或舵機作為預設動作的執(zhí)行機構模塊；4）編碼器用于電機或舵機輸出的速度檢測；5）減速器實現(xiàn)直流伺服電機轉速輸出與關節(jié)驅動之間的速度與力矩轉換；6）供電電源模塊2個，分別實現(xiàn)主控單片機模塊供電和驅動設備供電；7）串口通信模塊和無線通信模塊，分別用于有線和無線輸入的兩種不同的人機交互接口；8）語音輸入與識別模塊，可實現(xiàn)對語音動作指令的識別與執(zhí)行；9）鍵盤及手柄輸入接口、功能設定及顯示報警模塊等，分別作為常規(guī)的參數(shù)輸入方式和信息的顯示與提示等。康復訓練的主模塊硬件架構、各功能模塊之間的物理連接關系及電路邏輯關系，如圖1所示。

圖1" 康復訓練主模塊硬件架構

在圖1中，對于手部各關節(jié)康復的運動訓練的參數(shù)設置，可以選擇語音輸入、動作示范手套輸入，或者也可以選擇鍵盤手柄輸入等多種輸入方式。系統(tǒng)提供的多種訓練參數(shù)人機交互設置方式中，用戶可以進行定制化的功能套件選配，其優(yōu)勢主要在兩方面：首先，適度選配可以在一定程度上節(jié)約和降低成本，減小系統(tǒng)輸入模式的冗余度；其次，考慮到手部康復訓練者自身的行動能力和手部運動能力受限的實際，選擇適合訓練者自身的參數(shù)設置方式，可以最大程度上提升系統(tǒng)的可用性和易用性，在產品化時有利于擴大康復訓練者的受眾范圍，從而提升產品的適用對象范圍和產品競爭力。

1.2" 康復訓練示教手套模塊設計

康復訓練動作示教手套模塊，同樣采用STM32為控制核心，結合外圍功能電路，并配合機械結構設計模塊而共同搭建組成。該模塊的功能相對獨立，可以在訓練模式設定為示教手套設定的前提下，借助示范手套捕獲手部各關節(jié)的動作實時信息，并進行運動關鍵點的記錄和保存。其中，數(shù)據(jù)信息主要包括動作幅度以及速度變化等參數(shù)，并系統(tǒng)中的有線和無線通信方式，與康復訓練主控模塊之間建立信息交互。手部各關節(jié)的信息以實時或離線通信方式，傳輸給主控模塊后，完成對訓練動作細節(jié)的關鍵參數(shù)設定，可避免由于參數(shù)設置不當導致的對患者在康復訓練過程中造成二次傷害等問題。其中的動作示教模塊硬件結構，如圖2所示。

圖2" 康復訓練示教模塊硬件架構

2" 硬件模塊設計

2.1nbsp; 主控芯片供電電路

考慮到手部康復設備的使用環(huán)境，單獨為系統(tǒng)的主控芯片以及外圍功能電路設計了獨立的供電電源，這樣可以最大限度地確保主控芯片的穩(wěn)定運行，并且使系統(tǒng)的供電電壓不受負載電機或舵機的啟停的影響，從而避免系統(tǒng)供電電源電壓出現(xiàn)大幅波動。在供電電路模塊中，MP1584是高性能的降壓開關轉換器，其開關頻率在100 kHz到1.5 MHz之間調節(jié)。在輸入電壓范圍為4.5～28 V時，其輸出的供電電壓可根據(jù)需要在規(guī)定的范圍進行調整。另外，MP1584芯片其內部自帶欠壓鎖定和熱關斷功能，能有效提高芯片的穩(wěn)定運行能力。主控模塊供電電路如圖3所示。

2.2" 伺服電機供電電路

為確保驅動關節(jié)的直流伺服電機在系統(tǒng)的運行過程中，系統(tǒng)中的直流伺服電機或者舵機等執(zhí)行機構，在運行時，尤其是電機或舵機的啟停時，其產生的電流沖擊不對主控單片機和其他關鍵芯片等供電造成波動，故采用直流伺服電機獨立供電模式。供電電壓采用了XL4015作為DC-DC降壓開關電源，在輸入端可在8～36 V的寬電壓范圍輸入，輸出電壓在1.25～

32 V之間可調。為降低實驗成本，樣機中采樣舵機代替了直流伺服電機。該電源模塊電路如圖4所示。

2.3" 主控模塊

根據(jù)手部康復設備的功能需求，選擇STM32F103C8T6單片機作為康復訓練系統(tǒng)及動作示教系統(tǒng)的控制器，其I/O接口豐富，能滿足系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)量要求。另外，STM32系列單片機具有數(shù)據(jù)處理功能強大、運行的工作頻率高的特點，能充分滿足手部康復訓練系統(tǒng)在實時性、安全性和可靠性方面的技術指標要求。主控模塊部分的硬件電路，以STM32單片機最小系統(tǒng)為核心，主要包括外部晶振、復位電路及電源上電指示等。將主控模塊與外圍的數(shù)據(jù)采集檢測以及控制電路等功能結合，能夠完全滿足系統(tǒng)的功能需求。最小系統(tǒng)電路如圖5所示。

2.4" 串口通信電路

STM32系列單片機支持USART接口傳輸數(shù)據(jù)，能夠滿足系統(tǒng)與上位機通信或其他功能模塊進行數(shù)據(jù)通信，或者利用上位機進行單片機的程序下載、上傳或調整下位機程序的參數(shù)等操作。串口通信方式屬于傳統(tǒng)的通信方式之一，其傳輸數(shù)據(jù)具有所需的接線少、數(shù)據(jù)傳輸距離長且擴展方便等優(yōu)點，因此在工業(yè)領域得到了廣泛應用。但現(xiàn)有計算機在預留的接口形式中，包括串口的品牌和型號均較少，而提供較多的是常用的是USB接口形式。因此，為了提高系統(tǒng)連接上位機進行通信的便利性，設計了數(shù)據(jù)通信轉換功能模塊，即將串口通信轉USB通信形式。USB轉串口通信電路如圖6所示。

圖6" 串口通信轉換電路

2.5" Wi-Fi無線通信模塊

為便于在設計過程中進行調試，同時提升與康復訓練動作示教模塊之間進行通信，系統(tǒng)設計了基于Wi-Fi的無線通信模塊。Wi-Fi采用芯片ESP12F為核心設計了一個完整的Wi-Fi解決方案。該芯片的Wi-Fi無線通信功能，既可以作為主機獨立運行，也可以作為從機附屬運行，服務于其他主機實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接。該芯片的外圍電路設計具有接線簡單、可靠性高等特點，并且無線通信的數(shù)據(jù)傳輸效率也可得到充分保障，提升了網(wǎng)絡通信的實時性和可靠性。Wi-Fi無線通信模塊的電路如圖7所示。

圖7" Wi-Fi無線通信電路

2.6" 關節(jié)驅動電路

手部動作主要包括五指屈伸、手腕的旋轉及屈伸，合計7個自由度，設計7個直流伺服減速電機作為驅動設備，控制手部對應關節(jié)的屈伸或旋轉運動。為了確保在康復訓練過程中的運行安全性和可靠性，通過在機械結構上增加物理限位機構，使手指或手腕關節(jié)的彎曲角度限定在規(guī)定的范圍內，提升了系統(tǒng)運行的安全性，在最大程度上避免異常情況或設置錯誤導致對使用者造成二次傷害。此外，為降低試制成本，在設計樣機實物時，選用了舵機替代直流伺服電機，提供低成本的動力驅動設計方案，而伺服電機的驅動控制方案，可作為用戶定制化的高配版本產品。選擇STM32的PWM輸出端口實現(xiàn)對舵機或直流伺服電機的轉速驅動單元，通過定時器結合PWM輸出實現(xiàn)控制舵機的轉速的目的[9]。驅動電路如圖8所示。

圖8" 舵機驅動電路

3" 軟件程序設計

3.1" 主控模塊程序設計

主程序將手部各關節(jié)的基本動作控制與數(shù)據(jù)獲取等操作，均設定在循環(huán)流程中，通過讀取標志寄存器中的控制方式標志位，根據(jù)條件判斷并選擇使用何種外部參數(shù)讀取和系統(tǒng)參數(shù)的設定方式。在選擇外部參數(shù)設定方式的前提下，對應的外部指令根據(jù)條件調用舵機運動控制子程序，實現(xiàn)按預定的設定方式進行各關節(jié)動作的邏輯控制。主程序流程圖如圖9所示。

圖9" 主控模塊程序流程圖

3.2" 無線通信程序設計

無線通信用于主控模塊與示教模塊或者上位機之間進行數(shù)據(jù)信息的通信等功能，主要目的是確保信息能夠在主模塊與其他模塊或上位機之間進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。其中，設計的語音識別模塊[10]，可依據(jù)語音執(zhí)行指定的康復訓練基本動作。無線通信程序的流程圖如圖10所示。

圖10" 無線通信程序流程圖

3.3" 舵機驅動控制程序

舵機的驅動控制程序主要是通過STM32單片機的GPIO信號輸出端口進行多路的PWM波形輸出控制。舵機的動作控制與系統(tǒng)定時器相結合，通過高低電平保持時間計算后，在輸出端口得到所需的PWM輸出波形，從而實現(xiàn)對舵機的旋轉角度和速度進行控制。其中對舵機的控制程序流程，如圖11所示。

圖11" 伺服電機程序控制流程圖

3.4" 系統(tǒng)功能驗證

根據(jù)手部康復訓練系統(tǒng)的功能設計要求，完成了樣機基礎功能的設計，如圖12所示。在設計的樣機平臺上，對手部康復的所有設計功能均在平臺上進行了驗證。設計的康復訓練主控模塊、康復訓練示教手套模塊功能，以及有線和無線通信功能等，也均在平臺上進行了逐一驗證。在樣機上，使用者能夠通過選擇采用同步示教手套的訓練模式，或選擇提前存入的示教動作模式，進行手部關節(jié)動作的康復訓練參數(shù)設定，康復訓練的控制精度等各項性能和技術參數(shù)等均達到了預期的設計要求。上述的實驗結果表明，所提的結構和功能設計均能夠滿足用戶的手部康復訓練實際需求，康復訓練效果良好。

圖12" 基礎功能樣機外形

4" 結" 論

設計了一種基于STM32系列單片機的手部康復訓練系統(tǒng)，能夠選擇通過預先設定動作參數(shù)、示教動作預先錄入或者實時同步示教與訓練三種不同的康復訓練的參數(shù)設置方式，實現(xiàn)對各種原因造成的手部運動機能下降人群實施有效的康復訓練。最后，設計了能夠滿足康復訓練的精度和可靠性要求的樣機，進行了設計功能的驗證。實驗結果進一步表明，所設計的手部康復訓練系統(tǒng)性價比較高，且能夠滿足用戶的康復訓練需求，在一定程度上縮短手部康復運動訓練的周期，有效提升康復訓練效果。

參考文獻：

[1] 滕麗婷，謝小華，曹思敏，等.老年腦卒中病人失能影響因素的研究進展 [J].循證護理，2023，9（10）：1809-1813.

[2] 童曉軒，周艷，賈獻福，等.職業(yè)康復技能訓練對腦卒中后就業(yè)年齡段肢體殘疾患者的治療效果分析 [J].按摩與康復醫(yī)學，2020，11（13）：38-40+35.

[3] 紅梅.肢體殘疾患者的康復護理訓練研究 [J].世界最新醫(yī)學信息文摘，2016，16（76）：236.

[4] 鄭穌鵬.適老企業(yè)創(chuàng)新機會形成與創(chuàng)新影響機理研究 [D].大連：大連理工大學，2021.

[5] 王開放，曹慧，邢蒙蒙，等.康復外骨骼機器人在肢體康復中的應用進展 [J].機械傳動，2022，46（4）：10-21.

[6] 徐文超，沈雪，張峰，等.一種可拆卸式手功能康復訓練器的設計 [J].醫(yī)療裝備，2022，35（9）：29-32.

[7] 戴歡，李嘉濠，楊圣奧，等.手部康復訓練示教手套的設計與實現(xiàn) [J].工業(yè)控制計算機，2021，34（10）：38-40.

[8] 葛偉，宋愛國，賴健偉.具有手指外展輔助功能的康復機器人系統(tǒng) [J].測控技術，2023，42（4）：75-81.

[9] 楊蒙蒙，鄧三星，李帥，等.基于STM32單片機的雙足競走機器人設計 [J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2022，12（5）：123-126.

[10] 吳云龍，程武山.基于STM32的語音識別機械手智能系統(tǒng)設計 [J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2020，20（1）：37-41.

作者簡介：陸薇（1979.07—），女，漢族，河北定州人，副教授，本科，研究方向：智能康復醫(yī)療與醫(yī)學影像設備。