等速肌力测试系统及其核心控制算法

摘要

本发明公开了一种等速肌力测试系统，包括核心控制模块、动力产生与输出模块和传感检测模块；核心控制模块控制动力产生与输出模块运动，传感检测模块将检测到的动力产生与输出模块的各种数据传送给核心控制模块；动力产生与输出模块包括为肢体进行等速运动提供所需阻力的动力输出轴；传感检测模块包括扭矩传感器、角位移传感器和滤波器；扭矩传感器和角速度传感器的输入端连接动力输出轴的输出端，输出端分别连接核心控制模块，滤波器连接角速度传感器和核心控制模块。本发明的动力输出轴能够提供等速运动所需阻力，传感检测模块检测动力输出轴的转矩、角速度、角位移，因此本发明能提供等速训练，又能检测肌力、角速度、角位移等重要物理量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于人体运动系统康复训练、肌肉功能检查和评价的等速肌力测试系统及其核心控制算法。

背景技术

肌肉功能检查和评价是康复医学中最基本、最重要的内容之一。常用的肌肉功能检查包括等长肌力、等张肌力和等速肌力检查等。由于等速运动技术在肌肉功能测试上具有很好的准确性、可靠性和可重复性，在肌力训练上具有很好的安全性、高效性和合理性，故在体育训练及康复医学的临床实践和科学研究中有广泛的应用前景。

等速运动，又称可调节抗阻运动或恒定角速度运动，指利用专门设备，根据运动过程的肌力大小变化，相应调节外加阻力，使整个关节运动依预先设定速度运动，运动过程中肌肉用力仅使肌张力增高，力矩输出增加。等速运动能依肌力强弱、肌肉长度变化、力臂长短、疼痛疲惫等状况。提供适合其肌肉本身的最大阻力，且不会超过其负荷的极限。因此，等速运动具有相当高的效率与安全性。

等速运动分为等速向心收缩运动和等速离心收缩运动两种方式，二者的区别在于肌肉收缩时肌纤维长度变化不同，前者肌纤维缩短，后者变长。表现在等速运动装置上，等速向心收缩运动时，主动力由肌肉收缩提供，等速装置提供与运动方向相反的阻力；等速离心收缩运动时，主动力由等速装置提供，肌力与运动方向相反。

等速运动需要借助于专门的等速设备来产生，等速技术的发展依赖于等速运动器械的发展水平，目前国内尚未有自行生产制造成套设备，国内使用的等速仪器主要靠进口，价格昂贵，只有少数大中城市的医院拥有此类成套设备。极大的限制了等速技术在我国康复领域的发展。

为了推动等速装置的国产化，人们做了一些尝试和努力，研制出了不少等速训练器材，如中国专利CN86203623U公开的一种“电磁等动力量训练器”、ZL 93200861.5公开的一种“电磁控制等动训练器”及ZL 200620018837.X公开的一种“等动爆发力训练仪”，等等。这些等速器材主要是以肌力训练为目的，无肌力显示和评价模块，适用于等速训练，但不适用于肌力测试；另外，它们大都利用机械装置原理或电磁阻力装置提供等速训练的阻力，无法提供产生离心收缩的主动力，因此无法进行等速离心收缩训练，而现代体育科学理论和实践证实，离心收缩力量训练对改善肌肉素质，提高运动能力有着重要的意义。

发明内容

本发明的第一个目的是推进国内等速技术的发展，提供一种能够进行等速训练和肌力测试的等速肌力测试系统

实现本发明第一个目的的技术方案是一种等速肌力测试系统，包括核心控制模块、动力产生与输出模块和传感检测模块；所述核心控制模块控制动力产生与输出模块运动，传感检测模块将检测到的动力产生与输出模块的各种数据传送给核心控制模块；所述动力产生与输出模块包括为肢体进行等速运动提供所需阻力的动力输出轴；所述传感检测模块包括扭矩传感器、角位移传感器和滤波器；所述扭矩传感器和角速度传感器的输入端分别连接动力产生与输出模块的动力输出轴的输出端，扭矩传感器和角速度传感器的输出端分别连接核心控制模块，滤波器连接角速度传感器和核心控制模块。

所述传感检测模块的扭矩传感器为动态测量式转矩传感器，用于测量所述动力产生与输出模块的动力输出轴的转矩；角速度传感器为旋转编码器，用于检测所述动力产生与输出模块的动力输出轴的角速度；角速度传感器的PWM输出端经滤波器后接入核心控制模块，用于检测所述动力产生与输出模块的动力输出轴的角位移。

所述传感检测模块还包括调理电路；所述调理电路为将所述扭矩传感器、角速度传感器、滤波器的输出信号调理、变换成便于所述核心控制模块的嵌入式微处理器接收的信号的电路。

所述动力产生与输出模块还包括依次连接的电平转换器、D/A转换器、有刷直流电机伺服驱动器、有刷直流电机和减速机；所述电平转换器与核心控制模块的输出端连接。

所述动力产生与输出模块的D/A转换器为高精度D/A转换器，用于接收所述核心控制模块的控制数据，转换成模拟电压后输入到有刷直流电机伺服驱动器；所述有刷直流电机伺服驱动器有电压控制和电流控制两种工作方式，用于控制有刷直流电机按要求运动；所述减速机为行星齿轮减速机；所述有刷直流电机通过减速机驱动动力输出轴提供肢体等速运动所需的阻力。

所述动力产生与输出模块的有刷直流电机上装配有电磁制动器。

所述核心控制模块包括相互电连接的嵌入式微处理器及外围电路，所述嵌入式微处理器为高速单片机或数字信号处理器，利用所述传感检测模块采集的转矩、角位移、角速度信息控制所述动力产生与输出模块按要求动作；所述外围电路是使所述嵌入式微处理器正常工作所必需的元器件及相互连接所构成的电路。

还包括与核心控制模块双向电连接的人机交互模块；所述人机交互模块包括PC机测控界面、输入按钮和状态指示灯；所述PC机测控界面用于在测试和训练前输入被测人员相关信息、选择测试关节、设定测试角速度、关节运动范围、最大力矩限制信息，在训练中显示并保存所测肌力、角速度、关节角位移数据和曲线，在训练后对所存数据进行分析处理，评价所测关节的肌力情况，为医师诊断提供参考；所述输入按钮包括正转极限按钮、反转极限按钮、暂停按钮、急停按钮、开始按钮和停止按钮，所述正转极限按钮和反转极限按钮用于训练前设定正转和反转方向的极限位置；所述暂停按钮用于使动力输出轴暂时锁定或释放，或者在训练和测试中暂时停止训练；所述急停按钮用于在发生异常的情况下切断动力产生和输出模块的电源，使动力输出轴停止运动；所述开始按钮和停止按钮分别用于训练的启动和正常停止；所述状态指示灯用于指示所述等速肌力测试系统各模块的工作状态，包括指示所述动力产生与输出模块的有刷直流电机伺服驱动器状态的伺服状态指示灯、指示所述PC机测控界面与所述核心控制模块之间通信状态的通信状态指示灯、指示所述传感检测模块的角速度传感器工作状态的角速度传感器状态指示灯、以及指示扭矩传感器工作状态的扭矩传感器状态指示灯。

所述动力产生与输出模块的有刷直流电机上装配的电磁制动器受所述人机交互模块的输入按钮的急停按钮和核心控制模块的双重控制。

本发明的第二个目的是提供一种等速肌力测试系统的核心控制算法。

实现本发明第二个目的的技术方案是一种等速肌力测试系统的核心控制算法，包括以下步骤：

①初始化控制输出量u(k)；

②采入角速度设定值wr(k)、本采样周期测量角速度w(k)和上一采样周期测量角速度w(k-1)，并计算角速度偏差e(k)＝w(k)-wr(k)；

③判断偏差e(k)是否大于0；

④如果第③步中e(k)大于0，则判断本采样周期测量角速度w(k)是否比上一采样周期测量角速度w(k-1)大；若是，则将第②步中求得的角速度偏差e(k)乘以一个正数系数a作为本次控制量增量Δu(k)的值，即Δu(k)＝a.e(k)；若否，即本采样周期测量角速度w(k)没有上一采样周期测量角速度w(k-1)大，则将本次控制量增量Δu(k)置为0；

⑤如果第③步中e(k)小于0，则判断本次测量角速度w(k)是否比上一采样周期所测角速度w(k-1)小；若是，则将第②步中求得的偏差e(k)乘以一个正数系数b作为本次控制量增量Δu(k)的值，即Δu(k)＝b.e(k)；若否，即本采样周期测量角速度w(k)没有比上一采样周期测量角速度w(k-1)小，则将本次控制量增量Δu(k)置为0。

⑥将第④步或第⑤步中得到的本次控制量增量Δu(k)与上次控制量u(k-1)之和作为本次确定的控制量u(k)输出，即u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；

重复②～⑥步，直至训练或测试结束。

采用了上述技术方案，本发明具有以下积极的效果：(1)本发明所设计的等速肌力测试系统的动力产生于输出模块的动力输出轴能够提供等速运动所需阻力，传感检测模块检测动力输出轴的转矩、角速度、角位移，动力输出轴的转矩即肌力，因此本发明的等速肌力测试系统既能提供等速训练，又能在等速训练中检测肌力、角速度、角位移等重要物理量。

(2)本发明的等速肌力测试系统的动力产生与输出模块采用有刷直流电机作为动力产生元件，使系统工作灵活，调节方便，能够在大范围适用不同人群的肌力测试需求，只要在动力输出轴上配上不同的附件即能对人体的不同主要关节进行训练。

(3)本发明的等速肌力测试系统的动力产生与输出模块采用有刷直流电机还能够提供“主动抗力”，带着肢体绕动力输出轴做等速离心收缩训练。

(4)本发明的等速肌力测试系统采用嵌入式微处理器与有刷直流电机伺服驱动器相结合的方式来控制有刷直流电机工作，而不是自行设计伺服驱动器，充分利用了成熟有刷直流电机伺服驱动器的高可靠性和安全性。

(5)本发明的等速肌力测试系统的动力产生与输出模块的有刷直流电机上配有电磁制动器，并受急停按钮和核心控制模块的双重控制，在紧急状态下除动力部分断电外，电磁制动器立即将电机锁定，从而使动力输出轴锁定，从而确保测试者的安全。

(6)本发明的等速肌力测试系统的动力产生与输出模块与其他模块采用隔离独立供电，避免相互干扰，及有害电压进入操作部分。

(7)本发明的等速肌力测试系统，还包括友好的人机交互模块，能显示保存训练或测试中的肌力、角位移、角速度这些重要物理量，并对测量结果进行分析和评价，为医师提供参考。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的等速肌力测试系统的组成框图。

图2为本发明的等速肌力测试系统的电路原理示意图。

图3为本发明的等速肌力测试系统的核心控制算法流程图。

附图中标号为：

核心控制模块1，嵌入式微处理器11；

动力产生与输出模块2，动力输出轴21，电平转换器22、D/A转换器23、有刷直流电机伺服驱动器24、有刷直流电机25，减速机26；

传感检测模块3，扭矩传感器31，角位移传感器32，滤波器33；

人机交互模块4，PC机测控界面41，输入按钮42，正转极限按钮42-1，反转极限按钮42-2，暂停按钮42-3，急停按钮42-4，开始按钮42-5，停止按钮42-6，状态指示灯43，伺服状态指示灯43-1，通信状态指示灯43-2，角速度传感器状态指示灯43-3，扭矩传感器状态指示灯43-4，通信电平转换电路44。

具体实施方式

(实施例1，等速肌力测试系统)

见图1，本实施例的等速肌力测试系统包括核心控制模块1、动力产生与输出模块2、传感检测模块3和人机交互模块4。核心控制模块1控制动力产生与输出模块2运动，传感检测模块3将检测到的动力产生与输出模块2的各种数据传送给核心控制模块1，人机交互模块4与核心控制模块1双向电连接。

见图2，核心控制模块1包括相互电连接的嵌入式微处理器11及外围电路。嵌入式微处理器11的型号为TMS320F2810，利用传感检测模块3采集的转矩、角位移、角速度信息控制动力产生与输出模块2按要求动作。外围电路是使所述嵌入式微处理器11正常工作所必需的元器件及相互连接所构成的电路，图中未显示。

动力产生与输出模块2包括为肢体进行等速运动提供所需阻力的动力输出轴21、电平转换器22、D/A转换器23、有刷直流电机伺服驱动器24、有刷直流电机25和减速机26，电平转换器22与核心控制模块1的输出端连接。其中，电平转换器22采用型号为74ALVC164245的双8位3V-5V电平转换芯片；D/A转换器23采用型号为DAC811的12位高精度D/A转换器，其模拟输出电压为-10V~+10V，用于接收所述核心控制模块1的控制数据，转换成模拟电压后输入到有刷直流电机伺服驱动器24；有刷直流电机伺服驱动器24采用型号为A-M-C 20a20的PWM伺服驱动器，它具有电压/转速控制和电流/转矩控制两种控制方式，工作电压范围为40V~190V，控制输入电压为-10V~+10V，用于控制有刷直流电机25按要求运动；减速机26为行星齿轮减速机，减速比为30∶1；有刷直流电机25额定功率为1.5kW，额定电压为160V，额定转矩9.5Nm，额定转速1500r/min，其上装配有电磁制动器(图中未显示)，有刷直流电机25通过减速机26驱动动力输出轴21提供肢体等速运动所需的阻力；电磁制动器受人机交互模块4的输入按钮42的急停按钮42-4和核心控制模块1的双重控制。TMS320F2810的通用I/O口GPIOB0~GPIO11经74ALVC164245电平转换后接入DAC811的12位并行数据输入端，DAC811的模拟电压输出端连接到A-M-C 20a20型PWM伺服驱动器的控制信号输入端，A-M-C 20a20的电机电压输出端与有刷直流电机25的电源接线端相连，有刷直流电机25的输出轴通过行星齿轮减速机连接到动力输出轴21，将动力输出。

传感检测模块3包括扭矩传感器31、角位移传感器32、滤波器33和调理电路；扭矩传感器31和角速度传感器32的输入端分别连接动力产生与输出模块2的动力输出轴21的输出端，扭矩传感器31和角速度传感器32的输出端分别连接核心控制模块1，滤波器33连接角速度传感器32和核心控制模块1。扭矩传感器31采用型号为TQ-660500的电压输出型高精度动态扭矩传感器，测量范围为-500Nm~+500Nm，对应输出电压为1V-5V，正向满量程为500Nm，对应输出电压5V，反向满量程为-500Nm，对应输出电压为1V。角位移传感器32采用型号为AS5145的12位分辨率的磁编码器，它具有正交编码脉冲输出端A相、B相及原点Index输出，同时还具有绝对编码PWM输出端，PWM输出的占空比0/4096~4095/4096对应着绝对角度0~360度。滤波器33为2阶无源RC低通滤波器。磁编码器AS5145的正交增量输出端A、B及原点INDEX分别连接至TMS320F2810的正交编码脉冲电路QEP的QEP1、QEP2和QEPI1，用于测量动力输出轴的角速度；磁编码器AS5145的PWM输出端经2阶无源RC低通滤波器调理成0V~3.3V直流电压后连接至TMS320F2810的A/D转换输入通道ADCINA0，用于测量动力输出轴的绝对角位移；扭矩传感器TQ-660500的电压信号输出端连接到TMS320F2810的A/D转换输入通道ADCINA1，用于测量加在动力输出轴上的转矩。调理电路为将所述扭矩传感器31、角速度传感器32、滤波器33的输出信号调理、变换成便于所述核心控制模块1的嵌入式微处理器11接收的信号的电路，图中未显示。

人机交互模块4与核心控制模块1双向电连接。人机交互模块4包括PC机测控界面41、输入按钮42、状态指示灯43和通信电平转换电路44；PC机测控界面4通过以芯片MAX3232为核心的通信电平转换电路44与TMS320F2810的串行通信接口SCIA相连，用于在测试和训练前输入被测人员相关信息、选择测试关节、设定测试角速度、关节运动范围、最大力矩限制信息，在训练中显示并保存所测肌力、角速度、关节角位移数据和曲线，在训练后对所存数据进行分析处理，评价所测关节的肌力情况，为医师诊断提供参考；输入按钮42包括正转极限按钮42-1、反转极限按钮42-2、暂停按钮42-3、急停按钮42-4、开始按钮42-5和停止按钮42-6，这6个输入按钮分别与核心控制模块的TMS320F2810的GPIOA0~GPIOA5相连。正转极限按钮42-1和反转极限按钮42-2用于训练前设定正转和反转方向的极限位置；暂停按钮42-3用于使动力输出轴暂时锁定或释放，或者在训练和测试中暂时停止训练；急停按钮42-4用于在发生异常的情况下切断动力产生和输出模块2的电源，使动力输出轴21停止运动；开始按钮42-5和停止按钮42-6分别用于训练的启动和正常停止；状态指示灯43用于指示所述等速肌力测试系统各模块的工作状态，包括指示所述动力产生与输出模块2的有刷直流电机伺服驱动器24状态的伺服状态指示灯43-1、指示所述PC机测控界面41与所述核心控制模块1之间通信状态的通信状态指示灯43-2、指示所述传感检测模块3的角速度传感器工作状态的角速度传感器状态指示灯43-3、以及指示扭矩传感器31工作状态的扭矩传感器状态指示灯43-4，这4个状态指示灯分别与TMS320F2810的GPIOA12~GPIOA15相连。

(实施例2，等速肌力测试系统的核心控制算法)

见图3，等速肌力测试系统的核心控制算法，包括以下步骤：

①步骤100，初始化控制输出量u(k)；

②步骤101，采入角速度设定值wr(k)、本采样周期测量角速度w(k)和上一采样周期测量角速度w(k-1)；

步骤102，计算角速度偏差e(k)＝w(k)-wr(k)；

③步骤103，判断偏差e(k)是否大于0；

④如果第③步中e(k)大于0，则进行步骤104，判断本采样周期测量角速度w(k)是否比上一采样周期测量角速度w(k-1)大；若是，则进行步骤105，将第②步中求得的角速度偏差e(k)乘以一个正数系数a作为本次控制量增量Δu(k)的值，即Δu(k)＝a.e(k)；若否，即本采样周期测量角速度w(k)没有上一采样周期测量角速度w(k-1)大，进行步骤106，将本次控制量增量Δu(k)置为0；

⑤如果第③步中e(k)小于0，则进行步骤107，判断本次测量角速度w(k)是否比上一采样周期所测角速度w(k-1)小；若是，则进行步骤108，将第②步中求得的偏差e(k)乘以一个正数系数b作为本次控制量增量Δu(k)的值，即Δu(k)＝b.e(k)；若否，即本采样周期测量角速度w(k)没有比上一采样周期测量角速度w(k-1)小，则进行步骤106，将本次控制量增量Δu(k)置为0；

⑥执行完步骤105或步骤106或步骤108后，均进入步骤109，将本次控制量增量Δu(k)与上次控制量u(k-1)之和作为本次确定的控制量u(k)输出，即u(k)＝Δu(k)+u(k-1)。；

重复第②～⑥步，直至训练或测试结束。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。