輪椅式下肢訓(xùn)練系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜妍辰，林俊文，周 琦

（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

日益嚴(yán)重的人口老齡化以及因疾病致使肢體殘障，我國(guó)下肢功能障礙患者逐年遞增［1］。對(duì)患者來(lái)說(shuō)，既有輪椅等輔助移動(dòng)設(shè)備需求，也有幫助下肢訓(xùn)練康復(fù)設(shè)備的需求，而需求設(shè)備間的移動(dòng)和穿戴給患者帶來(lái)許多阻礙。因此，集康復(fù)訓(xùn)練功能和移動(dòng)功能于一體的輪椅系統(tǒng)越來(lái)越多。

我國(guó)針對(duì)輪椅車(chē)出臺(tái)了GB/ T 18029 系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)輪椅車(chē)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)前進(jìn)行測(cè)試，相對(duì)應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為ISO 7176 系列。針對(duì)輪椅靜態(tài)強(qiáng)度性能，俞顯佳等［2］提出一種輪椅靜態(tài)強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)扶手、腳踏、手把同時(shí)測(cè)試，并用數(shù)控比例閥和高精度力傳感器與放大器配合實(shí)現(xiàn)高精度力值抓取，但施加載荷未考慮人體乘坐時(shí)的生理工況；針對(duì)輪椅動(dòng)態(tài)強(qiáng)度性能，王志明等［3］提出一種輪椅車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)前后輪間距為350～1 500mm 輪椅車(chē)進(jìn)行顛簸測(cè)試和0～40°爬坡測(cè)試，并可切換電動(dòng)或手推式測(cè)試模式，但其測(cè)試未考慮輪椅的負(fù)載情況；針對(duì)輪椅腳輪疲勞度性能，美國(guó)匹茲堡大學(xué)Jonathan 等［4］研究了新型路況模擬腳輪測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)與頂置電機(jī)配合旋轉(zhuǎn)的盤(pán)面模擬測(cè)試接觸平面，通過(guò)在盤(pán)面上裝載如砂礫、泥水、黏土等，模擬不同道路表面材質(zhì)情況，但其測(cè)試未考慮乘員操作對(duì)腳輪的磨損增值。

綜合分析現(xiàn)有針對(duì)輪椅的測(cè)試設(shè)備后發(fā)現(xiàn)，目前未有相關(guān)設(shè)備對(duì)帶下肢康復(fù)功能輪椅的康復(fù)性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)定，且對(duì)輪椅的測(cè)試設(shè)備大多未考慮乘員質(zhì)量、生理特征和主動(dòng)操作等影響。由于國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)輪椅車(chē)中下肢康復(fù)訓(xùn)練部分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本文參考GB 24436-2009、GB/T 28919-2012 及ISO 7176 系列，提出一種針對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練模塊的測(cè)試平臺(tái)，模擬人體質(zhì)量、人體生理特征及主動(dòng)運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，完成對(duì)下肢訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練和痙攣保護(hù)等功能的安全性測(cè)試。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

該測(cè)試平臺(tái)由測(cè)試假人主體與外掛架兩部分組成，如圖1 所示。其中假人主體按照人體結(jié)構(gòu)分為足部、小腿、大腿和軀干4 個(gè)部分，如圖2 所示。假人尺寸、質(zhì)量及質(zhì)心與人體生理特征相同，下肢訓(xùn)練的平穩(wěn)性由髖、膝關(guān)節(jié)處安裝的角度及扭矩傳感器采集數(shù)值進(jìn)行分析測(cè)試。平衡訓(xùn)練安全性由足底壓力傳感器、整機(jī)雙平行四邊形設(shè)計(jì)、軀干內(nèi)絲桿電機(jī)與外掛架組成機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)被限制的平面內(nèi)主動(dòng)傾斜運(yùn)動(dòng)完成測(cè)試。痙攣保護(hù)安全性由膝關(guān)節(jié)中的摩擦盤(pán)和大腿中部的氣動(dòng)夾鉗提供可調(diào)制動(dòng)力組成的可調(diào)阻力模塊完成。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由STM32F429IGT 核心控制模塊、通訊模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器信號(hào)多通道變送模塊、抱閘控制模塊、電源模塊等組成，如圖3 所示。整個(gè)系統(tǒng)主要對(duì)核心動(dòng)力源步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)對(duì)人體傾斜時(shí)髖部運(yùn)動(dòng)模擬。另外，在左右髖部和膝部都安裝了角度傳感器和扭矩傳感器，在腳底安裝了壓力傳感器，能夠在整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)檢測(cè)髖部、膝部、腳部的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)MUC 將初步的數(shù)據(jù)處理上傳至PC 端，進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和進(jìn)一步分析。

Fig.1 Test platform components圖1 測(cè)試平臺(tái)組成部分

Fig.2 Design of each part of dummy body圖2 假人主體各部設(shè)計(jì)

2 控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

控制系統(tǒng)電路電源由外部開(kāi)關(guān)電源模塊提供24V 直流電源，為滿足系統(tǒng)中各個(gè)模塊對(duì)于不同電壓的需求，采用逐級(jí)降壓方案，如圖4 所示。先采用LM2596 芯片將24V直流電壓轉(zhuǎn)化為12V，然后通過(guò)LM7805 芯片將12V 轉(zhuǎn)為5V 電壓，5V 直流電主要供傳感器使用。核心MUC 的供電為3.3V，由LM1117MPX-3.3芯片將5V 轉(zhuǎn)化為3.3V。

2.2 通訊模塊

通訊模塊支持WiFi通訊和USB 通訊兩種模式。

本系統(tǒng)WiFi通訊使得該裝置具有遠(yuǎn)程無(wú)線控制功能，并且可以通過(guò)WiFi 將傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至自建的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析管理。

PC 端上位機(jī)通過(guò)USB 通訊對(duì)本裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制及程序調(diào)試。USB 總線作為一種高速串行總線，其極高的傳輸速度可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用環(huán)境要求，支持即插即用和熱插拔，具有兼容性好的特點(diǎn)。

2.3 傳感器信號(hào)多通道變送模塊

本模塊將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為MUC 可識(shí)別的電壓信號(hào)，主要由一階RC 濾波電路、INA128 儀表放大器電路和二階SK 型低通濾波器電路組成，如圖5所示。

Fig.3 General design of control system圖3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

Fig.4 Power module circuit圖4 電源模塊電路

Fig.5 Circuit of transducer signal transmission module圖5 傳感器信號(hào)變送模塊電路

一階RC 濾波電路的作用是對(duì)傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波處理，減少高頻噪聲。RC 濾波器電路的截止頻率公式如下：

當(dāng)R 為10KΩ，C 為100nF 時(shí)，截止頻率f 為159H，意味著低通濾波器只會(huì)對(duì)高于141Hz的信號(hào)起到抑制作用。

NA128 是低功耗通用儀器放大器，可提供很高的精度，多功能的三運(yùn)放設(shè)計(jì)和小尺寸使其應(yīng)用廣泛。電流反饋輸入電路即使在高增益（G=100 時(shí)為200kHz）下也能提供寬帶寬。該放大電路的輸出電壓VO和輸入電壓VIN-、VIN+的關(guān)系如式（2）所示：

在INA128 的后級(jí)加上一個(gè)二階SK 型低通濾波器電路，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波以提高信號(hào)的穩(wěn)定性。濾波器電路的截止頻率公式如下：

多通道變送模塊對(duì)應(yīng)每一個(gè)傳感器都有一個(gè)相同信號(hào)的變送電路，而且每路信號(hào)放大的倍數(shù)可調(diào)，可根據(jù)不同傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 抱閘控制模塊設(shè)計(jì)

抱閘控制模塊負(fù)責(zé)控制氣動(dòng)剎車(chē)電磁閥的啟停功能，并由電磁閥門(mén)的開(kāi)合控制氣動(dòng)剎車(chē)進(jìn)行制動(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)痙攣狀態(tài)模擬。抱閘控制模塊由信號(hào)輸入、光耦芯片、MOS管開(kāi)關(guān)和抱閘開(kāi)關(guān)組成。如圖6 所示，BREAK LEFT CRL及BREAK RIGHT CRL 是由STM32 單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，傳遞至TLP521 光耦隔離器芯片定的電氣阻隔功能，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的開(kāi)垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)帶來(lái)的耐壓和耐電流能力，光耦芯片即可控制MOS 管Q1 和Q2 通斷，以實(shí)現(xiàn)抱閘開(kāi)關(guān)BREAK LEFT 和BREAK RIGHT 的開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)3.3V 開(kāi)關(guān)控制24V 電路開(kāi)關(guān)的功能。

2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本裝置使用一個(gè)兩相四線步進(jìn)電機(jī)，需要對(duì)電機(jī)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)以及位置控制。直接用高低電平方式驅(qū)動(dòng)兩相四線電機(jī)有四拍、八拍方式，對(duì)應(yīng)細(xì)分為滿步、半步。本文選擇滿步細(xì)分、四拍方式驅(qū)動(dòng)，具體驅(qū)動(dòng)時(shí)序如表1

Fig.6 Circuit of switch control module圖6 抱閘控制模塊電路

Table 1 Driver chronology表1 驅(qū)動(dòng)時(shí)序

DRV8874是一款集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有N 通道H 橋、電荷泵、電流傳感和比例輸出、電流調(diào)節(jié)和保護(hù)電路。電荷泵通過(guò)支持N 溝道MOSFET 半橋和100%占空比驅(qū)動(dòng)來(lái)提高效率。這一系列設(shè)備采用針對(duì)針RDS（on）變體，以最小的設(shè)計(jì)變化來(lái)支持不同的負(fù)載。采用兩塊DRV8874 芯片組成兩相四線步進(jìn)電機(jī)電路，如圖7所示。

Fig.7 Motor drive circuit圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，采用單極性正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）調(diào)速，如圖8 所示。在PWM 基礎(chǔ)上改變調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律排列，輸出的波形經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。SPWM 具有開(kāi)關(guān)損耗低、效率高、輸出波形良好的優(yōu)點(diǎn)。

使用STM32F429IGT 的高級(jí)定時(shí)器可以輸出PWM 波，設(shè)置PWM 波的頻率，根據(jù)定時(shí)器的輸出比較模式產(chǎn)生PWM 波的頻率計(jì)算公式如下：

其中，arr 為重裝載值，psc 為預(yù)分頻值。在成功設(shè)置PWM 基礎(chǔ)上，采用規(guī)則采樣法，通過(guò)控制計(jì)數(shù)比較模塊和輸出控制模塊可以輸出SPWM 波，如圖9所示。

Fig.8 SPWM pulse waveform圖8 SPWM脈沖波形

Fig.9 SPWM wave conversion process圖9 SPWM波轉(zhuǎn)換流程

3 SPWM輸出實(shí)驗(yàn)及傾斜運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 SPWM輸出實(shí)驗(yàn)

因步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與步進(jìn)距離是根據(jù)電壓信號(hào)的大小控制的，因此通過(guò)改變SPWM 波的波形，可以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和行程的目的。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)示波器查看控制板輸出的SPWM 波形，判斷其是否滿足控制電機(jī)需求。由圖10可知，示波器顯示的SPWM 輸出波形與計(jì)算機(jī)模擬情況一致，通過(guò)改變SPWM 波脈沖寬度可有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。由圖11 可知，在輸出端設(shè)置一個(gè)電容后，對(duì)輸出的波形進(jìn)行調(diào)制可得到單極性的正弦波。

3.2 傾斜運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

本文基于Adams 軟件構(gòu)建假人三維測(cè)試模型，對(duì)由貫通式絲桿步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傾斜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬，如圖12 所示。測(cè)試假人的傾斜運(yùn)動(dòng)功能由絲桿與電機(jī)組成的螺旋副實(shí)現(xiàn)，相對(duì)貫通式絲桿步進(jìn)電機(jī)軸向移動(dòng)速度為2 mm/s，根據(jù)絲桿電機(jī)選型，絲桿導(dǎo)程為4 mm，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360 °絲桿前進(jìn)4 mm。由傾斜角θ=20 °可知，對(duì)應(yīng)螺旋副旋轉(zhuǎn)角度為2 300 °，總運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)25.56 s，因此設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：

為求解測(cè)試假人傾斜過(guò)程中整體質(zhì)心投影地面變化情況，使用外部子程序標(biāo)記其整體質(zhì)心位置，再由求解文件繪制質(zhì)心在仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)數(shù)值變化。假人在傾斜運(yùn)動(dòng)過(guò)程中質(zhì)心投影于地面Y 軸隨時(shí)間變化的曲線如圖13 所示。由圖13 可知，質(zhì)心投影點(diǎn)變化距離范圍在0～135 mm 以內(nèi)，因機(jī)構(gòu)整體運(yùn)行平穩(wěn)，其投影點(diǎn)位移曲線在整個(gè)變化周期內(nèi)的變化趨勢(shì)呈直線狀，機(jī)構(gòu)質(zhì)心移動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)所需要求。

Fig.10 The oscilloscope outputs the SPWM waveform圖10 示波器輸出SPWM波形

Fig.11 Modulate unipolar sine waves圖11 調(diào)制單極性正弦波

Fig.12 Tilt simulation motion process圖12 傾斜仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程

Fig.13 Distance change curve of projection point of center of mass圖13 質(zhì)心投影點(diǎn)位移變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種輪椅式下肢訓(xùn)練設(shè)備測(cè)試平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)傳感器、制動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的配合，對(duì)相關(guān)設(shè)備的下肢訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練及痙攣保護(hù)安全性進(jìn)行測(cè)試?？刂葡到y(tǒng)中，由核心控制模塊STM32F429IGT 的高級(jí)定時(shí)器輸出PWM 波，通過(guò)控制計(jì)數(shù)比較模塊和輸出控制模塊得到SPWM 波，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和示波器輸出驗(yàn)證，可更平穩(wěn)地控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)傳感器信號(hào)變送模塊及通訊模塊中的USB 及WiFi 通訊，將采集信息交由上位機(jī)處理，得到測(cè)試的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。經(jīng)ADAMS 仿真軟件仿真，可知此測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行主動(dòng)測(cè)試時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)要求。但在真實(shí)人體傾斜過(guò)程中，因各類(lèi)人群生理特征中質(zhì)量及力量不同，引起的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及傾斜速度也不同，其運(yùn)動(dòng)控制需要模擬各類(lèi)人群的運(yùn)動(dòng)特征。因此，后續(xù)研究應(yīng)通過(guò)優(yōu)化控制算法，增加系統(tǒng)反饋，以模擬不同人群的傾斜運(yùn)動(dòng)情況。