张皓洋

摘要：本研究开发了一种基于模拟直立行走的下肢康复训练控制系统，该系统包括下肢康复训练机构设计、电机控制电路及控制软件等。下肢康复训练系统采用3个步进电机为训练设备的下肢运动机构提供动力，选用hrduino板为控制核心，使用WPF设计上位机用户端，实现了下肢的同步训练和交替训练。本实验结果表明，该控制系统具有良好的稳定性，满足了下肢康复训练的需求。

关键词：下肢康复;控制系统;Arduino;WPF

中图分类号：TP273 文献标识码A 文章编号1674-6708（2019）239-0142-03

随着现在社会的不断发展进步和人们生活水平的提高，人口老龄化的问题日趋严峻，由脑卒死等导致的神经损伤引发下肢功能出现障碍，或由于车祸、工伤等下肢意外受伤的患者，其下肢康复是个漫长的过程。而传统的康复治疗手段大多采用医生手工辅助完成，大大增加了康复过程的成本且效率低下，也会影响患者的身心健康。目前市面上的下肢康复训练装置功能不全，大多只能模拟下肢的两个自由度运动。

本次设计的下肢康复装置具有3个方向的自由度，更贴近于人体正常行走时的状态。该系统克服了现有下肢康复训练设备的缺点，既可以实现双腿的张合训练，也实现了双腿各自张合和旋转运动的独立性。

1功能及性能指标

本文研发的下肢康复训练系统主要功能如下：在训练时，患者将脚部放置在脚踏板上，本系统设置三个步进电机，两个对称放置的电机分别控制双腿的旋转，另外一个电机用于控制双腿的分合，实现三个自由度的运动训练。根据使用者的训练要求，可在上位机界面上操纵装置的运动，满足了不同患者的运动习惯，同时也设置了不同的康复训练游戏模式，提高了患者的恢复速度。具体实现功能如下：

1）运动训练由三个电机提供动力，彼此之问实现独立驱动。训练模式包括上下前后拟合成的旋转运动和左右直线的运动。

2）每种训练模式都有对应的时间选项，基本选项有6、12、18分钟训练，同时用户可自主设置时问模式。

3）可针对病患不同的身体情况，设置电机的转速，基本选项有30、40、50转每分钟，同时具有自由切换正反转功能。

4）上述训练参数等设置均在上位机界面实现，上位机将命令通过串口发送给下位机来实现装置的功能。

2运动控制系统总体设计

整个下肢康复训练系统包括硬件和软件两大部分，整体框图如图1所示。硬件部分由机构设计、驱动电机、电路控制芯片等硬件组成。软件部分包括上下位机通讯的实现、电机的同步和独立运动的实现、腿部的张合与旋转运动的实现等。

软件开发是在Windows7系统环境下，在Visual studio软件中采用基于c#的WPF开发工具。上位机软件通过串口通信协议向下位机控制系统发送控制指令，对下位机控制系统及相应功能进行初始化。由下位机（Arduino）将接受到的上位机用户界面的指令转化为脉冲等信号输入运动驱动器，从而使电机实现相应的功能动作，先实现一个电机的功能，进而实现所有电机的功能，达到相互协同工作，互不干涉，获得多个电机的驱动下康复训练的运动控制。

3结构设计

设备机构设计主要包括脚踏板运动机构、铰链四杆移动机构和齿轮齿条传动机构三部分组成。其中电机、齿轮齿条传动机构和铰链四杆移动机构控制设备的水平直线运动，实现患者双腿的张合运动，以达到更好的康复效果。脚踏板运动机构由脚踏板和平行四杆机构组成，左右两侧结构相同且位置成对称，分别控制双腿的旋转运动，来模拟人体直立行走时腿部的运动，而且两侧可同步和独立工作，满足了患者恢复过程中的不同要求，具体结构如图2所示。

4电路设计

上下位机之间的通信使用串口通信协议，利用封装好的应用程序编程接口，由Arduino将接收到的上位机指令转化为脉冲等信号输入运动驱动器，从而实现各步进电机相应的复位、停止等操作，进而实现康复训练中的同步、交替等复杂运动，串口通信模块如图3所示。

当训练系统工作中遇到紧急情况时需要急停，本研究设置了急停开关。急停开关位于电路箱的外侧，交流接触器使用施耐德的LClE2510M5N（额定电压250V，50HZ）;滤波器选用泰科20EKl电源滤波器（额定电压250V，额定电流20A）;断路器使用施耐德IC65N（绝缘电压500V，电流25A）;经过计算，熔断器选用32A保险丝，急停开关电路图如图4所示。

5软件设计

下肢康复训练系统的软件部分为对压力传感器FSR402的压力变化和Arduino时钟模块进行相应控制。通过PCF8591数模转换芯片处理压力传感器采集到的压力值，该压力值再传输到由Arduino组成的控制器并通过一定的计算程序处理后，对电机进行相应的运转速度和时间控制。通过程序设置不同的下肢运动模式，患者根据自己的身体状况选择不同的训练模型。智能康复训练器控制系统软件部分的整个过程如图5所示。

6可靠性测试分析

本课题的测试系统由两部分组成，第一部分是下肢康复训练的机械部分，另一部分是控制系统的测试，其中主要包括上位机操作界面、电机和电机驱动模块、电源模块、压力传感器。通过选择按钮选择不同的康复训练模式和设置不同的时问模式，并完成康复训练师的整体表现测试。通过对系统的整体测试得到如下信息，下肢康复训练装置具有90kg的承载能力，占地面积小于0.5m2。测试发现，当康复训练系统工作时，没有产生较大的噪音和明显的振动。整个系统测试分析验证了本文提出的设计可以模拟人体步态轨迹和脚部姿势，从而帮助患者下肢肌肉的运动，有助于恢复患者神经系统控制步行功能和患者正常行走功能的能力。与设计的技术指标进行比较，可以看出本系统可达到原设定的技术指标。

7结论

本文首先介绍了下肢康复训练机器人的目前研究现状和性能指标，然后给出了运动控制系统的整体设计，接着提出了下肢康复系统的机械结构和电路原理，最后通过软件编程设计出其控制算法并进行可靠性分析。该康复训练系统结构设计巧妙，能够很好的实现下肢康复训练，具有成本低、易于控制的特点。

通过对本系统的可靠性验证实验分析，得出以下总结：

1）步态康复训练机构模型的设计基于人体步态康复原理。通过模拟正常人体步态的轨迹和脚步的姿势，实现下肢运动障碍患者的髋关节、膝关节以及踝关节的训练康复。

2）通过wPF设计上位机用户端进行不同训练模式选择，结合Arduino下位机采集压力传感器数据，来控制电机带动机械结构运动，以达到下肢康复训练的目的。

3）通过实验，确定相关的电路模块和机械结构，通过电路与机械结构的融合设计，达到下肢康复训练装置的设计要求。本文实现的康复训练系统具有结构紧凑、占地面积小、性价比高以及操作方便等特点。