基于远程控制的力觉辅助康复锻炼机械臂

1、基于远程控制的力觉辅助康复锻炼机械臂摘要：针对上肢受伤和中风病人康复医疗和锻炼的需要，研制一种新颖的远程力觉辅助康复锻炼机械臂，使得医生可同时远程控制多个机械臂帮助残疾或受伤人员进行康复锻炼。本研究的主要内容是将力反馈遥操作机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的辅助康复医疗，患者可以在家中根据医生的远程设定自行进行康复锻炼. 医生则可以根据不同患者的治疗情况来及时地远程调整康复方案。可以预计，该系统的应用，不仅可以大大提高医生的工作效率，而且极大地方便了广大上肢受伤和中风病人。关键词：力反馈技术；机械臂的设计；基于Internet网的远程测控技术；1 引言上肢受伤和中风病人需要在医生的指导和一定

2、大小的外力的作用下进行肢体功能的恢复锻炼。随着计算机网络技术和遥操作机器人技术的发展，遥操作机器人技术开始应用于医疗领域，如远程医疗、远程手术等1。康复机械臂是一种中风病患者用于进行康复治疗的医疗器械。传统的机械臂大多单纯采用机械结构，使用时每个病人都需要有一个专门的康复医生单独帮助治疗。而随着中国人口老龄化的加快中风病人将越来越多，患者多医生少的矛盾越来越突出，这就要求研制一种可以自动控制的康复机械臂，使得每个医生可以同时指导多个病人进行康复治疗。2 系统总体设计基于远程控制的辅助机械康复臂的系统结构如图1所示，由康复锻炼机械臂及外部测控电路组成。安装在机械臂上的位置传感器和力传感器将采集到

3、的信号经过调理放大后送入测控电路，经过A/D转换后的信号再通过USB接口传输到病人端计算机，病人端计算机通过Internet网同医生端计算机相连，计算机根据这些信号与通过网络传输过来的医生设定的即时参数比较后发出控制指令，该指令再次通过USB接口送给测控电路，测控电路的驱动模块控制电机的转动。 图1 机械康复臂系统总图3 机械部分设计医疗康复机械臂的主要功能是医生通过远程操作，控制直流力矩电机带动机械手一端的转动，病患的手放在机械手的另一端，被带动着做平面往复转动，以达到康复锻炼的目的。整个康复锻炼机械臂的结构如下图2所示，主要由机械臂，手柄，托盘，位置传感器，及电机和底座构成。臂的一端安装力

4、传感器，力传感器采用应变计式侧力传感器，用于测量人手和机械臂之间作用力，其测量精度为0.5%F.S。另一端用于放置病患的手部，为使病患的手放置的舒适，设计一个圆盘安装在手臂上，使得设计更加人性化。机械臂的上方与位置传感器相连，以控制机械臂转动的角度，位置传感器采用电位计式，精度较高可以达到0.1%F.S。考虑到电机的轴与角位移传感器的轴不可能完全对心，为防止刚性撞击，增加柔性联轴器联结直流力矩电机与角位移传感器。整个机械臂的运动角度为-80o80o，病人的手放置在左臂的手柄上，保留右机械臂的设计为了便于在无法远程控制等特殊情况下，由医生手工对病人实施康复锻炼。 图2-1 机械臂机构图 图 2-

5、2 实物图4 控制电路设计整个电路部分框图如图5所示图5 电路的组成框图4.1 电路硬件部分本电路的数据采集模块由位置传感器、跟随器、力传感器和力调理放大电路组成。位置传感器选择价格低廉、线性度好、精度高、便于安装的多圈滑动电阻器，它的输出电压较大，因此无需前级调理放大电路。力传感器采用电阻应变片式传感器，具有电信号输出稳定、响应速度快、体积小、重量轻等优点，其主要组成部分是电阻应变片，即主要是通过电阻应变片将力转换成电信号。由于应变式传感器输出的电压信号较弱，所以需要放大电路。为减弱放大电路对测量电桥的影响，放大电路应具有高输入阻抗的特性，并且具有低漂移、较高的精度和较强的抗干扰能力。基于以

6、上几点特性，我们选用了仪用放大器 AD620。数据处理模块主要由单片机AT89c52、10位A/D转换芯片MCP3204和8位D/A转换芯片DAC0832组成。该模块主要负责数据的处理和数模、模数转换等功能。在本系统中，由于工作频率较低，电磁波辐射干扰的影响很小，主要的干扰因素是供电系统的干扰和各组成部分之间的相互干扰。有鉴于此，我们采用了光耦线性隔离放大器ISO124和DCDC转换芯片DY24D05这两块芯片来对这两种干扰进行抑制。电机驱动电路如图6所示。图中，LM1875为单片的低失真、高质量的功率放大芯片。该芯片只需很少的外接电路，而芯片的限流和过热停止工作的设计为该芯片提供了很好的过载

7、保护措施。另外，该芯片还有高增益、转换速率快、高带宽、输出电压和电流大和工作电压范围大（16V-60V）等特点。它能够达到十倍以上的稳定的增益。图6 电机驱动电路USB接口芯片采用的是USB 总线的通用设备接口芯片，在本地端CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372 的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写文件。CH372内置了USB 通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置固件模式下，CH372 自动处理默认端点0的所有事务，本

8、地端单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB 请求，从而可以实现符合各种USB 类规范的设备。本设计采用的是内置固件模式。4.2 电路软件部分汇编语言是单片机开发的低级语言，它具有程序执行效率高、占用内存容量小、实时性较好等优点。考虑本系统对于实时性要求较高、同时程序并不太复杂，因此采用汇编语言来开发下位机软件。下位机软件采用结构化设计思想，根据功能可以分为以下几个子程序部分：力值与位置信息采样部分、输出控制部分和与上微机的通信部分。力值与位置信息采样部分和输出控制部分程序框图如下：开始设置控制字执行输入控制字子程序开始取转换结果

9、使片选信号有效是否接收到开始位读取高八位数据读取低四位数据结束是否开始将需要转换的数值送入指定地址将DAC0832的地址送入DPTR启动转换返回图7 数据采集部分程序框图 图8输出控制部分程序框图单片机通过CH372 芯片接收数据的处理步骤如下：、 当CH372 接收到USB主机发来的数据后，首先锁定当前USB 缓冲区，防止被后续数据覆盖，然后将INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断；、 单片机进入中断服务程序，首先执行GET_STATUS 命令获取中断状态；、 CH372 在GET_STATUS 命令完成后将INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求；、 由于通过上述GET_STATUS 命

10、令获取的中断状态是“下传成功”，所以单片机执行RD_USB_DATA 命令从CH372 读取接收到的数据；、 CH372 在RD_USB_DATA 命令完成后释放当前缓冲区，从而可以继续USB 通讯；、 单片机退出中断服务程序。单片机通过CH372 芯片发送数据的处理步骤如下：、 单片机执行WR_USB_DATA 命令向CH372 写入要发送的数据；、 CH372 被动地等待USB 主机在需要时取走数据；、 当USB主机取走数据后，CH372首先锁定当前USB缓冲区，防止重复发送数据，然后将INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断；、 单片机进入中断服务程序，首先执行GET_STATUS 命

11、令获取中断状态；、 CH372 在GET_STATUS 命令完成后将INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求；、 由于通过上述GET_STATUS 命令获取的中断状态是“上传成功”，所以单片机执行WR_USB_DATA 命令向CH372 写入另一组要发送的数据，如果没有后续数据需要发送，那么单片机不必执行WR_USB_DATA 命令；、 单片机执行UNLOCK_USB 命令；、 CH372 在UNLOCK_USB 命令完成后释放当前缓冲区，从而可以继续USB 通讯；、 单片机退出中断服务程序；、 如果单片机已经写入了另一组要发送的数据，那么转到，否则结束。5 网络通讯部分本部分主要目的是实现医生

12、与病人之间的互动交流。Java语言是一种与平台无关的编程语言，它具有“一次编写，随处运行”的特点，非常适合于分布式的网络编程，所以我们选用Java语言来开发网络通讯部分。 首先，我们采用的是一般的网络通讯模式即客户机/服务器（C/S）方式，其中病人端为客户机，医生端为服务器，在Java的Application应用程序中将SeverSocket类分别应用于客户机端和服务器端，在任意两台机器之间建立连接。J包中提供的Socket类实现了客户端的通信功能、SeverSocket类实现了服务器端的通信功能。当客户机和服务器连通后，他们之间就建立了一种双向通信模式，实现了异地间各种数据的传输。Socke

13、t被称为“套接字”，用于描述网络的IP地址和端口，Java应用程序是通过“套接字”向网络发出请求，或者应答网络请求来建立相互间的通信。第二，由于医生需要监控病人的康复情况，所以我们要用摄像头采集病人端的实时画面并通过网络传送到医生端。JMF是Java语言的一个用于多媒体处理的扩展应用开发包，集成了对多种媒体的采集、播放、传输等处理。实时传输协议RTP是Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议，在JMF中，我们使用RTP来接受和传输实时流数据，当客户端以实时流的形式接受媒体数据时，它可以不用等待所有的数据接收完毕，就开始播放，这是实时流的最大优点，利用这一特点，我们就可以实现医生对病人的

14、实时监控。还有，由于网络传输画面速度相对于传送数据较慢，为了不影响正常的显示或其它功能，可以用两个独立的线程去完成这些不同的任务。目前我们就是将整个网络通讯任务分成两个并行的子任务，即数据传送部分和图像传输部分，分别采用两个线程来完成它。最后，整个程序界面及工作过程简介见下图 图9 主机端界面 图10 客户端界面工作过程如下：（客户端加装摄像头） 客户端输入主机方IP地址，建立联接； 医生根据病人情况及康复要求设定电机参数，包括力，速度，角度可单选也可复选，点击“发送”键，即可发送到客户机端； 病人端电机通过接口电路读取参数，控制机械臂，机械臂即可按照设定带动病人手臂运动； 在运动过程中，客户端会将运行情况反馈到主机处，便于医生监控，另外医生可以通过视频看到病人康复情况；6 结束语 本文介绍了我们所研制的基于远程控制的力觉辅助康复锻炼机械臂，它主要由机械臂，力传感器，位置传感器，电机及底座构成。该仪器可帮助上肢受伤或中风病人在家中根据医生的远程设定自行进行康复锻炼。 医生则可以根据不同患者的治疗情况来及时地远程调整康复方案，从而实现康复医疗。参考文献：1 孙一林，彭