陸薇 譚英麗 王文君 樊勁輝

收稿日期：2023-07-15

基金項(xiàng)目：2020年河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（Z2020126）；2022年河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（S202210082063）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.013

摘? 要：針對腦卒中等疾病引起的手部運(yùn)動機(jī)能減退以及由于長期活動不暢可能導(dǎo)致肌肉萎縮甚至手部功能逐步喪失問題，提出一種基于STM32單片機(jī)的手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運(yùn)動輔助訓(xùn)練模塊和康復(fù)訓(xùn)練動作示范模塊組成。STM32處理器通過設(shè)定、保存并記錄一個訓(xùn)練周期的康復(fù)示范動作全過程，并由帶高精度編碼器的直流伺服電機(jī)配合減速器完成各關(guān)節(jié)設(shè)定動作的執(zhí)行。利用所提出的從動式康復(fù)訓(xùn)練方法，經(jīng)過階段性訓(xùn)練，可以在一定程度上保持或者增強(qiáng)手部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動機(jī)能，達(dá)到防止肌肉萎縮或關(guān)節(jié)功能退化等問題的產(chǎn)生，有效提升手部功能康復(fù)的效果。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動機(jī)能減退；手部康復(fù)；輔助訓(xùn)練；動作示范；從動式康復(fù)訓(xùn)練

中圖分類號：TP368? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）05-0059-05

Design of a Hand Movement Function Rehabilitation Training System Based on STM32 Single-Chip Microcomputer

LU Wei1， TAN Yingli1， WANG Wenjun2， FAN Jinhui2

（1.Shijiazhuang Medical College， Shijiazhuang? 050599， China;

2.Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang? 050018， China）

Abstract： A hand rehabilitation training system based on STM32 Single-Chip Microcomputer is proposed to address the issue of hand movement dysfunction caused by moderate stroke and the possibility of muscle atrophy or even gradual loss of hand function due to long-term poor activity. The system consists of a motion assistance training module and a rehabilitation training action demonstration module. The STM32 processor sets， saves， and records the entire process of rehabilitation demonstration actions for a training cycle， and is executed by a DC servo motor with a high-precision encoder in conjunction with a reducer to complete each joint setting action. By utilizing the proposed passive rehabilitation training method and undergoing phased training， it is possible to maintain or promote the motor function of various joints in the patient's hand to a certain extent， thereby preventing muscle atrophy or joint function degradation， and effectively improving the effectiveness of hand function rehabilitation.

Keywords： movement dysfunction; hand rehabilitation; assistance training; action demonstration; passive rehabilitation training

0? 引? 言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，中國人口結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，開始逐漸步入老齡化社會。在老年人群體中，腦卒中等疾病的發(fā)病率非常高，且患病后由于腦卒中或其他并發(fā)癥等導(dǎo)致的患者手部運(yùn)動功能退化、甚至手部運(yùn)動機(jī)能喪失的比例也相對較大[1，2]。另一方面，隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快和規(guī)模擴(kuò)大，由于各類交通事故、工業(yè)現(xiàn)場不規(guī)范操作等導(dǎo)致的肢體傷殘，尤其是手部傷殘的比例也在不斷上升。在腦卒中患者或者外部原因?qū)е碌闹w機(jī)能受損者中，手部運(yùn)動機(jī)能下降或者部分功能喪失人數(shù)可觀，因此，手部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的市場需求也在日益增加。

對于手部康復(fù)訓(xùn)練而言，手指和手腕關(guān)節(jié)的康復(fù)是手部運(yùn)動機(jī)能治療和恢復(fù)過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[3]。研發(fā)手部運(yùn)動機(jī)能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的主要目的，就是通過有計劃的增加手部各關(guān)節(jié)單位時間的運(yùn)動量、適度增加運(yùn)動頻次，逐步改善和提升手指、手腕和相關(guān)肌肉的活力和耐力，在促進(jìn)血液循環(huán)的同時，改善手部神經(jīng)感知機(jī)能和關(guān)節(jié)、肌肉的運(yùn)動機(jī)能。手指、手腕關(guān)節(jié)及手部肌肉機(jī)能的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，廣泛適用于各種疾病或外部原因?qū)е碌氖种戈P(guān)節(jié)功能障礙患者、手部肌肉功能障礙患者、手術(shù)后上肢手指功能需康復(fù)患者等人群。因此，手部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備在醫(yī)療機(jī)構(gòu)、社區(qū)醫(yī)院、養(yǎng)老院、康復(fù)機(jī)構(gòu)等行業(yè)均有大量的社會和市場需求，并已經(jīng)逐步成為普及型的理療康復(fù)產(chǎn)品[4，5]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

在手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的總體設(shè)計上，其核心是康復(fù)訓(xùn)練功能模塊，另外，系統(tǒng)還配備了康復(fù)訓(xùn)練的示教手套模塊，該模塊可以配合康復(fù)訓(xùn)練功能模塊，完成示教式的康復(fù)動作示范，并保存示教的參數(shù)，以供康復(fù)訓(xùn)練者按照示教的過程和運(yùn)動強(qiáng)度進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

1.1? 康復(fù)訓(xùn)練主模塊設(shè)計

手部運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的相關(guān)研究和設(shè)計較多[6-8]，在綜合考慮主要功能與技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)主模塊在控制架構(gòu)的設(shè)計上，進(jìn)行了如下的幾個功能模塊的劃分主要包括：1）STM32F103系列單片機(jī)為系統(tǒng)的主控單元模塊；2）多路電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對電機(jī)或舵機(jī)的驅(qū)動單元；3）直流伺服電機(jī)或舵機(jī)作為預(yù)設(shè)動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊；4）編碼器用于電機(jī)或舵機(jī)輸出的速度檢測；5）減速器實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出與關(guān)節(jié)驅(qū)動之間的速度與力矩轉(zhuǎn)換；6）供電電源模塊2個，分別實(shí)現(xiàn)主控單片機(jī)模塊供電和驅(qū)動設(shè)備供電；7）串口通信模塊和無線通信模塊，分別用于有線和無線輸入的兩種不同的人機(jī)交互接口；8）語音輸入與識別模塊，可實(shí)現(xiàn)對語音動作指令的識別與執(zhí)行；9）鍵盤及手柄輸入接口、功能設(shè)定及顯示報警模塊等，分別作為常規(guī)的參數(shù)輸入方式和信息的顯示與提示等?？祻?fù)訓(xùn)練的主模塊硬件架構(gòu)、各功能模塊之間的物理連接關(guān)系及電路邏輯關(guān)系，如圖1所示。

圖1? 康復(fù)訓(xùn)練主模塊硬件架構(gòu)

在圖1中，對于手部各關(guān)節(jié)康復(fù)的運(yùn)動訓(xùn)練的參數(shù)設(shè)置，可以選擇語音輸入、動作示范手套輸入，或者也可以選擇鍵盤手柄輸入等多種輸入方式。系統(tǒng)提供的多種訓(xùn)練參數(shù)人機(jī)交互設(shè)置方式中，用戶可以進(jìn)行定制化的功能套件選配，其優(yōu)勢主要在兩方面：首先，適度選配可以在一定程度上節(jié)約和降低成本，減小系統(tǒng)輸入模式的冗余度；其次，考慮到手部康復(fù)訓(xùn)練者自身的行動能力和手部運(yùn)動能力受限的實(shí)際，選擇適合訓(xùn)練者自身的參數(shù)設(shè)置方式，可以最大程度上提升系統(tǒng)的可用性和易用性，在產(chǎn)品化時有利于擴(kuò)大康復(fù)訓(xùn)練者的受眾范圍，從而提升產(chǎn)品的適用對象范圍和產(chǎn)品競爭力。

1.2? 康復(fù)訓(xùn)練示教手套模塊設(shè)計

康復(fù)訓(xùn)練動作示教手套模塊，同樣采用STM32為控制核心，結(jié)合外圍功能電路，并配合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊而共同搭建組成。該模塊的功能相對獨(dú)立，可以在訓(xùn)練模式設(shè)定為示教手套設(shè)定的前提下，借助示范手套捕獲手部各關(guān)節(jié)的動作實(shí)時信息，并進(jìn)行運(yùn)動關(guān)鍵點(diǎn)的記錄和保存。其中，數(shù)據(jù)信息主要包括動作幅度以及速度變化等參數(shù)，并系統(tǒng)中的有線和無線通信方式，與康復(fù)訓(xùn)練主控模塊之間建立信息交互。手部各關(guān)節(jié)的信息以實(shí)時或離線通信方式，傳輸給主控模塊后，完成對訓(xùn)練動作細(xì)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定，可避免由于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的對患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中造成二次傷害等問題。其中的動作示教模塊硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2? 康復(fù)訓(xùn)練示教模塊硬件架構(gòu)

2? 硬件模塊設(shè)計

2.1? 主控芯片供電電路

考慮到手部康復(fù)設(shè)備的使用環(huán)境，單獨(dú)為系統(tǒng)的主控芯片以及外圍功能電路設(shè)計了獨(dú)立的供電電源，這樣可以最大限度地確保主控芯片的穩(wěn)定運(yùn)行，并且使系統(tǒng)的供電電壓不受負(fù)載電機(jī)或舵機(jī)的啟停的影響，從而避免系統(tǒng)供電電源電壓出現(xiàn)大幅波動。在供電電路模塊中，MP1584是高性能的降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其開關(guān)頻率在100 kHz到1.5 MHz之間調(diào)節(jié)。在輸入電壓范圍為4.5～28 V時，其輸出的供電電壓可根據(jù)需要在規(guī)定的范圍進(jìn)行調(diào)整。另外，MP1584芯片其內(nèi)部自帶欠壓鎖定和熱關(guān)斷功能，能有效提高芯片的穩(wěn)定運(yùn)行能力。主控模塊供電電路如圖3所示。

2.2? 伺服電機(jī)供電電路

為確保驅(qū)動關(guān)節(jié)的直流伺服電機(jī)在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，系統(tǒng)中的直流伺服電機(jī)或者舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在運(yùn)行時，尤其是電機(jī)或舵機(jī)的啟停時，其產(chǎn)生的電流沖擊不對主控單片機(jī)和其他關(guān)鍵芯片等供電造成波動，故采用直流伺服電機(jī)獨(dú)立供電模式。供電電壓采用了XL4015作為DC-DC降壓開關(guān)電源，在輸入端可在8～36 V的寬電壓范圍輸入，輸出電壓在1.25～

32 V之間可調(diào)。為降低實(shí)驗(yàn)成本，樣機(jī)中采樣舵機(jī)代替了直流伺服電機(jī)。該電源模塊電路如圖4所示。

2.3? 主控模塊

根據(jù)手部康復(fù)設(shè)備的功能需求，選擇STM32F103C8T6單片機(jī)作為康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)及動作示教系統(tǒng)的控制器，其I/O接口豐富，能滿足系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)量要求。另外，STM32系列單片機(jī)具有數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、運(yùn)行的工作頻率高的特點(diǎn)，能充分滿足手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)在實(shí)時性、安全性和可靠性方面的技術(shù)指標(biāo)要求。主控模塊部分的硬件電路，以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，主要包括外部晶振、復(fù)位電路及電源上電指示等。將主控模塊與外圍的數(shù)據(jù)采集檢測以及控制電路等功能結(jié)合，能夠完全滿足系統(tǒng)的功能需求。最小系統(tǒng)電路如圖5所示。

2.4? 串口通信電路

STM32系列單片機(jī)支持USART接口傳輸數(shù)據(jù)，能夠滿足系統(tǒng)與上位機(jī)通信或其他功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，或者利用上位機(jī)進(jìn)行單片機(jī)的程序下載、上傳或調(diào)整下位機(jī)程序的參數(shù)等操作。串口通信方式屬于傳統(tǒng)的通信方式之一，其傳輸數(shù)據(jù)具有所需的接線少、數(shù)據(jù)傳輸距離長且擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但現(xiàn)有計算機(jī)在預(yù)留的接口形式中，包括串口的品牌和型號均較少，而提供較多的是常用的是USB接口形式。因此，為了提高系統(tǒng)連接上位機(jī)進(jìn)行通信的便利性，設(shè)計了數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換功能模塊，即將串口通信轉(zhuǎn)USB通信形式。USB轉(zhuǎn)串口通信電路如圖6所示。

圖6? 串口通信轉(zhuǎn)換電路

2.5? Wi-Fi無線通信模塊

為便于在設(shè)計過程中進(jìn)行調(diào)試，同時提升與康復(fù)訓(xùn)練動作示教模塊之間進(jìn)行通信，系統(tǒng)設(shè)計了基于Wi-Fi的無線通信模塊。Wi-Fi采用芯片ESP12F為核心設(shè)計了一個完整的Wi-Fi解決方案。該芯片的Wi-Fi無線通信功能，既可以作為主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)附屬運(yùn)行，服務(wù)于其他主機(jī)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接。該芯片的外圍電路設(shè)計具有接線簡單、可靠性高等特點(diǎn)，并且無線通信的數(shù)據(jù)傳輸效率也可得到充分保障，提升了網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時性和可靠性。Wi-Fi無線通信模塊的電路如圖7所示。

圖7? Wi-Fi無線通信電路

2.6? 關(guān)節(jié)驅(qū)動電路

手部動作主要包括五指屈伸、手腕的旋轉(zhuǎn)及屈伸，合計7個自由度，設(shè)計7個直流伺服減速電機(jī)作為驅(qū)動設(shè)備，控制手部對應(yīng)關(guān)節(jié)的屈伸或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。為了確保在康復(fù)訓(xùn)練過程中的運(yùn)行安全性和可靠性，通過在機(jī)械結(jié)構(gòu)上增加物理限位機(jī)構(gòu)，使手指或手腕關(guān)節(jié)的彎曲角度限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，在最大程度上避免異常情況或設(shè)置錯誤導(dǎo)致對使用者造成二次傷害。此外，為降低試制成本，在設(shè)計樣機(jī)實(shí)物時，選用了舵機(jī)替代直流伺服電機(jī)，提供低成本的動力驅(qū)動設(shè)計方案，而伺服電機(jī)的驅(qū)動控制方案，可作為用戶定制化的高配版本產(chǎn)品。選擇STM32的PWM輸出端口實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)或直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速驅(qū)動單元，通過定時器結(jié)合PWM輸出實(shí)現(xiàn)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的[9]。驅(qū)動電路如圖8所示。

圖8? 舵機(jī)驅(qū)動電路

3? 軟件程序設(shè)計

3.1? 主控模塊程序設(shè)計

主程序?qū)⑹植扛麝P(guān)節(jié)的基本動作控制與數(shù)據(jù)獲取等操作，均設(shè)定在循環(huán)流程中，通過讀取標(biāo)志寄存器中的控制方式標(biāo)志位，根據(jù)條件判斷并選擇使用何種外部參數(shù)讀取和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定方式。在選擇外部參數(shù)設(shè)定方式的前提下，對應(yīng)的外部指令根據(jù)條件調(diào)用舵機(jī)運(yùn)動控制子程序，實(shí)現(xiàn)按預(yù)定的設(shè)定方式進(jìn)行各關(guān)節(jié)動作的邏輯控制。主程序流程圖如圖9所示。

圖9? 主控模塊程序流程圖

3.2? 無線通信程序設(shè)計

無線通信用于主控模塊與示教模塊或者上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的通信等功能，主要目的是確保信息能夠在主模塊與其他模塊或上位機(jī)之間進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。其中，設(shè)計的語音識別模塊[10]，可依據(jù)語音執(zhí)行指定的康復(fù)訓(xùn)練基本動作。無線通信程序的流程圖如圖10所示。

圖10? 無線通信程序流程圖

3.3? 舵機(jī)驅(qū)動控制程序

舵機(jī)的驅(qū)動控制程序主要是通過STM32單片機(jī)的GPIO信號輸出端口進(jìn)行多路的PWM波形輸出控制。舵機(jī)的動作控制與系統(tǒng)定時器相結(jié)合，通過高低電平保持時間計算后，在輸出端口得到所需的PWM輸出波形，從而實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度進(jìn)行控制。其中對舵機(jī)的控制程序流程，如圖11所示。

圖11? 伺服電機(jī)程序控制流程圖

3.4? 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

根據(jù)手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的功能設(shè)計要求，完成了樣機(jī)基礎(chǔ)功能的設(shè)計，如圖12所示。在設(shè)計的樣機(jī)平臺上，對手部康復(fù)的所有設(shè)計功能均在平臺上進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)練主控模塊、康復(fù)訓(xùn)練示教手套模塊功能，以及有線和無線通信功能等，也均在平臺上進(jìn)行了逐一驗(yàn)證。在樣機(jī)上，使用者能夠通過選擇采用同步示教手套的訓(xùn)練模式，或選擇提前存入的示教動作模式，進(jìn)行手部關(guān)節(jié)動作的康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)設(shè)定，康復(fù)訓(xùn)練的控制精度等各項(xiàng)性能和技術(shù)參數(shù)等均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計均能夠滿足用戶的手部康復(fù)訓(xùn)練實(shí)際需求，康復(fù)訓(xùn)練效果良好。

圖12? 基礎(chǔ)功能樣機(jī)外形

4? 結(jié)? 論

設(shè)計了一種基于STM32系列單片機(jī)的手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠選擇通過預(yù)先設(shè)定動作參數(shù)、示教動作預(yù)先錄入或者實(shí)時同步示教與訓(xùn)練三種不同的康復(fù)訓(xùn)練的參數(shù)設(shè)置方式，實(shí)現(xiàn)對各種原因造成的手部運(yùn)動機(jī)能下降人群實(shí)施有效的康復(fù)訓(xùn)練。最后，設(shè)計了能夠滿足康復(fù)訓(xùn)練的精度和可靠性要求的樣機(jī)，進(jìn)行了設(shè)計功能的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，所設(shè)計的手部康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)性價比較高，且能夠滿足用戶的康復(fù)訓(xùn)練需求，在一定程度上縮短手部康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練的周期，有效提升康復(fù)訓(xùn)練效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 滕麗婷，謝小華，曹思敏，等.老年腦卒中病人失能影響因素的研究進(jìn)展 [J].循證護(hù)理，2023，9（10）：1809-1813.

[2] 童曉軒，周艷，賈獻(xiàn)福，等.職業(yè)康復(fù)技能訓(xùn)練對腦卒中后就業(yè)年齡段肢體殘疾患者的治療效果分析 [J].按摩與康復(fù)醫(yī)學(xué)，2020，11（13）：38-40+35.

[3] 紅梅.肢體殘疾患者的康復(fù)護(hù)理訓(xùn)練研究 [J].世界最新醫(yī)學(xué)信息文摘，2016，16（76）：236.

[4] 鄭穌鵬.適老企業(yè)創(chuàng)新機(jī)會形成與創(chuàng)新影響機(jī)理研究 [D].大連：大連理工大學(xué)，2021.

[5] 王開放，曹慧，邢蒙蒙，等.康復(fù)外骨骼機(jī)器人在肢體康復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展 [J].機(jī)械傳動，2022，46（4）：10-21.

[6] 徐文超，沈雪，張峰，等.一種可拆卸式手功能康復(fù)訓(xùn)練器的設(shè)計 [J].醫(yī)療裝備，2022，35（9）：29-32.

[7] 戴歡，李嘉濠，楊圣奧，等.手部康復(fù)訓(xùn)練示教手套的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) [J].工業(yè)控制計算機(jī)，2021，34（10）：38-40.

[8] 葛偉，宋愛國，賴健偉.具有手指外展輔助功能的康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng) [J].測控技術(shù)，2023，42（4）：75-81.

[9] 楊蒙蒙，鄧三星，李帥，等.基于STM32單片機(jī)的雙足競走機(jī)器人設(shè)計 [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（5）：123-126.

[10] 吳云龍，程武山.基于STM32的語音識別機(jī)械手智能系統(tǒng)設(shè)計 [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2020，20（1）：37-41.

作者簡介：陸薇（1979.07—），女，漢族，河北定州人，副教授，本科，研究方向：智能康復(fù)醫(yī)療與醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。