上肢肌肉康复训练器控制系统设计

【摘要】：康复训练器的智能化与信息化是现代医学发展的一个方向,是传统康复理论与自主控制技术相结合的产物,经过几十年的发展已经取得了丰富的成果。本文基于肌肉康复理论,针对肌肉康复训练器的市场空白,设计了一套人机交互友好、控制结构合理的上肢肌肉康复训练器系统。首先,根据康复训练的功能需求,制定了康复训练器系统的总体设计方案,对系统的整体结构与各子系统结构做出分析,确立了嵌入式控制系统与人机交互系统的整体框架与设计流程。其次,设计了以STM32F103C8T6为主控芯片的嵌入式控制系统。其中,数据采集模块包含多个检测要领模块,用以收集患者的训练数据;伺服控制模块负责建立电机与主控芯片之间的通信,并实现主控芯片对电机的控制;无线通信模块利用无线收发设备,将收集到的数据上传至上位机。再次,完成人机交互系统的设计。基于.NET框架进行开发,在VS2010中设计了基于Mysql数据库的患者信息管理模块,用以管理患者的个人信息与训练信息;基于无线通信、双缓冲绘图技术的运动过程监测模块,将患者的各项训练指标直观的显示在人机界面上;以历史训练数据为蓝本,分析患者恢复情况的数据分析模块。上位机软件基本满足医师的各项需求,为分析患者的肌肉恢复情况提供了平台。最后,本文基于系统机械结构与控制结构的研究,完成了康复训练器主动辅助控制模型的建立和应用,采用压力传感器检测患者与机构间的作用力,根据主动辅助控制模型得出力与机械关节速度的关系,控制关节的输出转矩,实现了伺服电机的转矩控制。随后,以本文所设计系统作为实验平台,针对不同训练模式进行实验研究,验证了系统的可行性与实用性。