基于GSM的远程外骨骼下肢康复机器人系统的设计与实现

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(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

基于GSM的远程外骨骼下肢康复机器人系统的设计与实现

吴帆,殷跃红

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

康复医学是致力于减轻与消除患者的功能障碍，恢复正常的生理与心理机能，改善患者的生命与生活质量的医学学科[1]。外骨骼下肢康复机器人是基于多种康复需求与下肢康复的特点，结合机电自动化技术与康复医学专业知识而产生的有效康复工具，并且已在研究与临床领域有多项成果[2]。

然而，考虑到患者下肢功能障碍，行动不便，康复是一个长期过程，同时医院医疗资源有限，使用远程康复技术来实现社区康复甚至家庭康复是当下康复系统的研究热点[3]。物联网技术[4]在医疗康复系统中有很高的应用价值。而使用GSM技术[5]来配合外骨骼下肢康复机器人的使用，并且不限于该种类康复机器人的使用，可以满足患者就近康复甚至在家康复的需求。

1 系统构架

系统的拓扑结构如图1所示。其中，康复机器人终端使用GSM通讯模块以及相应的上位机软件模块，将编码后的信息通过短信方式传输到网络信息中心的GSM模块上，并通过网络信息中心计算机上的信息管理系统软件解码并存储，从而实现远程的信息收集与错误监控。同时，系统采用点对点的方式，来实现用户定制短信的收发功能，当系统判断收到指定用户需要的信息时，信息中心将该信息发送到该用户的手机，从而实现医务人员及系统维护人员实时的信息更新。

图1 系统拓扑学结构

此外，系统使用公用GSM通讯网络，无需自行进行组网，各终端与信息中心间使用GSM的短信息(SMS)服务进行通讯。

2 系统设计

在系统中使用北良电子科技有限公司开发的模块开发板，开发板集成天线、串口、电源接头和按钮等配件，来实现GSM及GPRS组网功能。

2.1 外骨骼下肢康复机器人终端设计

在外骨骼下肢康复机器人终端，使用自行开发的六轴运动控制卡,对外骨骼下肢康复机器人的驱动电机进行运动控制。驱动电机以曲柄滑块的方式,分别驱动两侧外骨骼机构的髋关节与膝关节摆动。在这个过程中，通过相关指令，运动控制卡将读取的位置数据与状态数据反馈给上位机。当在康复机器人终端进行操作后，上位机软件模块将该操作过程的具体信息进行编码，并通过RS232串口与GTM900-C模块通讯，以短信的形式通过GSM无线网络发送到网络信息中心。每个外骨骼下肢康复机器人终端,都配有SIM卡来使用移动通讯网络。康复机器人端的硬件结构如图2所示。

图2 康复机器人端硬件结构

2.2 网络信息中心设计

在网络信息中心端，系统的组成部分与机器人终端大致相似，只是不包含运动控制卡部分。GTM900-C模块通过标准RS232串口与信息中心的计算机相连。此外，开发板装有SIM卡以使用移动通讯网络。当GTM900-C模块收到短信后，通过串口通讯，将短信内容交给网络信息中心的计算机进行解码，并存储到数据库中。同时，由信息管理系统的软件模块,判断是否需要将解码后的信息转发到短信定制用户的手机上。此外，通过系统还可以查询与管理多个外骨骼康复机器人终端的康复信息。

3 软件设计

3.1 外骨骼下肢康复机器人终端的软件模块

外骨骼下肢康复机器人的用户界面软件集成了GSM通讯模块。在外骨骼机器人的操作过程中，软件模块通过指令与运动控制卡通讯，读取运动中的相关数据，并在发送前对该次操作中的重要信息进行提取，结合操作代码生成包含该次操作信息的短信内容，通过Visual Basic 6.0的MSComm串口控件进行串口通讯，控制GSM模块进行发送。

上位机软件设计中使用AT指令集对GSM模块进行通讯控制。其中，主要使用“AT+CMGF”与“AT+CMGS”指令。

“AT+CMGF”命令用于对所发送的短信格式进行选择，指令为“AT+CMGF=0”时使用PDU模式，指令为“AT+CMGF=1”时使用文本模式。其中，文本模式不需进行PDU码转换，直观便捷，但只能发送ASCII码，不能发送中文的Unicode码[6]，因此，系统使用PDU模式发送中文短信。在发送新用户记录信息时，由于短信内容的组成部分为患者或医生的中文信息，所以需要进行PDU码转换，将中文信息的汉字转换为Unicode模式，并生成PDU字符串。在发送其他操作记录时，由于短信内容的组成部分为字母代码与关键数据，因此，选用短信格式为文本模式。

系统使用“AT+CMGS”指令进行短信的发送。使用文本模式时，首先通过串口控件发送该指令与目标手机号码到GSM模块，然后发送由操作标志位、操作中关键信息与数据组成的字符串。使用PDU模式时，首先将操作标志位与操作中的关键信息组成待转换的短信内容字符串，然后将该字符串转换为Unicode码格式，并分别对短信中心号码与目标手机号码进行处理，将3个信息部分进行处理后组成所要发送的PDU字符串。发送时，将发送指令与标志该PDU字符串长度的数字，通过串口控件发送到GSM模块，等待0.5 s后发送该PDU字符串，即完成短信内容的发送。此外，系统发送中文短信的单条短信字数限制为70个字，当软件模块判断短信内容过长时，则将内容分为2部分发送，并分别在2条短信的首尾加上标志位，以便网络信息中心进行识别。短信发送流程如图3所示。

图3 PDU模式下的短信发送流程

3.2 信息管理系统软件模块

信息管理系统所收集与检测的信息包括以下康复信息：患者的个人信息、患者的处方信息、患者的训练记录、医生基本信息、患者肌力测试的测试结果、康复机器人自检结果以及在机器人运行过程中的报警与报错信息。当在外骨骼下肢康复机器人终端进行相关操作后，终端发送短信到网络信息管理中心的计算机上。

所有短信的首2位为标志位，以数字对应以上的各项康复信息内容。其中，新记录信息短信包括患者的个人信息新记录与医生基本信息新记录。对于固定长度的信息，直接以字符串的形式添加在短信内容中，而对于不固定长度的信息，则在该部分内容前加上标志该内容长度的2位数字。其他操作信息包括：处方信息、训练记录、肌力测试结果、自检结果、报警与报错信息。这些信息的组成内容均为标志位与标准长度的信息字符串。

系统使用Visual Basic的Timer定时器控件与MSComm串口控件，不断监测串口通讯。当判断收到短信后，使用“AT+CMGR”指令读取新短信。读取短信后，信息管理系统软件首先对短信进行分析解码。首先，根据短信前2位的标志位数字判断操作或记录类型；然后，根据不同的操作或记录类型调用不同的信息处理函数，对数字、字母或中文字符串数据进行分析，分离出各项信息或数据的具体内容，并存储到Microsoft Office Access的对应表格中。

同时，信息管理系统软件在收到短信后，根据短信标志位数字判断短信内容类型，如果短信内容为需要转发的信息，则调用短信转发模块，在数据库中查找来源号码所对应的短信定制用户号码。在将短信内容的信息分离出后，调用相应的服务短信处理函数，组成符合服务短信格式的短信内容，通过串口通讯控制GSM模块，将该消息服务短信发送到定制用户的手机上。短信处理流程如图4所示。

此外，使用Visual Basic 6.0结合Microsoft Office Access编写系统中的信息管理功能，完成系统菜单各项功能的开发。

图4 短信处理流程

4 结束语

设计了远程外骨骼下肢康复机器人系统，集成了外骨骼下肢康复机器人终端、信息管理系统以及用户定制的短信提醒服务。在完成硬件部分与软件部分的设计与实现后，系统可以收集并检查来自不同地点的外骨骼下肢康复机器人，在运行与操作过程中的重要信息，以实现远程的状态监控与信息管理。此外，系统可以提供消息提醒服务，向定制该服务的手机用户发送其权限范围内的系统信息，实现了相关的医务人员以及系统维护人员的信息实时更新。系统可作为子系统，在此基础上展开后续的研究开发，构建一个基于物联网技术的智慧康复系统。

[1] 王恩海，赵玉金，殷雨臣，等.顺应医学发展趋势振兴我国康复医学事业[J].中国医院，2008,12(5)：24-25.

[2] 万大千，徐义明，白跃宏.下肢外骨骼康复机器人的研究与进展[J].中国组织工程研究与临床康复，2011,15(52)：9855-9858.

[3] Brennan D M,Mawson S，Brownsell S.Telerehabilitation: enabling the remote delivery of healthcare,rehabilitation,and self management[J].Studies in Health Technology and Informatics，2009,145: 231-248.

[4] Li X,Lu R X,Liang X H,et al.Smart community: an internet of things application[J].IEEE Communications Magazine,2011，49(11):68-75.

[5] 黄挚雄，蒋爱苏.利用GSM短消息业务实现排灌泵站集群监控[J].机电一体化，2003,9(3)：62-64.

[6] 马 慧，陈阳平，谢 强.基于GSM Modem终端的短信系统研究与实现[J].中国制造业信息化，2008,37(11):10-14.

Design of Remote Information System for Lower Limb Rehabilitation Robots Based on GSM

WUFan,YINYuehong

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

根据下肢康复的需要，结合已有的外骨骼下肢康复机器人技术，使用GSM构建了一个远程的下肢康复系统。系统使用短信服务实现康复信息的远程监控，并具有信息管理功能。同时，系统可以实现责任医务人员与系统维护人员的定制短消息提醒服务。此系统可以作为基于物联网的智慧医疗系统的子系统进行应用，以实现社区康复或家庭康复的需求。

外骨骼下肢康复机器人；远程系统；信息管理；GSM

A rehabilitation system is designed with existing exoskeleton rehabilitation robots for lower limbs based on GSM. SMS is used to realize the remote monitoring of rehabilitation information from the terminal robots,and an information management system is included. Meanwhile,the system contains short message reminding services for medical physicians and maintenance staff to inform them of notable information. This system can be used as a subsystem of a smart healthcare system which is based on IoT to realize community-based rehabilitation or home-based rehabilitation.

exoskeleton rehabilitation robot for lower limbs; remote system; information management; GSM

2013-12-23

TP24；TP27

A

1001-2257(2014)07-0078-03

吴帆(1989-)，女，江西景德镇人，硕士研究生，研究方向为康复机器人系统与其在智慧城市中的应用；殷跃红(1968-),男，江苏泰兴人，博士研究生导师，研究方向为机器人及机电控制。