孫　蓓，白　巖，鄭文崗

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林　132021；2.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林　132021)

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膝內(nèi)外翻振動(dòng)矯形康復(fù)儀矯正機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

孫蓓1，白巖2，鄭文崗1

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林132021；2.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林132021)

摘要：膝內(nèi)外翻康復(fù)一直是醫(yī)學(xué)矯正的難題.針對(duì)傳統(tǒng)康復(fù)儀監(jiān)測(cè)頻次低、反饋不及時(shí)、控制精度差、數(shù)據(jù)采集不全等缺點(diǎn)，以矯正部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)集信息技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)于一體的智能康復(fù)儀，確保人體矯正的運(yùn)動(dòng)功能和工作可靠性，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、配置優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，以及非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和醫(yī)學(xué)研究?jī)r(jià)值.

關(guān)鍵詞：康復(fù)系統(tǒng)；矯正；單片機(jī)

【引用格式】孫蓓，白巖，鄭文崗.膝內(nèi)外翻振動(dòng)矯形康復(fù)儀矯正機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，17(2)：270-274.

由于盲目鍛煉，很多人在鍛煉健身后肢體可能會(huì)出現(xiàn)變形，或由于長(zhǎng)期的不良姿勢(shì)或不正確的用力習(xí)慣引起支配關(guān)節(jié)的肌肉力學(xué)失衡.長(zhǎng)期的肌肉力學(xué)失衡可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)發(fā)生移位，容易形成膝內(nèi)外翻[1].因此，研制矯形康復(fù)儀器顯得尤為重要.目前，國(guó)內(nèi)外治療膝內(nèi)外翻的設(shè)備儀器比較少，功能、精度差.我國(guó)的肢體矯形器生產(chǎn)始于20世紀(jì)50年代，直至20世紀(jì)90年代，隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，矯形器的研制和應(yīng)用日益受到重視，近幾年來(lái)已在不少大、中城市應(yīng)用，并被列入中國(guó)殘疾人事業(yè)“九五”計(jì)劃綱要，成為肢體殘疾康復(fù)實(shí)施計(jì)劃的重要內(nèi)容之一[2].目前市場(chǎng)上的康復(fù)儀價(jià)格昂貴，且在治療過(guò)程中的振動(dòng)按摩、舒筋活血等方面做得不好，容易使人體在長(zhǎng)時(shí)間治療過(guò)程后腿部酸麻，如果治療頻率過(guò)高還會(huì)對(duì)腿部造成傷害，甚至產(chǎn)生褥瘡等病變.針對(duì)康復(fù)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)不能合理融合的問(wèn)題，本文對(duì)膝內(nèi)外翻振動(dòng)矯形康復(fù)儀矯正機(jī)構(gòu)分控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高控制精度和機(jī)械結(jié)構(gòu)的靈活性，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制正向運(yùn)轉(zhuǎn)的拉伸牽引和矯正功能，以及控制反向運(yùn)轉(zhuǎn)的復(fù)位功能、監(jiān)控反饋安全功能、數(shù)字顯示功能、機(jī)械過(guò)載電源切斷功能、聲光報(bào)警功能.

1X/O型下肢康復(fù)儀硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

膝內(nèi)外翻振動(dòng)矯形康復(fù)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由拉伸、壓腿、床身、振動(dòng)以及矯正5部分組成.

1.1矯正機(jī)構(gòu)組成

矯正單元機(jī)械部分主要由過(guò)載保護(hù)裝置、軸、矯正觸頭、支板、滑塊、直線(xiàn)導(dǎo)軌等組成，見(jiàn)圖1.工作時(shí)在夾緊力的作用下，患者膝關(guān)節(jié)處的韌帶內(nèi)側(cè)縱向拉伸，使膝關(guān)節(jié)間的間隙變小，長(zhǎng)期作用下促使患者韌帶兩側(cè)的受力逐漸恢復(fù)平衡，從而減小甚至消除患者膝關(guān)節(jié)間的間隙.

1.2矯正機(jī)構(gòu)功能要求

1)矯正單元進(jìn)行3次夾緊矯正.通過(guò)矯正單元的壓力傳感器反饋信息預(yù)先設(shè)定默認(rèn)值為5 N，持續(xù)10 min，矯形觸頭復(fù)位，進(jìn)行第2次夾緊矯形；壓力10 N，持續(xù)10 min，矯形觸頭復(fù)位，進(jìn)行第3次夾緊矯形；壓力15 N，持續(xù)10 min，矯形觸頭復(fù)位，進(jìn)行震動(dòng)單元的操作.

2)牽引單元輔助矯正.牽引單元能夠?qū)ν炔窟M(jìn)行適度拉伸，以配合矯正機(jī)構(gòu)的矯形工作.

3)震動(dòng)緩解肌肉壓力.

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)必須滿(mǎn)足以下技術(shù)要求：最大矯形范圍，中度18°～27°，矯形力7～17 N(最大矯形力)，牽引力70 N(最大牽引力)，振動(dòng)頻率20～40 Hz；電動(dòng)推桿，額定電壓24 V，行程100 mm，速度1 mm/s，負(fù)載200 N；額定電壓24 V，行程200 mm，速度1 mm/s，負(fù)載200 N.

依照膝內(nèi)外翻矯形康復(fù)儀的功能以及機(jī)械系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì).該控制系統(tǒng)的硬件組成見(jiàn)圖2，主要包括核心控制單元、參數(shù)設(shè)置與顯示模塊、傳感器檢測(cè)單元、信號(hào)調(diào)理單元、電機(jī)輸出控制單元、震動(dòng)頻率檢測(cè)單元、通信單元、監(jiān)控報(bào)警單元以及電源模塊等.

2.1信號(hào)調(diào)理單元

信號(hào)調(diào)理包括壓力信號(hào)調(diào)理和拉力信號(hào)調(diào)理等，其電路基于儀表放大器電路，并使用BAV99M三極管設(shè)計(jì)出理想的信號(hào)調(diào)理電路.BVA99是一種開(kāi)關(guān)二極管，是半導(dǎo)體二極管的一種，由導(dǎo)通變?yōu)榻刂够蛴山刂棺優(yōu)閷?dǎo)通所需的時(shí)間比一般二極管短，以此種晶體管做成的BAV99M三極管主要應(yīng)用于電子設(shè)備的開(kāi)關(guān)電路、檢波電路、高頻和脈沖整流電路及自動(dòng)控制電路，在IC網(wǎng)絡(luò)超市上還有更詳細(xì)的產(chǎn)品圖片、尺寸、封裝、PDF等資料.在該控制系統(tǒng)中，壓力信號(hào)調(diào)理電路和拉力信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案相同[4].信號(hào)調(diào)理電路見(jiàn)圖3.

由于TLC2274是將4個(gè)功能獨(dú)立的運(yùn)放集成在同一個(gè)集成芯片里，這樣就可以大大減少儀表放大器各運(yùn)放由于制造工藝不同而帶來(lái)的器件性能差異.采用TLC2274構(gòu)成的儀表放大器有統(tǒng)一的電源，有利于電源噪聲的降低和電路性能的提高.此外，采用TLC2274構(gòu)成儀表放大器在給PCB布局、布線(xiàn)帶來(lái)方便的同時(shí)也節(jié)省了電路板空間.

2.2震動(dòng)頻率檢測(cè)單元

震動(dòng)單元相對(duì)于壓力、拉力單元對(duì)安全性的要求較低，一般不會(huì)給患者造成過(guò)失傷害，因此設(shè)計(jì)要求也相對(duì)較低，但是如果頻率過(guò)高可能引起患者腿部不適.因此，設(shè)計(jì)成頻率數(shù)值可視化，可以方便患者了解最適合自己的震動(dòng)頻率，以便下次使用時(shí)直接調(diào)整到上次頻率值[5-6].為了將震動(dòng)電機(jī)的震動(dòng)頻率顯示出來(lái)，需要設(shè)計(jì)頻率檢測(cè)電路.系統(tǒng)采用的頻率檢測(cè)電路見(jiàn)圖4.

2.3壓力傳感器單元

控制系統(tǒng)需要在治療過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)患者腿部受到的壓力值，以便反映給系統(tǒng)控制校驗(yàn)和顯示到操控平臺(tái)供患者和醫(yī)療人員參考，需要使用壓力傳感器.經(jīng)過(guò)評(píng)定，測(cè)量值在0～50 N即可，根據(jù)市場(chǎng)上的傳感器分析選型，使用韓國(guó)bong shin公司的CBFS-5 kg壓力(稱(chēng)重)傳感器.

根據(jù)傳感器應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了基于78M12的傳感器配電電源.78M12是三端穩(wěn)壓IC集成電路，其只有3條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端.輸出參數(shù)是12 V，500 mA.用78/79系列三端穩(wěn)壓IC組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用可靠、方便，且價(jià)格便宜.該系統(tǒng)中傳感器配電電路見(jiàn)圖5.

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于患者對(duì)治療狀態(tài)的需求不同，控制系統(tǒng)需要按照患者的意愿手動(dòng)操控重置矯正參數(shù)，以滿(mǎn)足患者需求.在手動(dòng)模式下，患者可以進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制和長(zhǎng)動(dòng)控制，在一定范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)矯正力和牽引力的大小以及作用時(shí)間，以及震動(dòng)單元的震動(dòng)頻率和震動(dòng)時(shí)間[7-8].

膝內(nèi)外翻矯形康復(fù)儀控制系統(tǒng)的功能主程序流程見(jiàn)圖6.

在參數(shù)處理子程序中，患者可以直接使用系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)值：矯正力F為5，10，15 N，時(shí)間T為10 min.參數(shù)處理子程序允許患者重新設(shè)定參數(shù)值.F1表示設(shè)定的矯正力，F(xiàn)2表示設(shè)定的牽引力，H表示設(shè)定的最大震動(dòng)頻率，T1表示矯正力持續(xù)的時(shí)間(牽引單元與矯正單元同步工作時(shí)，持續(xù)時(shí)間相同)，T2表示震動(dòng)持續(xù)的時(shí)間.工作時(shí)，控制系統(tǒng)以相應(yīng)的傳感器檢測(cè)當(dāng)前的矯正力(F1x)、牽引力(F2x)和震動(dòng)頻率(Hx)，并通過(guò)參數(shù)處理子程序進(jìn)行分析判斷這些動(dòng)態(tài)參數(shù)，以便做出控制響應(yīng).

3.1參數(shù)設(shè)定部分

參數(shù)設(shè)定部分的調(diào)節(jié)鍵盤(pán)電路見(jiàn)圖7.其中：S7和S11，S8和S12，S9和S13分別用來(lái)設(shè)定矯正力、牽引力和震動(dòng)頻率參數(shù)值以及預(yù)設(shè)工作時(shí)間；S6和S10為輔助按鍵，可短按、長(zhǎng)按和超長(zhǎng)按，用來(lái)擴(kuò)展按鍵功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)矯正工作、牽引工作、震動(dòng)工作的單獨(dú)控制及工作模式設(shè)定.

3.2數(shù)碼管顯示電路與按鍵檢測(cè)

數(shù)碼管顯示電路與按鍵檢測(cè)電路見(jiàn)圖8.

矯正力的顯示范圍為0～17 N，牽引力的顯示范圍為0～70 N，震動(dòng)頻率的顯示范圍為20～40 Hz.顯示工作模式，共計(jì)需要16位數(shù)碼管來(lái)完成控制系統(tǒng)的顯示功能，16位數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)選擇可以用2個(gè)八線(xiàn)十進(jìn)制譯碼器74HC145來(lái)實(shí)現(xiàn).

燈光處理部分程序如下：

//運(yùn)行燈處理

LedData(LED_RUN，OFF)；//設(shè)備停止或禁用時(shí)，燈滅.

}else

if(RunSta.DevSta==DEV_RUN){

LedData(LED_RUN，ON)；//運(yùn)行中

LedAr(LED_RUN，STA_ON)；

}else

if(RunSta.DevSta==DEV_PAUSE){

LedData(LED_RUN，ON)；//暫停狀態(tài)

LedAr(LED_RUN，STA_OFF)；

}

//報(bào)警燈處理

if(RunSta.Alarm.all !=0){

LedData(LED_ERR，ON)；//報(bào)警燈亮

LedAr(LED_ERR，STA_OFF)；

if(RunSta.Alarm.all & 0x0EEE){

LedAr(LED_ERR，STA_ON)；//電機(jī)、硬限位、傳感器故障時(shí)，燈閃爍.

}

}

else{

LedData(LED_ERR，OFF)；//報(bào)警燈亮

LedAr(LED_ERR，STA_OFF)；

}//蜂鳴器處理ALARM_TEMP_H |

if(RunSta.Alarm.all & 0x0EEE){

AlarmBeepEn()；//蜂鳴器響

}else{

AlarmBeepDis()；//蜂鳴器關(guān)

}

//當(dāng)前溫度閃爍

for(i=0；i<3；i++){

if(RunSta.RP[i].Alarm &(EHH1|MC1|SE1)){

DNUM_AR(i，DIG_NUMALL，STA_ON)；}

else{

if(RunSta.DevCali==CALIB_NONE&&

RunSta.DevSta!=DEV_SET){

DNUM_AR(i，DIG_NUMALL，STA_OFF)；

}

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的康復(fù)儀集震動(dòng)、夾緊、拉伸、壓緊等多功能于一體，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)震動(dòng)頻率和振幅，拉伸力和矯形力可在允許的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，患者可根據(jù)作用力來(lái)設(shè)定參數(shù)，完成膝內(nèi)外翻矯形康復(fù)儀的功能設(shè)置.本康復(fù)儀具有控制精度高、安全、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用結(jié)果顯示其具有較高的醫(yī)學(xué)研究?jī)r(jià)值和廣闊的商業(yè)前景.

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【責(zé)任編輯：郭偉】

Design and Optimization of Knee Varus Vibration Orthopedic Rehabilitation Correction Mechanism Control System

Sun Bei1，Bai Yan2，Zheng Wengang1

(1.MechanicalEngineeringCollegeofBeihuaUniversity，Jilin132021，China；2.EngineeringTrainingCenterofBeihuaUniversity，Jilin132021，China)

Abstract：Inside and outside the knee over the rehabilitation has been orthodontic thorny problem，aiming at the traditional rehabilitation instrument monitoring frequency low，feedback is not timely，control precision，data acquisition is not congruent shortcomings，the author corrects part of the mechanical structure optimization for starting point，designs a set of information technology，the single chip microcomputer control technology，sensor monitoring technology of the intelligent rehabilitation instrument，which ensures the correction of human movement function and working reliability with safe，reliable，economical and practical，optimizes the allocation of advantages，has a very broad application prospect in the market and the medical research value.

Key words：rehabilitation system；correction；single chip microcomputer

中圖分類(lèi)號(hào)：TP502.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：孫蓓(1966-)，女，副教授，主要從事控制與檢測(cè)研究，E-mail：1512974922@qq.com；通信作者：白巖(1980-)，女，碩士，講師，主要從事控制理論與控制工程研究，E-mail：745575912@qq.com.

收稿日期：2015-11-08

文章編號(hào)：1009-4822(2016)02-0270-05

DOI：10.11713/j.issn.1009-4822.2016.02.028