基于遠(yuǎn)程控制的力覺輔助康復(fù)鍛煉機(jī)械臂

1、基于遠(yuǎn)程控制的力覺輔助康復(fù)鍛煉機(jī)械臂摘要：針對上肢受傷和中風(fēng)病人康復(fù)醫(yī)療和鍛煉的需要，研制一種新穎的遠(yuǎn)程力覺輔助康復(fù)鍛煉機(jī)械臂，使得醫(yī)生可同時遠(yuǎn)程控制多個機(jī)械臂幫助殘疾或受傷人員進(jìn)行康復(fù)鍛煉。本研究的主要內(nèi)容是將力反饋遙操作機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于上肢受傷和中風(fēng)病人的輔助康復(fù)醫(yī)療，患者可以在家中根據(jù)醫(yī)生的遠(yuǎn)程設(shè)定自行進(jìn)行康復(fù)鍛煉. 醫(yī)生則可以根據(jù)不同患者的治療情況來及時地遠(yuǎn)程調(diào)整康復(fù)方案?？梢灶A(yù)計，該系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以大大提高醫(yī)生的工作效率，而且極大地方便了廣大上肢受傷和中風(fēng)病人。關(guān)鍵詞：力反饋技術(shù)；機(jī)械臂的設(shè)計；基于Internet網(wǎng)的遠(yuǎn)程測控技術(shù)；1 引言上肢受傷和中風(fēng)病人需要在醫(yī)生的指導(dǎo)和一定

2、大小的外力的作用下進(jìn)行肢體功能的恢復(fù)鍛煉。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遙操作機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，遙操作機(jī)器人技術(shù)開始應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程手術(shù)等1?？祻?fù)機(jī)械臂是一種中風(fēng)病患者用于進(jìn)行康復(fù)治療的醫(yī)療器械。傳統(tǒng)的機(jī)械臂大多單純采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用時每個病人都需要有一個專門的康復(fù)醫(yī)生單獨(dú)幫助治療。而隨著中國人口老齡化的加快中風(fēng)病人將越來越多，患者多醫(yī)生少的矛盾越來越突出，這就要求研制一種可以自動控制的康復(fù)機(jī)械臂，使得每個醫(yī)生可以同時指導(dǎo)多個病人進(jìn)行康復(fù)治療。2 系統(tǒng)總體設(shè)計基于遠(yuǎn)程控制的輔助機(jī)械康復(fù)臂的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由康復(fù)鍛煉機(jī)械臂及外部測控電路組成。安裝在機(jī)械臂上的位置傳感器和力傳感器將采集到

3、的信號經(jīng)過調(diào)理放大后送入測控電路，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的信號再通過USB接口傳輸?shù)讲∪硕擞嬎銠C(jī)，病人端計算機(jī)通過Internet網(wǎng)同醫(yī)生端計算機(jī)相連，計算機(jī)根據(jù)這些信號與通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的醫(yī)生設(shè)定的即時參數(shù)比較后發(fā)出控制指令，該指令再次通過USB接口送給測控電路，測控電路的驅(qū)動模塊控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。 圖1 機(jī)械康復(fù)臂系統(tǒng)總圖3 機(jī)械部分設(shè)計醫(yī)療康復(fù)機(jī)械臂的主要功能是醫(yī)生通過遠(yuǎn)程操作，控制直流力矩電機(jī)帶動機(jī)械手一端的轉(zhuǎn)動，病患的手放在機(jī)械手的另一端，被帶動著做平面往復(fù)轉(zhuǎn)動，以達(dá)到康復(fù)鍛煉的目的。整個康復(fù)鍛煉機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如下圖2所示，主要由機(jī)械臂，手柄，托盤，位置傳感器，及電機(jī)和底座構(gòu)成。臂的一端安裝力

4、傳感器，力傳感器采用應(yīng)變計式側(cè)力傳感器，用于測量人手和機(jī)械臂之間作用力，其測量精度為0.5%F.S。另一端用于放置病患的手部，為使病患的手放置的舒適，設(shè)計一個圓盤安裝在手臂上，使得設(shè)計更加人性化。機(jī)械臂的上方與位置傳感器相連，以控制機(jī)械臂轉(zhuǎn)動的角度，位置傳感器采用電位計式，精度較高可以達(dá)到0.1%F.S?？紤]到電機(jī)的軸與角位移傳感器的軸不可能完全對心，為防止剛性撞擊，增加柔性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)直流力矩電機(jī)與角位移傳感器。整個機(jī)械臂的運(yùn)動角度為-80o80o，病人的手放置在左臂的手柄上，保留右機(jī)械臂的設(shè)計為了便于在無法遠(yuǎn)程控制等特殊情況下，由醫(yī)生手工對病人實(shí)施康復(fù)鍛煉。 圖2-1 機(jī)械臂機(jī)構(gòu)圖 圖 2-

5、2 實(shí)物圖4 控制電路設(shè)計整個電路部分框圖如圖5所示圖5 電路的組成框圖4.1 電路硬件部分本電路的數(shù)據(jù)采集模塊由位置傳感器、跟隨器、力傳感器和力調(diào)理放大電路組成。位置傳感器選擇價格低廉、線性度好、精度高、便于安裝的多圈滑動電阻器，它的輸出電壓較大，因此無需前級調(diào)理放大電路。力傳感器采用電阻應(yīng)變片式傳感器，具有電信號輸出穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，其主要組成部分是電阻應(yīng)變片，即主要是通過電阻應(yīng)變片將力轉(zhuǎn)換成電信號。由于應(yīng)變式傳感器輸出的電壓信號較弱，所以需要放大電路。為減弱放大電路對測量電橋的影響，放大電路應(yīng)具有高輸入阻抗的特性，并且具有低漂移、較高的精度和較強(qiáng)的抗干擾能力?；谝?/p>

6、上幾點(diǎn)特性，我們選用了儀用放大器 AD620。數(shù)據(jù)處理模塊主要由單片機(jī)AT89c52、10位A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3204和8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832組成。該模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。在本系統(tǒng)中，由于工作頻率較低，電磁波輻射干擾的影響很小，主要的干擾因素是供電系統(tǒng)的干擾和各組成部分之間的相互干擾。有鑒于此，我們采用了光耦線性隔離放大器ISO124和DCDC轉(zhuǎn)換芯片DY24D05這兩塊芯片來對這兩種干擾進(jìn)行抑制。電機(jī)驅(qū)動電路如圖6所示。圖中，LM1875為單片的低失真、高質(zhì)量的功率放大芯片。該芯片只需很少的外接電路，而芯片的限流和過熱停止工作的設(shè)計為該芯片提供了很好的過載

7、保護(hù)措施。另外，該芯片還有高增益、轉(zhuǎn)換速率快、高帶寬、輸出電壓和電流大和工作電壓范圍大（16V-60V）等特點(diǎn)。它能夠達(dá)到十倍以上的穩(wěn)定的增益。圖6 電機(jī)驅(qū)動電路USB接口芯片采用的是USB 總線的通用設(shè)備接口芯片，在本地端CH372具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上；在計算機(jī)系統(tǒng)中，CH372 的配套軟件提供了簡潔易用的操作接口，與本地端的單片機(jī)通訊就如同讀寫文件。CH372內(nèi)置了USB 通訊中的底層協(xié)議，具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。在內(nèi)置固件模式下，CH372 自動處理默認(rèn)端點(diǎn)0的所有事務(wù)，本

8、地端單片機(jī)只要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換，所以單片機(jī)程序非常簡潔。在外置固件模式下，由外部單片機(jī)根據(jù)需要自行處理各種USB 請求，從而可以實(shí)現(xiàn)符合各種USB 類規(guī)范的設(shè)備。本設(shè)計采用的是內(nèi)置固件模式。4.2 電路軟件部分匯編語言是單片機(jī)開發(fā)的低級語言，它具有程序執(zhí)行效率高、占用內(nèi)存容量小、實(shí)時性較好等優(yōu)點(diǎn)?？紤]本系統(tǒng)對于實(shí)時性要求較高、同時程序并不太復(fù)雜，因此采用匯編語言來開發(fā)下位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想，根據(jù)功能可以分為以下幾個子程序部分：力值與位置信息采樣部分、輸出控制部分和與上微機(jī)的通信部分。力值與位置信息采樣部分和輸出控制部分程序框圖如下：開始設(shè)置控制字執(zhí)行輸入控制字子程序開始取轉(zhuǎn)換結(jié)果

9、使片選信號有效是否接收到開始位讀取高八位數(shù)據(jù)讀取低四位數(shù)據(jù)結(jié)束是否開始將需要轉(zhuǎn)換的數(shù)值送入指定地址將DAC0832的地址送入DPTR啟動轉(zhuǎn)換返回圖7 數(shù)據(jù)采集部分程序框圖 圖8輸出控制部分程序框圖單片機(jī)通過CH372 芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟如下：、 當(dāng)CH372 接收到USB主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，首先鎖定當(dāng)前USB 緩沖區(qū)，防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋，然后將INT#引腳設(shè)置為低電平，向單片機(jī)請求中斷；、 單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先執(zhí)行GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài)；、 CH372 在GET_STATUS 命令完成后將INT#引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請求；、 由于通過上述GET_STATUS 命

10、令獲取的中斷狀態(tài)是“下傳成功”，所以單片機(jī)執(zhí)行RD_USB_DATA 命令從CH372 讀取接收到的數(shù)據(jù)；、 CH372 在RD_USB_DATA 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB 通訊；、 單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序。單片機(jī)通過CH372 芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的處理步驟如下：、 單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA 命令向CH372 寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)；、 CH372 被動地等待USB 主機(jī)在需要時取走數(shù)據(jù)；、 當(dāng)USB主機(jī)取走數(shù)據(jù)后，CH372首先鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū)，防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將INT#引腳設(shè)置為低電平，向單片機(jī)請求中斷；、 單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先執(zhí)行GET_STATUS 命

11、令獲取中斷狀態(tài)；、 CH372 在GET_STATUS 命令完成后將INT#引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷請求；、 由于通過上述GET_STATUS 命令獲取的中斷狀態(tài)是“上傳成功”，所以單片機(jī)執(zhí)行WR_USB_DATA 命令向CH372 寫入另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果沒有后續(xù)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，那么單片機(jī)不必執(zhí)行WR_USB_DATA 命令；、 單片機(jī)執(zhí)行UNLOCK_USB 命令；、 CH372 在UNLOCK_USB 命令完成后釋放當(dāng)前緩沖區(qū)，從而可以繼續(xù)USB 通訊；、 單片機(jī)退出中斷服務(wù)程序；、 如果單片機(jī)已經(jīng)寫入了另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，那么轉(zhuǎn)到，否則結(jié)束。5 網(wǎng)絡(luò)通訊部分本部分主要目的是實(shí)現(xiàn)醫(yī)生

12、與病人之間的互動交流。Java語言是一種與平臺無關(guān)的編程語言，它具有“一次編寫，隨處運(yùn)行”的特點(diǎn)，非常適合于分布式的網(wǎng)絡(luò)編程，所以我們選用Java語言來開發(fā)網(wǎng)絡(luò)通訊部分。 首先，我們采用的是一般的網(wǎng)絡(luò)通訊模式即客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）方式，其中病人端為客戶機(jī)，醫(yī)生端為服務(wù)器，在Java的Application應(yīng)用程序中將SeverSocket類分別應(yīng)用于客戶機(jī)端和服務(wù)器端，在任意兩臺機(jī)器之間建立連接。J包中提供的Socket類實(shí)現(xiàn)了客戶端的通信功能、SeverSocket類實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端的通信功能。當(dāng)客戶機(jī)和服務(wù)器連通后，他們之間就建立了一種雙向通信模式，實(shí)現(xiàn)了異地間各種數(shù)據(jù)的傳輸。Socke

13、t被稱為“套接字”，用于描述網(wǎng)絡(luò)的IP地址和端口，Java應(yīng)用程序是通過“套接字”向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求，或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求來建立相互間的通信。第二，由于醫(yī)生需要監(jiān)控病人的康復(fù)情況，所以我們要用攝像頭采集病人端的實(shí)時畫面并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到醫(yī)生端。JMF是Java語言的一個用于多媒體處理的擴(kuò)展應(yīng)用開發(fā)包，集成了對多種媒體的采集、播放、傳輸?shù)忍幚怼?shí)時傳輸協(xié)議RTP是Internet上針對多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議，在JMF中，我們使用RTP來接受和傳輸實(shí)時流數(shù)據(jù)，當(dāng)客戶端以實(shí)時流的形式接受媒體數(shù)據(jù)時，它可以不用等待所有的數(shù)據(jù)接收完畢，就開始播放，這是實(shí)時流的最大優(yōu)點(diǎn)，利用這一特點(diǎn)，我們就可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對病人的

14、實(shí)時監(jiān)控。還有，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸畫面速度相對于傳送數(shù)據(jù)較慢，為了不影響正常的顯示或其它功能，可以用兩個獨(dú)立的線程去完成這些不同的任務(wù)。目前我們就是將整個網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)分成兩個并行的子任務(wù)，即數(shù)據(jù)傳送部分和圖像傳輸部分，分別采用兩個線程來完成它。最后，整個程序界面及工作過程簡介見下圖 圖9 主機(jī)端界面 圖10 客戶端界面工作過程如下：（客戶端加裝攝像頭） 客戶端輸入主機(jī)方IP地址，建立聯(lián)接； 醫(yī)生根據(jù)病人情況及康復(fù)要求設(shè)定電機(jī)參數(shù)，包括力，速度，角度可單選也可復(fù)選，點(diǎn)擊“發(fā)送”鍵，即可發(fā)送到客戶機(jī)端； 病人端電機(jī)通過接口電路讀取參數(shù)，控制機(jī)械臂，機(jī)械臂即可按照設(shè)定帶動病人手臂運(yùn)動； 在運(yùn)動過程中，客戶端會將運(yùn)行情況反饋到主機(jī)處，便于醫(yī)生監(jiān)控，另外醫(yī)生可以通過視頻看到病人康復(fù)情況；6 結(jié)束語 本文介紹了我們所研制的基于遠(yuǎn)程控制的力覺輔助康復(fù)鍛煉機(jī)械臂，它主要由機(jī)械臂，力傳感器，位置傳感器，電機(jī)及底座構(gòu)成。該儀器可幫助上肢受傷或中風(fēng)病人在家中根據(jù)醫(yī)生的遠(yuǎn)程設(shè)定自行進(jìn)行康復(fù)鍛煉。 醫(yī)生則可以根據(jù)不同患者的治療情況來及時地遠(yuǎn)程調(diào)整康復(fù)方案，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)醫(yī)療。參考文獻(xiàn)：1 孫一林，彭