一种基于STM32的力反馈型康复机器人控制系统设计

康复医疗机器人不仅是当前机器人研究的前沿，而且是涉及自动控制、计算机、智能仪器、机械学、康复医学、神经科学等跨学科的研究领域，是一个新兴学科。康复医疗机器人的研究具有重要的科学意义。基于上肢康复训练的要求，笔者研制一种基于STM32的力反馈型上肢康复训练系统。在设计控制系统时，保证系统的安全性与稳定性是最基本的原则⑷。为了避免在突发情况下对患肢造成二次损伤，通常采用限定机器人末端和受训患肢之间作用力大小的办法。经过实验验证，本系统设计合理，性能稳定，可以实现康复机器人的平稳控制，具有的力反馈功能可以在保证系统安全性的前提下充分激发患者残存的功能。

1、上肢康复机器人系统构成

上肢康复机器人的机械臂是关于轴心对称的，能够绕轴心进行反复的弧线运动，既可以由计算机控制训练，也可以由治疗师直接操作机器人引导患者进行训练。图1为该上肢康复训练机器人的实物。

 

图1单自由度上肢康复训练机器人

该机器人系统主要由机械臂机械结构、电机、位置传感器、扭矩传感器、电机驱动器、机器人控制器和上位机组成，系统框图如图2所示。扭矩传感器、驱动电机和位置传感器沿机械臂轴心依次放置。位置传感器用于检测机械臂的运动角度;扭矩传感器用于检测患者与机械臂的交互作用力，在患者主动能力不足时提供更大的辅助，而在患者有能力完成动作时，适当减小辅助甚至施加阻力，以便充分激发患者残存的功能;电机驱动器，用于产生康复训练的辅助力或阻尼力，推动或是阻碍机械臂和患肢的运动。

图2单自由度的上肢康复训练机器人系统框图

机器人控制器通过USB接口与上位机实现数据交换，一方面控制电路接收上位机发送来的控制信息，解析上位机命令控制电机驱动器;另一方面，机器人控制器将采集到的扭矩传感器和位置传感器数据发送到上位机。康复医师可根据上位机人机交互界面显示的{言息’对患者的康复训练情况进行定量的科学分析与评价，滅者細膝卿计耀供决策依据。