智能多姿態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制系統(tǒng)研究

孟利國，喻洪流，孟巧玲，朱文杰

（1.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所；2.上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心；3.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

0 引言

《2019 年中國卒中防治報(bào)告》中指出，根據(jù)“腦卒中高危人群篩查和干預(yù)項(xiàng)目”數(shù)據(jù)顯示，我國40 歲以上人群現(xiàn)患和曾患卒中人數(shù)約為1 318 萬［1］。腦卒中是嚴(yán)重危害中國國民健康的重大慢性疾病，是我國成人致死、致殘的首位病因，具備高發(fā)病率、高致殘率的特點(diǎn)。患者會(huì)留下不同程度的后遺癥，如偏癱、截癱等，而其中以下肢功能障礙發(fā)生的幾率最高。傳統(tǒng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練依靠康復(fù)治療師一對(duì)一地對(duì)患者進(jìn)行指導(dǎo)訓(xùn)練，隨著患者數(shù)量逐漸增多，導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員嚴(yán)重短缺，從而促進(jìn)了下肢康復(fù)訓(xùn)練器的發(fā)展［2-5］。目前下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼機(jī)器人是國內(nèi)外康復(fù)工程的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，但是針對(duì)輪椅式下肢康復(fù)設(shè)備的研究相對(duì)較少。Beomsoo 等［6］提出一種基于輪椅的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電動(dòng)輪椅模塊、身體支撐模塊及下肢外骨骼模塊組成，其中下肢外骨骼模塊包含左右對(duì)稱的機(jī)械腿結(jié)構(gòu)，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備體積較大，并不適合居家使用；黃高等［7］以腳蹬車運(yùn)動(dòng)作為康復(fù)訓(xùn)練策略，將下肢外骨骼與輪椅有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款腳踏式外骨骼康復(fù)輪椅，該輪椅可設(shè)定下肢康復(fù)訓(xùn)練軌跡，保證使用者的安全，在幫助腦卒中患者和老年人保持或恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)能力的同時(shí)，也為其提供了一種便捷的代步工具。

綜合比較現(xiàn)有各類下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，本文結(jié)合傳統(tǒng)輪椅與下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于輪椅的智能多姿態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)輪椅的移動(dòng)、站立和平躺功能，又能幫助患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練；既滿足了老年人和下肢功能障礙患者的日常生活需求，又解決了下肢訓(xùn)練設(shè)備龐大、不便移動(dòng)導(dǎo)致患者無法持續(xù)訓(xùn)練的問題；同時(shí)可預(yù)防身體機(jī)能退化及褥瘡的產(chǎn)生［8］。最后，通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試，證明了該控制系統(tǒng)的可行性與可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

多姿態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備主要包括輪椅模塊和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊兩部分。輪椅模塊可實(shí)現(xiàn)“坐—立—臥”3 種姿態(tài)的變換，主要結(jié)構(gòu)包括車架、椅座、靠背、連接件及推桿電機(jī)；下肢訓(xùn)練模塊能夠帶動(dòng)患者下肢進(jìn)行雙腿獨(dú)立的膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)訓(xùn)練，主要結(jié)構(gòu)包括腿托、腿部延伸機(jī)構(gòu)、踏板、護(hù)腿及推桿電機(jī)［9-10］。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 The overall structure diagram of wheelchair lower limb rehabilitation training equipment圖1 輪椅式下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)

智能多姿態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的核心，承載著輪椅的所有運(yùn)行動(dòng)作，包括輪椅的行駛，以及坐姿、站立、平躺之間的姿態(tài)轉(zhuǎn)換，并能實(shí)現(xiàn)各種模式的下肢康復(fù)訓(xùn)練?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)主要由人機(jī)交互模塊、微控制器（MicroController Unit，MCU）模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、姿態(tài)變換和下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊等組成。人機(jī)交互模塊有3 種交互方式，其中搖桿按鍵和語音控制采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給MCU 模塊，手機(jī)APP 則通過藍(lán)牙/WiFi 與MCU 進(jìn)行通信。同樣的，MCU 主控制器通過RS-485 通信協(xié)議將指令信號(hào)傳輸給各驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)處理器，各驅(qū)動(dòng)模塊配合信號(hào)處理器控制各執(zhí)行電機(jī)，實(shí)現(xiàn)輪椅運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)變換，并結(jié)合壓力傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練的功能［11-12］。

Fig.2 Control system overall design圖2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

2.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊是人與設(shè)備進(jìn)行信息傳遞與交流的橋梁，隨著科技的進(jìn)步和不同人群需求的增加，單一的交互方式已不能完全滿足人們的需求［13］。為了使用戶更好、更方便地獨(dú)立操作該智能多姿態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，系統(tǒng)不僅采用了傳統(tǒng)的搖桿、按鍵，也增加了語音控制和手機(jī)APP 的交互方式［14］。

2.1.1 搖桿與按鍵

搖桿作為傳統(tǒng)輪椅的輸入信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的操控，按鍵則實(shí)現(xiàn)對(duì)輪椅開關(guān)和姿態(tài)、下肢康復(fù)訓(xùn)練模式的選擇。系統(tǒng)采用霍爾效應(yīng)式操縱桿，根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理，通過改變搖桿位置，從而改變搖桿輸出的電壓。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)搖桿模型進(jìn)行簡化與優(yōu)化，如圖3 所示。其中，D 為搖桿當(dāng)前位置，l為行程，θ為搖桿與x軸的夾角。將水平與垂直方向鄰近的虛線范圍內(nèi)也近似認(rèn)為是水平與垂直方向，以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。

Fig.3 Simple optimization model for joystick圖3 搖桿簡易優(yōu)化模型

2.1.2 語音控制

語音交互作為一種簡便的智能人機(jī)交互方式，能夠較大程度解放使用者的雙手，使操作變得更容易。該系統(tǒng)使用SYN7318 語音交互模塊實(shí)現(xiàn)語音控制輪椅的姿態(tài)變換（站立、平躺、坐姿），以及康復(fù)訓(xùn)練（減重訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練、被動(dòng)訓(xùn)練）相關(guān)操作。SYN7318 模塊是一個(gè)高度集成的語音交互模塊，其集成了語音識(shí)別、語音合成和語音喚醒3大功能模塊。該語音模塊通過串口通訊方式接收命令幀，實(shí)現(xiàn)文本到語音、語音到文本的轉(zhuǎn)換。在語音識(shí)別方面，該模塊可支持近萬條詞條的語音識(shí)別，并支持識(shí)別詞條分類，能夠?qū)崿F(xiàn)詞語解析，并具備反饋能力。如圖4 所示的語音識(shí)別系統(tǒng)包括：控制器模塊、SYN7318 模塊、功放模塊、喇叭、麥克風(fēng)。用戶在使用語音識(shí)別或語音喚醒功能時(shí)，MCU 發(fā)送啟動(dòng)語音識(shí)別或語音喚醒功能的命令給語音模塊，模塊將從麥克風(fēng)采集的語音數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的識(shí)別模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的識(shí)別結(jié)果，通過UART 接口回傳給控制器［15-17］。

Fig.4 Speech recognition system structure圖4 語音識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.3 手機(jī)APP

手機(jī)是目前人們普遍使用的移動(dòng)通訊設(shè)備。該系統(tǒng)配備藍(lán)牙和WiFi 兩種2.4G 頻段無線設(shè)備，手機(jī)可通過這兩種無線設(shè)備連接MCU，然后通過APP 或網(wǎng)頁系統(tǒng)發(fā)送指令，調(diào)試、操作設(shè)備，并實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

輪椅最基本的功能是行駛功能，因此運(yùn)動(dòng)控制模塊是整個(gè)輪椅控制系統(tǒng)中必不可少的控制模塊。協(xié)調(diào)控制輪椅的左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)是行駛控制模塊的核心，通過分解控制指令并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解算，從而控制左右驅(qū)動(dòng)輪的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)速度，使輪椅的整體運(yùn)動(dòng)滿足前向速度等于ν，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度等于ω［18-19］。

Fig.5 Schematic diagram of motion solution圖5 運(yùn)動(dòng)解算示意圖

2.3 姿態(tài)變換與下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊

姿態(tài)控制及下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊負(fù)責(zé)控制輪椅坐姿、站姿與平躺的姿態(tài)變換及下肢康復(fù)訓(xùn)練功能，可歸結(jié)為如何協(xié)調(diào)控制5 個(gè)直線電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)的問題。其主要由控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線電機(jī)組成。姿態(tài)轉(zhuǎn)換及下肢康復(fù)訓(xùn)練控制模塊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。5 個(gè)直線電機(jī)推桿分別控制靠背、坐墊、左右小腿與支撐橫梁，通過控制各電機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可進(jìn)行姿態(tài)轉(zhuǎn)換和下肢康復(fù)訓(xùn)練［20］。

Fig.6 The structure of the control module of attitude conversion and lower limb rehabilitation training圖6 姿態(tài)轉(zhuǎn)換及下肢康復(fù)訓(xùn)練控制模塊結(jié)構(gòu)

姿態(tài)控制模塊主要受主控模塊控制，姿態(tài)控制器獲取控制信號(hào)后，控制相應(yīng)電機(jī)做出正確的動(dòng)作。本系統(tǒng)主要利用單片機(jī)定時(shí)器輸出PWM 波，PWM 波作用在相應(yīng)邏輯電路，通過驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作。對(duì)于一個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和開始、停止，一共需要控制主芯片串口產(chǎn)生2個(gè)信號(hào)，其中一個(gè)串口的信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，另一個(gè)串口的信號(hào)控制電機(jī)開始和停止以及電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度。電路原理圖如圖7 所示。

Fig.7 Schematic diagram of logic circuit of linear push rod motor圖7 直線推桿電機(jī)邏輯電路原理

邏輯電路輸入輸出關(guān)系如表1 所示。

Table 1 Logic circuit input and output relation表1 邏輯電路輸入輸出關(guān)系

根據(jù)電路仿真和表1 可以看出，當(dāng)PWM 波無輸入時(shí)，不管DIR 方向信號(hào)如何變化，電機(jī)都不會(huì)進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)PWM 波有輸入時(shí)，IN1 輸出信號(hào)隨DIR 方向信號(hào)輸入的改變而變化。其中需要注意的是，當(dāng)IN1_1 為1 時(shí)，IN1_2 肯定不為1，當(dāng)IN1_1 為0 時(shí)，IN1_2 肯定不為0，即IN1_1 與IN1_2 狀態(tài)相反。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)按下主控面板上的電源按鍵時(shí)，系統(tǒng)上電，開始對(duì)按鍵、LED 燈、蜂鳴器、語音識(shí)別芯片、WiFi、藍(lán)牙模塊、RS-485 通信模塊等進(jìn)行初始化，并拉高電源鎖死引腳將電源模塊的輸出鎖死。檢測搖桿是否處于中心位置及電池電量，通過RS-485 通信協(xié)議喚醒子模塊并判斷各個(gè)模塊是否工作正常。當(dāng)所有模塊正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)處于行駛模式，等待上位機(jī)或控制面板上的指令并作出相應(yīng)處理［21］。主控制器軟件設(shè)計(jì)流程如圖8 所示。

在主函數(shù)main 中，根據(jù)當(dāng)前模式作出相應(yīng)處理，在各個(gè)模式下主控制器程序運(yùn)行流程如下：

（1）當(dāng)前處于行駛模式時(shí)，主控制器實(shí)時(shí)采集操作桿信號(hào)，將其與速度檔位一起通過RS-485 通信協(xié)議發(fā)送給行駛控制模塊，并接收反饋回來的輪椅左右輪速度參數(shù)。

（2）當(dāng)前處于姿態(tài)轉(zhuǎn)換模式時(shí)，啟動(dòng)語音識(shí)別模塊，并實(shí)時(shí)監(jiān)測是否有語音信號(hào)輸入。此外，需要實(shí)時(shí)監(jiān)聽來自平板電腦的指令，以及按鍵、搖桿的狀態(tài)。當(dāng)姿態(tài)變換標(biāo)志位被置位時(shí)，通過RS-485 通信協(xié)議向姿態(tài)控制模塊發(fā)送姿態(tài)信號(hào)。

（3）當(dāng)前處于訓(xùn)練模式時(shí)，同時(shí)告訴姿態(tài)控制器和傳感器模塊當(dāng)前處于什么訓(xùn)練模式。如果是平衡訓(xùn)練，需要將姿態(tài)調(diào)整為站立，由傳感器模塊將采集的壓力傳感器信號(hào)發(fā)送給主控制器，并通過藍(lán)牙發(fā)送到上位機(jī)，如手機(jī)、平板等。

本系統(tǒng)在上電時(shí)默認(rèn)進(jìn)入行駛控制模式，在該模式下，為了保證系統(tǒng)的安全性，只給手機(jī)、平板和按鍵切換模式的權(quán)限，也即只能用手機(jī)、平板和按鍵從行駛模式切換至姿態(tài)轉(zhuǎn)換模式與訓(xùn)練模式，而其它模式之間可用按鍵、語音、手機(jī)與平板進(jìn)行自由切換。這種控制權(quán)限的管理，既保證了安全性，又能為用戶提供多種人機(jī)交互接口，方便患者完成各種操作。

Fig.8 Software design flow chart of master controller圖8 主控制器軟件設(shè)計(jì)流程

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 搖桿按鍵控制實(shí)驗(yàn)

利用控制面板上的按鍵、搖桿控制輪椅姿態(tài)。與普通輪椅一樣，該設(shè)備提供按鍵和搖桿的操作接口。按鍵操作步驟如下：按下電源開關(guān)按鍵，系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入行駛模式；按下菜單鍵進(jìn)入姿態(tài)轉(zhuǎn)換模式，通過搖桿左右擺動(dòng)調(diào)至所需姿態(tài)；搖桿向前推表示開始變換姿態(tài)，搖桿向后拉表示停止變換。

4.2 語音控制實(shí)驗(yàn)

利用語音控制輪椅進(jìn)行姿態(tài)變換。本文設(shè)計(jì)的多模態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練輪椅自帶語音識(shí)別模塊，用戶可通過語音指令控制輪椅的姿態(tài)變換。語音指令與姿態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

4.3 手機(jī)平板控制實(shí)驗(yàn)

通過平板電腦或手機(jī)等移動(dòng)終端上的APP 控制輪椅姿態(tài)。分別點(diǎn)擊“坐起”、“站立”及“平躺”3 個(gè)圖標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)3 種姿態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，點(diǎn)擊“暫停”圖標(biāo)可停止姿態(tài)變換。

Table 2 The corresponding relationship between voice command and the attitude of wheelchairs表2 語音指令與輪椅姿態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過以上3 種方式控制輪椅姿態(tài)，輪椅姿態(tài)變換過程如圖9 所示。

Fig.9 Wheelchair posture change control圖9 輪椅各姿態(tài)變換控制

對(duì)每種控制方式進(jìn)行100 次實(shí)驗(yàn)，其中對(duì)于語音控制方式在安靜環(huán)境（40dB 以下）和嘈雜環(huán)境（50dB 以上）下分別進(jìn)行100 次實(shí)驗(yàn)，并記錄其成功率，具體如表3 所示。

Table 3 Attitude change success rate under different control modes表3 不同控制方式下姿態(tài)變換成功率 單位：%

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，按鍵搖桿控制方式成功率最高，平板電腦APP 其次，語音識(shí)別成功率最低，但是按鍵搖桿的操作步驟比較復(fù)雜，不便于老年人操作。作為三者中最方便的一種人機(jī)交互方式，語音識(shí)別方式雖然識(shí)別率最低，但在安靜的居家環(huán)境中也能達(dá)到92.5%。手機(jī)平板APP 不僅識(shí)別成功率較高，而且具有可視化效果，還能為進(jìn)一步完善相關(guān)功能提供開發(fā)平臺(tái)。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于輪椅的智能多姿態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備控制系統(tǒng)，綜合比較現(xiàn)有各類下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合傳統(tǒng)輪椅與下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)控制、姿態(tài)變換及下肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制模塊通過對(duì)搖桿信號(hào)的采集、分析及運(yùn)動(dòng)解算，實(shí)現(xiàn)了使用者使用輪椅進(jìn)行自主移動(dòng)的需求；姿態(tài)變換及下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊通過對(duì)邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路的合理設(shè)計(jì)，以及對(duì)直流推桿電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與方向的正確配置，實(shí)現(xiàn)了使用者自主進(jìn)行姿態(tài)變換及下肢康復(fù)訓(xùn)練；人機(jī)交互模塊除采用常見的輪椅搖桿按鍵控制外，還設(shè)計(jì)了語音交互與手機(jī)平板APP 交互模塊，以方便使用者對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作?；谳喴蔚闹悄芏嘧藨B(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，從使用者角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使患者自主移動(dòng)和居家進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練成為可能。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，能有效實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，但還需作進(jìn)一步完善。