田奕江 孫淵 金芏珺 崔哲偉 劉悅

摘要：神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷后需要做康復(fù)治療。本文對(duì)一種可以代替醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)械進(jìn)行研究。并通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)腿部運(yùn)動(dòng)控制和系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制功能。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)系統(tǒng)損傷;康復(fù)訓(xùn)練;系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制;腿部運(yùn)動(dòng)控制;單片機(jī)

1 選題背景及其意義

目前， 康復(fù)機(jī)器人與智能輔助系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).最具影響力的機(jī)器人國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議包括ICRA（IEEE International Conference on Robotics and Automation） 、IROS （IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems） 等都設(shè)置專題對(duì)康復(fù)機(jī)器人與智能輔助系統(tǒng)進(jìn)行研討;另外， IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì) （IEEE Robotics and Automation Society， RAS） 和醫(yī)學(xué)與生物工程學(xué)會(huì)（IEEE Engineering in Medicine and Biology Society， EMBS） 每?jī)赡旯餐e辦一次康復(fù)機(jī)器人國(guó)際會(huì)議 （IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics， ICORR） ， 康復(fù)機(jī)器人與智能輔助系統(tǒng)是其核心議題。

對(duì)于各種原因引起的中樞神經(jīng)損傷導(dǎo)致的肢體殘障患者來(lái)說(shuō)，其生存質(zhì)量的高低取決于肢體功能恢復(fù)的程度?；颊呓?jīng)過(guò)手術(shù)和藥物治療后，其運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)主要依賴于各種康復(fù)運(yùn)動(dòng)療法[1]。如何運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)康復(fù)治療技術(shù)，改善患者肢體運(yùn)動(dòng)功能，使患者在盡快擺脫病殘的折磨的同時(shí)，恢復(fù)其自主生活的能力，一直是康復(fù)工作者研究和實(shí)踐的重點(diǎn)。然而，上述的現(xiàn)狀表明，下肢癱患者人數(shù)眾多，康復(fù)師相對(duì)匱乏，傳統(tǒng)療法自動(dòng)化水平低，效率差，進(jìn)口康復(fù)設(shè)備價(jià)格又太高，所以研制人性化的智能康復(fù)機(jī)器人是一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 STM32程序控制基本工作原理

整個(gè)程序框架和內(nèi)容分別包括兩部分?？蚣芘浜蟽?nèi)容使整個(gè)裝置按照自己設(shè)想的方式運(yùn)動(dòng)。

程序內(nèi)容一部分是各個(gè)固件的驅(qū)動(dòng)。如圖2-1需要設(shè)計(jì)到控制的元器件有伺服電機(jī)的控制，行程開(kāi)關(guān)的檢測(cè)，伺服電機(jī)扭矩的反饋，屏幕收到用戶的按鍵信息后將信息發(fā)送給STM32。

伺服電機(jī)采用位置模式控制，通過(guò)脈沖的數(shù)量控制和發(fā)布脈沖的頻率來(lái)決定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度和位置。在STM32控制系統(tǒng)中程序內(nèi)容另一部分則是按照設(shè)定的規(guī)則，通過(guò)調(diào)用這些驅(qū)動(dòng)獲取相應(yīng)的信息或者去調(diào)用相應(yīng)的動(dòng)作。

程序框架則包括局部運(yùn)動(dòng)和整體聯(lián)合運(yùn)動(dòng)兩種控制方式。

2.2 腿部張合運(yùn)動(dòng)

通過(guò)雙向絲桿將兩個(gè)固定腳部部位聯(lián)系在一起，當(dāng)電機(jī)控制絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩只腳會(huì)受到雙向絲桿的牽引實(shí)現(xiàn)張合運(yùn)動(dòng)。

2.3 腿部伸展與收縮運(yùn)動(dòng)

腳部關(guān)節(jié)（101）搭載著滑塊（102）隨著紅色箭頭方向，沿著滑道（103）運(yùn)動(dòng)，帶著腳部（101）前后運(yùn)動(dòng)，牽引著腿部關(guān)節(jié)的彎曲與伸展。同時(shí)兩側(cè)設(shè)立行程開(kāi)關(guān)，避免機(jī)構(gòu)出現(xiàn)超出行程的運(yùn)動(dòng)。另外此直線運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，時(shí)刻檢測(cè)負(fù)載扭矩，以防機(jī)械運(yùn)動(dòng)到患者無(wú)法承擔(dān)的位置導(dǎo)致劇烈疼痛與損傷。

2.4 腿部抬升與放下運(yùn)動(dòng)

腳部關(guān)節(jié)（101）隨著升降滑塊（104）沿著圖二中的紅線方向搭載著滑塊（102）移動(dòng)，同時(shí)隨著升降滑塊（104）的上下移動(dòng)，腳部關(guān)節(jié)（101）會(huì)相對(duì)于升降滑塊（104）進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以配合腿的移動(dòng)。

2.5 腿部組合動(dòng)作

腿部伸展運(yùn)動(dòng)和腳部抬升運(yùn)動(dòng)可以看作是腳部關(guān)節(jié)（101）沿著X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)。以此為基準(zhǔn)我們就可以通過(guò)控制XY兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制人體的腳步的運(yùn)動(dòng)，就可以模仿走路的姿態(tài)，以及特定的康復(fù)動(dòng)作。

3預(yù)期成果及創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置對(duì)四肢每個(gè)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、康復(fù)次數(shù)以及停頓時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃，相較于機(jī)械式的執(zhí)行康復(fù)訓(xùn)練可以使病人更快康復(fù)。針對(duì)不同患者設(shè)定私人康復(fù)方案，上位機(jī)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，通過(guò)和已經(jīng)康復(fù)的患者的訓(xùn)練次數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出患者的康復(fù)進(jìn)度。全機(jī)械自動(dòng)輔助患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)，減輕家屬負(fù)擔(dān)，同時(shí)避免了不正確的康復(fù)動(dòng)作。四肢都將被機(jī)械控制完成指定的康復(fù)動(dòng)作，控制手部彎曲、腿部彎曲和腰部扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、腿部張合、抬落，手臂的伸展等組合運(yùn)動(dòng)，減少由人力進(jìn)行的輔助康復(fù)，節(jié)約資金，加快康復(fù)速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]張通.中國(guó)腦卒中康復(fù)治療指南（2011完全版）[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐，2012，4（6）：55-76.

[2]杜寧.基于3-RRC并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)[D].秦皇島：燕山大學(xué)機(jī)械電子學(xué)科碩士學(xué)位論文，2012：1-2.