残疾人下肢残肢训练器的研制

     摘要：本论文课题是面向髋关节截肢患者，可实现髋关节康复训练的新方法，主要应用于下肢膝关节以上截肢患者髋关节康复训练系统的控制系统。根据膝关节以上截肢患者的运动特点，使用西门子S7‐200 型号的plc 和7 寸全彩色触摸屏控制磁粉制动器，产生康复者所需要的力矩，锻炼康复者的膝关节以上肌肉。计算截肢患者在康复训练中时间和能量消耗，对下肢康复训练建立一种新的训练模式。利用运算速率高、抗干扰功能强大和便于控制的使用西门子S7‐200 型号的plc，通过编程，结合下肢残肢康复训练实际临床理论，达到自动控制理论和下肢康复训练之间的完美结合。该康复训练器运用自动控制原理可以成功的实现对髋关节部分肌肉的锻炼，精准的控制下肢康复训练的载荷，实现对髋关节肌肉康复训练系统的训练方案的进一步探索。

　　引言

　　由于各方面原因，近些年来我国新增了众多截肢患者，绝大多数的截肢患者需要装配假肢。截肢患者安装假肢效果不仅与假肢产品的质量、性能有关，而且与残肢状况关系密切。许多下肢截肢患者由于残肢长时间得不到锻炼，残肢关节活动度和肌力明显不足，穿戴假肢的效果极差。患者截肢后只有残肢的运动功能得到的恢复，才能较好的穿戴假肢。市场上多数的康复器材多为机械式，负重不均衡，而且不能根据性别年龄的不同作出相应的区别。

　　残疾人下肢康复训练系统是实行站立式训练方式，进行运动功能恢复训练和大腿肌肉锻炼。能够精准的计算出锻炼的时间和能量消耗，并显示出来，针对性别和年龄的不同，可以选择不同的训练模式，并且根据具体需要可以设定力矩大小、锻炼时间等参数。

　　总体方案

　　残疾人下肢康复训练系统主要由机械部分和电气控制部分组成。在机械部分中，磁粉制动器固定在可调节高度的支架上,磁粉制动器输出端同轴连接残肢端固定锁套(用于固定膝关节以上残肢)。康复者可以通过触摸屏调节好磁粉制动器的力矩大小，使残肢做左右往复或者前后往复的肌肉锻炼。

　　髋关节康复训练器的控制芯片采用Siemens 公司的S7-200PLC，它作为西门子SIMATIC PLC 家族中的成员，以其超小体积，灵活的配置，强大的内置功能取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，应用范围十分广泛。

　　髋关节康复训练器采用的PB-2.5 型磁粉制动器，外带轴联接止口支撑。由于磁粉制动器的输出转矩与激磁电流成线性关系，所以控制磁粉制动器恒流驱动电路的电流就可以控制输出转矩大小。

　　磁粉制动器的控制采用Siemens 公司的S7-200PLC 端口输出PWM 脉冲信号，通过输出不同占空比的周期性方波，对恒流控制电路进行调制，从而控制输出电流变化，改变磁粉制动器的转矩输出。闭环控制系统的原理框图如图1 所示。

　　电路拓扑

　　髋关节训练器采用的信捷T760-T 全彩色触摸屏，7 英寸宽屏显示， 256 色TFT 真彩，480*234 像素，本身带4MB FlashROM，4KB SRAM 具备数据显示、数据监控、报警、配方等基本功能支持多种主流PLC。电气控制由触摸屏的M0.0 和VB0 口控制。控制面板设计有四个控制按键输入(K1—K4)，连接Q0.0，Q0.1 ，Q0.2， Q0.3 端口，分别实现“选择”“力矩档位增加”“力矩档位减小”“确定”的功能。

　　驱动信号输出由Siemens 公司的S7-200PLC 提供。控制系统设计有反馈电路，通过电感线圈采集磁粉制动器中的电流的大小，进而把磁粉制动器反馈到PLC 电流信号转换为电压信号，反馈给PLC，据此来控制单片机的PWM 驱动信号的占空比。Siemens公司的S7-200PLC 将PWM 信号送至光电藕合芯片4N25 输出，信号经非门传递至滤波电路，将PWM 信号变为一定幅值的直流信号，送至运算放大器的同相端。由放大器性质可知，取样电阻R4 上所加的电压为同一幅值电压,再经大功率的达林顿管形成恒流加在磁粉制动器上，如图2 所示。

　　仿照PWM 控制原理，通过改变单片机I/O口输出脉冲的方波频率（即占空比例），从而改变单位周期内功率放大MOS 管的导通和关断时间比，达到对磁粉制动器激励电流大小的改变。

　　软件设计

　　系统中开放了两个定时器，TONR定时器周期中断，每1000ms中断，中断10次一个周期，通过设置状态标志位来确定触摸屏上时钟显示的周期为1秒。TOR每10 ms中断，通过设置标志位来确定输入频率，从而更新PWM值。在每个中断周期内，对通过磁粉制动器的电流进行采样，经由模拟口送入PLC。程序设置一个单独的变量作为保护中断用来对系统实施保护，断开电源继电器和停发PWM脉冲。主控制程序流程图如图3所示。

　　结论

　　在本款髋关节训练器的设计中，针对不同性别和不同年龄的康复者，能够调节不同的训练模式，有较好的区分度，能够提供给康复者完善的训练支持，从而达到很好的训练目的。在下肢残肢康复训练中引入了高速率运算的单片机进行精准控制，并设计了直观的人机交互控制面板，使受训者很方便的使用。

　　本训练器的研制也可以作为一个实际参考来支持下肢残肢康复训练理论的研究。根据不同康复者的实训，建立了不同性别、不同年龄、不同体重的髋关节（膝关节以上截肢）肌肉伸张力矩数据库，采用阈值控制，即设定一个极限值，当测得的大腿股直肌伸张特征值高于或低于该极限值时，就产生相应的阈值。根据设定的阀值，康复护理人员就可以很方便的为康复者确定正确的康复周期和康复训练方案，从而为致力于下肢康复训练理论的科研人员提供了广泛的实用数据。

　　进而，可以设想在患者进行下肢康复训练时，采集力矩大小，并且用以上的训练器辅助以理论分析，对每一个患者多次训练得出阈值，从而利用这个阈值得出训练的强度和训练方案是可行的。在髋关节康复训练器的设计与开发时，在装置上留有肌电信号的采集和分析接口，这样就可以为以后能够使用智能的训练的方式对患者进行康复治疗。下一步的工作是采集康复训练者的肌电信号，进行的智能化的控制，以提高电气系统的可靠性和智能度。