吳偉銘　孟巧玲　倪偉　喻洪流

摘要：為實(shí)現(xiàn)康復(fù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和數(shù)據(jù)使用的有效性，確?？祻?fù)機(jī)器人能夠發(fā)揮智能化、個(gè)性化康復(fù)訓(xùn)練功能，從康復(fù)機(jī)器人與其協(xié)同工作的人機(jī)交互系統(tǒng)之間采用的通信技術(shù)出發(fā)，對康復(fù)機(jī)器人數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀在有線與無線兩個(gè)方面進(jìn)行分類綜述。首先，總結(jié)了現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人通信技術(shù)的基本特點(diǎn)與應(yīng)用方式。其次，基于準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性在通信方面的重要性，闡述并分析了案例中通信技術(shù)應(yīng)用的局限，并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)提出解決方案。接著，總結(jié)了有線與無線通信技術(shù)在康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用上的適用性與優(yōu)缺點(diǎn)。最后，基于現(xiàn)有技術(shù)與期望目標(biāo)間的差距，提出了改善康復(fù)機(jī)器人通信技術(shù)的解決方案。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù)；康復(fù)機(jī)器人；有線通信技術(shù)；無線通信技術(shù)

中圖分類號：R 496??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Application status of data communication technology inrehabilitation robot systems

WU Weiming1，2，3， MENG Qiaoling1，2，3， NI Wei2，3， YU Hongliu1，2，3

（1. School of Health Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;2. Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices， Shanghai 200093， China; 3. Key Laboratory of Neural-functionalInformation and Rehabilitation Engineering of the Ministry of Civil Affairs， Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to realize the timeliness of rehabilitation data transmission and the effectiveness ofdata? use，? and? to? ensure? that? the? rehabilitation? robot? can? perform? intelligent? and? personalizedrehabilitation training functions， from the perspective of the communication technologies used betweenrehabilitation? robots? and? their? cooperative? human-computer? interaction? systems，? the? currentdevelopment? status? of? rehabilitation? robot? data? communication? technologies? was? categorized? andreviewed from both wired and wireless aspects. Firstly， the basic features and application methods ofexisting communication technologies for rehabilitation robots were summarized. Secondly， based on theimportance? of? accuracy? and? real-time? in? communication，? the? limitations? of? the? communicationtechnology? application ?in? the? case? were? described? and? analyzed，? and? solutions? were? proposed? inconjunction with existing technologies. Then， the applicability， advantages， and disadvantages of bothwired? and? wireless? communication? technologies? of? the? rehabilitation? robot? application? weresummarized. Finally， based on the gap between the existing technology and the desired goal， a solutionwas proposed to improve the communication technology of the rehabilitation robot.

Keywords： communication technology; rehabilitation robot; wired communication technology;wireless communication technology

康復(fù)機(jī)器人是以康復(fù)醫(yī)學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和康復(fù)輔助的設(shè)備統(tǒng)稱[1]。功能障礙患者可以通過康復(fù)機(jī)器人的輔助訓(xùn)練與康復(fù)治療重塑神經(jīng)功能，改善功能狀況，增強(qiáng)日常生活自理能力及社會交流能力等[2]。除此之外，康復(fù)機(jī)器人還能代替治療師工作，為患者提供重復(fù)性的康復(fù)訓(xùn)練。治療師可通過上位機(jī)對康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，并把實(shí)時(shí)記錄的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)直觀地進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。智能化的康復(fù)機(jī)器人已成為康復(fù)醫(yī)院、社區(qū)、家庭等解決老年人康復(fù)醫(yī)療與助老助殘的一大助力[3]。

康復(fù)機(jī)器人數(shù)據(jù)通信一方面是下位機(jī)接收并解釋來自上位機(jī)的控制指令，然后控制系統(tǒng)執(zhí)行指令完成康復(fù)訓(xùn)練；另一方面，下位機(jī)將采集到的生物電信號、力或力矩等物理信號轉(zhuǎn)換為康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行記錄，并對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理[4]，從而對康復(fù)訓(xùn)練方案實(shí)施的有效性、患者訓(xùn)練時(shí)的生理狀態(tài)變化等進(jìn)行評估?？祻?fù)機(jī)器人數(shù)據(jù)的獲取分為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用。數(shù)據(jù)傳輸作為獲取數(shù)據(jù)最為重要的步驟，對于存儲與調(diào)用采集的數(shù)據(jù)起著承上啟下的連接作用。

隨著康復(fù)機(jī)器人使用頻率和使用人數(shù)的增加，以及人機(jī)交互游戲與數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)等功能的技術(shù)迭代加快，對康復(fù)機(jī)器人數(shù)據(jù)管理的要求也逐步提升。其中，最為關(guān)鍵的是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性[5]，這對于數(shù)據(jù)后續(xù)管理、康復(fù)機(jī)器人控制方式選擇等有著較為重要的影響。本文將對目前的康復(fù)機(jī)器人數(shù)據(jù)通信技術(shù)進(jìn)行綜述，對不同的數(shù)據(jù)通信方式進(jìn)行探討，以促進(jìn)康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互體驗(yàn)，為康復(fù)機(jī)器人提供切實(shí)有效的設(shè)計(jì)研究依據(jù)。

1康復(fù)機(jī)器人數(shù)據(jù)通信技術(shù)的分類

結(jié)合康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)具有的信息反饋與引導(dǎo)人主動(dòng)參與信息交互的特點(diǎn)，患者或康復(fù)治療師需及時(shí)地將控制信息通過人機(jī)交互系統(tǒng)傳遞給康復(fù)機(jī)器人?？祻?fù)機(jī)器人在接收控制信息之后將機(jī)器人信息、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等信號轉(zhuǎn)換為訓(xùn)練信息、訓(xùn)練數(shù)據(jù)等直觀內(nèi)容，通過人機(jī)交互系統(tǒng)反饋給醫(yī)生或治療師，這些信息的反饋有助于對康復(fù)治療作出更有效的調(diào)整與規(guī)劃。這一過程中人機(jī)交互系統(tǒng)與康復(fù)機(jī)器人之間的信息反饋主要通過數(shù)據(jù)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，本文將數(shù)據(jù)通信技術(shù)分為有線通信（串口通信、 USB 通信）和無線通信（藍(lán)牙通信、 ZigBee 通信、 Wi-Fi 通信）。各通信方式的特點(diǎn)如表1所示。

2有線通信技術(shù)

2.1串口通信技術(shù)

串口通信（serial communication）指通過數(shù)據(jù)信號線、控制線和地線等在計(jì)算機(jī)和外設(shè)間進(jìn)行按位傳輸數(shù)據(jù)的通信方式。這種通信方式傳輸接線數(shù)少，成本低，開發(fā)擴(kuò)展性好，操作簡單，成為康復(fù)機(jī)器人常用的通信技術(shù)之一。串口通信在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用可分為3個(gè)部分：康復(fù)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)；康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互；康復(fù)機(jī)器人控制指令的發(fā)送與訓(xùn)練數(shù)據(jù)接收。

2.1.1康復(fù)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是控制康復(fù)機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的核心，主要通過上位機(jī)與康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)之間建立串口通信，將控制指令傳輸至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成機(jī)械臂的控制。串口通信的實(shí)現(xiàn)需進(jìn)行串行接口電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好的串行接口電路會將接收自 CPU（central processing unit）的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)將接收的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU 器件，通常會選擇使用 STM32單片機(jī)等進(jìn)行串行接口電路的設(shè)計(jì)。劉修泉等[6]設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人采用串口通信的方式，從 PC 端將數(shù)據(jù)傳輸給 STM32控制器進(jìn)行電機(jī)控制，從而帶動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。但由于計(jì)算機(jī)的處理速度高于調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送速度，這導(dǎo)致調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)會被很快讀取，此時(shí)，串口電路模塊會向計(jì)算機(jī)發(fā)送中斷信息。同時(shí)， STM32串口電路緩存數(shù)據(jù)容量小的特點(diǎn)，會增快中斷信息的發(fā)送頻率，降低計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理效率，導(dǎo)致延遲的增加，不利于數(shù)據(jù)的高速傳輸與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制。朱玉成等[22]、張旭等[23]、張繼國[24]都提出利用 FPGA （ field programmable gate array ）功耗較低、容量較大、設(shè)計(jì)靈活性較高等特點(diǎn)進(jìn)行串口通信電路的設(shè)計(jì)。 FPGA 在采樣速度、時(shí)序控制等性能上都優(yōu)于 STM32串口電路，可以為高速信息傳輸提供較快的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的高速串口通信，也可以為高速信息傳輸提供較快的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的高速串口通信[25]。

2.1.2康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互

虛擬現(xiàn)實(shí)交互可減少康復(fù)訓(xùn)練中的枯燥乏味，提高患者康復(fù)訓(xùn)練的積極性。串口通信可實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)游戲與康復(fù)機(jī)器人之間的交互。河北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)機(jī)器人采用串口通信與基于 MFC（microsoft foundation classes）設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)行虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)與康復(fù)機(jī)器人之間的控制指令傳輸與數(shù)據(jù)交互[7]。虛擬現(xiàn)實(shí)交互對于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性反饋有著較高的要求，串口通信的傳輸速率主要受波特率和幀格式兩種參數(shù)的影響，常用 RS-232，RS485等串行接口傳輸，但傳輸時(shí)波特率一旦約定好就不易修改。而隨著虛擬現(xiàn)實(shí)交互的更新升級，版本更新前約定的波特率無法滿足更新之后虛擬現(xiàn)實(shí)交互數(shù)據(jù)量增大的傳輸需求。對此，孫夫文等[26]提出一種基于 FPGA 的串行通信速率自動(dòng)檢測、自動(dòng)設(shè)置的模塊，采用該設(shè)計(jì)，通信主機(jī)可發(fā)出重置通信速率的命令，此時(shí)，通信從機(jī)會開啟通信速率自測試與自設(shè)置功能，重新設(shè)定新的速率與主機(jī)建立通信鏈路。

2.1.3康復(fù)機(jī)器人控制指令的發(fā)送與訓(xùn)練數(shù)據(jù)接收華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人通過RS232串口與下位機(jī)工控系統(tǒng)建立連接，實(shí)時(shí)將指令發(fā)送給上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行反饋控制，同時(shí)將采集的訓(xùn)練數(shù)據(jù)在 Windows交互界面上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)曲線繪制[27]。嚴(yán)澤宇等[8]通過在腰部推頂牽引治療裝置中開發(fā)基于PyQt平臺的上位機(jī)，通過 RS485串口建立上位機(jī)與主控板的通信，用于發(fā)送控制指令執(zhí)行康復(fù)治療方案，同時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行康復(fù)效果分析。隨著當(dāng)前無線通信技術(shù)的興起，串口有線傳輸受場地制約的缺點(diǎn)被放大。針對這一缺陷，楊怡婷等[28]提出 UART （ universalasynchronous receiver/transmitter）與射頻模塊（ radio frequency）之間的數(shù)據(jù)通信，將 ZigBee 技術(shù)嵌入無線射頻模塊中，實(shí)現(xiàn)串口的無線數(shù)據(jù)傳輸，消除了串口通信有線傳輸?shù)闹萍s。

2.2 USB 通信技術(shù)

USB （universal serial bus）作為外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通信。 USB 雖然也是用串行方式進(jìn)行通信，但在通信時(shí)序和信號電平上和串口完全不同，在使用上相比串口傳輸速度更快，支持設(shè)備的即插即拔與熱插拔，功能應(yīng)用范圍更廣。 USB 通信在康復(fù)機(jī)器人上的應(yīng)用可分為：康復(fù)機(jī)器人與人機(jī)交互設(shè)備通信；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。

2.2.1康復(fù)機(jī)器人與人機(jī)交互設(shè)備通信

USB 接口在眾多硬件設(shè)備上都設(shè)有，因此，康復(fù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)也會選用 USB 接口作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌?。山東大學(xué)設(shè)計(jì)的踝關(guān)節(jié)行走增力裝置可通過上位機(jī)與電路板中自帶的 USB 接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷控制，以及氣體壓力傳感器數(shù)據(jù)的采集與記錄[10]。谷士鵬等[11]設(shè)計(jì)的上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人采用 USB 2.0接口與PC 機(jī)通信，開發(fā)時(shí)調(diào)用封裝好的函數(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的讀寫[29]。但直接通過 USB 將康復(fù)機(jī)器人上下位機(jī)進(jìn)行連接限制了機(jī)器人的靈活性，特別是上位機(jī)采用 PC 端設(shè)計(jì)時(shí)不利于康復(fù)機(jī)器人的多場景應(yīng)用。孫恒等[30]借助 USB 轉(zhuǎn) NRF24L01模塊將上位機(jī)發(fā)送的指令通過無線傳輸至以單片機(jī)為核心單元設(shè)計(jì)的下位機(jī)系統(tǒng)，這樣很好地解決了 USB 有線傳輸?shù)南拗?，?USB 有線通信與無線通信有機(jī)地結(jié)合起來。

2.2.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口

由于串口通信使用的串行通信接口大多為 COM 口，在物理接口上多用于工控設(shè)備，對于設(shè)備接口有特殊要求，而此類接口的設(shè)備可以采用 USB 作為轉(zhuǎn)換接口的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。大連海事大學(xué)采用 RS485-USB 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)3個(gè)編碼器與計(jì)算機(jī)的串行通信，通過 USB 轉(zhuǎn)換器連接計(jì)算機(jī)后與虛擬應(yīng)用場景進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人數(shù)據(jù)的接收和處理[31]。李少坤等[12]通過 RS232串口轉(zhuǎn) USB 接入語音識別模塊作為獨(dú)立的子系統(tǒng)，與康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，通過語音識別控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而執(zhí)行相應(yīng)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。東南大學(xué)采用 USB 轉(zhuǎn)串口芯片 PL2303解決 PC 機(jī)沒有串行接口進(jìn)行通信的問題，通過轉(zhuǎn)換之后的 USB 接口與 PC 端監(jiān)護(hù)軟件通信進(jìn)行生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測[32]。

USB 雖然可作為統(tǒng)一接口與康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行通信，但轉(zhuǎn)換之后還是以有線方式進(jìn)行傳輸。雖然傳輸速度較快，但 USB 的抗干擾能力弱[33]，通信過程不穩(wěn)定，傳輸距離與穩(wěn)定性受 USB 數(shù)據(jù)線長短與外界干擾影響較大，限制了其應(yīng)用場合。牟奎霖[34]提出基于 NS1021延長器收發(fā)芯片的增強(qiáng)型 USB 傳輸方案，彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn) USB 接口傳輸距離近和抗干擾性差的不足，同時(shí)也擴(kuò)展了 USB 接口的使用范圍。馬萍[35]以 USB 總線接口實(shí)現(xiàn) CAN總線控制的多個(gè)主節(jié)點(diǎn)同計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，該設(shè)計(jì)使 USB 傳輸具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性，且抗干擾能力較強(qiáng)。

綜上，有線通信技術(shù)更多地用于康復(fù)機(jī)器人與 PC 端進(jìn)行通信的情況，一般利用 PC 端作為人機(jī)交互平臺的康復(fù)機(jī)器人都具有康復(fù)場所固定、康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練時(shí)不可移動(dòng)的特點(diǎn)，對于不考慮通信靈活性的設(shè)備可選擇使用有線通信。盡管有線通信在數(shù)據(jù)傳輸上較為穩(wěn)定，但使得康復(fù)機(jī)器人不具備靈活性與便攜性。同時(shí)通信線纜的連接在物理空間上容易受到不確定外力的破壞導(dǎo)致通信中斷。為確保在康復(fù)機(jī)器人使用過程中不被破壞與干擾，設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮康復(fù)機(jī)器人通信線纜位置的布置與保護(hù)。

3無線通信技術(shù)

3.1藍(lán)牙通信技術(shù)

藍(lán)牙通信技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，它可為固定的或移動(dòng)的設(shè)備建立一種特殊的近距離無線通信環(huán)境[36]。藍(lán)牙通信主要利用一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備搜索到另一個(gè)具有藍(lán)牙功能的設(shè)備，迅速建立起兩個(gè)設(shè)備之間的聯(lián)系，在控制軟件的操作下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[37]。藍(lán)牙通信在康復(fù)機(jī)器人上的應(yīng)用可分為：康復(fù)機(jī)器人控制指令的發(fā)送與訓(xùn)練數(shù)據(jù)接收；康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互。

3.1.1康復(fù)機(jī)器人控制指令的發(fā)送與訓(xùn)練數(shù)據(jù)接收

藍(lán)牙作為移動(dòng)設(shè)備間的一種小范圍無線連接技術(shù)，可為康復(fù)機(jī)器人與其共同工作的人機(jī)交互設(shè)備之間進(jìn)行控制指令的發(fā)送和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的接收提供方便快捷、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸。重慶大學(xué)通過 Android 上位機(jī)與設(shè)計(jì)好的三自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的藍(lán)牙設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)的發(fā)送[38]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用 HC-06從機(jī)藍(lán)牙模塊將 Android 平板電腦與拇指功能康復(fù)機(jī)器人間建立通信連接，發(fā)送指令進(jìn)行機(jī)器人控制與訓(xùn)練參數(shù)設(shè)定，同時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示并保存[13]。胡杰[39]通過多模態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練輪椅上外接藍(lán)牙從機(jī)模塊與平板電腦藍(lán)牙模塊建立主從機(jī)藍(lán)牙通信，實(shí)現(xiàn)壓力傳輸與虛擬現(xiàn)實(shí)游戲交互訓(xùn)練。

當(dāng)前康復(fù)機(jī)器人采用的藍(lán)牙無線通信技術(shù)大多是基于藍(lán)牙4.0及以下版本進(jìn)行開發(fā)的，雖然具有功耗和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但通信距離短的缺點(diǎn)，導(dǎo)致康復(fù)機(jī)器人與上位機(jī)通信時(shí)存在距離間隔越大數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性越差的問題。而第五代藍(lán)牙的出現(xiàn)，將通信速度提高了一倍。通信速度的提高減少了通信所需時(shí)間與藍(lán)牙使用的功耗，同時(shí)，相較于藍(lán)牙4.2版本，數(shù)據(jù)承載量提高了8倍，通信距離也提高了4倍[40]。此外，藍(lán)牙5.0后加入了 Mesh 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備“多對多”的連接通信[41]。

3.1.2康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互

藍(lán)牙通信用于虛擬現(xiàn)實(shí)交互是當(dāng)前最為常見的方式，通常會使用藍(lán)牙手柄、鍵盤等設(shè)備進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)游戲的操控，對于康復(fù)機(jī)器人中的虛擬現(xiàn)實(shí)交互也可以通過藍(lán)牙通信進(jìn)行。李文肖等[14]設(shè)計(jì)的下肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)通過 Unity 3D 軟件平臺開發(fā)人機(jī)互動(dòng)游戲[42]，將采集到的傳感器姿態(tài)信息通過藍(lán)牙通信與虛擬康復(fù)場景匹配完成訓(xùn)練，同時(shí)實(shí)現(xiàn)康復(fù)效果的評估。王洪等[15]針對上肢腕關(guān)節(jié)功能訓(xùn)練，將表面肌電信號（ sEMG）處理技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，將采集的sEMG信號以藍(lán)牙通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，用于驅(qū)動(dòng)虛擬訓(xùn)練環(huán)境中目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)交互需保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，故在藍(lán)牙通信設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)避免使用低功耗藍(lán)牙（ BLE ）。低功耗藍(lán)牙雖然在使用上保證了低功耗，但是限制了數(shù)據(jù)的傳輸量，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，不利于虛擬現(xiàn)實(shí)交互的進(jìn)行。

3.2 ZigBee 通信技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它的最大特點(diǎn)是可自組網(wǎng)[43]。一個(gè) ZigBee 協(xié)調(diào)器可對應(yīng)上萬個(gè) ZigBee 終端，在通信范圍內(nèi)， ZigBee 可通過動(dòng)態(tài)路由的方式選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑。當(dāng)一條路徑因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)堵塞或建筑物阻擋等原因?qū)е聰?shù)據(jù)傳輸被中斷，動(dòng)態(tài)路由結(jié)合 ZigBee 的網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則可以重新選擇另一條路徑直至數(shù)據(jù)傳輸完成[44]。ZigBee 通信在康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用可分為：監(jiān)測康復(fù)機(jī)器人使用狀態(tài)；家庭康復(fù)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

3.2.1監(jiān)測康復(fù)機(jī)器人使用狀態(tài)

ZigBee 可在一定的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信，構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測康復(fù)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練時(shí)人體與機(jī)器人的狀態(tài)。Braidot等[45]開發(fā)了一個(gè)名為 ZIMUED 的便攜式傳感器系統(tǒng)用于上肢康復(fù)機(jī)器人，通過 ZigBee 終端設(shè)備將采集的人體數(shù)據(jù)傳輸?shù)?ZigBee 協(xié)調(diào)器上。蔣興松[16]通過 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)將肢體康復(fù)監(jiān)測系統(tǒng)采集的病人姿態(tài)、關(guān)節(jié)活動(dòng)度等數(shù)據(jù)傳輸給 ZigBee 協(xié)調(diào)器，再以串口連接 PC 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC 端軟件上，由 PC 端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

ZigBee 通信若用在康復(fù)機(jī)器人上會受限于 ZigBee 協(xié)調(diào)器的放置位置，且 ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸需要以上位機(jī)作為中轉(zhuǎn)，限制了機(jī)器人使用的范圍。張毅等[46]通過設(shè)計(jì) ZigBee-Wi-Fi 無線網(wǎng)關(guān)解決了不需要有專門與 ZigBee 協(xié)調(diào)器相連的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，這樣的設(shè)計(jì)對于協(xié)調(diào)器的放置位置不受限，在數(shù)據(jù)傳輸上更加靈活方便。另外，可忽視墻體等障礙物對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。

3.2.2家庭康復(fù)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點(diǎn)可應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭、醫(yī)院等室內(nèi)康復(fù)機(jī)器人的使用、患者康復(fù)生理狀態(tài)等情況[47]。Chen 等[17]通過 ZigBee 模塊構(gòu)建家庭康復(fù)生理監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測患者的生命體征， ZigBee 終端將監(jiān)測對象的穿戴設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)傳輸至 ZigBee 協(xié)調(diào)器上，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測對象的跌倒和生理監(jiān)測。李堯[18]針對中風(fēng)病人設(shè)計(jì)了上肢家庭康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，通過 ZigBee無線發(fā)送模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC 端設(shè)備的外接ZigBee 協(xié)調(diào)器上， PC 端通過串口連接讀取 ZigBee 協(xié)調(diào)器上的數(shù)據(jù)用于人機(jī)交互和游戲驅(qū)動(dòng)。

ZigBee 用于家庭康復(fù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)，由于 ZigBee 通信頻段與 Wi-Fi 相同，這種情況下ZigBee 通信易受干擾。曾鵬等[48]針對無線局域網(wǎng)（WLAN）在同一區(qū)域共存將造成 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)性能顯著下降的問題，提出了多信道干擾避免策略。通過應(yīng)用多信道通信的方法提高 ZigBee 通信時(shí)信道切換的成功率，增強(qiáng)了 ZigBee 通信在 WLAN 干擾下的可靠傳輸。

3.3 Wi-Fi 通信技術(shù)

Internet 作為當(dāng)今全球信息交互最活躍的領(lǐng)域，在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行收集連接時(shí)，家居、醫(yī)療健康、教育、金融等領(lǐng)域的電子裝備也逐步融入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這有利于裝備之間經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行資源共享[49]?；?Wi-Fi 通信可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)或者無線網(wǎng)之間的傳輸，最底層的 IP 協(xié)議與上一層的 TCP （ transmission control protocol）協(xié)議或 UDP （ user datagram protocol）協(xié)議的組合可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 TCP 是一種面向連接的、可靠的通信協(xié)議，適合通信質(zhì)量要求較高的場景的應(yīng)用，例如 http 傳輸、文件傳輸、 smtp 等，目前大部分的傳輸都是基于 TCP 協(xié)議進(jìn)行的。 UDP 通信則提供了無連接的、實(shí)時(shí)性好的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，適合對網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量要求不高，但速度要求盡量快、更實(shí)時(shí)的情況，例如語音、視頻等。本文 Wi-Fi 通信在康復(fù)機(jī)器人上的應(yīng)用介紹包括：康復(fù)訓(xùn)練時(shí)視頻語音等數(shù)據(jù)交互；康復(fù)機(jī)器人控制指令傳輸與數(shù)據(jù)采集。

3.3.1康復(fù)訓(xùn)練時(shí)視頻語音等數(shù)據(jù)交互

隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療概念的提出，遠(yuǎn)程康復(fù)系統(tǒng)可為康復(fù)患者提供線上與康復(fù)醫(yī)師面對面的康復(fù)診療，成為康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一大熱門，通過 UDP 數(shù)據(jù)傳輸過程中延遲小、數(shù)據(jù)傳輸效率高的特點(diǎn)可進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻康復(fù)診療的應(yīng)用。王楠[19]設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)一方面將控制指令通過 TCP 傳輸發(fā)送至康復(fù)機(jī)器人設(shè)備，另一方面，視頻語音數(shù)據(jù)采集使用 UDP 協(xié)議進(jìn)行傳輸，保證虛擬現(xiàn)實(shí)游戲交互的體驗(yàn)。Tamez-duque等[20]設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)壓力皮帶傳感器系統(tǒng)，用于監(jiān)測 Rehab Rex下肢動(dòng)力外骨骼使用時(shí)的壓力，將采集的傳感器陣列數(shù)據(jù)通過 UDP 通信傳送至 GUI 軟件處理并顯示。UDP 通信雖然相較于 TCP 在傳輸數(shù)據(jù)前不需要建立連接，但是在數(shù)據(jù)傳輸上受連接的主機(jī)在線情況、網(wǎng)絡(luò)擁擠、阻塞等影響，數(shù)據(jù)傳輸可能會丟失，且無法監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，是一種可靠性不高的數(shù)據(jù)傳輸方式[50]。Google 提出的 QUIC （ quick udp internet connections）[51]協(xié)議是一種基于 UDP 并且融合了眾多其他協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的新型多路復(fù)用和安全傳輸協(xié)議。它具備連接建立迅速的優(yōu)點(diǎn)，解決了隊(duì)頭阻塞、重傳模糊等問題，保證了網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

3.3.2康復(fù)機(jī)器人控制指令傳輸與數(shù)據(jù)采集

TCP 通信在數(shù)據(jù)傳輸上可靠性較強(qiáng)，對于控制指令這類需要可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信較為適用。賀玲玲[21]借助 TCP/IP 協(xié)議具備的跨網(wǎng)絡(luò)通信的特點(diǎn)，提出了基于運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)關(guān)節(jié)多數(shù)據(jù)交互協(xié)議（RJMIP），用以滿足康復(fù)機(jī)器人對運(yùn)動(dòng)時(shí)角度的數(shù)據(jù)傳輸誤差要求與多關(guān)節(jié)多數(shù)據(jù)交換需求。沈麗云等[52]基于 Android 平臺與 Wi-Fi 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了上肢康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人，通過 Wi-Fi 無線通信實(shí)現(xiàn)對康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人本體肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)三自由度的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至 Android 客戶端。

TCP 通信前需要建立連接，且需時(shí)時(shí)監(jiān)聽連接是否正常，存在傳輸時(shí)隊(duì)頭阻塞、網(wǎng)絡(luò)切換導(dǎo)致連接中斷等問題，使得移動(dòng)端的傳輸效率低、延遲高[53]。袁凱等[54]提出了一種聯(lián)合應(yīng)用層糾錯(cuò)、檢錯(cuò)和重發(fā)機(jī)制的 UDP 傳輸方案，在提供低時(shí)延傳輸服務(wù)的同時(shí)也能保障報(bào)文的可靠性，該方案針對 TCP 不能保障實(shí)時(shí)性以及 UDP 不能保障可靠性的問題提出了解決方案。

綜上，康復(fù)機(jī)器人無線通信技術(shù)的使用根據(jù)不同的應(yīng)用場景不盡相同，藍(lán)牙通信技術(shù)適用于便攜式設(shè)備與康復(fù)機(jī)器人近距離的無線數(shù)據(jù)傳輸； ZigBee 通信技術(shù)則適用于構(gòu)建家庭等室內(nèi)康復(fù)無線通信網(wǎng)絡(luò)； Wi-Fi 通信技術(shù)適用于遠(yuǎn)程康復(fù)與數(shù)據(jù)傳輸量較大的無線通信。雖然無線通信技術(shù)的可移動(dòng)性和不受傳輸線纜限制的特點(diǎn)，為康復(fù)機(jī)器人的使用帶來了極大的方便，但其對信號及通信雙方網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)的要求較高，通信過程中若出現(xiàn)信號抖動(dòng)、連接中斷等情況，均會對機(jī)器人控制、訓(xùn)練數(shù)據(jù)接收、虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)等產(chǎn)生不同程度的影響。因此，在保證通信實(shí)時(shí)性的同時(shí)，如何確保連接的可靠性，需要進(jìn)一步的研究。

4對未來康復(fù)機(jī)器人通信技術(shù)研究的幾點(diǎn)啟示

作為用于康復(fù)機(jī)器人控制、數(shù)據(jù)獲取、交互的通信技術(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循“以人為本”的設(shè)計(jì)思想，從患者、康復(fù)治療師的角度出發(fā)，結(jié)合康復(fù)機(jī)器人使用特點(diǎn)，選擇適合康復(fù)機(jī)器人的通信技術(shù)，在確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性的前提下，提高康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互體驗(yàn)。從現(xiàn)有技術(shù)與期望目標(biāo)之間的差距，對康復(fù)機(jī)器人通信技術(shù)在功能實(shí)現(xiàn)、通信技術(shù)缺陷與改進(jìn)辦法上進(jìn)行了總結(jié)，在未來的康復(fù)機(jī)器人通信設(shè)計(jì)開發(fā)上可以參考以下幾個(gè)方面的策略。

a.復(fù)合通信策略。

單一的通信技術(shù)不能滿足復(fù)雜的人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)，通過在康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中結(jié)合多種通信技術(shù)的使用，可以滿足多功能多需求的人機(jī)交互。如 ZigBee 具有的多節(jié)點(diǎn)接入的優(yōu)勢結(jié)合 Wi-Fi 遠(yuǎn)程通信的優(yōu)點(diǎn)可以滿足患者居家康復(fù)與康復(fù)醫(yī)師遠(yuǎn)程指導(dǎo)康復(fù)訓(xùn)練的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)康復(fù)方式更便捷化的目標(biāo)。

b.便攜式設(shè)備無線通信。

隨著手機(jī)、平板電腦、智能手環(huán)等便攜式智能通信設(shè)備的興起，康復(fù)物聯(lián)網(wǎng)朝著輕型化、智能化的方向發(fā)展。基于智能手環(huán)與智能手機(jī)等小型化智能設(shè)備可結(jié)合自身功能在通信技術(shù)上選擇 NFC 無線通信、5G 通信等，NFC 近場通信具有的連接速度、傳輸速度快，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可通過移動(dòng)設(shè)備存儲的身份信息為康復(fù)機(jī)器人的使用提供身份確認(rèn)康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲，以確保康復(fù)機(jī)器人使用的安全保障與數(shù)據(jù)傳輸。5G 通信高速率、低延遲的優(yōu)點(diǎn)可提供時(shí)時(shí)刻刻的遠(yuǎn)程指導(dǎo)訓(xùn)練。

c.高速安全通信。

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、康復(fù)醫(yī)療等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，未來對于康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的傳輸、讀取、上傳、下載等功能在保證準(zhǔn)確性與可靠性的同時(shí)，對于傳輸?shù)陌踩杂兄叩囊螅磥碓谠O(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)時(shí)，對于通信數(shù)據(jù)的加密、校驗(yàn)、存儲等都應(yīng)按照法律法規(guī)加入相應(yīng)的安全防范措施。

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（編輯：丁紅藝）