轮椅式下肢训练系统测试平台控制系统设计

杜妍辰，林俊文，周 琦

（1.上海理工大学康复工程与技术研究所；2.上海康复器械工程技术研究中心；3.民政部神经功能信息与康复工程重点实验室，上海 200093）

0 引言

日益严重的人口老龄化以及因疾病致使肢体残障，我国下肢功能障碍患者逐年递增［1］。对患者来说，既有轮椅等辅助移动设备需求，也有帮助下肢训练康复设备的需求，而需求设备间的移动和穿戴给患者带来许多阻碍。因此，集康复训练功能和移动功能于一体的轮椅系统越来越多。

我国针对轮椅车出台了GB/ T 18029 系列国家标准，对轮椅车产品进入市场前进行测试，相对应的国际标准为ISO 7176 系列。针对轮椅静态强度性能，俞显佳等［2］提出一种轮椅静态强度测试系统，可对扶手、脚踏、手把同时测试，并用数控比例阀和高精度力传感器与放大器配合实现高精度力值抓取，但施加载荷未考虑人体乘坐时的生理工况；针对轮椅动态强度性能，王志明等［3］提出一种轮椅车动态测试系统，可对前后轮间距为350～1 500mm 轮椅车进行颠簸测试和0～40°爬坡测试，并可切换电动或手推式测试模式，但其测试未考虑轮椅的负载情况；针对轮椅脚轮疲劳度性能，美国匹兹堡大学Jonathan 等［4］研究了新型路况模拟脚轮测试系统，通过与顶置电机配合旋转的盘面模拟测试接触平面，通过在盘面上装载如砂砾、泥水、黏土等，模拟不同道路表面材质情况，但其测试未考虑乘员操作对脚轮的磨损增值。

综合分析现有针对轮椅的测试设备后发现，目前未有相关设备对带下肢康复功能轮椅的康复性能进行测试评定，且对轮椅的测试设备大多未考虑乘员质量、生理特征和主动操作等影响。由于国内尚未出台轮椅车中下肢康复训练部分国家标准，本文参考GB 24436-2009、GB/T 28919-2012 及ISO 7176 系列，提出一种针对下肢康复训练模块的测试平台，模拟人体质量、人体生理特征及主动运动等特点，完成对下肢训练、平衡训练和痉挛保护等功能的安全性测试。

1 总体设计

1.1 机械结构

该测试平台由测试假人主体与外挂架两部分组成，如图1 所示。其中假人主体按照人体结构分为足部、小腿、大腿和躯干4 个部分，如图2 所示。假人尺寸、质量及质心与人体生理特征相同，下肢训练的平稳性由髋、膝关节处安装的角度及扭矩传感器采集数值进行分析测试。平衡训练安全性由足底压力传感器、整机双平行四边形设计、躯干内丝杆电机与外挂架组成机械结构，通过被限制的平面内主动倾斜运动完成测试。痉挛保护安全性由膝关节中的摩擦盘和大腿中部的气动夹钳提供可调制动力组成的可调阻力模块完成。

1.2 控制系统

控制系统主要由STM32F429IGT 核心控制模块、通讯模块、步进电机驱动模块、传感器信号多通道变送模块、抱闸控制模块、电源模块等组成，如图3 所示。整个系统主要对核心动力源步进电机进行控制，实现机构对人体倾斜时髋部运动模拟。另外，在左右髋部和膝部都安装了角度传感器和扭矩传感器，在脚底安装了压力传感器，能够在整个机械运动时检测髋部、膝部、脚部的相关参数，并通过MUC 将初步的数据处理上传至PC 端，进行数据储存和进一步分析。

Fig.1 Test platform components图1 测试平台组成部分

Fig.2 Design of each part of dummy body图2 假人主体各部设计

2 控制系统模块化设计

2.1 电源模块

控制系统电路电源由外部开关电源模块提供24V 直流电源，为满足系统中各个模块对于不同电压的需求，采用逐级降压方案，如图4 所示。先采用LM2596 芯片将24V直流电压转化为12V，然后通过LM7805 芯片将12V 转为5V 电压，5V 直流电主要供传感器使用。核心MUC 的供电为3.3V，由LM1117MPX-3.3芯片将5V 转化为3.3V。

2.2 通讯模块

通讯模块支持WiFi通讯和USB 通讯两种模式。

本系统WiFi通讯使得该装置具有远程无线控制功能，并且可以通过WiFi 将传感器的实时数据传输至自建的数据库，方便对数据进行后期分析管理。

PC 端上位机通过USB 通讯对本装置进行运动控制及程序调试。USB 总线作为一种高速串行总线，其极高的传输速度可以满足高速数据传输的应用环境要求，支持即插即用和热插拔，具有兼容性好的特点。

2.3 传感器信号多通道变送模块

本模块将传感器的信号转换为MUC 可识别的电压信号，主要由一阶RC 滤波电路、INA128 仪表放大器电路和二阶SK 型低通滤波器电路组成，如图5所示。

Fig.3 General design of control system图3 控制系统总体设计

Fig.4 Power module circuit图4 电源模块电路

Fig.5 Circuit of transducer signal transmission module图5 传感器信号变送模块电路

一阶RC 滤波电路的作用是对传感器的输入信号进行简单的滤波处理，减少高频噪声。RC 滤波器电路的截止频率公式如下：

当R 为10KΩ，C 为100nF 时，截止频率f 为159H，意味着低通滤波器只会对高于141Hz的信号起到抑制作用。

NA128 是低功耗通用仪器放大器，可提供很高的精度，多功能的三运放设计和小尺寸使其应用广泛。电流反馈输入电路即使在高增益（G=100 时为200kHz）下也能提供宽带宽。该放大电路的输出电压VO和输入电压VIN-、VIN+的关系如式（2）所示：

在INA128 的后级加上一个二阶SK 型低通滤波器电路，对输出信号进行滤波以提高信号的稳定性。滤波器电路的截止频率公式如下：

多通道变送模块对应每一个传感器都有一个相同信号的变送电路，而且每路信号放大的倍数可调，可根据不同传感器进行调节。

2.4 抱闸控制模块设计

抱闸控制模块负责控制气动刹车电磁阀的启停功能，并由电磁阀门的开合控制气动刹车进行制动工作，实现痉挛状态模拟。抱闸控制模块由信号输入、光耦芯片、MOS管开关和抱闸开关组成。如图6 所示，BREAK LEFT CRL及BREAK RIGHT CRL 是由STM32 单片机发出的控制信号，传递至TLP521 光耦隔离器芯片定的电气阻隔功能，可实现精准的开垂直导电结构带来的耐压和耐电流能力，光耦芯片即可控制MOS 管Q1 和Q2 通断，以实现抱闸开关BREAK LEFT 和BREAK RIGHT 的开合，实现3.3V 开关控制24V 电路开关的功能。

2.5 步进电机驱动模块

本装置使用一个两相四线步进电机，需要对电机调速、正反转以及位置控制。直接用高低电平方式驱动两相四线电机有四拍、八拍方式，对应细分为满步、半步。本文选择满步细分、四拍方式驱动，具体驱动时序如表1

Fig.6 Circuit of switch control module图6 抱闸控制模块电路

Table 1 Driver chronology表1 驱动时序

DRV8874是一款集成电机驱动器，具有N 通道H 桥、电荷泵、电流传感和比例输出、电流调节和保护电路。电荷泵通过支持N 沟道MOSFET 半桥和100%占空比驱动来提高效率。这一系列设备采用针对针RDS（on）变体，以最小的设计变化来支持不同的负载。采用两块DRV8874 芯片组成两相四线步进电机电路，如图7所示。

Fig.7 Motor drive circuit图7 电机驱动电路

为实现电机调速，采用单极性正弦脉冲宽度调制（SPWM）调速，如图8 所示。在PWM 基础上改变调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，输出的波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。SPWM 具有开关损耗低、效率高、输出波形良好的优点。

使用STM32F429IGT 的高级定时器可以输出PWM 波，设置PWM 波的频率，根据定时器的输出比较模式产生PWM 波的频率计算公式如下：

其中，arr 为重装载值，psc 为预分频值。在成功设置PWM 基础上，采用规则采样法，通过控制计数比较模块和输出控制模块可以输出SPWM 波，如图9所示。

Fig.8 SPWM pulse waveform图8 SPWM脉冲波形

Fig.9 SPWM wave conversion process图9 SPWM波转换流程

3 SPWM输出实验及倾斜运动仿真实验

3.1 SPWM输出实验

因步进电机转速与步进距离是根据电压信号的大小控制的，因此通过改变SPWM 波的波形，可以达到控制电机转速和行程的目的。本实验通过示波器查看控制板输出的SPWM 波形，判断其是否满足控制电机需求。由图10可知，示波器显示的SPWM 输出波形与计算机模拟情况一致，通过改变SPWM 波脉冲宽度可有效地对电机进行运动控制。由图11 可知，在输出端设置一个电容后，对输出的波形进行调制可得到单极性的正弦波。

3.2 倾斜运动仿真实验

本文基于Adams 软件构建假人三维测试模型，对由贯通式丝杆步进电机驱动的倾斜运动进行运动过程模拟，如图12 所示。测试假人的倾斜运动功能由丝杆与电机组成的螺旋副实现，相对贯通式丝杆步进电机轴向移动速度为2 mm/s，根据丝杆电机选型，丝杆导程为4 mm，则步进电机转子旋转360 °丝杆前进4 mm。由倾斜角θ=20 °可知，对应螺旋副旋转角度为2 300 °，总运动时长25.56 s，因此设置驱动函数如下：

为求解测试假人倾斜过程中整体质心投影地面变化情况，使用外部子程序标记其整体质心位置，再由求解文件绘制质心在仿真运动过程中的参数数值变化。假人在倾斜运动过程中质心投影于地面Y 轴随时间变化的曲线如图13 所示。由图13 可知，质心投影点变化距离范围在0～135 mm 以内，因机构整体运行平稳，其投影点位移曲线在整个变化周期内的变化趋势呈直线状，机构质心移动过程平稳，满足设计所需要求。

Fig.10 The oscilloscope outputs the SPWM waveform图10 示波器输出SPWM波形

Fig.11 Modulate unipolar sine waves图11 调制单极性正弦波

Fig.12 Tilt simulation motion process图12 倾斜仿真运动过程

Fig.13 Distance change curve of projection point of center of mass图13 质心投影点位移变化曲线

4 结语

本文提出一种轮椅式下肢训练设备测试平台控制系统设计，通过传感器、制动器及驱动电机的配合，对相关设备的下肢训练、平衡训练及痉挛保护安全性进行测试。控制系统中，由核心控制模块STM32F429IGT 的高级定时器输出PWM 波，通过控制计数比较模块和输出控制模块得到SPWM 波，经过计算机模拟和示波器输出验证，可更平稳地控制电机运动。通过传感器信号变送模块及通讯模块中的USB 及WiFi 通讯，将采集信息交由上位机处理，得到测试的实时数据。经ADAMS 仿真软件仿真，可知此测试平台进行主动测试时机构运行平稳，满足设计要求。但在真实人体倾斜过程中，因各类人群生理特征中质量及力量不同，引起的转动惯量及倾斜速度也不同，其运动控制需要模拟各类人群的运动特征。因此，后续研究应通过优化控制算法，增加系统反馈，以模拟不同人群的倾斜运动情况。