康复机器人肌电刺激控制系统的研究与设计

2018-03-28廖伟强曾庆华

科技视界 2018年4期

廖伟强　曾庆华

【摘要】在分析康复患者对肌电刺激需求的基础上进行了康复机器人肌电刺激控制系统的整体设计，以32位嵌入式芯片作为主控单元，基于can总线实现了个模块的信息交互与控制。通过波形的调制和均方根值检测方法实现了刺激信号的可调输出及反馈信号的特征提取。设计了康复机器人关节运动训练控制与监测模块，对患者的恢复进行有效引导并以此构建康复机器人多种训练模式，增强机器人适应不同人群康复的能力。

【关键词】肌电刺激控制；特征提取；康复机器人；康复训练

中图分类号： TP249 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）02-0215-002

【Abstract】On the analysis of the rehabilitation of patients on the basis of the demand for electrical stimulation of rehabilitation robot overall design of the control system of electrical stimulation， in 32-bit embedded chip as master control unit， based on can bus to realize the information interaction and control module. The modulated output of the stimulus signal and the feature extraction of the feedback signal are realized by the modulation of waveform and the method of RMS. Designed the rehabilitation training robot joint movement control and monitoring module， to effectively guide and the recovery of patients with various training modes to build rehabilitation robots， enhance the ability of the robot adapt to different crowds.

【Key words】Electrical stimulation control；Feature extraction；Rehabilitation robot；Rehabilitation training

0 引言

“十三五”规划提出了市场主导、质量为先、强化基础、创新驱动的发展原则，实现在医疗领域等重点领域的示范应用，并开展核心零部件攻关、前沿共性技术研发、医疗康复机器人应用等重点工作。随着对电刺激疗法的深入研究，肌电刺激的发展受到临床医学、康复医学等领域的青睐，尤其是在康复机器人方面的应用，肌电刺激是高端康复机器人在给具有关节及神经障碍患者进行刺激和康复训练的关键技术，肌电刺激过程中表面肌电信号的采集和特征提取具有重要的生理学意义[1-2]。

对于肌电刺激在康复机器人治疗因刺激信号与反馈控制不当易导致肌肉疲劳，使患者的最大作功能力或者最大收缩能力的暂时下降，对人体实施长时间多次刺激后，人体就会对刺激产生适应性，从而导致治疗效果减弱[3]。另外一方面因缺少刺激后处理，以致大多的肌电刺激不能满足不同人群康复训练的需求，训练模式单一[4]。本文在研究康复机器人肌电刺激的过程中刺激信号的给出方式与信号反馈的处理，提高机器人的刺激后康复效果；探索利用生物反馈和模糊控制规则控制患者进行康复训练的问题，促使患者必须主动参与康复治疗，对患者自我意识的恢复进行有效引导并以此构建康复机器人多种训练模式，增强机器人适应不同人群康复的能力。

1 控制系统总体设计

机器人肌电刺激控制系统依据信息流的思路进行设计。使用者根据患者的当前情况预设一定的刺激和训练信息，这部分信息全部被控制中心捕获；然后调制刺激信号所需的波形信号并进行功率放大，主控根据需要向总线发出通道信号，通过适当的电极进行刺激输出。刺激过程中系统实时监测刺激后反馈情况，通过总线向主控输送反馈信息。主控分析给出刺激与反馈信号后应做出两个反应。一方面根据设置信息和反馈信息驱动康复机器人给出适当的训练信号，另一方面确定是否需要对刺激波形进行调节并输出新的刺激波形。

图1 系统总体框图

Fig.1 System block diagram

系统的总体框图如图1所示，系统功能模块主要包括：主控单元，负责总体的信息处理与控制；信息模块，负责信息的输入与显示；刺激波形发生模块，产生刺激基本波形；功率调节模块，对刺激功率进行调节；刺激输出与反馈模块；总线模块，刺激下达和反馈上传及及级间通讯；康复机器人关节运动训练控制与监测模块，负责训练信号给出与监测反馈。

2 主控单元设计

主控单元负责总体的信息处理与控制，接收用户的控制指令和控制对象的放开信息，将信息进行分析并给出对应的控制信号驱动刺激电机和机器人的康复训练。采用意法半导体生产以Cortex-M3[5]为内核的高性能stm系列32位增强型微处理器。该主控芯片内部集成度高，低功耗，低成本，高效率并且提供高质量的固件库，方便用户开发。芯片时钟频率超过150MHz，具有大容量的Flash和SRAM，内含以太网控制器、CAN总线接口、数模转换接口、多个UART和GPIO；并使用FSMC进行数据的传输[6-8]，对于存在大量浮点数的运算非常适合。为确保系统的长时间可靠性运行，系統设计过程中采用外部自设看门狗和内部看门狗进行多重保护。

3 信息控制模块设计

信息控制模块负责信息的输入与显示。信息的输入包括刺激模式、刺激量、训练模式等相关信息的输入，考虑到信息的输入有可能是患者或者患者的照料者，信息固定式和移动式两种方式。患者在治疗过程中康复机器人需要实时显示患者及系统的监控信息。因此在固定端采用交互式的触摸屏进行控制信息的输入和监测信息的显示[9]。

使用康复机器人的患者往往是存在肢体障碍，系统运行过程中的反馈信息最好用语音的形式进行播报，以便患者可以随时或者一些重要信息。同时通过无线通讯的方式设计一手持式遥控器，方便存在肢体障碍的患者可以方便地参考机器人。

图2 SPWM调制机理示意图

Fig.2 SPWM modulation mechanism

4 波形发生和功率调节模块

这部分主要实现刺激基本波形的产生和功率放大。在刺激波形发生部分主要采用DSP芯片利用SPWM调制机理产生所需波形[10]。如图2所示，根据采样控制理论中冲量等效的原理，把图中的正弦波多份等分，曲线中每一等份与时间轴所围成的面积用重合中心点且幅值相同的矩形脉冲来代替，从而得到SPWM波形。

图3 功率放大电路

Fig.3 Power amplifier circuit

5 刺激输出与反馈提取模块

刺激输出部分是刺激强度可调节的多路输出，这样患者在刺激治疗过程中可以根据自身情况使用所需数量的刺激及调节刺激强度，并进行刺激强度与康复效果的对比分析。设计中用差分双向电流的方法实现宽量程双向电流的检测[12]。

刺激后反馈信号使用Delta-sigma技术的均方根值（RMS）检测方法对特征进行提取，无需对动态波形进行较高频率的实时采集。将反馈信号转换成电压信号，并以此测量刺激者主动诱发的表面信号，其中输出与输入复合如下关系。

6 总线控制模块

为了方便实现控制信号传达和信号的提取，设计中采用了can总线结构的设计方案。主控单元通过总线可以随时控制任意刺激模块输出刺激信号，同时反馈信号也可以通过总线把各个刺激点的反馈信号以数字的形式反馈给主控单元。除此以外，系统的各种信息还可以通过总线向上位机或者康复机器人的其他功能模块，甚至与机器人连接的远程机进行信息的交互。

7 关节运动训练控制与监测模块

这部分主要根据给出刺激和提取的反馈信号，驱动康复机器人的关节控制患者进行运动训练并监测运动和肌肉的康复情况。在输出控制前主控单元必须首先对输出刺激和反馈信号进行对比分析，并给出适合于患者的康复训练模式。训练控制模块根据康复机器人运动关节的情况驱动相应的关节电机进行一定速度的驱动控制。监测部分要负责运动关机运动速度和运动角度的实时测量，确保关节运动的准确性和安全性。

在此基础上利用生物反馈和模糊控制规则控制患者进行康复训练，引导患者主动参与康复治疗，对患者自我意识的恢复进行有效引导并以此构建康复机器人多种训练模式，增强机器人适应不同人群康复的能力。

【参考文献】（下转第194页）

（上接第216页）

[1]王颖.肌电信号评价电刺激致肌疲劳方法的研究[D].北京：北京协和医学院，2013：1-10.

[2]仝浩.便携式电刺激仪与脑电反馈仪的研究[D].河北：河北科技大学，2012：20-22.

[3]陈翼雄.基于功能性电刺激及生物信号反馈的下肢康复机器人设计及控制[D].北京：中国科学院自动化研究所，2014：39-47.

[4]龙燕玲，林秀芳，黄金梅.脑卒中瘫痪病人早期康复训练模式的探讨[J].现代医院，2011，11（2）：85-86.

[5]姚文详.ARM Cortex-M3权威指南[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[6]张志威.基于STM32嵌入式系统的电机驱动控制與可靠性分析[D].成都：电子科技大学，2017：2-3.

[7]赵星.STM32基于FSMC的SRAM扩展技术[J].工业控制计算机，2015，28（6）：102-106.

[8]汤莉莉，黄伟.基于STM32的FSMC接口驱动TFT彩屏设计[J].现代电子技术，2013，36（20）：139-144.

[9]翟言，赵国英，黄心渊.体感交互在大型触摸屏环境中的应用与研究[J].计算机工程，2015，41（3）：317-321.