基于PLC控制的康复训练和效果评估系统设计

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2018/11/7来源:《中国误诊学杂志》2018年第26期文/刘坤 王允波 厉彦卓
[导读]较常规治疗方法更具有发展潜力,是世界康复医学发展的新方向,必将成为今后康复训练机器人领域的研究热点。

日照市中心医院
        摘要:目的:研发一种采用PLC控制的下肢康复训练和效果评估系统。方法:通过模拟正常人的上肢运动和下肢行走姿态训练的评估,帮助医生判断及纠正对有运动障碍的病人开展肢体康复训练方案。结果:患者可以接受机器人康复训练,帮助病人恢复一定的运动功能,实现正常人的行走姿态。结论:通过介绍康复机器人机械结构、工作原理及PLC实现的电路控制系统设计,为深入研究人体运动规律以及大脑与肢体的控制与影响关系提供了一种途径,使机器人辅助治疗在提高工作效率和训练强度方面得以具体体现,通过运动软件的数据检测评估患者在康复过程中的治疗效果,帮助医生判断及纠正对有运动障碍的病人的肢体康复训练方案,形成一种从治疗、数据检测、系统评估、数据反馈的信息传递封闭回路控制,较常规治疗方法更具有发展潜力,是世界康复医学发展的新方向,必将成为今后康复训练机器人领域的研究热点。
        关键词:康复训练;减重;PLC控制系统,PWM调速;数据检测;传感器。
       
       
        引言:随着医用机器人技术的发展和对康复治疗技术的认可,康复机器人是近年来发展起来的一种新的运动康复治疗技术,它结合了康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、传感器、计算机科学等诸多领域,是一种自动化医疗康复设备。该康复训练器以医学理论为依据,把康复医学和机器人技术有机结合,帮助患者进行科学而有效的康复训练,使患者的运动机能得到更快更好的恢复。康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练,主要有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。对于脑血管意外患者、骨科损伤和疾病患者、创伤性关节炎、偏瘫、脑瘫或平衡功能障碍、下肢关节置、下肢运动机能损伤等患者来说,下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。
        1、康复机器人研发的概况
        自上个世纪90年代初以来,国内外许多机构相继利用机器人技术进行减重步行辅助训练。减重步行辅助康复训练机器人一般利用仿生外骨骼机械腿,带动患者下肢进行运动。瑞士HOCOMA医疗器械公司最先推出了此类产品。该产品能够辅助下肢运动障碍患者在平板上进行步行训练。国际类似产品还有ALTACRO,此类设备通过多个机械手和患者大腿、小腿相连,使之协调摆动完成整个步态过程。其他还有活动踏板式和运动平板驱动的辅助步行训练装置。
        2、康复机器人的结构组成及功能
        根据减重机器人的结构和功能可将其分成减重装置系统、跑台系统、康复训练分析评估系统、生命体征监测及安全报警保护系统四大组成部分。
        减重悬吊系统为1个高度过头的钢架悬吊装置,通过特制的减重背心作用于患者,为患者提供减重和保护(如图:1、2)。行走过程是复杂而协调的运动,在两条腿前后摆动的同时,踝关节有相应的转动,下肢康复训练机器人中都有相应的机构帮助患者完成这些运动,分别是步态控制机构(图:3),脚踝姿态控制机构,两个机构协调运转就可以模拟人的行走状态。通过电机的转速可以控制踏板俯仰的角速度,而踏板的俯仰角度大小则由曲轴的行程来保证,实现对下肢康复训练。
           
      

       
        图:3
        3、PLC控制系统的硬件设计
        PLC(可编程控制器)主要由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出(I/O)模块及电源组成。中央处理器(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接受并存储从编程器键入的用户程序和数据。检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC开始工作时,首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映像区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按照指令的规定执行逻辑或算数运算,将结果送入I/O映像区或数据寄存器内,等所有的用户程序执行完毕后,将I/O映像区的数据寄存器内的数据传输到相应的装置,如此循环直到停止。
        整个下肢康复训练机器人PLC总体控制如图4,采用PLC控制伺服电机控制器驱动直流伺服电机,伺服电机每接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,后通过减速传动控制系统控制曲轴的转速,进而控制运动平台的行程距离及速度。伺服电机驱动器通过直流伺服电机控制卡,来实现姿态电机的速度闭环控制。读取控制电机的初始化信息,以查表的方式得到位置指令,进行位置闭环的PID运算,发出PWM信号给直流伺服电机控制器,控制直流伺服电机驱动。直流伺服电机控制器与直流伺服电机以及编码器组成了一个速度闭环控制系统。病人的运动情况通过伺服电机传感系统将行走数据反馈到PLC数据库进行数据比对,从而接受新的数据指令加大或减小运动力和运动强度。


        
        图4,PLC控制下肢康复训练单路控制单元
        4、PWM调节电机转速
        PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压。使用PWM控制信号控制三极管导通时间,改变控制电压高低来实现,PWM信号是一个矩形的方波,他的脉冲宽度可以任意改变,改变其脉冲宽度控制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短,实现无级调速。用脉冲宽度调制的方法,把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列,从而平均输出电压的大小,以调节电机转速。
        5、双闭环控制电路
        为保障康复训练机器人性能稳定,该系统采用双闭环控制电路设计,系统的稳态关键是PI调节器的稳定状态。双闭环控制电路系统有两种稳态状况:1、饱和——输出达到限幅值,2、不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和;当调节器不饱和时,PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。在实际的正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态,因此只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。当转速调节器不饱和时,两个调节器都不饱和,稳态时,它们的输入偏差电压都是零。而当转速调节器饱和时,ASR(驱动轮防滑系统)输出达到限幅值,转速外环呈开环状态,转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。在稳态工作点上,转速是由给定电压决定的,ASR的输出量是由负载电流决定的,而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分,到达稳态时,输入为零,输出的稳态值与输入无关,而是由它后面环节的需要决定的。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要调节作用。
        6、康复机器人展望
        康复器械的最终目标是恢复人体肌体组织的运动机能,通过运动软件的数据检测评估患者在康复过程中的治疗效果,帮助医生判断及纠正对有运动障碍的病人的肢体康复训练方案,达到实现康复病人肌体组织的自然化动作。下肢机器人辅助步行训练,通过模拟正常的步行生理周期强化外周深浅感觉刺激输入,目前在车祸外伤、偏瘫、脑瘫或平衡功能障碍、下肢关节置、脊髓损伤患者中已广泛应用。下肢机器人辅助结合减重步行训练,以促进上运动神经元损害患者步行功能的恢复。下肢机器人辅助康复训练可以减轻治疗师的劳动强度,又可保证训练过程的一致和持续,还可实现训练方案及康复评估参数化,使患者的康复治疗形成全过程的闭环管理变得科学高效。机器人康复辅助治疗是当今世界医学发展的新方向,必将成为今后医用康复机器人领域的研究热点。
       
        参考文献:
        [1]黄云龙,吴国强,郁炜.可编程控制器教程[M].北京:科学出版社,2003.
        [2]丁化成,耿德根,李君凯.AVR单片机应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.