基于单片机的上肢康复训练仪交互力采集系统设计

2020-12-04张好杰吴钟鸣

无线互联科技 2020年16期

张好杰，郭语，吴钟鸣

(金陵科技学院机电工程学院，江苏南京 211169)

0 引言

据世界卫生组织数据中心的统计，我国中风患者中接近80%的中风患者因未能及时进行康复治疗，导致肌肉萎缩、偏瘫等，严重影响患者的生活质量[1]。传统的康复治疗不仅消耗大量的人力、物力，且训练效果不佳[2]，而康复训练仪器可以给患者提供合理的训练任务，满足患者在不同康复阶段的需求。

近年来，国内外的大学均开展了对于上肢康复训练仪的研究，例如，美国麻省理工学院研制的MIT-Manus机器人，能够用于肘关节的康复训练；卡内基梅隆大学基于WAM机器人进行了相关康复医疗的研究[3]。华中科技大学设计了针对腕关节的康复训练机构[4]；哈尔滨工业大学、东北大学等也在上肢康复训练仪理论和控制方面进行了研究[5-6]。

然而，市场上存在的上肢康复训练仪，大多存在一些不足，例如自由度较少、集成度不高、不够智能化等。针对这些问题，本文设计了一种基于单片机的上肢康复训练仪交互力采集系统，并对结构工作原理、系统软硬件设计、数据处理等方面进行阐述。

1 结构工作原理

1.1 结构组成

文章的研究对象为一种球铰式上肢康复训练仪，其结构如图1所示。其工作原理为：训练手柄与球转子相连，3个定子支架上安装有牛眼轮，用于定位球转子，底座中含有盘丝-小伞齿轮结构，该结构与摩擦定子底部的螺纹连接，用于调节摩擦定子的径向移动，以调节球转子的受力大小。文章针对该上肢康复训练仪设计力采集装置，将薄膜力传感器布置在力采集仓中，其内部结构如图2所示，由于该装置工作时涉及3个自由度的训练，训练手柄中布置活动轴，活动轴上有4个突起，在活动轴与力采集仓外壳之间布置有4个薄膜力传感器，用以检测力值。

图1 上肢康复训练仪结构示意

图2 力传感器布置示意

1.2 力测量原理

力传感器的布置方式确定之后，需确定力传感器测量值与手柄受力之间的关系。通过模拟训练者在训练过程中的状况，绘制出力传递关系如图3所示。

图3 力传递关系

假设训练者对手柄施加的力为主动力F，第i个力传感器所测量的力FNi，选取O点为简化中心，则主动力F对O点的作用可简化为主动力F′和主动力矩MO(F)。根据静力学原理可知：4个力传感器所测得的力FNi的矢量和与简化后的主动力F′相平衡，其静力平衡方程可表示为：

(1)

(2)

2 力采集系统硬件设计

2.1 系统结构组成

文章设计的上肢康复训练仪力采集系统由力采集模块、信号采集处理模块、数据显示模块3个部分组成，如图4所示。其中力采集模块由薄膜力敏力传感器与电压转换模块组成。当康复者进行康复训练时，施加在力传感器薄膜区域的力会发生改变，导致力传感器中电阻值的变化，进而获取力信息，并将其发送给电压转换模块进行转换。信号采集处理模块的核心是Arduino单片机，单片机与电压转换模块与液晶显示模块相连，用于接收经电压转换模块转换后的力信息，并将力信息进行计算、校核，最后，将处理后的信息发送给数据显示模块，以显示由单片机发送过来的实时交互力信息。

图4 力采集系统组成框架

2.2 系统硬件选型

在系统结构搭建完成后，需确定系统硬件的具体型号，其中，Arduino单片机作为整个系统的核心，需配合系统的硬件进行选取。由于系统中力传感器的数量为4个，即需要3个对应的IO接口，据此确定单片机型号为具有54路数字输入输出的Arduino Mega2560，用于接收、计算、校核数据。由于力传感器布置于活动轴与力采集仓外壳之间，要求其尺寸小、质量轻、同时得满足测量要求，据此确定力传感器型号为薄膜力敏力传感器FSR402，用于检测力值。显示模块硬件的选取需兼顾到与系统的适配性，据此选取与 Arduino单片机适配性较好的FYLCD1602A字符型液晶显示屏，用于力值的输出。

3 力采集系统软件设计

系统硬件设计完成后，需要根据系统工作流程进行软件设计，系统的工作流程如图5所示。当训练者进行康复训练时，首先，力采集模块采集力信息；其次，经电压转换模块将信息进行转换并发送给Arduino单片机进行接收、计算、处理；最后，单片机将处理后的信息发送给数据显示模块，实现数据的输出。

图5 系统工作流程

根据上述系统工作流程，文章使用Arduino IDE作为开发环境编译程序，对数据接收、计算、校核最终输出到显示模块上。

3.1 数据处理

为直观地得到康复训练者在康复训练时强度的大小，必须对现有数据进行处理。对数据处理的过程主要分为两个方面：(1)采取固定力测试实验，以找到力传感器采集到的信息与具体力值的关系。(2)根据上述关系编写数据处理代码。力传感器测量电路原理如图6所示，力传感器与固定电阻R0串联，当压力作用于力传感器时，其电阻Rs的阻值发生变化，则固定电阻R0输出电压由式(3)确定。

Vout=Vcc×R0/(R0+Rs)

(3)

图6 力传感器电路原理

在交互力采集之前，需对力传感器进行标定，以确定不同力值对应的电压数值。首先，在实验电路中接入10 kΩ的保护电阻，将连接好的电路通过USB与电脑相接，并且使用0.2～6.0 kg的重物分别放到传感器待测面上，经多次实验获得去程和回程数据；其次，借助Matlab进行数据处理[7]，数据与拟合结果如图7所示。

图7 力值-电压值曲线

3.2 数据显示

为在康复者训练时直观地将训练数据信息输出到液晶显示模块上，需在Arduino IDE中进行数据处理代码的编译。编译时将固定力实验中得到的数据分割成区间，在每个区间上使用Arduino IDE中的map映射函数，将两个端点的数值映射到区间内，以获得任意电压值下对应的力值。类似的，能够得到力传感器整个量程内某一电压值下对应的力值，其代码框架如下所示。

代码框架：

void loop(void) {

fsrReading = analogRead(fsrPin);//读取电压值数据

......

if(fsrReading>X.&&fsrReading<=Y)

{

force=map(fsrReading, X,Y, M,N);//将电压值分别为X、Y对应的压力值映射到[M，N]区间上；

}

......

同时，将液晶显示模块与Arduino单片机对应引脚相连，在Arduino IDE中调用LiquidCrystal I2C库即可对液晶显示模块进行编译，通过编译输出程序即可将具体的训练数据信息输出。