CN110333671A - 一种康复模拟人带肌张力控制***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种康复模拟人带肌张力控制***，包括角度采集器、执行设备、从MCU控制模块、主MCU控制模块、上位机显示***；其特征为：所述角度采集器采集康复模拟人的关节角度信号传输给从MCU控制模块，所述从MCU控制模块对采集的关节角度信号通过欧拉变换换算为人***姿单关节数据并将该信号上传给主MCU控制器，通过主MCU控制器将人***姿单关节数据通过位姿方程合成人***姿复合自由度数据提供给上位机显示***进行显示和数据后台处理，同时通过显示***输出指令发送给主MCU控制模块，通过主MCU控制模块发送控制指令给执行设备，控制执行设备输出不同的力矩，变化的力对应模拟人表述为肌张力。

Description

一种康复模拟人带肌张力控制***及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人技术康复教学设备领域，尤其是涉及一种一种康复模拟人带肌张力控制***。

背景技术

康复学科的发展及国家对康复养老方向的重视，催生对康复类专业人才专业化培养提出更标准，更规范，更严格的要求，催生出康复学科对标准智能化的康复教具的新需求。

传统康复教学，实践教学部分由学生来模拟病人，教师通过对模拟病人的学生进行模拟康复，此过程中没有使用到教学仪器对关节的活动度进行记录与显示，除此之外康复教学中更加需求康复教具能够模拟出康复病人的肢体痉挛和僵硬程度，表述为肌张力，学生的模拟往往难以达到这样的标准，学生获得针对患者实际操作经验少，教学效果缓慢。

发明内容

本发明借鉴于工业智能领域，服务机器人领域，便携式机器人领域的经验，为满足人体尺寸及特殊结构的需求，提出一种能够满足康复教学领域对康复教具需求的设备的控制方案，我们通过微型角度传感器和性价比高的陀螺仪实现对关节活动度的采集，并将采集信号通过从MCU控制器和主MCU控制器中处理成人体复合位姿角度数据后上传给上位机显示***，另外，主控MCU将根据上位机显示***发出的肌张力指令发出控制信号，该控制信号是已经预设好的“肌张力分为5个等级”的某个等级指令下传给执行设备，通过执行设备的控制来模拟出人体肌肉张力的效果，满足康复教学中对康复教具具备角度显示与肌张力效果的目的。

一种康复模拟人带肌张力控制***，包括角度采集器、执行设备、从MCU控制模块、主MCU控制模块、上位机显示***；其特征为：所述角度采集器采集康复模拟人的关节角度信号传输给从MCU控制模块，所述从MCU控制模块对采集的关节角度信号通过欧拉变换换算为人***姿单关节数据并将该信号上传给主MCU控制器，通过主MCU控制器将人***姿单关节数据通过位姿方程合成人***姿复合自由度数据提供给上位机显示***进行显示和数据后台处理，同时通过显示***输出指令发送给主MCU控制模块，通过主MCU控制模块发送控制指令给执行设备，控制执行设备输出不同的力矩，变化的力对应模拟人表述为肌张力。

本发明还公开一种康复模拟人带肌张力的控制***的控制方法。

有益效果

本***的实现给康复教学领域拥有康复教具提供功能实现的基础，减少老师重复的工作量，增加学生实践机会和标准评定。肌张力让康复教学操作中有了直接手感反馈，让学生有更多的机会增加康复肢体记忆训练，让康复教学领域的教学实践成果有了量化的评定数据。

附图说明

图1康复模拟人控制***框图。

图2康复模拟人从MCU软件控制流程图。

图3康复模拟人主MCU软件控制流程图。

具体实施方式

在康复医学领域教学中，按照改良的Ashworth分级标准，将肌张力分为以下5个等级：

0级：正常肌张力；

1级：肌张力略微增加，受累部分被动屈伸时，在关节活动范围之末时呈现最小的阻力，或出现突然卡住和突然释放；

1+级：肌张力轻度增加：在关节活动后50％范围内出现突然卡住，然后在关节活动范围后50％均呈现最小阻力；

2级：肌张力较明显地增加，通过关节活动范围的大部分时，肌张力均较明显地增加，但受累部分仍能较容易地被移动；

3级：肌张力严重增加：被动活动困难；

4级：僵直：受累部分被动屈伸时呈现僵直状态，不能活动；

对于不同肌张力等级表现的状况差异很大，正常人很难模拟出几张力的效果。因此，对于康复用的教具，不仅仅需要能够实现人体活动的自由度，更加重要的一点是可以实现病人的肌张力状态。本发明结合上述肌张力的划分规则，将上述肌张力的五个等级作为参考值与传感器反馈的信号进行比较从而进一步控制康复模拟人各个关节的运动。如图1康复模拟人控制***框图所示，该控制***主要包括上位机显示***，主控MCU部分，从控制MCU和角度采集器以及执行设备。此外，本发明主要描述的是主控MCU部分和从控MCU部分的方法实现，另外上位机显示***是以PC机位载体的，角度采集设备包括角度传感器和陀螺仪，执行设备是集成式步进电机。

具体的控制方案如下：一种康复模拟人带肌张力控制***，包括角度采集器、执行设备、从MCU控制模块、主MCU控制模块、上位机显示***；其特征为：所述角度采集器采集康复模拟人的关节角度信号传输给从MCU控制模块，所述从MCU控制模块对采集的关节角度信号通过欧拉变换算法转换为人***姿单关节数据并将该信号上传给主MCU控制器，通过主MCU控制器将人***姿单关节数据通过位姿方程合成人***姿复合自由度数据提供给上位机显示***进行显示和数据后台处理，同时通过显示***输出指令发送给主MCU控制模块，通过主MCU控制模块发送控制指令给执行设备，控制执行设备输出不同的力矩，变化的力对应模拟人表述为肌张力。角度采集设备包括角度传感器和陀螺仪，执行设备是集成式步进电机。

下面将结合附图2-3详细描述从MCU控制模块以及主MCU控制模块的控制流程。

康复模拟人从MCU控制模块流程图参考如图2所示，该部分的目的是将多个不同类型角度采集设备的原始角度采集后转换成人体姿态角使用数据，在肩关节和髋关节这样结构紧密和复合自由度多的关节处采用陀螺仪采集活动度，采集陀螺仪装备的原始四元素数据、欧拉角数据和角速度数据，在从MCU控制模块中通过欧拉变换算法转换成单活动度角度值，在腕关节和肘关节自由度复合度低及结构空间大的地方采用角度传感器，采集角度传感器原始角度数据，作为单活动度角度值。单活动度角度值数据在从MCU控制模块中通过组包进自定义协议包发送给主MCU控制模块。

从MCU控制模块控制方法主要包括硬件初始化模块，接口驱动模块，中断类型判断模块、数据解析处理模块、通信协议帧打包、通信数据接收、发送模块。

所述硬件初始化模块包括***内核的初始化实时时钟的初始化、串口RS232的初始化、串口RS485的初始化、定时器初始化、GPIO模块的初始化。

所述接口驱动模块主要包含GPIO接口驱动、串口RS232接口的驱动和串口RS485接口的驱动。

所述中断类型判断模块主要用于判断中断的类型是串口RS232的中断、RS485的中断还是定时器的中断，该中断类型判断模块是当其识别到是RS232中断条件被触发，则进入RS232中断处理模块；当其识别是RS485中断条件被触发，进入RS485中断处理模块；当其识别到定时器中断条件触发，进入定时器中断处理模块。

所述从MCU控制模块的数据解析处理模块包含串口RS232数据包、串口RS485数据包数据的解析处理、定时器脉冲数据的解析处理；所述串口RS232数据包数据的解析处理是通过自定义的RS232数据帧协议内容，逐个解析收到有效数据，将对应数据存储用于求解位姿角度数据；所述串口RS485数据包数据的解析处理是通过自定义的RS485数据帧协议内容，逐个解析收到的有效数据，将对应数据存储用于设置陀螺仪、角度传感器的初始位置和状态值；所述定时器脉冲数据的解析处理，通过定时器的计时，计数角度传感器单位时间内的脉冲个数，通过数据转换将其转换成活动角度数据，将对应数据存储用于求解位姿角度数据。

所述通信协议帧打包、发送模块包含将数据按照自定义协议分别打包发送到串口RS232部分和RS485的部分。

具体的实现过程如下：从MCU控制模块硬件在上电初始化完成之后，接口驱动模块开始循环扫描，在扫描到是设定好的IO引脚电平发生变化，通过识别哪些IO引脚被触发，根据定义好的IO顺序，根据二进制数的组合逻辑处理，生成逻辑数字，作为新的ID号供MCU***进行使用，此ID号为该MCU采集的是肩关节、腕关节还是肘关节数据的地址，当扫描到RS485接口有数据，开始进入RS485中断处理，如果判断数据是定义的协议帧识别内容，则进一步解析收到的数据并保留数据进行处理，否则，丢掉数据，继续扫描，对保留的数据按照定义的协议解析出数据指令对角度采集设备进行校准和零位置标定；当扫描到RS232接口有数据时，开始进入RS232中断处理，如果中断判断是有效数据后保留，并对有效数据转换成原始的绝对角度值，通过自定义协议打包后，通过RS485发送给主MCU控制模块，否则丢失。当扫描到定时器中断产生后，先判断是3路定时器中的哪一路计数器脉冲数据，将计数脉冲转换成相对角度数据，将就生成的角度数据通过自定义协议打包后，通过RS485发送给主MCU控制模块。完成多类型角度数据采集处理成复合人***姿所需的单自由度角度数据到发送给主MCU控制模块处理的目的。

本发明主MCU控制模块控制流程参见图3所示的康复模拟人主控制流程图。主MCU控制模块的目的是循环给从MCU控制模块发送指令，读取所需要的角度数据，将从MCU控制模块采集到的人***姿单自由度数据经过位姿方程合成人***姿复合自由度数据提供给上位机显示***进行显示和后台数据处理，另外接收对上位机界面的肌张力输入指令进行功能实施，控制执行机构运动，呈现不同的肌张力效果。

主MCU控制模块主要包括硬件初始化模块，接口驱动模块，中断类型判断模块、数据解析处理模块、通信协议帧打包、发送模块。

所述硬件初始化模块包括***内核的初始化实时时钟的初始化、串口RS232的初始化、串口RS485的初始化、GPIO模块的初始化。所述接口驱动模块主要包含GPIO接口驱动、串口RS232接口的驱动和串口RS485接口的驱动。所示中断类型判断模块主要用于判断中断的类型是串口RS232的中断、RS485的中断。所述数据解析处理模块包含串口RS232数据包数据的解析,算法处理、串口RS485数据包数据的解析，算法处理。所示通信协议帧打包、发送模块包含将数据按照自定义协议分别打包发送到串口RS232部分和RS485的部分。

主MCU控制模块具体的实现过程是：主MCU控制模块硬件电路在上电初始化完成之后，接口驱动模块开始循环扫描，当扫描到RS485接口有数据，开始进入RS485中断处理，通过判断数据帧是自定义协议帧内容，则保留数据进行处理，否则，丢掉数据，扫描继续，对保留的数据按照自定义协议帧内容解析出数据，作为人***姿复合角度处理算法部分的输入变量，算法处理后的人体关节姿态角度值打包通过RS232发送给上位机进行显示和后台存储处理。扫描到RS232接口有数据，开始接收上位机指令，并进入RS232中断处理，中断函数判断是有效指令数据后保留，否则丢失，对有效指令数据进一步判断，如果判断出指令是控制MCU从设备的，将判断出的指令打包进RS485数据帧中，发送给从MCU控制模块控制陀螺仪和角度传感器进行清零复位操作，对有效指令解析后是控制执行设备的，进一步判断是控制哪一台执行设备，肌力等级设定是多少后控制执行设备输出对应的力矩值，操作者结合机械本体外部施力反向拉动，迫使电机反方向运动，实现肌张力的效果。实现通过上位机指令进行功能转换控制从MCU控制模块和执行设备，以及将从设备的数据收集处理并发送给上位机显示和后台处理的目的。

此外，发明人强调指出：说明书中记载的诸如“陀螺仪、角度传感器、欧拉变换、位姿方程”等属于本领域公知的技术特征，并且在控制领域被工程技术人员常常采用的工程元件以及数学算法，因此，发明人没有将其做过多累述，本发明仅仅是通过采用上述现有技术元件以及数学知识对数据做出数据处理，本发明的发明点之一是：借鉴于工业智能领域，服务机器人领域，便携式机器人领域的经验，为满足人体尺寸及特殊结构的需求，提出一种能够满足康复教学领域对康复教具需求的设备的控制方案，通过微型角度传感器和性价比高的陀螺仪实现对关节活动度的采集，并将采集信号通过从MCU控制器和主MCU控制器中处理成人体复合位姿角度数据后上传给上位机显示***，另外，主控MCU将根据上位机显示***发出的肌张力指令发出控制信号，该控制信号是已经预设好的“肌张力分为5个等级”的某个等级指令下传给执行设备，通过执行设备的控制来模拟出人体肌肉张力的效果，满足康复教学中对康复教具具备角度显示与肌张力效果的目的。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种康复模拟人带肌张力控制***，包括角度采集器、执行设备、从MCU控制模块、主MCU控制模块、上位机显示***；其特征为：所述角度采集器采集康复模拟人的关节角度信号传输给从MCU控制模块，所述从MCU控制模块对采集的关节角度信号通过欧拉变换算法转换为人***姿单关节数据并将该信号上传给主MCU控制模块，通过主MCU控制模块将人***姿单关节数据通过位姿方程合成人***姿复合自由度数据提供给上位机显示***进行显示和数据后台处理，同时通过显示***输出指令发送给主MCU控制模块，通过主MCU控制模块发送控制指令给执行设备，控制执行设备输出不同的力矩，变化的力对应模拟人表述为肌张力。

2.根据权利要求1所述的一种康复模拟人带肌张力控制***，其特征为：角度采集设备包括角度传感器和陀螺仪，执行设备是集成式步进电机。

3.根据权利要求2所述的一种康复模拟人带肌张力控制***，其特征为：在肩关节和髋关节这样结构紧密和复合自由度多的关节处采用陀螺仪设备，采集陀螺仪装备的原始四元素数据、欧拉角数据和角速度数据，在从MCU控制模块中通过欧拉变换算法转换成单活动度角度值，在腕关节和肘关节自由度复合度低及结构空间大的地方采用角度传感器，采集角度传感器原始角度数据，作为单活动度角度值，单活动度角度值数据在从MCU控制模块中通过组包进自定义协议包发送给主MCU控制模块。

4.一种康复模拟人带肌张力的控制***的控制方法，包括如权利要求1-3任意一种所述康复模拟人带肌张力控制***，其特征为：包括对从MCU控制模块的控制以及对主MCU控制模块的控制。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征为：从MCU控制模块控制方法主要包括硬件初始化模块，接口驱动模块，中断类型判断模块、数据解析处理模块、通信协议帧打包、通信数据接收、发送模块。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征为：所述从MCU控制模块的硬件初始化模块包括***内核的初始化实时时钟的初始化、串口RS232的初始化、串口RS485的初始化、定时器初始化、GPIO模块的初始化；

所述从MCU控制模块的接口驱动模块主要包含GPIO接口驱动、串口RS232接口的驱动和串口RS485接口的驱动。

所述从MCU控制模块的中断类型判断模块主要用于判断中断的类型是串口RS232的中断、RS485的中断还是定时器的中断，该中断类型判断模块是当其识别到是RS232中断条件被触发，则进入RS232中断处理模块；当其识别是RS485中断条件被触发，进入RS485中断处理模块；当其识别到定时器中断条件触发，进入定时器中断处理模块；

所述从MCU控制模块的数据解析处理模块包含串口RS232数据包、串口RS485数据包数据的解析处理、定时器脉冲数据的解析处理；所述串口RS232数据包数据的解析处理是通过自定义的RS232数据帧协议内容，逐个解析收到有效数据，将对应数据存储用于求解位姿角度数据；所述串口RS485数据包数据的解析处理是通过自定义的RS485数据帧协议内容，逐个解析收到的有效数据，将对应数据存储用于设置陀螺仪、角度传感器的初始位置和状态值；所述定时器脉冲数据的解析处理，通过定时器的计时，计数角度传感器单位时间内的脉冲个数，通过数据转换将其转换成活动角度数据，将对应数据存储用于求解位姿角度数据；

所述从MCU控制模块的通信协议帧打包、发送模块包含将数据按照自定义协议分别打包发送到串口RS232部分和RS485的部分。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征为：所述主MCU控制模块包括硬件初始化模块，接口驱动模块，中断类型判断模块、数据解析处理模块、通信协议帧打包、发送模块。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征为：所述硬件初始化模块包括***内核的初始化实时时钟的初始化、串口RS232的初始化、串口RS485的初始化、GPIO模块的初始化；所述接口驱动模块主要包含GPIO接口驱动、串口RS232接口的驱动和串口RS485接口的驱动；所示中断类型判断模块主要用于判断中断的类型是串口RS232的中断、RS485的中断；所述数据解析处理模块包含串口RS232数据包数据的解析、算法处理，串口RS485数据包数据的解析、算法处理；所述通信协议帧打包、发送模块包含将数据按照自定义协议分别打包发送到串口RS232部分和RS485的部分。