多功能骨科康復(fù)綜合治療機的研制

趙東亮，郭艷幸，李娜，陳皓宇

河南省正骨研究院 河南省洛陽正骨醫(yī)院（河南省骨科醫(yī)院） 生物醫(yī)學(xué)工程研究室，河南 洛陽 471000

引言

隨著生活節(jié)奏的加快與工作方式的改變，頸椎病、腰椎間盤突出癥、骨性關(guān)節(jié)炎等骨科常見病的發(fā)病率不斷升高，始發(fā)年齡也出現(xiàn)年輕化的趨勢[1]。早期的頸腰椎病和骨性關(guān)節(jié)炎患者只需保守治療，就可獲得較好效果。而保守療法中的中藥熏蒸、按摩等物理療法和功能鍛煉相對于藥物治療而言副作用較小，且療效顯著、費用較低[2]。根據(jù)上述治療原理，市場上出現(xiàn)了中藥熏蒸床、電動按摩床、股四頭肌鍛煉器等中醫(yī)療法設(shè)備[3-5]。

然而傳統(tǒng)中醫(yī)單一治療的療效也欠佳，且治療的規(guī)律性難以把握。中醫(yī)綜合治療將多種中醫(yī)治療方法相結(jié)合，將預(yù)防和治療密切結(jié)合，治療效果優(yōu)于單一治療[6]。有報道指出，熏蒸后配合腰背肌功能鍛煉可以加強腰背部肌肉力量，恢復(fù)肌肉韌帶彈性，增強腰部的穩(wěn)定性；同時配合直腿抬高訓(xùn)練，可以防止神經(jīng)與周圍瘢痕形成粘連，從而可以有效緩解腰背部疼痛[7]。因此，為了提高腰背部骨科疾病的治療效果，同時節(jié)約治療時間和節(jié)省設(shè)備占地空間，我們研究開發(fā)出一種集中藥熏蒸、腰背部按摩和直腿抬高功能鍛煉為一體的多功能骨科康復(fù)綜合治療機。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研制的多功能骨科康復(fù)綜合治療機主要由床體、熏蒸裝置、直腿抬高訓(xùn)練裝置、腰背部按摩裝置和控制裝置構(gòu)成。床體為整個治療機的主體，腰背部按摩裝置設(shè)置在床體上部中間，熏蒸裝置設(shè)置在腰背部按摩裝置的下部并連接，中藥蒸汽通過滾輪與滾輪之間的間隙輸送到患者被熏蒸部位，直腿抬高訓(xùn)練裝置對稱設(shè)置在床體左側(cè)的前部和后部，控制裝置設(shè)置在床體的右端上部。

1.1 腰背部按摩裝置

采用循環(huán)鏈條滾輪結(jié)構(gòu)，由滾輪、滾輪軸、循環(huán)鏈條、鏈輪、負(fù)重輪、鏈輪軸、框架、鏈輪減速器和鏈輪電機構(gòu)成。滾輪軸設(shè)置在滾輪中間，循環(huán)鏈條平行設(shè)置在滾輪軸的兩端，框架設(shè)置在循環(huán)鏈條的內(nèi)側(cè)，框架的外側(cè)設(shè)置有軌道輪，鏈輪與循環(huán)鏈條內(nèi)側(cè)嚙合，負(fù)重輪設(shè)置在循環(huán)鏈條的內(nèi)側(cè)，鏈輪設(shè)置在鏈輪軸兩端，鏈輪軸后端與鏈輪減速器輸出軸連接，鏈輪電機設(shè)置在鏈輪減速器后部與鏈輪減速器輸入軸連接，腰背部按摩裝置的上部為曲面結(jié)構(gòu)，符合人體生理曲度，控制裝置通過控制鏈輪電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)節(jié)腰背部按摩裝置的運動速度。腰背部按摩裝置高于床體上面高度。

1.2 床體結(jié)構(gòu)

床體表面有床架、固定床板和活動床板。固定床板固定在床架上部，活動床板設(shè)置在固定床板中間。固定床板為矩形板結(jié)構(gòu)，固定床板的中間設(shè)置有長方形安裝孔，安裝孔內(nèi)側(cè)前后分別設(shè)置有滑動軌道，滑動軌道內(nèi)側(cè)與腰椎按摩裝置上的軌道輪配合；活動床板為長方形結(jié)構(gòu)，活動床板設(shè)置在固定床板安裝孔內(nèi)的左側(cè)，固定床板的上部一側(cè)設(shè)置有蒸汽溫度傳感器；床架為框架結(jié)構(gòu)，有立柱和橫梁構(gòu)成。固定床板和活動床板上部均包裹防潮柔性材料。

1.3 熏蒸裝置

熏蒸裝置由加熱管、熏蒸藥箱、藥液溫度傳感器和氣流罩構(gòu)成。熏蒸藥箱設(shè)置在熏蒸裝置的底部，氣流罩設(shè)置在熏蒸藥箱的上部，加熱管設(shè)置在熏蒸藥箱的內(nèi)部下側(cè)，藥液溫度傳感器設(shè)置在加熱管的上部；氣流罩為倒錐形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空腔，上下貫通，氣流罩的上部與床體固定床板安裝孔的位置對應(yīng)，熏蒸藥箱為箱體結(jié)構(gòu)，上部敞開，前面設(shè)置有加熱管安裝孔和傳感器孔。

1.4 直腿抬高訓(xùn)練裝置

直腿抬高訓(xùn)練裝置由伺服電機、搖臂減速器和訓(xùn)練搖臂構(gòu)成。伺服電機驅(qū)動搖臂減速器，搖臂減速器驅(qū)動訓(xùn)練搖臂，訓(xùn)練搖臂繞阻尼轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，通過伺服電機控制訓(xùn)練搖臂的擺動幅度和速度。訓(xùn)練搖臂為L 形結(jié)構(gòu)，下部為矩形搖臂，搖臂的上部內(nèi)側(cè)水平設(shè)置有擺輪軸，擺輪軸上設(shè)置有擺輪，擺輪為圓筒結(jié)構(gòu)，外部包裹有柔性材料[8-9]。

多功能骨科康復(fù)綜合治療機整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a 所示，治療機中熏蒸裝置和腰背部按摩裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1b 所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 安全性設(shè)計

為保證熏蒸治療的安全性，采取以下措施：① 熏蒸藥箱內(nèi)安裝有液位開關(guān)，當(dāng)液位低于加熱管上表面時自動斷開加熱回路，防止干燒損壞加熱管；② 電源進(jìn)線處設(shè)置有漏電斷路器，只要有30 mA 的漏電流，漏電斷路器自動斷開，切斷總電源；③ 熏蒸氣流罩上部設(shè)置有定值機械式限溫開關(guān)，當(dāng)PLC 溫控電路失控時，氣流罩上部的蒸汽溫度只要達(dá)到50℃，設(shè)備便自動斷開加熱回路。

圖1 多功能骨科康復(fù)綜合治療機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 溫度控制

為了提高熏蒸治療的舒適性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)可對藥液溫度和蒸汽溫度同時實現(xiàn)精確閉環(huán)控制。溫度傳感器采用PT100 鉑電阻，輸出信號為0～5 V 標(biāo)準(zhǔn)信號溫度傳感器和測力傳感器放大后輸出的0～5 V 標(biāo)準(zhǔn)信號通過模擬量模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給PLC。PLC 根據(jù)溫度設(shè)定值與測量值的偏差自動調(diào)用PID 算法子程序控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時間，從而控制加熱管的加熱時間，來達(dá)到自動恒溫控制的目的。

2.3 訓(xùn)練阻力和訓(xùn)練搖臂轉(zhuǎn)動角度控制

用測力傳感器檢測直腿抬高功能鍛煉時的訓(xùn)練阻力，測力傳感器輸出為mv 信號，經(jīng)信號放大器放大為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)信號，再通過模擬量模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給PLC。伺服電機能夠根據(jù)控制要求發(fā)出高速脈沖和電機轉(zhuǎn)動的信號，經(jīng)過伺服驅(qū)動器控制伺服電機旋轉(zhuǎn)，該伺服電機內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號通過驅(qū)動器形成A 相和B 相正交信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換以后作為PLC 高速計數(shù)器的信號源，形成以PLC 為處理器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC 根據(jù)訓(xùn)練阻力及訓(xùn)練搖臂轉(zhuǎn)動角度設(shè)定值與測量值的偏差自動控制伺服電機的速度和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)對訓(xùn)練阻力和訓(xùn)練搖臂轉(zhuǎn)動角度的精確閉環(huán)控制。為了保證用戶安全，該伺服電機連接了減速機，用于降低訓(xùn)練搖臂轉(zhuǎn)動速度；在直腿抬高訓(xùn)練的最小角度和最大角度處均設(shè)置有行程開關(guān)，萬一控制系統(tǒng)失控時，訓(xùn)練搖臂活動到最小或最大角度時，伺服電機自動停轉(zhuǎn)，防止活動角度過大拉傷髖關(guān)節(jié)。直腿抬高抗阻訓(xùn)練時，用戶用腿主動帶動訓(xùn)練搖臂向上抬起，當(dāng)抬到設(shè)定角度值時停留8 s 后，PLC 自動驅(qū)動伺服電機反轉(zhuǎn)，帶動訓(xùn)練搖臂向下轉(zhuǎn)動。重復(fù)上述動作，PLC 內(nèi)置的計數(shù)器可自動計數(shù)，用戶可根據(jù)治療需求科學(xué)地完成自己的訓(xùn)練計劃。

2.4 按摩控制

為了保證腰背部按摩功能的舒適性，按摩速度要緩慢且可調(diào)，因此鏈輪電機采用步進(jìn)電機。步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)方向和運轉(zhuǎn)速度都由PLC 程序自動控制。通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；通過改變通電順序，從而達(dá)到改變電機旋轉(zhuǎn)方向的目的[10-12]。

多功能骨科康復(fù)綜合治療機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.5 輸入輸出點的確認(rèn)

I/O 接口又稱輸入/輸出接口，或稱I/O 模塊，是PLC與外圍設(shè)備之間的連接部件。PLC 通過輸入接口檢測輸入設(shè)備的狀態(tài)，以此作為對輸出設(shè)備控制的依據(jù)，同時PLC又通過輸出接口對輸出設(shè)備進(jìn)行控制。PLC 的I/O 接口能接受的輸入和輸出信號個數(shù)稱為PLC 的I/O 點數(shù)。I/O 點數(shù)是選擇PLC 的重要依據(jù)之一。根據(jù)本項目控制要求，PLC 的I/O 配置如表1 所示。

表1 I/O分配表

2.6 控制系統(tǒng)關(guān)鍵配件的選型

2.6.1 PLC的CPU

PLC 的CPU 是整個控制系統(tǒng)的控制中樞，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC 有條不紊地進(jìn)行工作。根據(jù)PLC 的I/O 分配表需要占用6 路輸入、6 路輸出，而且步進(jìn)和伺服驅(qū)動器的方向與脈沖信號以及控制加熱的固態(tài)繼電器輸入控制信號都需要高速輸出。為了提高系統(tǒng)可靠性，同時節(jié)約研發(fā)成本，因此CPU 選用性價比較高的臺達(dá)DVP14SS211T（8DI+6DO），輸出形式為晶體管。

2.6.2 人機界面

人機界面，簡稱HMI，又稱觸摸屏監(jiān)控器，主要功能有數(shù)據(jù)的輸入與顯示，設(shè)備操作狀態(tài)方面的時時信息顯示，報警處理及文字提醒等。由于整臺設(shè)備體積較大，選用7 寸觸摸屏比較合適，為了便于操作、保證畫面清晰，因此選用與臺達(dá)PLC 完美搭配的臺達(dá)DOP-B07S410 型人機界面。該界面為7 寸16:9 寬屏幕，65536 色TFT，分辨率為800×480 pixels，內(nèi)置2 M/82 M Flash Rom，支持RS-232/422/485 通信。

2.6.3 模擬量輸入模塊

模擬量輸入模塊的主要用途是把現(xiàn)場采集到的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳送給CPU。藥液溫度傳感器、蒸汽溫度傳感器、測力傳感器都屬于模擬量輸入信號，共占用3 路模擬量輸入，因此選用模擬量輸入模塊DVP04AD-S（4路模擬量輸入）作為擴展模塊。

2.6.4 溫度傳感器

溫度傳感器主要用于采集藥液溫度和中藥蒸汽溫度。由于藥液溫度控制范圍為35℃～65℃，蒸汽溫度控制范圍為35℃～45℃，因此選用MIK-PT100 型溫度傳感器，測溫范圍為-50℃～200℃，溫度特性好，測溫精度高。

2.6.5 旋轉(zhuǎn)編碼器

要想使直腿抬高功能鍛煉達(dá)到理想的訓(xùn)練效果，活動搖臂的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度都需要精準(zhǔn)控制?；顒訐u臂轉(zhuǎn)動角度范圍：0°～50°（水平時為0°，順時針旋轉(zhuǎn)），角度控制精度：±1°，活動搖臂轉(zhuǎn)動速度：每秒0°～5°。旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速并配合PWM 技術(shù)可以實現(xiàn)快速調(diào)速的裝置，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，因此用旋轉(zhuǎn)編碼器來測量活動搖臂的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動速度。根據(jù)活動搖臂的角度和轉(zhuǎn)速控制要求及使用環(huán)境，選擇E40S6-1000-3-T-24 軸型增量旋轉(zhuǎn)編碼器型，分辨率為1000 脈沖/轉(zhuǎn)，輸出相為A、B、Z 相，控制輸出為推拉輸出，電源電壓24VDC[13]。

2.6.6 伺服電機和測力傳感器

根據(jù)臨床需求直腿抬高訓(xùn)練阻力控制范圍為0～50 N。為了保證阻力控制的可靠性和安全性，同時考慮設(shè)計成本，選用匯川技術(shù)研制的高性能中小功率伺服系統(tǒng)，測力傳感器作為阻力檢測元件，伺服電機作為動力驅(qū)動裝置，構(gòu)成一個智能化閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對訓(xùn)練阻力的精準(zhǔn)控制。伺服電機型號為ISMH1-40B30CB，功率為400 W，額定轉(zhuǎn)速為3000 rpm，速度響應(yīng)頻率為1.2 kHz。測力傳感器型號為JLBS-20KG，量程為0～30 kg，綜合精度為0.1%。

上述結(jié)果表明,NaCl濃度對飽和GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的強度有明顯影響.相對于純水,鹽溶液飽和提高了GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的剪切強度,并且試樣的內(nèi)摩擦角增大.隨著NaCl濃度的增加,GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的剪切強度以及內(nèi)摩擦角隨之增大.由表2可知,隨著NaCl濃度的增加,砂骨架孔隙比逐漸減小,其最小值已經(jīng)接近砂的最大孔隙比,故在剪切過程中,部分砂顆粒之間會有接觸,強度有所增大.但是混合物試樣中砂骨架還未形成,因此摻砂混合物試樣的強度還是由膨潤土起主要作用.下面通過微觀試驗結(jié)果,分析膨潤土及其摻砂混合物強度的產(chǎn)生機理.

2.6.7 步進(jìn)電機

腰背部按摩時鏈輪電機驅(qū)動鏈輪機構(gòu)帶動鏈輪軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)滾動按摩，按摩速度調(diào)節(jié)范圍為0～5 mm/s，鏈輪傳動阻力不大[14]。故選用86HSM45-E1 型步進(jìn)電機作為鏈輪電機，對按摩速度和方向都可實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。額定電流為4 A，步距角為1.8°。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件功能簡介

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括PLC 控制程序和人機界面設(shè)計程序。PLC 控制程序采用WPLSoft2.41 軟件編寫，主要包括溫度控制子程序、步進(jìn)電機控制子程序和伺服電機控制子程序，都采用梯形圖程序編寫。人機界面程序采用DOPSoft2.00.05 軟件編寫，主要包括歡迎界面、密碼登錄界面、主控界面。主控界面包括溫度、阻力、角度、時間顯示和設(shè)置窗口，功能啟動、停止虛擬按鈕。觸控參數(shù)設(shè)置窗口后可自動彈出一個數(shù)字輸入窗，可根據(jù)治療需求輸入?yún)?shù)值，參數(shù)顯示窗用來顯示當(dāng)前參數(shù)監(jiān)測值和剩余治療時間。啟動、停止按鈕用來開啟和關(guān)閉對應(yīng)治療功能。人機界面與PLC 通過串行通信接口RS485 進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為19.2 kb/s[15]。

3.2 算法簡介

采用先進(jìn)的AI 人工智能調(diào)節(jié)算法對藥液溫度和蒸汽溫度實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。AI 人工智能調(diào)節(jié)算法是采用模糊規(guī)則進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)的一種新型算法。在誤差大時，運用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以消除PID 飽和積分現(xiàn)象；當(dāng)誤差趨小時，采用改進(jìn)后的PID 算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果最優(yōu)化。該算法具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單、對復(fù)雜對象也能獲得較好的控制效果等特點[16]。

采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)對訓(xùn)練阻力實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。PWM 控制是指在保持整流得到的直流電壓大小不變的條件下，利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變換為電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖的寬度（或用占比表示）或周期，達(dá)到改變等效輸出電壓的一種方法。通過PLC 指令自動控制晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷時間改變PWM 輸出波形[17]。

4 系統(tǒng)調(diào)試和主要性能指標(biāo)檢驗

經(jīng)過機械加工、零件組裝、硬件接線、程序編制和寫入，進(jìn)行整機調(diào)試，各項功能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求。

4.1 熏蒸溫度控制檢驗

采用美國福祿克公司生產(chǎn)的Fluke 51-II 型接觸式溫度計分別檢測藥液溫度傳感器檢測點的藥液溫度和蒸汽溫度傳感器檢測點的蒸汽溫度，精確到0.1℃。分別在藥液設(shè)定溫度為40℃、50℃、60℃和蒸汽設(shè)定溫度為35℃、40℃、45℃時測量，每個溫度點測量3 次，實驗結(jié)果，見表2 和表3。根據(jù)實驗結(jié)果計算出控溫精度為±0.5℃。

表2 藥液溫度檢驗結(jié)果（℃）

表3 蒸汽溫度檢驗結(jié)果（℃）

4.2 定時功能檢驗

任選三個熏蒸時間分別用日本亞速旺公司生產(chǎn)的6-7154-01 型計時器計時，精確到0.01 s，每個時間點測量3 次，實驗結(jié)果，見表4。根據(jù)實驗結(jié)果計算出計時精度為±1 s。

表4 定時功能檢驗結(jié)果（min:s）

4.3 訓(xùn)練阻力檢驗

采用艾普儀器有限公司生產(chǎn)的SF-50 型數(shù)顯拉力測試儀分別檢測訓(xùn)練阻力設(shè)定值為10、20、30 N 時的拉力值，測量精度為0.1 N，實驗結(jié)果，見表5。根據(jù)實驗結(jié)果計算出訓(xùn)練阻力控制精度為±1 N。

表5 訓(xùn)練阻力檢驗結(jié)果（N）

5 結(jié)論

本文對多功能骨科康復(fù)綜合治療機的機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計，通過現(xiàn)場實驗和調(diào)試，得出以下結(jié)論。

（1）熏蒸氣流罩設(shè)計為倒錐形結(jié)構(gòu)，在保證熏蒸面積滿足治療需求的同時節(jié)省了熏蒸藥液。采用先進(jìn)的AI 人工智能調(diào)節(jié)算法對藥液溫度和蒸汽溫度實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，控溫精度可達(dá)±0.5℃，既可保證患者熏蒸舒適，又避免了單獨控制蒸汽溫度造成的藥液溫度波動過大的現(xiàn)象。

（2）腰背部按摩裝置上部采用符合人體生理曲度的曲面結(jié)構(gòu)，傳動采用循環(huán)鏈條滾輪結(jié)構(gòu)，可對腰背部有效支撐和滾動按摩。通過PLC 控制步進(jìn)電機的速度和轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)對按摩速度和滾動方向的控制，保證了按摩舒適度。

（3）通過訓(xùn)練搖臂繞阻尼轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的方式實現(xiàn)了直腿抬高功能鍛煉。采用測力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC、步進(jìn)電機構(gòu)成的伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對訓(xùn)練阻力、直腿抬高角度、保持時間、訓(xùn)練次數(shù)等參數(shù)的精準(zhǔn)控制?？刂凭珳?zhǔn)、響應(yīng)速度快、可靠性高。

（4）本設(shè)計中的防漏電保護(hù)、防干燒保護(hù)、溫度上限保護(hù)、訓(xùn)練阻力和直腿抬高角度過大保護(hù)等安全保護(hù)功能都達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求，設(shè)備安全可靠。

（5）本設(shè)計把中藥熏蒸、腰背部按摩和直腿抬高功能鍛煉的機械結(jié)構(gòu)有機結(jié)合為一體，結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀。三種功能可分別獨立工作，也可任意組合使用，又可同時工作，為頸肩腰腿痛疾病的康復(fù)治療提供了有效途徑，提高了治療效果，同時節(jié)約了治療時間，又節(jié)省了設(shè)備占地空間，值得臨床推廣應(yīng)用。