基于主被动的脚踝康复系统

2021-12-02任媛媛蒲文

现代计算机 2021年28期

任媛媛，蒲文

（四川大学电子信息学院，成都 610065）

0 引言

脑性瘫痪（cerebral palsy）是一种神经肌肉疾病，是导致儿童神经和运动障碍的最常见原因。脑性瘫痪由多种亚型组成，最常见的类型是痉挛型脑瘫。它与早产密切相关，影响神经功能、运动功能和智力。它还与营养缺乏和胃肠功能障碍有关［1］。由于存活的早产儿数量增加，正常体重的足月儿发病率更高，总体生存时间更长，患有慢性胰腺炎的儿童数量在增加。该疾病影响儿童的发育活动和功能。脑性瘫痪的其他表现包括步态不佳、功能减退和生活质量下降［2］。

康复机器人领域在过去的时间里有了长足的发展。在成人中，对中风后偏瘫患者的上肢机器人辅助治疗的研究表明，与标准治疗相比，在单独控制、协调和力量方面都有显著的进步［3］。踝关节损伤与脑瘫患儿（CP）的功能限制密切相关。被动拉伸通常用于增加受损踝关节的运动范围（ROM）。改善电机控制也是物理治疗的焦点［4］。

有特定功能的脚踝康复系统已经越来越多被开发出来，如西班牙马德里学者设计了一款名为CPWalker的脚踝康复机，它由一个具有体重和自主运动支持的智能步行器和一个用于关节运动支持的外骨骼组成，同时，CPWalker提供了一些策略来改善行走时的姿势控制［5］。后来，康复游戏也逐渐被引入脚踝康复系统。第一个为踝关节开发的虚拟康复系统是罗格斯踝关节［6］，由一个小型6自由度（DOFs）斯图尔特平台型并联气动机器人组成，结合了世界工具包［7］中编写的定制康复视频游戏。这个早期的系统成功地被患有慢性卒中后肌肉骨骼缺陷的患者使用。为了更方便的进行训练，凯文·克利里等人的研究小组已经为脑瘫儿童开发了两种版本的脚踝机器人。这两个设备都提供三个自由度，并连接到一个飞机视频游戏。孩子用他/她的脚作为飞机的控制器，并试图通过一系列的环来操纵脚穿过踝关节［8］。

本文设计了一种新型便携式、可穿戴的脚踝康复鞋，具有质量轻、结构简洁、操作简单、易于穿戴等特点，旨在为患者提供多样化的康复训练模式，能够辅助患者在接近正常关节活动度范围内进行康复训练，降低患者的治疗成本，为患者在家庭环境内进行康复训练创造条件。

1 系统设计

1.1 仿生机理

人体下肢由肌肉、骨骼与关节组成。由大脑运动元神经发出电信号经神经传导并刺激肌肉，肌肉带动关节和骨骼运动，从而完成人体行走活动。本脚踝康复鞋设计模拟正常人行走过程，使得脚踝呈现跖屈和背屈状态，如图1所示。

图1 跖屈和背屈图

为了减轻康复过程中康复鞋子的重量，采用气动人工肌肉代替人体踝足肌腱，矫形鞋材料主体是超高分子聚乙烯（UHMWPE），作为一款新型工程塑料，其具备质量轻、抗静电、吸能、隔热、低密度、耐冲击、耐磨损、耐化学腐蚀、抗低温、耐老化等优良性能。通过改变气动肌腱的安装位置来适应不同患者的小腿长度。为了使得气动肌腱尽可能多的代替人体的小腿肌腱，采用图2所示安装方式，这一设计不仅减轻了矫形鞋的重量，而且上下都采用L型的固定装置，防止了气动肌腱的弯曲，固定性更好。气动肌腱充气放气模拟人体跖屈和背屈活动。

图2 矫形鞋和气动肌腱安装方式

1.2 驱动结构选择

目前用于外骨骼机器人动力元件主要包括三种：液压驱动、电机驱动、气动驱动。液压驱动存在漏液、响应速度慢。电机转速快、输出力矩小，需要配置减速器进行控制。气压驱动刚好弥补了前两者的缺点，并且有利于脚踝康复装置实现轻量化［9］。其中应用最广泛的是日本的MicKibben型气动人工肌肉和Festo公司生产的DMSP型气动肌肉［10］。

该设计采用DMSP型气动肌肉，其内部结构如图3所示。

图3 气动肌腱内部结构

气动肌腱的输出力表达式为［11］：

表达式中θ为纤维编织网的编织角度;P为橡胶管内部气压;D0为当θ=90o时气动人工肌肉的直径。气动人工肌肉输出力会随着其内部气压的升高而增大，并与气动人工肌肉长度在一定范围内线性相关。

1.3 矫形鞋控制方案

脚踝康复系统硬件设计分为人体感知、机械动力、控制核心与通信方式4个部分，如图4所示。

图4 脚踝康复系统硬件部分

人体感知部分的作用是为步态分析提供数据，也为踝足矫形器的控制提供依据；控制核心的作用是控制人体感知部分采集三类传感器数据和对机械动力部分的控制；机械动力的作用是辅助患者行走，改善其步态；通信方式的作用是通过蓝牙设备连接核心控制端与手机端。

1.2.1 控制核心

本文所用的控制核心是意法半导体公司开发的增强型STM32F103xx系列微处理器产品，是第一款用ARMv7-M架构体系的32位标准精简指令集（RISC）微处理器，代码效率高效，该系列微控制器的工作频率为72 MHz。

1.2.2 机械动力

通过控制气动肌腱的伸缩，从而控制矫形鞋呈现跖屈和背屈状态。气源由气泵产生，气量的大小通过核心控制单元控制，并通过放大电路，最终输出到比例阀控制器件，通过比例阀开关控制气量进入排出气动肌腱，使得矫形鞋呈现跖屈和背屈的状态。

1.2.3 人体感知部分

共采集脉搏、血氧和俯仰角三部分信息。采用HXDZ-30102-ACC脉搏波模块，佩戴于患者指尖或者手腕处，康复训练过程中实时采集上传手机端显示，根据前期设定的阈值标准，该数据可以作为是否疲劳的判别标准之一。根据患者行进过程中步态变化，控制矫形鞋模拟人的行走过程。

1.2.4 蓝牙通信

利用该模块将采集到的生理数据以及角度发送给手机端查看，并且通过蓝牙端口，可以发送主动或者被动的指令控制脚踝进行不同模式的选择。

2 训练模式

2.1 被动模式

被动模式是康复训练的第一阶段，主要针对不能下地行走的患者，但患者又需要踝足相关运动来进行跖屈和背屈运动。该模式是下一阶段康复训练的前期准备阶段，帮助患者增加肌肉运动记忆，频率和幅度可调节的设计可增加受损踝关节的运动范围。

被动模式下，患者进行坐姿训练。具体操作流程如图5所示，接收到三位数的指令，其分别含义如下：第一位表示模式选择（即被动模式），第二位表示频率档位的选择，设置有五位，当频率档为1时，表示1秒钟气动肌肉伸缩一次，当频率档为2时，表示1.5秒钟气动肌肉伸缩一次，当频率档为3时，表示2秒钟气动肌肉伸缩一次，当频率档为4时，表示2.5秒钟气动肌肉伸缩一次，当频率档为5时，表示3秒钟气动肌肉伸缩一次。第三位代表幅度档，分别有三个幅度档位，控制气动肌肉伸缩的幅度。获取到上述指令后，根据指令输出相应的控制操作帮助患者进行脚踝康复训练。在此期间，中断只要接收到暂停信号则处于暂停模式，继续则继续当前训练，中断接收停止信号，则结束本次训练，各个外设停止工作。

图5 被动模式指令流程

2.2 主动模式

主动模式可作为康复训练的第二阶段，主要针对患者可以下地行走，但是需要一定的机器辅助训练情况。训练期间，该矫形鞋可随时根据患者的行走状态调整到合适的跖屈和背屈，起到除固定之外的另一个重要作用。

主动模式下，患者进行行走训练。具体操作流程如图6所示，当中断接收到小程序发回来的主动模式的指令后，获取当前角度传感器mpu6050数据，得到俯仰角（pitch角）数据，依据不同角度设定范围，输出对应的压力值控制气泵输出相应的气量，从而使得矫形鞋让该病患在此状态下输出对应的步态。每计算一次角度需要50 ms，计算时间相对较短，延时基本肉眼看不到。该状态下矫形鞋依据，病患的步行状态，实时做出调整。该状态下有血氧心率以及角度的采集，并且实时上传给手机。在该模式下，增加足底压力的采集系统，每个足底都有八个传感器，时时采集足底压力的变化，压力采集模块采集后是阻值，通过柔性薄膜压力传感器数字转换模块MY2901将组织转换成压力值，并且8路同时采集。