何亞峰，張光南，干為民

(1.常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002;2.寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，陜西 寶雞 721000)

0 引言

目前我國(guó)平均每年新增596萬(wàn)老年人口，年均增長(zhǎng)速度達(dá)到3.28%，到2020年，老齡人口將達(dá)到2.48億，老齡化水平達(dá)到17.17%。社會(huì)老齡化使得老年疾病患者激增，如腦血栓、腦梗等疾病。同時(shí)社會(huì)上還存在高血壓疾病中年化和血管畸形少年化問(wèn)題，腦血管疾病成為危害人類健康的第一殺手，而國(guó)內(nèi)外對(duì)于腦病后遺癥(如偏癱等運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病)至今還沒(méi)有特效的治療方法。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證明，偏癱患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，采用先進(jìn)的康復(fù)訓(xùn)練器械進(jìn)行合理、科學(xué)的訓(xùn)練，對(duì)于偏癱患者的恢復(fù)具有非常重要的作用。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練器械進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)，如，南開(kāi)大學(xué)的高渤［1］設(shè)計(jì)了偏癱患者主動(dòng)型輔助康復(fù)設(shè)備，清華大學(xué)胡宇川［2］進(jìn)行了偏癱上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研制，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Vol-pe和Krebs［3-4］研制了上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人MITManus，中國(guó)科學(xué)院羅東峰［5］對(duì)桌面式上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了控制研究。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練器械需要醫(yī)師隨時(shí)指導(dǎo)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)多名患者同時(shí)訓(xùn)練時(shí)，需要配備多名醫(yī)生;而當(dāng)患者自行練習(xí)時(shí)，又往往得不到醫(yī)生的實(shí)時(shí)指導(dǎo)，長(zhǎng)此以往患者容易失去耐心和信心。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到康復(fù)訓(xùn)練器械，醫(yī)生可隨時(shí)隨地使用專用的監(jiān)護(hù)儀器或者各種通信終端(如，PC、手持設(shè)備等)，通過(guò)無(wú)線方式(如，移動(dòng)通信網(wǎng):3G、GSM;無(wú)線局域網(wǎng):Wi-fi;、ZigBee等)同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)康復(fù)訓(xùn)練器械，通過(guò)康復(fù)訓(xùn)練器械上的各種傳感器采集的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)病人的訓(xùn)練狀態(tài)和康復(fù)情況，并通過(guò)控制康復(fù)訓(xùn)練器械的運(yùn)行來(lái)提高患者的康復(fù)進(jìn)度，還可通過(guò)語(yǔ)音、文字等多種方式與患者交流，大大節(jié)約了醫(yī)療資源，提高了患者的康復(fù)效果和速度?；谄c患者康復(fù)規(guī)律，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出新穎的偏癱康復(fù)訓(xùn)練器械和醫(yī)用無(wú)線監(jiān)控終端，通過(guò)醫(yī)患配合進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的控制能力，達(dá)到治療偏癱患者的目的?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練器械的設(shè)計(jì)，對(duì)于發(fā)展康復(fù)事業(yè)具有重要的意義和一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 康復(fù)訓(xùn)練器械總體設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方法

圖1 康復(fù)訓(xùn)練器械總體設(shè)計(jì)方案

圖1為康復(fù)訓(xùn)練器械總體設(shè)計(jì)方案，該方案由機(jī)械部分和控制部分組成。機(jī)械部分主要涉及偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練器械的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)?？刂撇糠种饕婕盁o(wú)線監(jiān)測(cè)控制模塊的設(shè)計(jì)與控制。無(wú)線監(jiān)測(cè)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練器械的信息采集、電機(jī)控制以及組網(wǎng)通信等，該模塊主要由傳感器采集電路、主處理器CC2530、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及天線組成，通過(guò)無(wú)線方式與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器或其他節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信。偏癱患者在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中由傳感器采集電路采集安裝在康復(fù)訓(xùn)練器械拉環(huán)上的拉力傳感器數(shù)據(jù)，然后交由主處理器處理并完成電機(jī)控制。另外，主處理器通過(guò)天線向網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器發(fā)送傳感器采集數(shù)據(jù)，并接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的信息控制電機(jī)。

根據(jù)偏癱患者訓(xùn)練模式特點(diǎn)和使用要求設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練器械，體現(xiàn)了人性化，安全可靠，其結(jié)構(gòu)主要由座椅升降裝置、手部訓(xùn)練組件、電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧阻尼組件、訓(xùn)練支架組件等構(gòu)成，如圖2所示。其中座椅升降裝置由座椅、電動(dòng)推桿、導(dǎo)柱組成。手部訓(xùn)練組件由繩子、拉環(huán)、滑輪組等組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由制動(dòng)電機(jī)、絲杠、螺母、導(dǎo)軌、滑塊、連接桿組成。彈簧阻尼組件由彈簧、連接板、導(dǎo)向柱、導(dǎo)向滑塊組成。訓(xùn)練支架組件由直橢圓管、弧形橢圓管組成。

圖2 康復(fù)訓(xùn)練器械

1.2 基本工作原理

康復(fù)訓(xùn)練器械的基本原理是患者手部拉動(dòng)拉環(huán)用力時(shí)，通過(guò)繩子和滑輪組帶動(dòng)彈簧沿導(dǎo)向柱緩慢上升，彈簧阻尼力逐步增大，此時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連接桿運(yùn)動(dòng)。當(dāng)患者手部拉動(dòng)繩子的速度大于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連接桿運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)，患者手部用自身力量完成主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)患者手部拉動(dòng)繩子的速度小于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連接桿運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接桿帶動(dòng)繩子上的固定套克服彈簧力運(yùn)動(dòng)，此時(shí)患者只需要用很小的力或只需拉住拉環(huán)即可完成被動(dòng)訓(xùn)練。如果訓(xùn)練中出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)突然斷電，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)將迅速啟動(dòng)，確保患者的安全。該康復(fù)訓(xùn)練器械能對(duì)患者的身體恢復(fù)起到重要的作用。

為了滿足患者的使用需求，提高訓(xùn)練效果，電機(jī)速度應(yīng)可以控制并實(shí)現(xiàn)分段速度，因而在康復(fù)訓(xùn)練器械拉環(huán)上安裝拉力傳感器，由此判斷患者手部力量的大小，調(diào)整電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，以滿足不同患者的需求，確保器械的安全性。

2 康復(fù)訓(xùn)練器械控制部分設(shè)計(jì)

2.1 康復(fù)訓(xùn)練器械控制界面

圖3是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的偏癱康復(fù)訓(xùn)練器械控制界面，為了滿足偏癱患者的訓(xùn)練需求，更好地體現(xiàn)人性化特點(diǎn)，控制界面可供使用者選擇擋位和選擇電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，不同擋位所控制的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度也不同，不同運(yùn)行狀態(tài)所控制的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)端位置也不同，另外控制界面可實(shí)現(xiàn)多個(gè)康復(fù)訓(xùn)練患者與醫(yī)生之間的信息交流，便于醫(yī)生及時(shí)在線掌握患者訓(xùn)練情況和訓(xùn)練效果。該康復(fù)訓(xùn)練控制界面簡(jiǎn)潔、功能齊全，使用方法。

圖3 康復(fù)訓(xùn)練器械控制界面

2.2 康復(fù)訓(xùn)練器械四個(gè)擋位控制部分程序

康復(fù)訓(xùn)練器械控制程序主要包括PWM控制電動(dòng)機(jī)程序、通道控制程序、擋位控制程序、狀態(tài)控制程序等，本文只給出康復(fù)訓(xùn)練器械四個(gè)擋位控制的部分程序，程序如下:

3 康復(fù)訓(xùn)練器械物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是指將各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，如，傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽閱讀裝置、條碼與二維碼設(shè)備、全球定位系統(tǒng)和其他基于物—物通信模式(M2M)的短距無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大智能網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)護(hù)、公共安全等多個(gè)領(lǐng)域。其在醫(yī)護(hù)領(lǐng)域中，主要用于人體監(jiān)護(hù)和生理參數(shù)的測(cè)量等，可對(duì)人體的各種狀況進(jìn)行監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳送到各種通信終端。各種傳感器可以把測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳送到專用的監(jiān)護(hù)儀器或者各種通信終端，如，PC、手機(jī)、PDA等。

圖4為多臺(tái)康復(fù)訓(xùn)練器械物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及專用監(jiān)護(hù)設(shè)備構(gòu)成。工作區(qū)域內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練器械，將工作區(qū)域內(nèi)的多個(gè)康復(fù)訓(xùn)練器械節(jié)點(diǎn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(ZigBee)無(wú)線組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)的傳感器信息最終通過(guò)協(xié)調(diào)器傳輸?shù)綄Ｓ帽O(jiān)護(hù)設(shè)備，醫(yī)生或用戶可直接通過(guò)專用監(jiān)護(hù)設(shè)備查看到偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，還可以直接控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)器人的運(yùn)行。專用監(jiān)護(hù)設(shè)備可以采用計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)專用軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)傳感器上的數(shù)據(jù)整合、分析和顯示，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)器人的運(yùn)行進(jìn)行控制。

圖4 多臺(tái)康復(fù)訓(xùn)練器械物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

1)康復(fù)訓(xùn)練器械具有柔性、遞進(jìn)式特點(diǎn)，符合偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練要求。

2)康復(fù)訓(xùn)練器械控制界面功能齊全，簡(jiǎn)潔實(shí)用，體現(xiàn)了人性化。

3)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練器械，可以實(shí)現(xiàn)偏癱患者與醫(yī)生之間的實(shí)時(shí)交流，對(duì)患者康復(fù)有著積極的作用，具有一定的工程價(jià)值。

［1］高渤.偏癱患者主動(dòng)型輔助康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)［D］.天津:南開(kāi)大學(xué)，2010.

［2］胡宇川.偏癱上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研制［D］.北京:清華大學(xué)，2004.

［3］Volpe B T，Krebs H I，Hogan N.Is Robot-aided Sensorimotor Training in Stroke Rehabilitation a Realistic Option［J］.Curr Opin Neurol，2001，14(6):745-752.

［4］Krebs H I，Hogan N.Robot-aided Neuro-rehabilitation［J］.IEEE T.Rehabil.Eng.，1998，6:75-87.

［5］羅東峰.桌面式上肢康復(fù)機(jī)器人控制研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院，2012.