下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计

石征锦 路 璐 刘雨欣

（沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳 110159）

脑卒中等疾病会导致身体机能衰退和运动功能障碍。传统的康复训练方式是由经验丰富的康复训练医师与患者一对一治疗，疗效较好[1]。但是，医疗人员有限，很多患者可能会错过最佳训练恢复期，出现肌肉萎缩等情况。与常规康复训练相比，康复训练机器人辅助训练具有高精度、高重复性、无疲劳及康复过程可视化等优点，非常适合患者进行康复训练[2]。人机交互控制系统的主要目标是提高患者的康复训练效果，减轻康复医师的负担。

下肢外骨骼康复机器人控制系统的整体结构为分布式控制结构，可分为上层、中层和底层3层。上层是Android移动端，负责运行人机交互界面。中层是工控机，负责接收和发送控制指令。底层是伺服电机、驱动器、传感器和编码器，是控制系统的执行机构，能实现对关节角度等信息的采集。

上位机为Android移动端，下位机为工控机。上位机与下位机之间通过基于传输控制协议/网间协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的Socket通信实现无线保真（Wireless-Fidelity，Wi-Fi）通信，使用LCD显示模组（Liquid Crystal Display Module，LCM）传输协议传输关节角度等数据。康复训练流程图如图1所示，设计要求如下。

图1 康复训练软件流程

（1）通信功能。在同一局域网内可以远程登录工控机进行双向通信，并保证传输大量数据时的传输速度和可靠性。

（2）控制功能。可以对康复机器人进行初始化，控制康复训练启停，选择康复训练模式，设定训练参数，配备急停功能。

（3）数据显示功能。可以实时显示康复训练过程中的下肢关节角度，并生成动态曲线。

整体软件设计采用MVC（Model View Controller）框架，分为模型层、视图层和控制层。模型层存储基本数据，实现业务逻辑处理对象的属性定义和操作，为控制层提供数据和操作支撑。视图层作为人机交互界面，负责加载模型层的数据结果，显示视图层的绘制，响应用户输入[3]。控制层接收用户在视图层的输入，并调用模型和视图完成用户请求。

3.1 无线通信模块开发

通过使用JSch实现对工控机Linux系统的远程登录。JSch是一个由Java语言实现的基于SSH2协议的通信包。JSch允许连接到SSHD服务器完成端口转发、X11转发、文件传输等功能，并可在Java程序中集成相关功能[4]。SSH（Secure SHell）协议可以自动加密、验证和压缩传输的数据，具有高安全性。

通过基于TCP/IP传输协议的Socket通信实现控制指令实时发送到工控机的功能。套接字（Socket）是通信的基石，是网络通信的基本操作单元，支持TCP/IP协议。

通过基于用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）的LCM通信，传输外骨骼关节角等数据。LCM是一组用于消息传递和数据编组的库和工具，是针对高带宽和低延迟关键的实时系统。LCM具有4 GB的最大报文容量，是一个最大的报文传输机制，可以最大可能地降低数据传递过程中的丢包现象。LCM提供日志记录、回放和流量检测等功能，使开发者能快速、高效地分析LCM系统的行为和性能[5]。

3.2 人机交互界面开发及功能实现

输入账号、密码以及下位机的网际协议（Internet Protocol，IP）地址，点击重启主站，即可对下肢外骨骼进行初始化设置。点击登录即可成功登录人机交互控制系统。用户成功登录后，进入主菜单界面进行系统操作。主菜单界面是整个人机交互系统的首界面，点击开启程序，开启TCP按钮，即可进入参数设置阶段。

用户点击关节角度可以调整关节角度。关节角度全部调节完成后，点击保存即可。若关节角度不需要调整，可以直接点击模式选择按钮模式进行康复训练。根据患者康复恰当选择的训练模式后，会弹出是否调节刚度的对话框。此时，用户可根据实际情况进行选择。

设置完参数后，点击开始按钮即可开始康复训练。训练过程中可以实时观察各关节矢状面的角度轨迹，对比患者各关节步态轨迹和正常人步态轨迹。康复训练结束后，点击结束按钮，停止康复训练。如果在训练过程中遇到问题，可随时点击急停按钮，确保患者在训练过程中不受到二次伤害。

实验验证对象是实验室设计开发的下肢外骨骼康复机器人，如图2所示。Android移动端可以连接外骨骼康复机器人内部工控机开启的热点，或者当二者处于同一局域网下时，用户可通过输入IP地址的方式成功通信。

图2 下肢外骨骼康复机器人

进行外骨骼康复机器人与Android移动端之间的测试验证，包括Android与工控机建立通信连接后，对康复机器人的控制、参数调整、显示动态曲线以及急停等，如图3所示。

图3 软件成功运行

经过实验测试，Android移动端可以对外骨骼康复机器人进行髋关节、膝关节、踝关节的角度设置与刚度设置，可以进行站立、行走、通透3种模式训练，可以成功接收工控机实时传输的各项数据生成关节角的动态曲线，实时显示角度轨迹，达到预期目标。

针对下肢外骨骼康复机器人的实时控制，提出一种基于Android移动客户端的人机交互系统，解决了使用计算机造成的成本较高、设备较大等问题。采用无线通信方式进行双向信息传输，解决了串口通信在康复训练过程中不够灵活的问题，使患者康复训练更加便捷。在通信过程中，使用LCM通信实时传输关节角等数据，在保证传输速度的同时，最大限度地减少数据丢失。经过实验测试验证，系统使用性能良好，达到了预期目标，具有良好的应用价值。

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