基于远程控制的力觉辅助康复锻炼机械臂

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1、基于远程控制的力觉辅助康复锻炼机械臂摘要：针对上肢受伤和中风病人康复医疗和锻炼的需要，研制一种新颖的远程力觉辅助康复锻炼机械臂，使得医生可同时远程控制多个机械臂帮助残疾或受伤人员进行康复锻炼。本研究的主要内容是将力反馈遥操作机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的辅助康复医疗，患者可以在家中根据医生的远程设定自行进行康复锻炼.医生则可以根据不同患者的治疗情况来及时地远程调整康复方案。可以预计，该系统的应用，不仅可以大大提高医生的工作效率，而且极大地方便了广大上肢受伤和中风病人。关键词：力反馈技术；机械臂的设计；基于Internet网的远程测控技术；1引言上肢受伤和中风病人需要在医生的指

2、导和一定大小的外力的作用下进行肢体功能的恢复锻炼。随着计算机网络技术和遥操作机器人技术的发展，遥操作机器人技术开始应用于医疗领域，如远程医疗、远程手术等[1]。康复机械臂是一种中风病患者用于进行康复治疗的医疗器械。传统的机械臂大多单纯采用机械结构，使用时每个病人都需要有一个专门的康复医生单独帮助治疗。而随着中国人口老龄化的加快中风病人将越来越多，患者多医生少的矛盾越来越突出，这就要求研制一种可以自动控制的康复机械臂，使得每个医生可以同时指导多个病人进行康复治疗。2系统总体设计基于远程控制的辅助机械康复臂的系统结构如图1所示，由康复锻炼机械臂及外部测控电路组成。安装在机械臂上的位置传

3、感器和力传感器将采集到的信号经过调理放大后送入测控电路，经过A/D转换后的信号再通过USB接口传输到病人端计算机，病人端计算机通过Internet网同医生端计算机相连，计算机根据这些信号与通过网络传输过来的医生设定的即时参数比较后发出控制指令，该指令再次通过USB接口送给测控电路，测控电路的驱动模块控制电机的转动。图1机械康复臂系统总图3机械部分设计医疗康复机械臂的主要功能是医生通过远程操作，控制直流力矩电机带动东南大学SRTP资助项目仪器科学与工程系机械手一端的转动，病患的手放在机械手的另一端，被带动着做平面往复转动，以达到康复锻炼的目的。整个康复锻炼机械臂的结构如下图2所示，主

4、要由机械臂，手柄，托盘，位置传感器，及电机和底座构成。臂的一端安装力传感器，力传感器采用应变计式侧力传感器，用于测量人手和机械臂之间作用力，其测量精度为0.5%F.S。另一端用于放置病患的手部，为使病患的手放置的舒适，设计一个圆盘安装在手臂上，使得设计更加人性化。机械臂的上方与位置传感器相连，以控制机械臂转动的角度，位置传感器采用电位计式，精度较高可以达到0.1%F.S。考虑到电机的轴与角位移传感器的轴不可能完全对心，为防止刚性撞击，增加柔性联轴器联结直流力矩电机与角位移传感器。整个机械臂的运动角度为-80o~80o，病人的手放置在左臂的手柄上，保留右机械臂的设计为了便于在无法远程

5、控制等特殊情况下，由医生手工对病人实施康复锻炼。图2-1机械臂机构图图2-2实物图4控制电路设计整个电路部分框图如图5所示图5电路的组成框图4.1电路硬件部分东南大学SRTP资助项目仪器科学与工程系本电路的数据采集模块由位置传感器、跟随器、力传感器和力调理放大电路组成。位置传感器选择价格低廉、线性度好、精度高、便于安装的多圈滑动电阻器，它的输出电压较大，因此无需前级调理放大电路。力传感器采用电阻应变片式传感器，具有电信号输出稳定、响应速度快、体积小、重量轻等优点，其主要组成部分是电阻应变片，即主要是通过电阻应变片将力转换成电信号。由于应变式传感器输出的电压信号较弱，所以需要放大电路

6、。为减弱放大电路对测量电桥的影响，放大电路应具有高输入阻抗的特性，并且具有低漂移、较高的精度和较强的抗干扰能力。基于以上几点特性，我们选用了仪用放大器AD620。数据处理模块主要由单片机AT89c52、10位A/D转换芯片MCP3204和8位D/A转换芯片DAC0832组成。该模块主要负责数据的处理和数模、模数转换等功能。在本系统中，由于工作频率较低，电磁波辐射干扰的影响很小，主要的干扰因素是供电系统的干扰和各组成部分之间的相互干扰。有鉴于此，我们采用了光耦线性隔离放大器ISO124和DCDC转换芯片DY24D05这两块芯片来对这两种干扰进行抑制。电机驱动电路如图6所示。图中，LM

7、1875为单片的低失真、高质量的功率放大芯片。该芯片只需很少的外接电路，而芯片的限流和过热停止工作的设计为该芯片提供了很好的过载保护措施。另外，该芯片还有高增益、转换速率快、高带宽、输出电压和电流大和工作电压范围大（16V-60V）等特点。它能够达到十倍以上的稳定的增益。图6电机驱动电路USB接口芯片采用的是USB总线的通用设备接口芯片，在本地端CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线