CN1709660A - 康复医疗机械臂的运动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种康复医疗机械臂的运动控制装置，由数据采集模块，二选一A/D转换模块，单片机处理电路模块，D/A转换电路模块，电机驱动电路模块及USB接口电路模块组成，数据采集模块的力信号输出端和位置信号输出端分别与二选一A/D转换模块的输入端连接，二选一A/D转换模块的输出端与单片机处理电路模块的输入端连接，单片机处理电路模块的输出端经USB接口电路模块与病人端计算机的输入端连接，计算机根据反馈信息输出控制指令，经USB接口电路模块及单片机处理电路模块输出到D/A转换电路模块，D/A转换电路模块的模拟信号由电机驱动电路模块处理后输至电机，用于控制电机运转；本发明可以实现一对多的远程康复训练，合理地利用资源，优化诊疗效果。

Description

康复医疗机械臂的运动控制装置

技术领域

本发明涉及一种康复装置，要求涉及一种康复医疗机械臂的运动控制装置。

背景技术

我国是中风病的高发地区之一，中风患者经过医院救治幸存后，常遗留一些运动、感觉和语言等障碍，由于受到各种因素的制约，他们不可能在医院长期接受康复治疗，出院后进行家庭康复锻炼是一种有效的好方法。对于中风病人，对其偏瘫部位的进行康复训练是十分重要和关键的医疗手段，及早进行康复训练可以大大减少残疾的可能性。另一方面，由于车祸、事故等引起的肢体受伤病人的临床症状同中风病人一样，也需要进行及时的康复训练。

目前上述病人的康复训练或康复治疗，主要由经验丰富的医生根据病人的病情和恢复情况，亲自操纵康复训练装置，对病人肢体施加一定大小的作用力，引导病人进行往复的肢体运动锻炼。然而，康复医生的数量毕竟是有限的，不可能使每个病人都能得到医生的亲自指导和康复训练。国外现有的康复医疗装置中，比较典型的是CPM机，它是利用康复医学中连续被动运动(Continuous Passive Motion/CPM)的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械，是目前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学的应用的一个例证。另外一个典型的康复机器人设备是美国麻省理工学院研制的MITMANUS，它有两个自由度，可以实现病人的肩、肘和手运动。国内的类似设备比较少，南航开发了一种康复医疗机械臂，采用单片机和步进电机控制；浙江的一些企业也开发一些与CPM类似的康复机械臂装置。这些康复机械都存在一些共同的缺陷：1)不能远程操作；2)医生在本地亲自操作，实施一对一的康复治疗，或按计算机中预先设定的路径运动，不能实现医患交互；3)没有力反馈功能；4)病人不能主动运动，或康复设备不能提供阻尼力。

发明内容

本发明提供一种康复医疗机械臂的运动控制装置，通过医患互动的形式，可以实现一对多的远程康复训练，合理地利用资源，优化诊疗效果。

本发明采用如下技术方案：

一种康复医疗机械臂的运动控制装置，由数据采集模块，二选一A/D转换模块，单片机处理电路模块，D/A转换电路模块，电机驱动电路模块及USB接口电路模块组成，数据采集模块的力信号输出端和位置信号输出端分别与二选一A/D转换模块的输入端(CHl、CH2)连接，二选一A/D转换模块的输出端(DOUT)与单片机处理电路模块的输入端(P3.0)连接，单片机处理电路模块的输出端(P1.0～P1.7)经USB接口电路模块与病人端计算机的输入端连接，计算机根据反馈信息输出控制指令，经USB接口电路模块及单片机处理电路模块输出到D/A转换电路模块，D/A转换电路模块的模拟信号由电机驱动电路模块处理后输至电机，用于控制电机运转。

本发明为基于互联网的远程力觉辅助康复训练机械臂，其***主要由康复训练机械臂、直流力矩电机、力和位置传感器、信号采集和驱动电路、摄像机、病人端控制计算机、医生端控制计算机以及Internet网络等组成。***有两种工作方式：一是医生端计算机通过Internet网络设置机械臂工作的参数，由控制电路控制电机驱动机械臂运动，从而带动病人上肢进行往复的训练运动。可以利用手柄1将病人的上肢固定在机械臂末端的托盘上，力传感器检测到病人和机械臂之间的相互作用力，位置传感器检测到机械臂转动的角度，传感电路将这些信息通过Internet网络传送给医生端计算机。保护杆的作用是限制机械臂的转动角度不大于180度，避免机械臂运动角度过大拉伤病人。二是医生直接操纵手柄2驱动机械臂带动病人进行训练。机械臂末端安装一个带有力敏元件的手托，可以将病人的肢体固定在手托上，此时，力敏元件感受到一定的力，***开关打开，远程康复训练***开始工作。康复训练机械臂的控制计算机通过Internet网络与医院的计算机连接，用户拨号上网后，医生在医院根据每个病人的情况，设定机械臂的运动控制参数如速度、力等，引导病人在家里进行康复训练，病人的训练情况如力和位置及视频信息通过网络传送到医院，医生对这些参数进行监控，观察病人的恢复情况，从而制定康复医疗计划，改变机械臂的运动控制参数。

本发明利用力反馈-位置型的传感与反馈结构实现具有力觉的运动引导。病人端计算机通过一定的控制算法驱动力矩电机，带动训练机械臂运动。运动过程中，机械臂与人手之间的相互力和位置信息一方面参与到控制回路中，形成反馈控制；另一方面通过网络传输给医生端计算机，使医生监控到训练过程中的信息，实现具有力觉辅助的远程康复训练。

该发明***对病人进行康复医疗训练可以采用临床上常用的4种模式：被动运动、助力运动、主动运动和阻力运动。康复医疗训练模式的具体实现方式为：(1)被动运动电机采用速度控制模式，由医生通过网络远程确定运动速度的目标值，同时可对最大辅助力矩进行设置。训练时受试者在机器人的带动下运动，但辅助力矩不超过所设阈值，以防拉伤肌肉。此训练模式适于基本无运动功能的患者。(2)助力运动：电机采用力矩控制模式，设定速度范围。受试者运动速度低于电机最小预设速度时，电机输出力矩增加；大于最小速度时，输出力矩降低；高于最高速度时，输出力矩降为零，以避免受试者运动速度太快。此训练模式适于具有一定运动功能但运动幅度较小的患者。(3)主动运动：电机采用力矩控制模式，设定速度范围。电机输出力矩平衡设备重力和摩擦力，受试者主动完成动作。此训练模式可用于患者主动运动功能的测试。(4)阻力运动：电机采用力矩控制模式，设定速度范围。电机输出力矩提供运动阻力，受试者克服阻力完成训练；也可以通过电机的速度控制模式实现，此时设定电机转速为零，力矩范围确定运动阻力的大小。此训练模式适于希望进一步提高运动功能的患者。

对于这4种训练模式，病人家里的计算机通过网络接收到医生设定的***参数，控制直流电机驱动机械臂运动。同时机械臂的力和位置以及视频信息通过网络传送到医院的控制计算机上，医生可以同时监控到各个患者的训练机械臂输出信号，并根据具体情况修改治疗方案，如果训练过程中发生意外，医生能够及时中断训练，保护患者。

与现有技术相比，本发明具体优点如下：

1)机械臂是远程控制的：康复训练机械臂的控制计算机通过Internet网络和医生端计算机连接，病人端计算机和医生端计算机采用客户机/服务器的方式，医生可远程设置参数控制机械臂的运动模式，病人在家里根据医生的设定自行进行锻炼，方便患者进行康复训练；

2)该康复医疗训练***是一对多的：医生在医院同时控制多个机械臂运动，指导多名病人进行康复训练，合理地利用资源；

3)实现了力觉辅助：采用基于力反馈-位置型的传感和反馈结构，利用直流力矩电机产生与人手的交互作用力和实现运动控制，力和位置信息以及视频信息通过Internet网发送给医生，从而使医生可以监控到病人的训练情况，并及时地修改康复训练方案，有效地实现医患互动，提高诊疗效率；

4)该康复机械臂除了带动患者往复运动外，患者还可以主动运动，康复机械臂***可以提供一定的阻尼力；

5)转动轴设计在机械臂中部，既可以由医生一对多地远程控制电机驱动机械臂带动患者肢体运动，也可以直接操作机械臂另一端，一对一地引导病人进行康复训练。

远程力觉辅助康复医疗机器人***的实现将不仅可以大大地提高康复医生的工作效率，而且极大地方便了广大伤残病人和中风病人，满足伤残病人和中风病人康复训练和医疗的需要。这对于提高中风病人的生活水平和减轻家庭及社会经济负担具有重要意义。

附图说明

图1是本发明电路框图。

图2是本发明数据采集模块电路图。

图3是本发明二选一A/D转换模块电路图。

图4是本发明USB接口电路模块电路图。

图5是本发明单片机处理电路模块电路图。

图6是本发明D/A转换电路模块电路图。

图7是本发明电机驱动电路模块电路图。

具体实施方式

实施例1

一种康复医疗机械臂的运动控制装置，由数据采集模块100，二选一A/D转换模块200，单片机处理电路模块300，D/A转换电路模块400、电机驱动电路模块500及USB接口电路模块600组成，数据采集模块100的力信号输出端和位置信号输出端分别与二选一A/D转换模块200的输入端CH1、CH2连接，二选一A/D转换模块200的输出端DOUT与单片机处理电路模块300的输入端(P3.0)连接，单片机处理电路模块300的输出端(P1.0～P1.7)经USB接口电路模块600与病人端计算机700的输入端连接，计算机根据反馈信息输出控制指令，经USB接口电路模块600及单片机处理电路模块300输出到D/A转换电路模块400，D/A转换电路模块400的模拟信号由电机驱动电路模块500处理后输至电机，用于控制电机运转。(参见图2)数据采集模块100由位置传感器111、跟随器112、力传感器121和力调理放大电路122组成，力调理放大电路采用型号为AD620的仪用放大器AD620，位置传感器111和力传感器121的输出端分别与跟随器112和力调理放大电路122的输入端连接，仪用放大器AD620的输出端OUT1和跟随器112的输出端OUT2构成数据采集模块100的输出端，上述仪用放大器AD620的***电路接法参照其技术手册；(参见图5)单片机处理电路模块300采用型号为AT89C52的单片机AT89C52，二选一A/1)转换模块200采用型号为MCP3204的逐次逼近式的12位模拟数据A/D转换器MCP3204，其输入端CH1、CH2分别与数据采集模块的输出端相连，时钟信号端CLK与单片机AT89C52的P1.2引脚相连，串行数据输入端DIN与单片机AT89C52的P3.1引脚相连，片选/关断端CS/SHDN与单片机AT89C52的P2.6引脚相连，A/D转换模块200的输出为MCP3204的串行数据输出端DOUT引脚；(参见图4)USB接口电路模块600为一个USB总线的通用设备接口芯片CH372，该芯片的双向数据总线接口D0～D7分别与单片机AT89C52的P1.0～P1.7相连，USB总线的数据线(D+、D-)与病人端计算机700相连，地址线输入端A0与单片机AT89C52的P2.4引脚相连，读选通输入端RD#与单片机AT89C52的P3.6引脚相连，写选通输入端WR#与单片机AT89C52的P3.7引脚相连，中断请求输出端INT#与单片机AT89C52的P3.2引脚相连，片选控制输入端CS#与单片机AT89C52的P2.7引脚相连，上述USB总线接口芯片CH372***电路的连接参照USB总线接口芯片CH372的技术手册；(参见图6)D/A转换电路模块400由型号为DAC0832的D/A转换芯片410和D/A转换运放电路420组成，D/A转换芯片410的输入DI0～DI7与单片机AT89C52的P0口(P0.0～P0.7)相连接，写选通信号端WR1和WR2与单片机AT89C52的P3.6引脚相连，输出IOUT1和IOUT2与D/A转换运放电路420的输入连接，J6为10K*8的排阻，与单片机AT89C52的P0口相连，电容C27一端接D/A转换芯片DAC0832的8号引脚，另一端接地，D/A转换运放电路采用型号为TL082的双运放TL082，双运放TL082的2号引脚与D/A转换芯片DAC0832的IOUT1相连，3号引脚与D/A转换芯片DAC0832的IOUT2相连并且接地，1号引脚与D/A转换芯片DAC0832的REF端相连，电阻R24与电阻R1的两端分别与双运放TL082的1号引脚和6号引脚相连；电阻R2一端与D/A转换芯片DAC0832的VREF端相连，另一端与双运放TL082的6号引脚相连，电阻R3的一端与双运放TL082的6号引脚相连，另一端与双运放TL082的7号引脚相连，电容C26的两端分别与D/A转换芯片DAC0832的REF端和IOUT端相连，作为去耦电容，电容C25一端与双运放TL082的8号引脚相连，另一端接地，作为滤波电容；电容C24-端与双运放TL082的4号引脚相连，另一端接地，作为滤波电容；电容C28的一端与D/A转换芯片DAC0832的VREF端相连，另一端接地，作为滤波电容，D/A转换运放电路的功能为将D/A转换芯片DAC0832的输出转换成双极性电压输出，从而控制电机的正转和反转，其输出端VIN作为D/A转换电路模块的输出；(参见图7)电机驱动电路模块500由光电隔离放大电路510和电机驱动电路520组成，光电隔离放大电路510采用型号为ISO124的光耦线性隔离放大器ISO124，它的输入VIN与D/A转换运放电路420的输出连接，其输出VOUT与电机驱动电路520的输入连接，而电机驱动电路520采用型号为LM1875的功率放大芯片LM1875，稳压管D1和稳压管D2反向连接后一端与功率放大芯片LM1875的1号引脚相连，另一端接地。而电阻R10和C12相连后一端与功率放大芯片LM1875的4号引脚相连，另一端接地，电阻R8一端接功率放大芯片LM1875的2号引脚，另一端接地；电阻R9一端接功率放大芯片LM1875的2号引脚，另一端接功率放大芯片LM1875的4号引脚。电容C8、电容C9一端接功率放大芯片LM1875的5号引脚，另一端接地；电容C10、电容C11一端接功率放大芯片LM1875的3号引脚，另一端接地，电机驱动电路520的输出端OUT为电机驱动电路模块500的输出，光电隔离放大电路510中光耦线性隔离放大器ISO124的***电路的连接参照其技术手册。

实施例2

一种康复医疗机械臂的运动控制装置，由数据采集模块100，二选一A/D转换模块200，单片机处理电路模块300，D/A转换电路模块400、电机驱动电路模块500及USB接口电路模块600组成，数据采集模块100的力信号输出端和位置信号输出端分别与二选一A/D转换模块200的输入端CH1、CH2连接，二选一A/D转换模块200的输出端DOUT与单片机处理电路模块300的输入端(P3.0)连接，单片机处理电路模块300的输出端(P1.0～P1.7)经USB接口电路模块600与病人端计算机700的输入端连接，计算机根据反馈信息输出控制指令，经USB接口电路模块600及单片机处理电路模块300输出到D/A转换电路模块400，D/A转换电路模块400的模拟信号由电机驱动电路模块500处理后输至电机，用于控制电机运转，单片机处理电路模块300采用型号为AT89C52的单片机AT89C52，单片机的P0口(P0.0～P0.7)与D/A转换芯片DAC0832410的输入端DI0～DI7相连，P1口(P1.0～P1.1)与USB总线接口芯片CH372的双向数据总线接口D0～D7相连，P2.4引脚与USB总线接口芯片CH372的地址线输入端A0相连，P3.6引脚分别与USB总线接口芯片CH372的读选通输入端RD#和D/A转换芯片DAC0832410的写选通信号端WR1和WR2相连，P3.7引脚与USB总线接口芯片CH372的写选通输入端WR#相连，P3.2引脚与USB总线接口芯片CH372的中断请求输出端INT#相连，P2.7引脚与USB总线接口芯片CH372的片选控制输入端CS#相连，P1.2引脚与模拟数据A/D转换器MCP3204的时钟信号端CLK相连，P3.1引脚与模拟数据A/D转换器MCP3204的串行数据输入端DIN相连，P2.6引脚与模拟数据A/D转换器MCP3204的片选/关断端CS/SHDN相连，单片机AT89C52的***电路接法参照AT89C52的技术手册。

Claims (7)

1、一种康复医疗机械臂的运动控制装置，其特征在于由数据采集模块(100)，二选一A/D转换模块(200)，单片机处理电路模块(300)，D/A转换电路模块(400)，电机驱动电路模块(500)及USB接口电路模块(600)组成，数据采集模块(100)的力信号输出端和位置信号输出端分别与二选一A/D转换模块(200)的输入端(CH1、CH2)连接，二选一A/D转换模块(200)的输出端(DOUT)与单片机处理电路模块(300)的输入端(P3.0)连接，单片机处理电路模块(300)的输出端(P1.0～P1.7)经USB接口电路模块(600)与病人端计算机(700)的输入端连接，计算机根据反馈信息输出控制指令，经USB接口电路模块(600)及单片机处理电路模块(300)输出到D/A转换电路模块(400)，D/A转换电路模块(400)的模拟信号由电机驱动电路模块(500)处理后输至电机，用于控制电机运转。

2、根据权利要求1所述的康复医疗机械臂的运动控制装置，其特征在于数据采集模块(100)由位置传感器(111)、跟随器(112)、力传感器(121)和力调理放大电路(122)组成，力调理放大电路采用型号为AD620的仪用放大器(AD620)，位置传感器(111)和力传感器(121)的输出端分别与跟随器(112)和力调理放大电路(122)的输入端连接，仪用放大器(AD620)的输出端(OUT1)和跟随器(112)的输出端(OUT2)构成数据采集模块(100)的输出端。

3、根据权利要求2所述的康复医疗机械臂的运动控制装置，其特征在于单片机处理电路模块(300)采用型号为AT89C52的单片机(AT89C52)，二选一A/D转换模块(200)采用型号为MCP3204的逐次逼近式的12位模拟数据(A/D)转换器(MCP3204)，其输入端(CH1、CH2)分别与数据采集模块的输出端相连，时钟信号端(CLK)与单片机(AT89C52)的P1.2引脚相连，串行数据输入端(DIN)与单片机(AT89C52)的P3.1引脚相连，片选/关断端(CS/SHDN)与单片机(AT89C52)的P2.6引脚相连，A/D转换模块(200)的输出为MCP3204的串行数据输出端(DOUT)。

4、根据权利要求3所述的康复医疗机械臂的运动控制装置，其特征在于USB接口电路模块(600)为一个USB总线的通用设备接口芯片(CH372)，该芯片的双向数据总线接口(D0～D7)分别与单片机(AT89C52)的P1.0～P1.7相连，USB总线的数据线(D+、D-)与病人端计算机(700)相连，地址线输入端(A0)与单片机(AT89C52)的P2.4引脚相连，读选通输入端(RD#)与单片机(AT89C52)的P3.6引脚相连，写选通输入端(WR#)与单片机(AT89C52)的P3.7引脚相连，中断请求输出端(INT#)与单片机(AT89C52)的P3.2引脚相连，片选控制输入端(CS#)与单片机(AT89C52)的P2.7引脚相连。

5、根据权利要求4所述的康复医疗机械臂的运动控制装置，其特征在于D/A转换电路模块(400)由型号为DAC0832的D/A转换芯片(410)和D/A转换运放电路(420)组成，D/A转换芯片(410)的输入(DI0～DI7)与单片机(AT89C52)的P0口(P0.0～P0.7)相连接，写选通信号端( WR1和 WR2)与单片机(AT89C52)的P3.6引脚相连，输出(IOUT1和IOUT2)与D/A转换运放电路(420)的输入连接，J6为10K*8的排阻，与单片机(AT89C52)的P0口相连，电容(C27)一端接D/A转换芯片(DAC0832)的8号引脚，另一端接地，D/A转换运放电路采用型号为TL082的双运放(TL082)，双运放(TL082)的2号引脚与D/A转换芯片(DAC0832)的IOUT1相连，3号引脚与D/A转换芯片(DAC0832)的IOUT2相连并且接地，1号引脚与D/A转换芯片(DAC0832)的REF端相连，电阻(R24)与电阻(R1)的两端分别与双运放(TL082)的1号引脚和6号引脚相连；电阻(R2)一端与D/A转换芯片(DAC0832)的VREF端相连，另一端与双运放(TL082)的6号引脚相连，电阻(R3)的一端与双运放(TL082)的6号引脚相连，另一端与双运放(TL082)的7号引脚相连，电容(C26)的两端分别与D/A转换芯片(DAC0832)的REF端和IOUT端相连，作为去耦电容，电容(C25)一端与双运放(TL082)的8号引脚相连，另一端接地，作为滤波电容；电容(C24)一端与双运放(TL082)的4号引脚相连，另一端接地，作为滤波电容；电容(C28)的一端与D/A转换芯片(DAC0832)的VREF端相连，另一端接地，作为滤波电容，D/A转换运放电路的功能为将D/A转换芯片(DAC0832)的输出转换成双极性电压输出，从而控制电机的正转和反转，其输出端(VIN)作为D/A转换电路模块的输出。

6、根据权利要求5所述的康复医疗机械臂的运动控制装置，其特征在于电机驱动电路模块(500)由光电隔离放大电路(510)和电机驱动电路(520)组成，光电隔离放大电路(510)采用型号为ISO124的光耦线性隔离放大器(ISO124)，它的输入(VIN)与D/A转换运放电路(420)的输出连接，其输出VOUT与电机驱动电路(520)的输入连接，而电机驱动电路(520)采用型号为LM1875的功率放大芯片(LM1875)，稳压管(D1)和稳压管(D2)反向连接后一端与功率放大芯片(LM1875)的1号引脚相连，另一端接地。而电阻(R10)和(C12)相连后一端与功率放大芯片(LM1875)的4号引脚相连，另一端接地，电阻(R8)一端接功率放大芯片(LM1875)的2号引脚，另一端接地；电阻(R9)一端接功率放大芯片(LM1875)的2号引脚，另一端接功率放大芯片(LM1875)的4号引脚。电容(C8)、电容(C9)一端接功率放大芯片(LM1875)的5号引脚，另一端接地；电容(C10)、电容(C11)一端接功率放大芯片(LM1875)的3号引脚，另一端接地，电机驱动电路(520)的输出端(OUT)为电机驱动电路模块(500)的输出。

7、根据权利要求1所述的康复医疗机械臂的运动控制装置，其特征在于单片机处理电路模块(300)采用型号为AT89C52的单片机(AT89C52)，单片机的P0口(P0.0～P0.7)与D/A转换芯片DAC0832(410)的输入端(DI0～DI7)相连，P1口(P1.0～P1.1)与USB总线接口芯片(CH372)的双向数据总线接口(D0～D7)相连，P2.4引脚与USB总线接口芯片(CH372)的地址线输入端(A0)相连，P3.6引脚分别与USB总线接口芯片(CH372)的读选通输入端(RD#)和D/A转换芯片DAC0832(410)的写选通信号端( WR1和 WR2)相连，P3.7引脚与USB总线接口芯片(CH372)的写选通输入端(WR#)相连，P3.2引脚与USB总线接口芯片(CH372)的中断请求输出端(INT#)相连，P2.7引脚与USB总线接口芯片(CH372)的片选控制输入端(CS#)相连，P1.2引脚与模拟数据(A/D)转换器(MCP3204)的时钟信号端(CLK)相连，P3.1引脚与模拟数据(A/D)转换器(MCP3204)的串行数据输入端(DIN)相连，P2.6引脚与模拟数据(A/D)转换器(MCP3204)的片选/关断端(CS/SHDN)相连。

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