吳俊鵬，李日輝，李雅寧，高金武，蔣樂倫

中山大學 工學院，廣東 廣州 511400

一種踝關(guān)節(jié)康復裝置的設(shè)計

吳俊鵬，李日輝，李雅寧，高金武，蔣樂倫

中山大學 工學院，廣東 廣州 511400

本文介紹一種踝關(guān)節(jié)康復裝置，主要從足底壓力檢測單元和電機控制單元兩部分來介紹裝置的硬件組成與設(shè)計。采集單元采集控制需要的各項參數(shù)給控制器，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得裝置能按照預先設(shè)定好的康復模式帶動足部進行康復訓練，達到控制病患踝關(guān)節(jié)進行康復訓練的目的。

踝關(guān)節(jié)康復裝置；足底壓力檢測單元；電機控制單元；康復模式

0 前言

踝關(guān)節(jié)扭傷是日常生活中常見的運動傷,踝關(guān)節(jié)損傷如果治療不及時或者不徹底，容易導致踝關(guān)節(jié)韌帶恢復不了原來的狀態(tài)，使關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，易引起反復扭傷，甚至產(chǎn)生后遺癥，情況嚴重的有可能影響行正常行走功能[1]。

目前，在國內(nèi)關(guān)于踝關(guān)節(jié)的康復治療中，依舊以治療師的手工輔助康復為主，而使用踝關(guān)節(jié)康復裝置來替代治療師對患者實施被動運動訓練，對減輕治療師的人工勞動強度、及時使患者踝關(guān)節(jié)運動幅度和能力得到保持和恢復有重要意義[2]。在當前市場或醫(yī)學上用于踝關(guān)節(jié)康復訓練或治療的設(shè)備中，主要包括簡單材料和復雜儀器兩種。簡單材料如彈力繃帶和泡沫塑料等輕型材料，其使用方便，價格較低，但康復的效果非常有限；復雜儀器如Biodex4多關(guān)節(jié)系統(tǒng)等，但系統(tǒng)針對性不強，且價格昂貴[3]。而足部矯形器主要用于預防運動損傷，維持足部的形態(tài)，保護關(guān)節(jié)[4]，但對踝關(guān)節(jié)康復訓練的針對性不強。

本文設(shè)計的踝關(guān)節(jié)康復裝置是專門針對需要通過康復運動訓練來恢復踝關(guān)節(jié)運動功能的患者而設(shè)計的，使用者的足部能夠在裝置的帶動下，按照預先設(shè)定好的康復程序，進行單自由度（繞踝關(guān)節(jié)矢狀面）康復訓練。

1 踝關(guān)節(jié)生理特性簡介

人體踝關(guān)節(jié)的運動能圍繞3個互相垂直的軸心，沿三個互相垂直的平面的轉(zhuǎn)動運動,如圖1所示[5]。

圖1 踝關(guān)節(jié)運動

本文設(shè)計的踝關(guān)節(jié)康復裝置只涉及踝關(guān)節(jié)單自由度的運動，即為圖1中繞y軸轉(zhuǎn)動的自由度。

人體踝關(guān)節(jié)的運動幅度有一定范圍，因此裝置進行康復訓練的運動幅度必須在一定范圍之內(nèi)，否則容易引起使用者足部肌肉的拉傷甚至帶來骨損傷。若以地面為零參考，在矢狀面內(nèi)足部運動的范圍大約為-30°～30°[5]，所以康復裝置只能在該范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。

人體踝關(guān)節(jié)運動的速度也有極限。踝關(guān)節(jié)角速度最大值為262.36°/s，最小值-343.01°/s[6]，若康復訓練過程中，裝置帶動足部的轉(zhuǎn)速過高，會給使用者的足部肌肉、韌帶等帶來一定傷害。而裝置帶動足部轉(zhuǎn)速過低，又不能滿足人體康復訓練的要求。所以康復裝置的轉(zhuǎn)速必須符合人體生理要求。

另外，研究表明，踝關(guān)節(jié)背屈峰力矩最大值約為30 Nm[6]，而在康復訓練中，裝置遇到的踝關(guān)節(jié)的力矩會略小于該值，但力矩也必須滿足在任何情況下都能夠帶動足部運動的約束條件。

2 踝關(guān)節(jié)康復裝置的設(shè)計與控制

根據(jù)現(xiàn)有研究成果[7]，設(shè)計的踝關(guān)節(jié)康復裝置有2種運行模式：被動模式和半被動模式。所謂被動模式就是使用者的足部完全在裝置的帶動下進行踝關(guān)節(jié)康復訓練，治療師只需預先設(shè)定好裝置擺動的各項參數(shù)范圍（如定時，定量、定速、定范圍等），即可讓使用者進行單一不變的機械康復訓練。半被動模式就是裝置在預先設(shè)定好的各項康復參數(shù)下工作，運行過程中裝置可實時檢測出足部的運動狀況和受力情況，根據(jù)這些信息動態(tài)調(diào)節(jié)各項康復參數(shù)，以分析出更適合使用者的各項參數(shù)范圍。此模式適合第一次使用該康復裝置或者需要制定新的康復訓練計劃的人。裝置運行模式的選擇可手動輸入至控制器，并由控制器執(zhí)行。

為完成上述功能，設(shè)計的踝關(guān)節(jié)康復裝置包括永磁直流力矩電機、電機控制單元、足部機械裝置、足底壓力檢測單元、采集單元及控制器。裝置總體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 踝關(guān)節(jié)康復裝置總體結(jié)構(gòu)

采集單元分別采集來自足底壓力檢測單元和電機控制單元的參數(shù)信息，并將信息傳送給控制器，控制器再根據(jù)輸入模式的選擇、通過電機控制單元控制電機運轉(zhuǎn)。其中足底壓力檢測單元檢測安裝在足部機械裝置上的薄膜壓力傳感器的壓力信息，電機控制單元通過檢測與電機相關(guān)的電流、轉(zhuǎn)速信息實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速、位置以及力矩控制。

2.1 足部壓力檢測單元

在半被動模式中，需要根據(jù)人體足底的運動狀況來動態(tài)調(diào)節(jié)裝置運行參數(shù)，而人體足部的運動狀況由足底壓力檢測單元采集壓力信息，返回給控制器進行判斷。足底壓力檢測單元主要由多個薄膜式壓力傳感器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 足底壓力檢測單元結(jié)構(gòu)框圖

所采用的薄膜式壓力傳感器厚度極小，置于裝置底部時，使用者基本不能感知它的存在，且對力的分辨率達到±0.5%。傳感器阻值與作用的壓力大小呈線性關(guān)系[8]。壓力檢測電路對每個傳感器采用電壓分壓原理，測量傳感器在不同受力情況下的電壓大小，由分壓公式：

可求得與每個傳感器與壓力相關(guān)的電壓大小，其中RFSR為傳感器電阻值。采集單元通過多路復用芯片，對各個傳感器進行電壓數(shù)據(jù)采集。基于該策略，傳感器反映的與壓力相關(guān)的電壓數(shù)據(jù)，被傳送到控制器里進行分析處理。在控制程序里，為每個位置的壓力傳感器的采樣數(shù)值設(shè)定一個閾值，當采集到該位置的傳感器數(shù)值超過設(shè)定的閾值，則認為足底在該位置與裝置發(fā)生了明顯壓力行為，否則認為沒有明顯接觸。通過組合所有位置的壓力傳感器的量值信息來判斷足部的運動情況，控制器再根據(jù)判斷的結(jié)果實時動態(tài)地調(diào)整控制裝置的運行參數(shù)。

2.2 電機及電機控制單元

根據(jù)以上人體踝關(guān)節(jié)生理信息的分析，設(shè)計的踝關(guān)節(jié)康復裝置選用永磁直流力矩電機，其峰值堵轉(zhuǎn)電壓和電流分別為27 V和7.4 A，峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達到28.8 Nm，足以在康復訓練中帶動和制止踝關(guān)節(jié)運動[7]，最大空載轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器減速后約為1 r/s，即360°/s,滿足踝關(guān)節(jié)最大角速度[6]。

電機控制單元由PHB光電編碼器、電機電流檢測電路、H橋控制電路組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：

圖4 電機控制單元結(jié)構(gòu)框圖

光電編碼器的作用是檢測直流電機的轉(zhuǎn)速和位置。PHB增量式光電編碼器安裝在電機后方轉(zhuǎn)軸上，直流電機每轉(zhuǎn)動一周，編碼器產(chǎn)生200個脈沖，電機控制策略單位實時采集編碼器產(chǎn)生的脈沖，以計算頻率f，根據(jù)轉(zhuǎn)速計算公式：

得到電機的實時轉(zhuǎn)速ω。另一方面，還需要根據(jù)脈沖的個數(shù)n，根據(jù)角度計算公式：

得到電機轉(zhuǎn)動的角度θ。在被動模式下，控制器通過參數(shù)ω和θ來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角；在半被動模式下，參數(shù)ω和θ還用于動態(tài)調(diào)整電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以適應人體足部的動態(tài)狀況。

整個電機及電機控制單元供電電壓為24 V。電機控制電路用兩路可調(diào)占空比的PWM波來控制H橋芯片工作，H橋芯片再將24 V電源按要求加在電機的兩電源端,控制電機的工作。H橋的工作原理如圖5所示。

圖5 H橋芯片工作原理

控制器輸出的兩路PWM波為圖5中的PWM1和PWM2，在其中一路正在輸出PWM波時，另一路必定持續(xù)輸出低電平，PWM波的頻率初始化時可調(diào)，占空比D實時可調(diào)，控制器根據(jù)占空比和電壓計算公式：

來控制輸出的電壓UAB，從而實現(xiàn)對電機的控制。其中，

t為T周期內(nèi)高電平時間。裝置在運行過程中，可實時切換輸出PWM波的通道，改變電機的轉(zhuǎn)動方向。

為測量流過電機的電流，在24 V電源流入H橋芯片之前加一個微小阻值的電阻（R=0.01 ?）。用電阻上的壓降Ud來反映流過電機的電流的大小，此壓降經(jīng)過放大后，根據(jù)電流計算公式：

計算出流過電機的實時電流大小。其中，IA為流經(jīng)電機的電流，G為后端信號放大倍數(shù)。由直流電機轉(zhuǎn)矩公式：

可知轉(zhuǎn)矩大小T與流過電機的電流大小IA成正比例關(guān)系，其中K為電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)。因此，可通過調(diào)節(jié)IA來控制電機轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)矩的大小。

總的來說，無論在被動模式還是半被動模式中，控制器都必須控制電機按照控制程序里的參數(shù)進行運轉(zhuǎn)。采集單元負責采集IA相關(guān)的數(shù)據(jù)信息、光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信息和足底壓力傳感器的壓力信息，傳送給控制器進行計算和分析處理，得到IA、θ、f、ω的數(shù)值以及足底的運動狀況，控制器再根據(jù)這些參數(shù)產(chǎn)生的相應PWM波來控制電機轉(zhuǎn)動和工作。

3 裝置初步試驗結(jié)果與分析

電機控制單元作為設(shè)計的踝關(guān)節(jié)康復裝置的執(zhí)行機構(gòu)，其轉(zhuǎn)速和電流檢測模塊的精度直接影響到裝置最終的控制精度。當電機工作在空載狀態(tài)時，由直流力矩電機的轉(zhuǎn)速計算公式：

可知，電機的實時轉(zhuǎn)速ω1與電機兩端的電壓U1成正比，其中ω0、U0分別為直流電機的額定轉(zhuǎn)速和額定電壓。結(jié)合式(1)和(2)，得到：

即頻率與占空比成正比例關(guān)系。實驗測得占空比D從10%增加到99%（每次遞增10%）時對應的頻率f (Hz)變化（每次測量5組數(shù)據(jù)取平均值）曲線如圖6所示。實驗數(shù)據(jù)表明，裝置實際的占空比與頻率成正比例關(guān)系，與理論分析的結(jié)果一致，說明裝置的轉(zhuǎn)速測量是準確的。

圖6 占空比與頻率關(guān)系曲線對比

當電機工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，有：

其中L為電機電樞電感，r為電樞電阻。由此可計算出流過電機的電流i(A),并與裝置測量的電流IA做比較，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示，當電流比較小時，計算值會比測量值能夠保持一致，偏差較??；當電流比較大時，測量值和計算值存在一定的偏差，但從偏差值與實際值的比例來看，兩者最大的偏差在10%以內(nèi)，因此裝置的電流檢測與理論分析是一致的。電機轉(zhuǎn)速和電流的有效檢測，為踝關(guān)節(jié)康復裝置執(zhí)行機構(gòu)的高精度控制奠定了基礎(chǔ)。

圖7 電流計算值與測量值曲線對比

足底壓力信號采集單元結(jié)構(gòu)簡單，實際測試證明，能夠精確地檢測足底各個部位的壓力信號，從而滿足裝置對足底壓力檢測功能的要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的足部康復裝置使用方便，能以精準的電子機械控制代替人工勞動，在踝關(guān)節(jié)矢狀面（單自由度）內(nèi)對使用者的足部進行康復訓練，有效減輕康復醫(yī)療人員的勞動強度。裝置可實現(xiàn)被動和半被動兩種康復模式，康復訓練涉及的各項參數(shù)既可按醫(yī)生診斷信息進行設(shè)定，又可以在康復訓練中根據(jù)使用者的足部信息不斷進行反饋調(diào)整，提高康復訓練的準確度，使患者足部得到更有效、更科學的康復治療。

[1] 姚太順,孟憲杰．踝關(guān)節(jié)外科[M]．北京:中國中醫(yī)藥出版社,1998．

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[7] sFSR? Force Sensing Resistor? Integration Guide and Evaluation Parts Catalog[S]．

A Design of Ankle Rehabilitation Device

WU Jun-peng, LI Ri-hui, LI Ya-ning, GAO Jin-wu, JIANG Le-lun
School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou Guangdong 511400, China

A series of study have shown that targeted and scientifc rehabilitation are more effective to the recovery of sick foot. This paper mainly introduces the hardware components of an ankle rehabilitation device, which mainly consists of two parts, a plantar pressure detection unit and a motor controlunit. It is such a closed loop control system that the acquisition system constantly detects and transmits some necessary parameters to the controller, which driving the device follow the pre-setting rehabilitation model and ultimately achieving the goal of regulating sick foot rehabilitation training.

ankle rehabilitation; plantar pressure detection unit; motor control unit; rehabilitation model

R496

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.003

1674-1633(2014)03-0008-03

2013-12-14

教育部博士點基金新教師基金項目(No: 20120171120036)；大學生創(chuàng)新訓練計劃（1055813028）資助。