使用LabVIEW與Compact DAQ測(cè)試并驗(yàn)證他人推動(dòng)式*
　　
　　隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，中國人的平均壽命將越來越長(zhǎng)。然而，70歲以上老年人中，85％的人有行動(dòng)障礙，25％的人有腦血管疾病和骨關(guān)節(jié)炎，這些老年人亟需輔助設(shè)備來解決行動(dòng)困難的問題。存在行動(dòng)障礙的老年人常用的他人推動(dòng)式*就可極大減輕了老年人的出行困難。
　　
　　隨著人口平均年齡的增加以及年輕就業(yè)者與退休人員的比例日益減小，年輕的看護(hù)人員也越來越少。通常情況下這些老年人的配偶扮演看護(hù)的角色，但他們通常年紀(jì)也較大。根據(jù)*類型和乘坐者重量的不同，*可重達(dá)100公斤甚至更高，使得操控難度增大，并且對(duì)乘坐者和看護(hù)都極不安全。此外，在上坡或崎嶇的道路上，為了保護(hù)乘坐者的安全，看護(hù)會(huì)比較吃力，以致過度勞累或背部、肩部、肘部疼痛。我們需要幫助照顧殘障人士的看護(hù)減輕推*時(shí)的負(fù)擔(dān)。
　　
　　動(dòng)力輔助*裝置是一種減小推行負(fù)擔(dān)的方法。許多此類動(dòng)力輔助裝置已成功提高*的操控性。然而，這些裝置沒有針對(duì)輔助力和個(gè)人能力之間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化以zui大程度減少看護(hù)的體能消耗，因此在輔助控制系統(tǒng)領(lǐng)域，該話題已經(jīng)日益受到人們的關(guān)注。這主要是因?yàn)檩o助設(shè)備常用的控制方法極其簡(jiǎn)單，僅僅只是讓輔助力與推動(dòng)力成正比關(guān)系。老年人的力量各有差異，使得現(xiàn)有的控制系統(tǒng)參數(shù)很難與他們的個(gè)人能力相適應(yīng)。
　　
　　系統(tǒng)描述
　　
　　根據(jù)個(gè)人的力量-速度（FV）關(guān)系，我們提出了一種基于需求的輔助控制系統(tǒng)，主要包括以下功能：
　　
　　在看護(hù)人員自身力量不夠?qū)е峦苿?dòng)力不足的情況下提供輔助
　　
　　在較低的推動(dòng)負(fù)擔(dān)下利用看護(hù)的推動(dòng)力量，減少看護(hù)的體能消耗
　　
　　輕松根據(jù)個(gè)人能力或推動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整
　　
　　我們?cè)赑AMELA平臺(tái)上通過三個(gè)縱向坡度分別為6.5％（3.6度）、9.0％（5.0度）和12.0％（6.9度）的平坦表面研究在*的推力負(fù)荷下這一高性能控制器對(duì)看護(hù)推*行為的輔助作用。　　
　　我們?cè)诰哂袃蓚€(gè)聚氨酯前輪和后輪的NHS9L標(biāo)準(zhǔn)*上安裝了6軸MC3A力傳感器（用于測(cè)量看護(hù)人員推動(dòng)力）、500p/r旋轉(zhuǎn)編碼器（用于測(cè)量*速度）、距離傳感器（用于測(cè)量看護(hù)人員與*之間距離）以及裝有腳踏開關(guān)的涼鞋（用于測(cè)量腳與*接觸時(shí)間）。所有來自傳感器的信號(hào)連接到NI9205C系列模塊，并輸入到NIcDAQ-9174機(jī)箱。我們開發(fā)了一個(gè)VI（圖3）來采集和記錄來自信號(hào)的相應(yīng)數(shù)據(jù)。　　
　　實(shí)驗(yàn)參與者分別在水平路面和三個(gè)不同坡度的縱向斜坡中推動(dòng)*，我們分別從以下四個(gè)方面對(duì)每個(gè)人的推動(dòng)力量進(jìn)行計(jì)算：作用力、*速度、步行方式及姿勢(shì)。根據(jù)LabVIEW測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：看護(hù)人員的自然推動(dòng)力是自身zui大力量的10%~30％，且推動(dòng)力與步行速度成反比。看護(hù)的推動(dòng)力（作用力）隨著*負(fù)載（高達(dá)96公斤）與坡度（高達(dá)12％）的增加而增加。此外，只有大步伐和低步頻才能讓看護(hù)人員使出zui大推力。　　
　　基于初步實(shí)驗(yàn)，我們先畫出了達(dá)到特定速度與所需施加的力的關(guān)系圖，并根據(jù)這些參數(shù)推導(dǎo)出推力與速度的關(guān)系，進(jìn)而繪制了每個(gè)人的FV關(guān)系圖。我們將輔助力的界限設(shè)為看護(hù)人員推動(dòng)力的30％，并在NHS標(biāo)準(zhǔn)儀器*（圖4）的后輪上安裝了直流電動(dòng)馬達(dá)與鏈傳動(dòng)系統(tǒng)（圖5）。*座位背面裝有分流穩(wěn)壓器的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器可用來控制馬達(dá)。我們?cè)诔跏嫉腘I系統(tǒng)中添加了NI9263輸出模塊，為電動(dòng)馬達(dá)提供計(jì)算出的所需FV輸出電壓，以在需要時(shí)直接驅(qū)動(dòng)后輪。同步I/O信號(hào)對(duì)于成功測(cè)試和驗(yàn)證控制系統(tǒng)至關(guān)重要。只有NI硬件與LabVIEW能夠幫我們實(shí)現(xiàn)這一目的。　　
　　（北京瀚文網(wǎng)星科技有限責(zé)任公司）創(chuàng)建了一個(gè)新VI（圖6），以添加輔助控制規(guī)則，當(dāng)看護(hù)人員的推動(dòng)力超過了zui初實(shí)驗(yàn)中FV關(guān)系定義的界*，該規(guī)則即會(huì)計(jì)算并產(chǎn)生相應(yīng)的輔助力。我們使用該VI來測(cè)試之前提出的FV關(guān)系法及常用的比例(P)輔助控制器。P控制器通過計(jì)算看護(hù)人員推力和輔助增益的乘積來生成輔助力。我們?cè)谳o助控制器的幫助下讓看護(hù)人員重復(fù)進(jìn)行初始試驗(yàn)。LabVIEW所具有的靈活性使我們能夠根據(jù)每個(gè)人的推動(dòng)力來輕松設(shè)置和調(diào)整輔助界限和增益，使看護(hù)能夠較輕松地在斜坡上推*。　　
　　該實(shí)驗(yàn)表明，與P控制方法“持續(xù)提供輔助力”不同的是，F(xiàn)V控制法在推動(dòng)力低于輔助界*并不會(huì)提供輔助。相反，只有在看護(hù)人員的推動(dòng)力超過FV關(guān)系定義的界*，新的FV控制系統(tǒng)才會(huì)提供輔助。
　　
　　系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
　　
　　借助我們開發(fā)的控制系統(tǒng)，看護(hù)人員的推動(dòng)力始終保持在輔助界限以下，而且這一輔助界限可輕松根據(jù)看護(hù)人員自身的力量進(jìn)行調(diào)整。因此，該系統(tǒng)可確保輔助力僅在需要時(shí)才被使用，從而顯著降低需要消耗的電能。相比常見的比例輔助控制系統(tǒng)，這是一個(gè)重大的優(yōu)勢(shì)。此外，看護(hù)員可將推*作為一種適量的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也可在需要時(shí)使用輔助力。
　　
　　該項(xiàng)研究所取得的成果能夠以低能耗為長(zhǎng)距離推行提供充足的輔助力，同時(shí)提高安全性以及減輕看護(hù)的負(fù)擔(dān)。這極大地提高了殘障人士與看護(hù)，尤其是老年人的生活質(zhì)量，他們可以更輕松地在戶外以及惡劣地形上操控*。
　　
　　該控制系統(tǒng)還可針對(duì)個(gè)人能力優(yōu)化其他輔助系統(tǒng)、康復(fù)系統(tǒng)和訓(xùn)練系統(tǒng)。
　　
　　NI軟件與硬件超出預(yù)期
　　
　　（北京瀚文網(wǎng)星科技有限責(zé)任公司）使用NICompact DAQ和LabVIEW來創(chuàng)建可同步采集和記錄數(shù)據(jù)并可同步多個(gè)I/O通道的解決方案——這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的預(yù)期。”LabVIEW可輕松地與第三方硬件集成，同時(shí)作為新用戶，我們發(fā)現(xiàn)圖形化編程環(huán)境非常直觀易用。
　　
　　易于操作的前面板可幫助我們整合輔助增益、時(shí)間常數(shù)和FV關(guān)系等參數(shù)來調(diào)整和控制*上的輔助馬達(dá)。如果沒有該功能，我們只能在仿真*中對(duì)所提出的控制規(guī)則進(jìn)行測(cè)試。