基于物联网智能康复训练机器人系统设计

基于物联网智能康复训练机器人系统设

计

摘要：针对脑卒中患者，设计了一款基于物联网、大数据的智能康复训

练机器人系统，系统由三菱FX5U系列PLC、变频器、人机界面、检测装置、执行

机构、远程数据服务器、上位机和手机等终端通讯设备等构成。医生通过上位机

将医嘱上传到远程数据服务器，患者在智能康复训练机器人系统上对照医嘱完成

相关训练任务，并可选择自主训练模式。医生和患者家属可以通过上位机或手机

调阅系统上传到数据服务器的数据，实时了解患者的训练状况。积累的数据可用

于医学研究，为制定治疗方案提供必要的技术数据，也为今后本系统智能化升级

提供必要的技术支持。

关键词：康复训练;智能控制;大数据;PLC

1产品背景

根据“中国心血管病报告2018”报告，我国心血管病现有患者人数 2.9亿，其中脑卒中1300万。脑卒中存活患者中有接近80%的人留有不同形式和程度的残疾，而且还有不少患者因身体残疾引发了诸多心理和生理上的疾病。

脑卒中患者后期的康复训练和治疗是一个相对漫长的过程。康复训练器械与

场地的匮乏是造成康复训练困难的主要因素之一。患者失去劳动能力的同时，还

需要占用一个家庭成员完成患者康复训练的接送与陪护，使得家庭经济陷入困境，是造成患者康复训练困难的另外一个主要因素。因此，有相当数量的患者为此放

弃康复训练和治疗，这已经成为一个社会问题。

国家出台相关法规、政策，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人

工智能和实体经济深度融合。本项目基于“互联网+医疗健康”的理念，设计推

出一款用于家庭康复训练的智能康复训练机器人系统，解决了脑卒中患者家庭康

复训练的难题，同时，也为相似产品的设计提供借鉴。

2系统简介

基于物联网智能康复训练机器人系统总体结构如图1所示。

图1基于物联网智能康复训练机器人系统结构框图

医生通过对患者身体进行检查或训练历史数据分析的基础上，制定训练方案，并通过上位机将医嘱上传到远程数据服务器。

患者在本地训练系统上读取医嘱，并按照医嘱完成相关任务量，并可选择自

主训练，相关数据同样被实时传送到远程数据服务器。医生和患者家属可通过上

位机或手机等通讯终端完成对患者的监控与监护。

3智能康复训练机器人系统的机械结构

智能康复训练机器人系统机械结构主要由升降机构和训练机构两部分组成。

如图2智能康复训练机器人系统机械结构所示。

图2智能康复训练机器人系统机械结构

3.1升降结构

采用步进电机提供动力，通过丝杠和导轨带动训练机构的升降，最终将训练机构停到上肢或下肢训练对应的位置，满足患者选择上肢或下肢训练，达到一机多用的目的。

3.2训练机构

当选择被动训练时，带有减速器的三相异步电动机将动力通过齿形带传递到把手，把手带动上肢或下肢完成相关训练。当选择主动训练时，由完好肢体转动把手提供动力，带动固定在另外一侧的病肢运动，达到训练的目的。

4智能康复训练机器人系统的电气控制系统

图3电气控制系统结构图

4.1 PLC可编程控制器输入输出信号

PLC采用三菱FX5U32M，完成对整个系统的协调、控制与管理。

表1 PLC可编程控制器IO接口地址表

输入功能标识

输

出

功能

标

识

X0接入编码器

脉冲控Y 脉冲负

PUL

制1-

X1

近点DOG信

号

光耦触

发

Y

5

脉冲方向负

DIR

-

X2零点

接近开

关

C

OM2

接SD0V

X1 1启动开关

系统启

动

Y

10

电机反转STF

X1 2转换开关

切换模

式

Y

11

电机正转STR

X1 3急停

结束训

练

X1

4

上限位保护

X1

5

下限位保护图4 PLC 可编程控制器IO接口电路

4.2 变频器与电动机及功率检测

采用三菱A800变频器完成被动训练交流减速电机的控制，变频器与PLC的内置模拟量输入相接，通过对反馈电流值的变化，判断患者是否发生肌肉痉挛，实现对患者的保护。

4.3 人机界面

人机界面采用三菱“GS2107”作为系统信息输入与输出装置。

4.4 步进电机及驱动电路

通过PLC输出高速脉冲输出到步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机带动丝杠实现正反转，丝杠带动工作台及训练机构上下运动，并最终停止到上肢或下肢训练的位置。

4.5 通信

变频器与PLC之间采用内置模拟量输入输出进行通讯，通信系统采用

S6533Y-C智能远程控制终端，终端通过以太网线与PLC控制器、路由器、人机界面连接。

人机界面、PLC、智能远程控制终端设置在同一网段，互相之间实现有线通信，上位机与手机可以通过互联网或流量卡与控制系统通信，实现远程监控和接收报警信息。

4.6 检测与保护

编码器：通过相关算法，得到电机转动圈数和速度两个参数，确保训练机构在医嘱设定转速下运行，并得到患者训练量。

上下限位和零点行程开关：用于训练机构及升降机构的保护，确定训练机构零点位置。

脉搏、血氧饱和度传感器：用于患者训练时的生理指标检测，当指标不满足设定阈值时，主动停止电机转动，训练停止。