摘要：本論文課題是面向髖關(guān)節(jié)截肢患者，可實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)康復訓練的新方法，主要應用于下肢膝關(guān)節(jié)以上截肢患者髖關(guān)節(jié)康復訓練系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。根據(jù)膝關(guān)節(jié)以上截肢患者的運動特點，使用西門子S7‐200 型號的plc 和7 寸全彩色觸摸屏控制磁粉制動器，產(chǎn)生康復者所需要的力矩，鍛煉康復者的膝關(guān)節(jié)以上肌肉。計算截肢患者在康復訓練中時間和能量消耗，對下肢康復訓練建立一種新的訓練模式。利用運算速率高、抗干擾功能強大和便于控制的使用西門子S7‐200 型號的plc，通過編程，結(jié)合下肢殘肢康復訓練實際臨床理論，達到自動控制理論和下肢康復訓練之間的完美結(jié)合。該康復訓練器運用自動控制原理可以成功的實現(xiàn)對髖關(guān)節(jié)部分肌肉的鍛煉，精準的控制下肢康復訓練的載荷，實現(xiàn)對髖關(guān)節(jié)肌肉康復訓練系統(tǒng)的訓練方案的進一步探索。

　　引言

　　由于各方面原因，近些年來我國新增了眾多截肢患者，絕大多數(shù)的截肢患者需要裝配假肢。截肢患者安裝假肢效果不僅與假肢產(chǎn)品的質(zhì)量、性能有關(guān)，而且與殘肢狀況關(guān)系密切。許多下肢截肢患者由于殘肢長時間得不到鍛煉，殘肢關(guān)節(jié)活動度和肌力明顯不足，穿戴假肢的效果極差。患者截肢后只有殘肢的運動功能得到的恢復，才能較好的穿戴假肢。市場上多數(shù)的康復器材多為機械式，負重不均衡，而且不能根據(jù)性別年齡的不同作出相應的區(qū)別。

　　殘疾人下肢康復訓練系統(tǒng)是實行站立式訓練方式，進行運動功能恢復訓練和大腿肌肉鍛煉。能夠精準的計算出鍛煉的時間和能量消耗，并顯示出來，針對性別和年齡的不同，可以選擇不同的訓練模式，并且根據(jù)具體需要可以設定力矩大小、鍛煉時間等參數(shù)。

　　總體方案

　　殘疾人下肢康復訓練系統(tǒng)主要由機械部分和電氣控制部分組成。在機械部分中，磁粉制動器固定在可調(diào)節(jié)高度的支架上,磁粉制動器輸出端同軸連接殘肢端固定鎖套(用于固定膝關(guān)節(jié)以上殘肢)。康復者可以通過觸摸屏調(diào)節(jié)好磁粉制動器的力矩大小，使殘肢做左右往復或者前后往復的肌肉鍛煉。

　　髖關(guān)節(jié)康復訓練器的控制芯片采用Siemens 公司的S7-200PLC，它作為西門子SIMATIC PLC 家族中的成員，以其超小體積，靈活的配置，強大的內(nèi)置功能取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，應用范圍十分廣泛。

　　髖關(guān)節(jié)康復訓練器采用的PB-2.5 型磁粉制動器，外帶軸聯(lián)接止口支撐。由于磁粉制動器的輸出轉(zhuǎn)矩與激磁電流成線性關(guān)系，所以控制磁粉制動器恒流驅(qū)動電路的電流就可以控制輸出轉(zhuǎn)矩大小。

　　磁粉制動器的控制采用Siemens 公司的S7-200PLC 端口輸出PWM 脈沖信號，通過輸出不同占空比的周期性方波，對恒流控制電路進行調(diào)制，從而控制輸出電流變化，改變磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。

　　電路拓撲

　　髖關(guān)節(jié)訓練器采用的信捷T760-T 全彩色觸摸屏，7 英寸寬屏顯示， 256 色TFT 真彩，480*234 像素，本身帶4MB FlashROM，4KB SRAM 具備數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、報警、配方等基本功能支持多種主流PLC。電氣控制由觸摸屏的M0.0 和VB0 口控制。控制面板設計有四個控制按鍵輸入(K1—K4)，連接Q0.0，Q0.1 ，Q0.2， Q0.3 端口，分別實現(xiàn)“選擇”“力矩檔位增加”“力矩檔位減小”“確定”的功能。

　　驅(qū)動信號輸出由Siemens 公司的S7-200PLC 提供?？刂葡到y(tǒng)設計有反饋電路，通過電感線圈采集磁粉制動器中的電流的大小，進而把磁粉制動器反饋到PLC 電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，反饋給PLC，據(jù)此來控制單片機的PWM 驅(qū)動信號的占空比。Siemens公司的S7-200PLC 將PWM 信號送至光電藕合芯片4N25 輸出，信號經(jīng)非門傳遞至濾波電路，將PWM 信號變?yōu)橐欢ǚ档闹绷餍盘?，送?a target="_blank">運算放大器的同相端。由放大器性質(zhì)可知，取樣電阻R4 上所加的電壓為同一幅值電壓,再經(jīng)大功率的達林頓管形成恒流加在磁粉制動器上，如圖2 所示。

　　仿照PWM 控制原理，通過改變單片機I/O口輸出脈沖的方波頻率（即占空比例），從而改變單位周期內(nèi)功率放大MOS 管的導通和關(guān)斷時間比，達到對磁粉制動器激勵電流大小的改變。

　　軟件設計

　　系統(tǒng)中開放了兩個定時器，TONR定時器周期中斷，每1000ms中斷，中斷10次一個周期，通過設置狀態(tài)標志位來確定觸摸屏上時鐘顯示的周期為1秒。TOR每10 ms中斷，通過設置標志位來確定輸入頻率，從而更新PWM值。在每個中斷周期內(nèi)，對通過磁粉制動器的電流進行采樣，經(jīng)由模擬口送入PLC。程序設置一個單獨的變量作為保護中斷用來對系統(tǒng)實施保護，斷開電源繼電器和停發(fā)PWM脈沖。主控制程序流程圖如圖3所示。

　　結(jié)論

　　在本款髖關(guān)節(jié)訓練器的設計中，針對不同性別和不同年齡的康復者，能夠調(diào)節(jié)不同的訓練模式，有較好的區(qū)分度，能夠提供給康復者完善的訓練支持，從而達到很好的訓練目的。在下肢殘肢康復訓練中引入了高速率運算的單片機進行精準控制，并設計了直觀的人機交互控制面板，使受訓者很方便的使用。

　　本訓練器的研制也可以作為一個實際參考來支持下肢殘肢康復訓練理論的研究。根據(jù)不同康復者的實訓，建立了不同性別、不同年齡、不同體重的髖關(guān)節(jié)（膝關(guān)節(jié)以上截肢）肌肉伸張力矩數(shù)據(jù)庫，采用閾值控制，即設定一個極限值，當測得的大腿股直肌伸張?zhí)卣髦蹈哂诨虻陀谠摌O限值時，就產(chǎn)生相應的閾值。根據(jù)設定的閥值，康復護理人員就可以很方便的為康復者確定正確的康復周期和康復訓練方案，從而為致力于下肢康復訓練理論的科研人員提供了廣泛的實用數(shù)據(jù)。

　　進而，可以設想在患者進行下肢康復訓練時，采集力矩大小，并且用以上的訓練器輔助以理論分析，對每一個患者多次訓練得出閾值，從而利用這個閾值得出訓練的強度和訓練方案是可行的。在髖關(guān)節(jié)康復訓練器的設計與開發(fā)時，在裝置上留有肌電信號的采集和分析接口，這樣就可以為以后能夠使用智能的訓練的方式對患者進行康復治療。下一步的工作是采集康復訓練者的肌電信號，進行的智能化的控制，以提高電氣系統(tǒng)的可靠性和智能度。