基于STM32 单片机的下肢康复机器人控制系统设计

康晓梅

（西安翻译学院，陕西西安 710105）

0 引言

现代社会人类平均寿命持续延长，人口老龄化问题日益严峻，主要是因为医疗科技的快速发展和医学水平的日益提高[1]。此外，由于高血压、糖尿病等慢性疾病引起的并发症以及脊髓损伤、脑损伤、脑肿瘤等疾病，或者意外导致运动能力受损的患者越来越多，很多患者出现了偏瘫或截瘫。因此，针对下肢偏瘫人群的康复治疗成为现实的难题[2]。

下肢康复机器人是外骨骼机器人的一种，让机器人帮助患者训练以及患者自主训练，主要依靠控制系统来进行调配。控制系统可以有效地控制下肢康复机器人机械运动机构、运动速度以及检测患者训练时的运动状态，患者康复质量的高低直接取决于康复机器人的控制性能[3]。

本系统采用分布式控制方式，上位机采用STM32F407 单片机，下位机选用直流伺服电机驱动器SP3232EN 实现对下肢各关节的运动控制。康复机器人控制系统既可以实现自主控制，也可以进行人工操作，进而提高其实用性和可靠性。

1 康复机器人控制策略

康复机器人的控制策略主要有主动和被动两种。康复初期，患者是被动地接受康复训练，随着康复进程的推进，患者要提高主动运动意识，既可以进行单关节的康复训练，也可以多关节协调一致进行康复训练。

1.1 被动式训练模式控制策略

康复训练机器人可采用位置伺服控制的方式来实现被动训练，将正常人的步态运动作为参考，电机的工作方式为位置控制方式（图1）。康复初期，患者肌肉无力，会产生协同作用或者联合反应，主要依靠机器人带动患者的患肢进行被动训练。为了保证患者的安全，防止训练过程中出现肌肉痉挛或者信号异常导致损伤，可采用力控开关这一控制策略。首先设定一个最大值，传感器检测患者与机器人之间的实际作用力，当检测值超过预设的最大值时，控制系统将位置伺服控制方式变换到值较小的阻抗控制。如果训练过程中检测到异常情况，康复机器人控制系统指挥电机快速反向运动，将人机间的作用力降低，直到小于最大值进入安全模式。

图1 被动训练控制策略

1.2 主动训练模式控制策略

在经过一段时间的康复训练后，下肢的功能有所恢复，患者的平衡能力和协调控制能力得到一定提高，这一阶段主要采用主动训练模式。

当采用主动控制策略时，电机采用的是力矩控制方式（图2）。理想情况下，患者和机器人动作完全一致时，两者之间的作用力为零。这种情况下机器人没有进行任何实际运动，此时可认为人独自完成了正常步行量。该作用力既可以是辅助力也可以是阻力。当系统检测到患者的自主运动意愿与康复机器人运动方向一致时，该作用力表现为一种辅助力，辅助患者按照预设轨迹运动；如果人的自主运动意愿与机器人运动方向相背，该作用力将阻止患者错误的运动意向，促使患者向正确方向运动。人机相互作用力的控制关系为：

图2 主动训练模式控制策略

其中，Fdes为需要的人机作用力，Kvtu为虚拟的刚度系数，Xref为机器人末端参考运动位移。

2 硬件电路总体设计

本系统采用分布式控制方式，上位机采用STM32F407 微控制器系列中的STM32F407ZGT6 作为核心控制器，主要因为该控制器处理速度快、刷屏速度高、闪存空间大，通信接口、中断源、定时器等外设众多，带有DSP 和FPU 指令集，便于项目的开发[4]。下位机选用直流伺服电机驱动器SP3232EN 实现对下肢各关节的运动控制（图3）：当健肢迈步的时候，患者抬腿的角度信号和速度信号通过光电编码器采集，然后将采集到的数字脉冲信号转化为模拟电压信号传输给单片机；经与基准电压信号进行比较后，若此输入信号小于基准电压，则经模拟输出通道送给电机驱动器、驱动电机转动，带动患肢的运动，否则健肢落腿、重新迈步。

图3 控制系统结构

3 软件设计

下肢偏瘫康复机器人在对患者进行训练时，首先要对控制方式进行选择，控制方式分为主动控制和被动控制两种。在被动控制方式下，首先需要选择训练的功能，主要实现的功能有站立、起坐、行走和踏步，然后采集健肢的参数，根据得到的参数对患肢进行控制；在主动控制方式下，首先采集患肢状态，然后启动电机进行康复训练。

系统启动后，单片机发出的PWM 信号经过滤波电路之后成为0～5 V 的电压信号，传入由可控硅调速电路和光电编码器构成的局部速度闭环控制器作为指令信号。为了满足电机的驱动要求和提高控制精度，该调速器采用PI 校正环节。光电编码器采集到的脉冲信号不适合直接反馈给模拟电路的调速器和单片机中断口，因此要经过频率电压转换电路和滤波去噪电路后再分别反馈给调速器和单片机的中断口。电机旋转角度通过单片机中的计数器累加脉冲个数计算，再根据传动比计算出步态控制机构的位置，然后单片机通过8 位FO 将采集到的位置信号作为命令发送给下位机，进而控制机械结构的运动[5]。

4 结语

本文设计了一种适用于偏瘫患者康复机器人的控制系统，微控制器采用STM32F407，文中对控制系统的硬件组成结构、控制策略与软件理论进行了详细的阐述。在目前脑中风、脑卒中等疾病引起偏瘫人数持续增加的情况下，本设计具有积极的社会意义。鉴于系统本身的复杂性和涉及的学科较多，设计仍有很多不足之处，需要未来持续的研究和改进。