多模式肌力康复训练装置控制系统的设计与实现*

张琳芳，李玉榕

(1.三明医学科技职业学院，福建 三明 365000；2.福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350000)

医学理论研究和临床实践证明，正确合理的肌力训练能够有效增强肌肉的力量和耐力，预防各类骨关节挛缩，保持患肢关节活动度，改善肢体运动功能，是康复训练的重中之重[1]。目前我国使用的肌力训练设备大都依赖进口，设备价格昂贵，仅少数医院配置，患者康复训练费用高且不方便[2]。因此，研制价格实惠、家庭适用的肌力训练装置具有一定的社会价值和市场前景。

基于此，本文针对肌力康复治疗的要求，探讨了肌力康复训练的多种方法[3]，构建了多模式肌力康复训练装置的控制方案，以达到肌力训练的效果。

1 肌力训练的四种训练模式

本文设计的肌力康复训练装置可以实现等长、等张、被动与等速四种肌力训练模式。

1)等长训练模式。等长训练模式下，设备控制肢体关节始终固定在一定角度，不产生关节活动，保持肌纤维长度不变，但训练者可以根据自己意愿选择合适的力量训练，调整肌肉收缩力度大小。等长训练模式需要具备的基本功能包括：可调整指定位置(粗调、微调)，可设置转动速度，可显示并记录训练者的训练位置、实时转矩和最大转矩等控制功能。

2)等张训练模式。等张训练模式下，设备输出阻力矩恒定，但训练时肌肉收缩，改变肌纤维长度，产生明显的关节活动，运动状态取决于训练者与设备输出力矩的相互关系。等张训练模式需要具备的基本功能包括：可自行设定转矩大小，显示实时转矩、实时速度、实时位置，可设定运动起始范围、方向选择、最大限速度、启停控制等控制功能。

3)被动训练模式。被动训练模式用于控制肢体在设备的带动下，按照指定的角度范围内以设定的恒定速度往复运动，运动过程中训练者肌肉张力的大小变化不会改变运动速度。被动训练模式需要具备的基本功能包括：可设定和显示运动速度、运动范围、加减速时间、训练组数、时间间隔、实时转矩、最大转矩等，具备启停、清零等控制功能。

4)等速训练模式。等速训练模式用于控制锻炼肌肉等速收缩。等速训练模式下，输出阻力矩始终与训练者肌肉收缩产生的关节力矩相等，以保持肢体按照设定的恒定速度运动[4]。等速训练模式需要具备的基本功能包括：可设定和显示转动速度、实时位置、实时速度、实时转矩、运动起始位置、增益、转矩阈值等，具备正反向模式、启停控制等控制功能。

根据四种训练模式，设备的主要性能要求如下：(1)设备具备等长、等张、被动、等速四种训练模式，须配置多种辅助连接附件，带有机械电气双重保护；(2)人机交互功能，训练者可自动设定训练模式、训练参数等信息，可显示、记录肌力训练实时情况；(3)兼容性和集成性功能，测试系统可与各功能配件集成，从而适用于人体多部位的力量训练和肌力测评。

2 硬件设计

本文设计的肌力康复训练装置基本结构如图1所示。系统主要包括计算机、控制器、伺服电机、伺服驱动器、扭矩传感器、角度传感器、涡轮传动组、电动升降导柱组、横向导轨调节组、纵向导轨调节组和座椅等，系统总体框架见图2。其中伺服电机、驱动器、传感器、控制器等安装在设备前端的动力执行部位上。

图1 多模式肌力训练装置基本结构

图2 系统总体框架

2.1 控制器的选用

本设计选用STM32F103ZET6 单片机作为控制器，单片机的SPI接口完成角度传感器的信息采集，用CAN接口完成扭矩传感器的信息采集，用串口2完成伺服驱动器的连接，用串口1完成上位机的连接。

2.2 角度传感器的选用

角度传感器选用AS5048A，安装正对主传动轴轴心，距离正后方2 mm处，磁钢安装在主传动轴上。当主传动轴转动时，通过磁电阻效应，将磁场信号的变化信号转化为电阻阻值变化量，进而转化成电压的变化量(需外加电势)[5]。经过信号处理电路，模拟电压信号转化成角度对应数字信号输入STM32的SPI接口，通过信号换算公式换算成角度，从而实现角度测量功能，其换算如下Angle=XA/(214-1)×360，其中，XA是角度传感器输出的14位数字信号。

2.3 扭矩传感器的选用

扭矩传感器选用T908D，一端与主传动轴固定连接，另一端的底座固定在涡轮上。该扭矩传感器采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥。在主传动轴与扭矩传感器产生相对运动的情况下，弹性轴产生形变引起应变电桥阻值的变化量，转变成电信号的变化量后再放大，再通过CAN通信将输出数字信号传给输入STM32的CAN接口，通过信号换算公式计算出力矩，其表示如下T=A×256+B，其中，A、B分别是扭矩传感器输出的高字节、低字节数据。

2.4 伺服控制系统的选用

本文设计的肌力训练设备装置主要利用伺服电机通过同步带轮和涡轮蜗杆动力传递到主传动轴，带动输出轴上的训练支架运动，从而达到关节训练的效果。由STM32控制器、伺服驱动器台达ASDA-B2和伺服电机组成伺服系统。控制器STM32发送控制信号，控制伺服驱动器驱动伺服电机转动。伺服电机通过编码器反馈位置信号，经过伺服驱动器将运行状态传送给控制器STM32。

该伺服驱动器有三种运动模式，分别为速度控制模式、位置控制模式、扭矩控制模式和一种混合控制模式[6]。根据本设计的性能要求，选用速度控制模式实现等长、等张、等速训练模式，选用位置控制模式实现被动训练模式。伺服驱动器的运动模式设置参数如表1所示。

表1 伺服驱动器的运动模式参数

通过Modbus 协议的通信，可设置伺服驱动器ASDA-B2内部寄存器参数。Modbus 协议有两种工作模式，ASCII模式和 RTU模式。本文选择了ASCII模式，定义了27位的字符数组。控制器STM32即按照以下数据格式将数据写入字符数组控制伺服驱动器，进而控制电机执行指令。ASCII模式的数据格式定义如下：(1)起始码，第1字节，采用冒号(3AH)表示；(2)通信地址，第2～3字节，2个ASCII码代表一个字节数据；(3)命令码，第4～5字节，2个ASCII码代表一个字节数据；(4)数据内容，第6～23字节，4n个ASCII码代表2n个字节数据，含数据起始地址、数目、字节数和内容；(5)校验码，第23～24字节，LRC校验结果，2个ASCII码代表一个字节数据；(6)结束码，第26～27字节，采用结束符(回车、换行)表示。

3 软件设计

3.1 多模式选择控制程序

本设计的主控制器采用 STM32单片机，利用 Keil 5编写系统程序，主程序流程如图3所示。系统通电，程序首先调用初始化子函数对系统的引脚、串口、SPI等协议配置初始化[7]。通过对上位机、传感器等数据解析处理，确定模式标志位Mode_Flag表达式的值，再利用switch语句进行训练模式分支结构的选择。根据Mode_Flag表达式的值，选择等长、等张、等速或被动训练模式。以等张训练模式为例，程序将驱动器设置为转速工作模式，系统读取扭矩传感器和角度传感器值，将检测值与设定阻力矩进行比较。若检测值大于设定值，则根据两者差值给定对应转速值，启动电机训练。训练过程到达限定位置时，电机转速设定为0，根据是否接收停止指令来判断是否进行下一轮训练。

图3 程序流程

3.2 上位机界面设计

上位机界面设计如图4所示，上位机软件采用JAVA的Swing组件来设计整体界面。在主控界面上，可以选择等长、等张、等速、被动四种康复训练模式，并根据训练者康复需求设定训练的速度、力矩、次数等参数，具有良好的人机交互性和训练效果。

图4 上位机界面

4 结语

本文利用STM32控制伺服驱动器、伺服电机，配合实时监测的力矩和角度传感器，实现等速、等张、等长、被动四种训练模式，通过配合不同支架，可实现多关节的肌力训练，满足康复训练的应用要求。下一步主要对上位机软件的开发优化、康复评估等进行研究与改善。