楊 濛 ，卞永明，張圣良，季鵬成

（1.同濟大學控制科學與工程系，上海201804；2.浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江杭州310027；3.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804；4.上海驥虎機器人科技有限公司，上海200092）

腦卒中是一種嚴重危害國民健康的急性腦血管疾病，具有發(fā)病率高、致殘率高、復發(fā)率高、死亡率高、經(jīng)濟負擔高等5 大特點。隨著社會人口老齡化的加劇及不健康生活方式的流行，我國腦卒中發(fā)病率逐漸呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的趨勢［1-2］。據(jù)最新全球疾病負擔研究（Global Burden of Disease Study，GBD）結(jié)果顯示，我國整體腦卒中發(fā)病風險為39.9%，位居全球首位。雖然大多數(shù)腦卒中患者經(jīng)過積極治療可挽救生命，但是仍然有約75%的人群會發(fā)生偏癱后遺癥，喪失部分肢體運動能力，且以手部功能障礙最為常見，嚴重影響患者的日常生活和勞動能力［3-4］。

目前，國內(nèi)外的手功能康復方法主要依據(jù)現(xiàn)代循證醫(yī)學（Evidence-Based Medicine，EBM）和持續(xù)被動活動（Continuous Passive Motion，CPM）理論，即通過對患者的肌肉肌腱進行持續(xù)被動的強化訓練來輔助修復受損運動神經(jīng)，進而重建或改善手部的運動功能［6-7］。在傳統(tǒng)康復治療中，職業(yè)治療師通常采用手把手的方式對患者進行一對一的康復訓練，不僅勞動密集、價格昂貴，而且無法保證康復效果與效率。近年來，隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，手功能康復機器人逐漸引起社會的廣泛關(guān)注。

手功能康復機器人是一種能夠通過傳感器信息，自主驅(qū)動手指完成指定動作，進而輔助重建人體運動功能的生機電一體化系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)提出一些解決方案，并取得了一定的進展。Kim等［8］設計了采用四連桿機構(gòu)與電位計的手部外骨骼系統(tǒng)，通過直線電機驅(qū)動手指進行伸展與彎曲動作。Decker 等［9］采用欠驅(qū)動串聯(lián)連桿機構(gòu)設計了可穿戴式手部外骨骼裝置，直流電機通過絞盤驅(qū)動器連接到每個手指的杠桿機構(gòu)，并利用電機行程對手部運動進行限位。Zhang 等［10］針對每個手指設計了對稱的小齒輪齒條平行滑動機構(gòu)，能夠適應不同厚度的手指，并通過鮑登線雙向驅(qū)動各關(guān)節(jié)進行屈伸運動。現(xiàn)有的手功能康復機器人大多包含連桿、齒輪、電機等剛性構(gòu)件，不僅質(zhì)量大、便攜性差，而且還存在剛性沖擊，具有安全隱患。近些年，利用氣動肌肉等柔性致動器的穿戴式手功能康復機器人發(fā)展迅速［11-12］，但也存在康復訓練模式單調(diào)、不能差異化訓練等問題。

本文基于柔性致動器的手功能康復機器人控制系統(tǒng)進行了設計與研究。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動康復訓練控制，提出了手功能康復機器人控制系統(tǒng)硬件設計，根據(jù)功能需求設計了系統(tǒng)的氣動回路和控制電路。針對控制系統(tǒng)的程序設計，根據(jù)患者不同病情的康復需求，設計了被動、鏡像兩種訓練模式。為了評估所設計控制系統(tǒng)的性能，對手功能康復機器人樣機進行了系統(tǒng)測試。最終，通過測試結(jié)果驗證了所設計系統(tǒng)的有效性及穩(wěn)定性。

1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于柔性致動器的手功能康復機器人控制系統(tǒng)采用模塊化設計方案，主要由主控制模塊、執(zhí)行驅(qū)動模塊、運動采集模塊、狀態(tài)顯示模塊、人機交互模塊以及鋰電池管理模塊組成，以柔性氣動仿生致動器作為執(zhí)行機構(gòu)，輔助患者通過運動再學習，提高手部活動能力，加快手功能康復進程，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Overall block diagram of the control system

手功能康復機器人控制系統(tǒng)的核心為主控制模塊，能夠根據(jù)人機交互模塊所采集的訓練模式、訓練強度、訓練啟停等指令信息進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合運動采集模塊所獲取的手勢信息數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行驅(qū)動模塊實現(xiàn)氣動回路的切換，進而驅(qū)動柔性致動器完成患者用戶的自動康復訓練。其中，氣動回路的控制邏輯根據(jù)被動、鏡像兩種訓練模式的選擇可以進行自由切換。電源管理模塊不僅為整個控制系統(tǒng)提供電源，還負責控制鋰電池的充電啟停與過流保護。同時，手功能康復機器人的實時運行狀態(tài)等信息，可以通過主控制模塊驅(qū)動狀態(tài)顯示模塊進行實時顯示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 氣動回路

氣動回路的主要作業(yè)是輔助柔性致動器進行內(nèi)部氣流方向的切換，實現(xiàn)充氣與抽氣功能。根據(jù)功能要求，本文結(jié)合柔性致動器的膨脹收縮特性設計了完整的氣動回路，利用電磁閥線圈通電失電時閥體位置的變化，控制回路中氣體的流向，最終實現(xiàn)柔性致動器的屈曲與伸展動作。氣動回路的原理如圖2 所示。其中，氣動回路所用的電磁閥為兩位三通換向閥，此處電磁閥線圈均處于失電狀態(tài)，電磁閥內(nèi)黑色箭頭方向不表示氣體的流動方向；柔性致動器除尾端存在一個通氣口外，內(nèi)部空間完全封閉。

圖2 柔性致動器氣動回路原理Fig.2 Schematic diagram of the pneumatic circuit for flexible pneumatic actuator

所設計的氣動回路可以實現(xiàn)3 種工作狀態(tài)：充氣狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)與抽氣狀態(tài)。在氣泵處于工作狀態(tài)時，若兩個電磁閥同時處于通電狀態(tài)，大氣中的空氣會被氣泵壓縮，經(jīng)電磁閥B 持續(xù)輸送至柔性致動器的封閉空間中，此時處于充氣狀態(tài)，柔性致動器膨脹屈曲；反之，若兩個電磁閥同時處于失電狀態(tài)，柔性致動器封閉空間中的空氣則會被氣泵壓縮，經(jīng)電磁閥A 持續(xù)輸送至大氣中，此時處于抽氣狀態(tài)，柔性致動器收縮伸展。在氣泵與兩個電磁閥均不處于工作狀態(tài)時，柔性致動器的通氣口不與大氣相通，內(nèi)部氣壓保持不變，此時處于穩(wěn)定狀態(tài)，柔性致動器動作不變。

2.2 控制電路

為了滿足手功能康復機器人的可靠性、功能性、便攜性、友好性以及穩(wěn)定性的要求，控制電路主要包括電源管理電路、最小系統(tǒng)電路、驅(qū)動輸出電路、觸摸按鍵輸入電路、數(shù)碼管驅(qū)動顯示電路、運動采集電路等?？刂齐娐吩砣鐖D3所示。

圖3 控制電路原理Fig.3 Schematic block diagram of the control circuit

控制電路的核心元件為微控制器。在綜合考慮控制系統(tǒng)需求以及微控制器的處理能力和應用場合后，選取宏晶科技有限公司的STC8G1K08 單片機作為手功能康復機器人控制系統(tǒng)的微控制器。STC8G1K08 是以超強抗干擾、高速與低功耗為目標的新一代8051 單片機，支持在線實時仿真，內(nèi)部集成高精度R/C 時鐘與高可靠復位電路，可徹底省掉外部的晶振與復位電路，內(nèi)部最高時鐘頻率24 MHz。芯片內(nèi)部還集成有1 路SPI 串行外設接口、1 路 I2C 總線接口、2 路 UART 接口和 15 路高速ADC通道。上述特性與接口使得STC8G1K08適用于各種家電控制場合。

控制系統(tǒng)的人機交互采用電容式觸摸按鍵，根據(jù)功能需求共設計有7個觸摸按鍵，包括開關(guān)機、功能選擇、運行/暫停、強度調(diào)整等指令。因此，觸摸按鍵輸入電路選擇使用VK3710IM單按鍵觸摸檢測芯片。該芯片內(nèi)部建有低壓差線性穩(wěn)壓器以增強抗干擾能力，最多可以提供10 個感應通道，能夠滿足人機交互模塊的數(shù)量需求，通過I2C 總線與外部中斷INT接口與微控制器相連。驅(qū)動輸出電路主要控制氣動回路的氣泵與電磁閥，由微控制器的GPIO 接口輸出驅(qū)動電流，經(jīng)NPN 三極管的放大作用，實現(xiàn)對氣泵與電磁閥的通電失電狀態(tài)改變；同時，為了保護其他電路元件，在線圈兩端還并聯(lián)有續(xù)流二極管。運動采集電路利用定制的薄膜開關(guān)采集板獲取健康側(cè)手的握緊、張開狀態(tài)，通過GPIO接口與微控制器相連。手功能康復機器人的實時運行狀態(tài)采用定制的7 位8 段LED 數(shù)碼管進行顯示，其驅(qū)動顯示電路采用TM1668 專用驅(qū)動控制LED 數(shù)碼管芯片，內(nèi)部集成有數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 高壓驅(qū)動等電路，通過串行接口與微控制器相連。電源管理電路采用鋰電池恒流/恒壓線性充電芯片TC4056A，能夠?qū)Τ潆婋娏鬟M行自動調(diào)節(jié)，并防止鋰電池倒充；微控制器通過ADC 接口采集鋰電池電壓，并實時驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示剩余電量。

3 系統(tǒng)程序設計

控制系統(tǒng)的程序使用KEIL 軟件進行開發(fā)與調(diào)試，開發(fā)語言為C 語言。程序的主要功能是根據(jù)人機交互模塊所設置的訓練模式等控制指令，結(jié)合健康側(cè)手的狀態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動氣泵和電磁閥執(zhí)行相應的輸出動作，同時將手功能康復機器人的訓練模式狀態(tài)、訓練強度、運行時間、剩余電量等狀態(tài)數(shù)據(jù)實時顯示在LED數(shù)碼管上。

控制系統(tǒng)上電后，主程序集中在main 入口函數(shù)，首先初始化GPIO 接口、定時器、外部中斷和I2C總線接口；定時器中斷函數(shù)能夠在被動訓練模式中，根據(jù)提前設定的訓練強度定時發(fā)送執(zhí)行相應輸出動作的邏輯，同時記錄康復訓練所用的時間；外部中斷服務函數(shù)能夠處理觸摸按鍵輸入電路所采集的控制指令。隨后，程序?qū)⑦M入while 主循環(huán)，在主循環(huán)中，程序不斷讀取所設置的訓練模式，如果設置為被動訓練模式，根據(jù)所讀取的訓練強度參數(shù)，循環(huán)控制氣泵與電磁閥，實現(xiàn)柔性致動器的循環(huán)屈曲-伸展動作，訓練強度參數(shù)越大，屈曲與伸展狀態(tài)的時間保持越長；如果設置為主動訓練模式，則會根據(jù)所讀取的健康側(cè)手狀態(tài)，協(xié)同控制柔性致動器執(zhí)行屈曲-伸展動作。此外，程序還會不斷讀取鋰電池的剩余電量，并將手功能康復機器人的運行狀態(tài)進行實時顯示?？刂葡到y(tǒng)的程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 Program flow diagram of the control system

4 系統(tǒng)測試

4.1 被動訓練模式

在被動訓練模式中，根據(jù)職業(yè)治療師在手部運動康復治療中所使用的訓練方法，手功能康復機器人可柔性帶動患病側(cè)手循環(huán)進行屈曲與伸展運動。為了評估該訓練模式的性能，使用基于柔性致動器的手功能康復機器人樣機進行了系統(tǒng)測試，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 被動訓練模式測試結(jié)果Fig.5 Test results of passive training mode

從圖5 中可以看出，控制系統(tǒng)能夠驅(qū)動手功能康復機器人完成預定的手勢動作，輔助患者自動完成康復訓練，手指的屈曲與伸展均可達到正常人的角度，且沒有剛性沖擊的不適感，從而證明了所設計控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與舒適性。

4.2 鏡像訓練模式

在鏡像訓練模式中，控制系統(tǒng)可以通過薄膜開關(guān)采集板檢測健康側(cè)手的狀態(tài)，獲取患者的運動意圖，同步控制患病側(cè)手進行屈伸動作。此外，還可以在健康側(cè)手的抓握帶領(lǐng)下，輔助患者用患病側(cè)手完成日常生活中物品的抓取活動。為了評估該訓練模式的性能，同樣使用樣機進行了系統(tǒng)測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 鏡像訓練模式測試結(jié)果Fig.6 Test results of mirror training mode

從圖6 中可以看出，患病側(cè)手能夠在健康側(cè)手的帶動下，進行鏡像協(xié)同運動，增強自主意識。同時，也成功輔助患者完成對日常生活中不同尺寸以及重量物體的抓取動作，并且能夠使柔性致動器根據(jù)物體的形狀進行自適應調(diào)整，形成包裹抓取，進而證明了所設計控制系統(tǒng)的可行性與適應性。

5 結(jié)語

本文基于柔性致動器的手功能康復機器人控制系統(tǒng)，首先提出了包括氣動回路與控制電路在內(nèi)的硬件設計，根據(jù)不同患者病情康復的需求，設計了具有被動、鏡像兩種訓練模式的控制程序。之后，為了評估所設計控制系統(tǒng)的性能，在兩種訓練模式下利用手功能康復機器人樣機進行了系統(tǒng)測試。最終，測試結(jié)果證明，所設計的控制系統(tǒng)能夠快速有效地實現(xiàn)自動康復訓練，驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可控性。本文所設計的控制系統(tǒng)具有良好的應用效果，能夠保證自動訓練過程的可行性與舒適性，可以在基于柔性致動器的手功能康復機器人的實際研發(fā)項目中得到廣泛應用。