一種模塊化的腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)與仿真

石文韜，孟青云，喻洪流，郭 帥

（1.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所；2.上海健康醫(yī)學(xué)院；3.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心；4.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；5.上海大學(xué)—上海機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，上海 200093）

0 引言

腦卒中又稱為腦中風(fēng)，是一種在中老年人群中常見的多發(fā)癥，具有發(fā)病率、致殘率高的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致患者發(fā)生偏癱，出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能障礙和認(rèn)知功能障礙等，其中上肢功能障礙患者占大多數(shù)。從2000 年起，我國進(jìn)入老齡化社會(huì)行列，60 歲、65 歲及以上人口分別占總?cè)丝诘?0.46% 和6.96%，這兩個(gè)數(shù)字在2010 年人口普查時(shí)上升為13.26%和8.87%，并在2015 年1%的人口抽樣調(diào)查中進(jìn)一步上升至16.15%和10.47%。根據(jù)預(yù)測(cè)，中國老年人總數(shù)在2025 年將超過3 億人，2033 年將達(dá)到4 億人［1-2］。近年來，我國腦卒中患者數(shù)量不斷攀升，每年新發(fā)腦卒中病例的增速達(dá)到8.7%，但是目前我國公立醫(yī)院的康復(fù)醫(yī)學(xué)執(zhí)業(yè)醫(yī)師僅占整體執(zhí)業(yè)醫(yī)師的0.8%［3］。

1 腕部康復(fù)訓(xùn)練器研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的出現(xiàn)在一定程度上緩解了當(dāng)前康復(fù)醫(yī)師資源不足的問題。根據(jù)已有資料顯示，一般的腕部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備主要分為兩種：一種是單獨(dú)用于腕部的康復(fù)訓(xùn)練裝置，這種設(shè)備具有很強(qiáng)的針對(duì)性，針對(duì)單一的腕部關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，但是無法進(jìn)行上肢的綜合訓(xùn)練。研究發(fā)現(xiàn)，由腦卒中等心腦血管疾病引發(fā)運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者一般會(huì)伴隨一定程度的上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，對(duì)患者進(jìn)行上肢的綜合訓(xùn)練可幫助患者縮短康復(fù)時(shí)間；另一種是集成在上肢康復(fù)機(jī)械臂末端的腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)一般用于配合上肢的綜合康復(fù)訓(xùn)練，但是針對(duì)腕部的康復(fù)訓(xùn)練，一般都設(shè)計(jì)為主動(dòng)訓(xùn)練模式或自由度較少的被動(dòng)訓(xùn)練模式，且整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。臨床研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜、龐大的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)康復(fù)訓(xùn)練患者造成一定的心理壓力，不利于患者的恢復(fù)進(jìn)程。近年來，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人逐漸朝輕便化、小型化、家庭化方向發(fā)展［4］。

1.1 單獨(dú)用于腕部的康復(fù)訓(xùn)練裝置研究現(xiàn)狀

通常情況下，腕部康復(fù)機(jī)器人包含主動(dòng)訓(xùn)練和被動(dòng)訓(xùn)練兩種訓(xùn)練模式，其中被動(dòng)訓(xùn)練模式由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患者腕部進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，適用于肌無力和肌肉力量微弱的患者。主動(dòng)訓(xùn)練模式適用于有一定肌力的患者進(jìn)行腕部康復(fù)訓(xùn)練，在該模式下，患者可根據(jù)自己的意圖完成一些比較復(fù)雜的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，有助于縮短患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間。因此，大部分腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)都采用主/被動(dòng)混合的康復(fù)訓(xùn)練模式。

圖1 為近年來腕部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的部分研究成果，A是由意大利比薩圣安娜大學(xué)研發(fā)的WRES 腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，B 是由美國明尼蘇達(dá)大學(xué)研發(fā)的Wrist robotic Device（WD）腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，C 是由美國舊金山州立大學(xué)研發(fā)的Wrist Gimbal（WG）腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［5］，D、F 均是由美國萊斯大學(xué)研發(fā)的Open Wrist（OW）和Rice Wrist-S（RW-S）腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［6-7］，E 是由南非大學(xué)研發(fā)的R W-P 腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［8］。

Fig.1 Research results in related fields圖1 相關(guān)領(lǐng)域研究成果

在單獨(dú)用于腕部康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備中，近年來的研究中均已實(shí)現(xiàn)了腕部3 自由度的主/被動(dòng)訓(xùn)練，但各設(shè)備在腕部訓(xùn)練中能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)角度范圍有所差異，部分設(shè)備甚至不能滿足正常人腕部所能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)角度范圍。表1 對(duì)幾種腕部訓(xùn)練設(shè)備性能進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析。

Table 1 Performance comparison of wrist rehabilitation training equipment表1 腕部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備性能比較

通過各種設(shè)備之間的比較，發(fā)現(xiàn)大部分腕部訓(xùn)練設(shè)備只能單獨(dú)用于腕關(guān)節(jié)訓(xùn)練。OW 腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人采用半開闊式設(shè)計(jì)，可結(jié)合部分手部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備對(duì)手腕進(jìn)行綜合訓(xùn)練；WRES 采用繩驅(qū)懸梁結(jié)構(gòu)及單側(cè)支撐的設(shè)計(jì)方式，可與部分上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械臂相結(jié)合進(jìn)行綜合訓(xùn)練，但該結(jié)構(gòu)采用的將電機(jī)設(shè)置在懸臂末端的方式會(huì)對(duì)機(jī)械臂造成較大的承重負(fù)擔(dān)，而且環(huán)形滑軌也會(huì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)顯得臃腫。盡管如此，越來越多跡象表明訓(xùn)練方式開始從傳統(tǒng)的單關(guān)節(jié)訓(xùn)練轉(zhuǎn)向多關(guān)節(jié)綜合型訓(xùn)練，康復(fù)設(shè)備也從傳統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向模塊化設(shè)計(jì)。

1.2 集成在機(jī)械臂上的腕部康復(fù)訓(xùn)練裝置研究現(xiàn)狀

上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的出現(xiàn)逐漸替代了康復(fù)醫(yī)師的部分工作，減輕了醫(yī)師負(fù)擔(dān)，在一定程度緩解了康復(fù)資源不足的問題。在早期對(duì)上肢康復(fù)領(lǐng)域的研究中主要針對(duì)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的4 個(gè)自由度進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，對(duì)于腕部的康復(fù)訓(xùn)練通常采用簡(jiǎn)單的1 個(gè)自由度進(jìn)行訓(xùn)練，或者直接忽略腕部的康復(fù)訓(xùn)練。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)構(gòu)末端逐漸增加了腕關(guān)節(jié)相關(guān)訓(xùn)練設(shè)計(jì)，單一自由度的主動(dòng)訓(xùn)練也逐漸被電機(jī)驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)訓(xùn)練所替代，上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究人員也越來越重視對(duì)腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的研究。

圖2 為近年來上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人相關(guān)研究的部分成果，其中A、B、C 為美國天主教大學(xué)研發(fā)的ARMin 系列［9-11］，D 是由美國華盛頓大學(xué)研發(fā)的CADEN-7 上肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼［12-13］，E 是由美國西北大學(xué)研發(fā)的IntelliArm 上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［14］，F(xiàn) 是由加拿大麥吉爾大學(xué)研發(fā)的MARES-5 上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人［15］。

上肢康復(fù)機(jī)器人通常具有自由度多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，具有7 自由度的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人通常包括肩部3個(gè)自由度和腕關(guān)節(jié)3 個(gè)自由度，且3 個(gè)自由度匯聚在人體同一關(guān)節(jié)處。肩關(guān)節(jié)靠近訓(xùn)練升降臺(tái)，其大部分重量直接作用于升降臺(tái)，肩部訓(xùn)練機(jī)構(gòu)及重量對(duì)機(jī)械臂的整體影響最小，但腕部3 自由度的訓(xùn)練機(jī)構(gòu)大小和重量會(huì)對(duì)整條機(jī)械臂產(chǎn)生很大影響，特別是上肢的前屈/后伸動(dòng)作。腕部機(jī)構(gòu)重量會(huì)對(duì)肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)位置產(chǎn)生巨大的扭矩，嚴(yán)重的甚至?xí)?duì)機(jī)構(gòu)造成破壞。目前上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人通常采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，近年來上肢康復(fù)機(jī)械臂末端逐漸增加了腕關(guān)節(jié)被動(dòng)訓(xùn)練，其目的也是為了更好地促進(jìn)病人恢復(fù)健康。綜上幾種上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，可帶動(dòng)人手腕進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練的腕部結(jié)構(gòu)一般比較龐大，且十分沉重，需要依靠龐大的機(jī)械臂支撐，而且部分機(jī)器人腕部采用主動(dòng)訓(xùn)練的方式，這種訓(xùn)練方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，但只適用于手部具有一定肌力的患者使用，對(duì)肌無力或肌力較為微弱的患者沒有康復(fù)效果。因此，在上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械臂末端增加腕部被動(dòng)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)對(duì)患者恢復(fù)健康可具有一定的促進(jìn)作用，簡(jiǎn)化腕部機(jī)構(gòu)及縮減機(jī)構(gòu)重量將會(huì)是未來腕部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)的重點(diǎn)。

Fig.2 Performance comparison of wrist rehabilitation training equipment圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人相關(guān)研究成果

2 腕部康復(fù)訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 是該腕部康復(fù)訓(xùn)練裝置的三維模型，機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)了2 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，通過2 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的配合，以滿足腕部3 個(gè)自由度的康復(fù)訓(xùn)練要求，采用繩驅(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)后置，不但減輕了機(jī)構(gòu)末端重量，而且可有效避免出現(xiàn)外形笨重的情況，整體顯得更加協(xié)調(diào)、緊湊及實(shí)用。

Fig.3 Wrist rehabilitation trainer model圖3 腕部康復(fù)訓(xùn)練器模型

2.1 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)特性分析

腕部作為人體上肢執(zhí)行末端的連接點(diǎn)，腕關(guān)節(jié)的健康與靈活對(duì)于提高人們生活質(zhì)量具有十分重要的意義。腕關(guān)節(jié)由橈腕關(guān)節(jié)、腕骨間關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)組成，其中橈腕關(guān)節(jié)是典型的橢圓關(guān)節(jié)，可以繞兩個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，完成掌屈/背屈（FE）、尺屈/橈屈（AA）以及內(nèi)旋/外旋（PS）的腕部動(dòng)作［16］。腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人主要針對(duì)腕部的3 個(gè)自由度進(jìn)行訓(xùn)練，在腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人分析中，定義腕部3 個(gè)自由度如圖4 所示。

Fig.4 Schematic diagram of three degrees of freedom of the wrist圖4 腕部3 個(gè)自由度示意圖

腕部康復(fù)訓(xùn)練器機(jī)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

Fig.5 Wrist rehabilitation trainer mechanism圖5 腕部康復(fù)訓(xùn)練器機(jī)構(gòu)

2.2 腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置模塊化設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6 所示。

Fig.6 Transmission mechanism圖6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

以上的機(jī)構(gòu)原理圖闡明了機(jī)械傳動(dòng)原理，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型闡明了電機(jī)及傳動(dòng)單元的位置關(guān)系。綜合兩圖來看，電機(jī)M2通過繩s21和繩s22傳遞至以q3為旋轉(zhuǎn)軸心的線輪盤，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)做腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸或尺屈/橈屈動(dòng)作。電機(jī)輸出角速度ω（rad/s）與腕關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度θ（rad）之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可表示為：ω2R2t=θ3r3，其中θ3的角度變化范圍為掌屈/背伸：-45°/+45°，尺屈/橈屈：-30°/+30°。進(jìn)一步地，為消除繩驅(qū)前一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)后面關(guān)節(jié)產(chǎn)生的影響，保持手柄在動(dòng)作過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，需要電機(jī)M1對(duì)此作出運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償方向與M2電機(jī)輸出線輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致（見圖6（a））。補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系為：ω1R1t=θ3r1，修正后的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可表示為：

電機(jī)M1單獨(dú)作用可控制腕部?jī)?nèi)旋/外旋動(dòng)作，電機(jī)輸出角速度ω（rad/s）與腕關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度θ（rad）之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可表示為：ω2R2t=θ3r3，其中θ3的角度變化范圍為內(nèi)旋/外旋：-85°/+85°（“+”、“-”表示正向反向）。

腕部機(jī)構(gòu)的通用連接主要包括腕部康復(fù)訓(xùn)練裝置與上肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的連接以及手部康復(fù)設(shè)備的連接。圖7為5 種應(yīng)用場(chǎng)景，其中A、B 場(chǎng)景為腕部康復(fù)訓(xùn)練裝置結(jié)合手部電刺激在上肢外骨骼及電動(dòng)輪椅方面的應(yīng)用，C 為單獨(dú)腕部康復(fù)訓(xùn)練場(chǎng)景，D 為腕部康復(fù)訓(xùn)練裝置在中央驅(qū)動(dòng)上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械臂末端的應(yīng)用，E 為腕部康復(fù)訓(xùn)練裝置與手部訓(xùn)練設(shè)備相結(jié)合對(duì)整個(gè)前臂進(jìn)行綜合訓(xùn)練的場(chǎng)景。

Fig.7 Common interface application scenarios圖7 通用接口應(yīng)用場(chǎng)景

3 腕部康復(fù)訓(xùn)練器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可分離式腕部三自由度訓(xùn)練機(jī)器人整體硬件電路設(shè)計(jì)包含電源模塊、主控制器模塊與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊［17］。各個(gè)模塊之間分工與合作如圖8 所示。

Fig.8 The overall framework of the control system圖8 控制系統(tǒng)整體框架

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向功能，但由于單片機(jī)的IO帶負(fù)載能力較弱，而直流電機(jī)是大電流感性負(fù)載，需要功率放大器。TB6612FNG 具有大電流MOSFET-H 橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 個(gè)電機(jī)。相比較為熟悉的L298N，該驅(qū)動(dòng)器無需外加散熱片，且外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接電源濾波電容即可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，有利于減小系統(tǒng)尺寸［18］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理如圖9 所示。

Fig.9 Motor drive principle圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

其中，VM 引腳直接接24V 電池，VCC 內(nèi)部供電，一般為3.3V 或5V 均可，模塊的3 個(gè)GND 只需接1 個(gè)即可，STBY引腳置于高電平即能正常工作。

圖9 中紅色區(qū)域控制電機(jī)A，藍(lán)色電機(jī)區(qū)域控制電機(jī)B，這里只介紹其中的A 路電機(jī)控制。B 路電機(jī)控制方法相同，A01 和A02 分別接電機(jī)正極和負(fù)極，通過PWM、AIN2、AIN1 引腳控制電機(jī)。其中，PWM 接單片機(jī)定時(shí)器的PWM引腳，通過改變占空比調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)真值表如表2所示。

Table 2 Truth table表2 真值表

3.3 藍(lán)牙模塊硬件電路設(shè)計(jì)

本文選用HC-05 的藍(lán)牙串口通信模塊，該模塊的無限工作頻段為2.4GHz ISM，最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度為-85dBm，可實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)接收信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)10m 距離通信。藍(lán)牙模塊原理如圖10 所示。

Fig.10 Bluetooth module principle圖10 藍(lán)牙模塊原理

3.4 腕部康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人體腕關(guān)節(jié)包含3 個(gè)自由度，且自由度之間可以單獨(dú)活動(dòng)。因此，本文采用單獨(dú)的按鍵控制腕關(guān)節(jié)的1 個(gè)自由度訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)以簡(jiǎn)單的控制方式實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練要求［19］。

Fig.11 Training mode program framework圖11 訓(xùn)練模式程序框架

3.4.1 腕部掌屈/背屈模式程序設(shè)計(jì)

首先在上電之后，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行初始化，運(yùn)動(dòng)通過直接按鍵或上位機(jī)按鍵選擇電機(jī)處于腕關(guān)節(jié)屈伸模式訓(xùn)練狀態(tài)，并設(shè)置電機(jī)A、B 的參數(shù)；接著給定電機(jī)A、B運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置，啟動(dòng)電機(jī)；電機(jī)A 靜止不動(dòng)，電機(jī)B 開始正轉(zhuǎn)，同時(shí)檢測(cè)串口輸出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)，上傳到上位機(jī)用于反饋調(diào)節(jié)；到達(dá)目標(biāo)位置之后電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)到初始位置后電機(jī)正轉(zhuǎn)，在設(shè)定的訓(xùn)練周期里如此反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。掌屈/背屈模式程序框架如圖12 所示。

3.4.2 腕部尺屈/橈屈模式程序設(shè)計(jì)

首先在上電之后，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行初始化，運(yùn)動(dòng)時(shí)通過直接按鍵或上位機(jī)按鍵選擇電機(jī)處于腕關(guān)節(jié)內(nèi)收外展模式訓(xùn)練狀態(tài)，并設(shè)置電機(jī)A、B 的參數(shù)；接著給定電機(jī)B 運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)A 先轉(zhuǎn)動(dòng)90°，然后停止，之后電機(jī)B 開始正轉(zhuǎn)，檢測(cè)串口輸出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)，上傳到上位機(jī)用于反饋調(diào)節(jié)；到達(dá)目標(biāo)位置之后電機(jī)B反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)到初始位置后開始正轉(zhuǎn)，在設(shè)定的訓(xùn)練周期里如此反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。尺屈/橈屈模式程序框架如圖13所示。

3.4.3 腕部?jī)?nèi)旋/外旋模式程序設(shè)計(jì)

首先在上電之后，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行初始化，運(yùn)動(dòng)時(shí)通過直接按鍵或上位機(jī)按鍵選擇電機(jī)處于腕關(guān)節(jié)屈伸模式訓(xùn)練狀態(tài)，并設(shè)置電機(jī)A、B 的參數(shù)；接著給定電機(jī)A、B運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置，啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)A 開始正轉(zhuǎn)，電機(jī)B 處于初始化停止?fàn)顟B(tài)，檢測(cè)串口輸出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)，上傳到上位機(jī)用于反饋調(diào)節(jié)；到達(dá)目標(biāo)位置之后，電機(jī)A 反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)到初始位置后開始正轉(zhuǎn)，在設(shè)定的訓(xùn)練周期里如此反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。內(nèi)旋/外旋模式程序框架如圖14 所示。

Fig.12 FE mode program framework圖12 掌屈/背屈模式程序框架

Fig.13 AA mode program framework圖13 尺屈/橈屈模式程序框架

Fig.14 SP hand bend/back bend mode program framework圖14 內(nèi)旋/外旋模式程序框架

4 腕部康復(fù)訓(xùn)練器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

本文采用JY901 型姿態(tài)角度傳感器對(duì)這款腕部康復(fù)訓(xùn)練器的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將姿態(tài)角度傳感器安裝在訓(xùn)練旋轉(zhuǎn)軸上［20-21］，安裝位置如圖15 所示。

Fig.15 Sensor location installation drawing圖15 傳感器安裝位置

通過USB 轉(zhuǎn)串口模塊連接電腦，打開上位機(jī)，通過配套的上位機(jī)軟件采集所需的角度數(shù)據(jù)，如圖16 所示。

Fig.16 Sensor upper computer interface圖16 傳感器上位機(jī)界面

4.2 數(shù)據(jù)分析

由于人體腕部訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)范圍在不同文獻(xiàn)資料中的定義不同，且考慮到患者活動(dòng)范圍小于健康人體的活動(dòng)范圍，所以設(shè)置掌屈/背伸的運(yùn)動(dòng)角度范圍不大于±45°，尺屈/橈屈的運(yùn)動(dòng)角度范圍不大于±30°，內(nèi)旋/外旋的運(yùn)動(dòng)角度范圍不大于±85°［22］。通過姿態(tài)角度傳感器對(duì)這款腕部康復(fù)訓(xùn)練器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到機(jī)構(gòu)運(yùn)行角度數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到可視化結(jié)果如圖17 所示。

Fig.17 Experimental data processing results圖17 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這種基于模塊化理念的腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)指標(biāo)適合人體腕部運(yùn)動(dòng)范圍，能夠滿足患者需求。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)研究對(duì)于腕部的康復(fù)訓(xùn)練只針對(duì)單個(gè)關(guān)節(jié)，難以配合其他關(guān)節(jié)進(jìn)行復(fù)雜的康復(fù)訓(xùn)練，本文通過簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，以及在執(zhí)行末端添加通用接口的方式實(shí)現(xiàn)了與其他設(shè)備的互聯(lián)；以往的腕部康復(fù)訓(xùn)練器存在體積過大的問題，本文通過繩驅(qū)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的位置轉(zhuǎn)移，縮小了設(shè)備體積；采用藍(lán)牙通訊的方式可更方便患者進(jìn)行自主訓(xùn)練，為接下來的語音交互功能與可視化操作界面設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)行流暢，能實(shí)現(xiàn)基本功能，但后續(xù)還需要進(jìn)一步完善。