高頻間歇負壓肢體循環理療儀設計

周利杰,郝瑞林,蔡國慶,劉 輝

(1.河北水利電力學院 機械工程系,河北 滄州 061001;2.河北省工業機械手控制與可靠性技術創新中心,河北 滄州 061001)

肢體循環障礙主要表現為淋巴水腫,在世界衛生組織對致殘類疾病的排位中位居第二位[1]。 目前綜合消腫法具有較好的消腫效果,已被國際推薦為消腫的標準療法[2]。 近些年,眾多學者針對肢體循環促進裝置進行研究和嘗試。 何玉祥等[3]通過在口腔建立負壓,驗證了負壓能夠影響淋巴動力學,可以有效促進淋巴循環。 趙玉璽等[4]利用壓縮空氣設計了一種促進肢體血液循環的儀器,通過氣囊的壓力變化反復壓迫肢體,促進血液循環。 劉東[5]針對治療深靜脈血栓設計了空氣波壓力治療儀,通過充氣的方式壓迫足底促進血液和淋巴流動,從而消除水腫。 吳頔[6]利用氣囊間歇充放氣模擬肌肉的收縮和舒張效果設計了肢體循環促進裝置。 通過上述分析可知,現有研究成果主要利用氣囊的間歇充放氣實現對肢體的壓迫,從而促進肢體循環,氣囊的壓迫面積較大,對于面積較小的水腫組織適應性較差。 本文針對氣囊應用于促進肢體循環裝置的局限性,利用小口徑的負壓吸口,并結合高頻間歇工作方式設計了高頻間歇負壓肢體循環理療儀。

1 整體方案設計

本文設計的高頻間歇負壓肢體循環理療儀采用分體式的設計方案,主要由理療手柄、負壓管路、主機和觸摸屏構成,如圖1 所示。 主機內部主要由負壓泵、電磁閥、負壓傳感器、控制板等組成。 為增加理療手柄對水腫組織皮膚的牽拉作用,理療手柄內設計有直流減速電機和搖擺機構,能夠使理療手柄的吸口來回擺動。

主機內部的負壓泵選用德國Thomas1420D 直流無刷隔膜泵,該負壓泵能夠產生-40 kPa ~0 kPa 的相對真空壓力。 電磁閥選用廈門微能WV121 型兩位三通電磁閥,電磁閥得電時接通負壓泵和負壓管路,通過理療手柄將負壓作用于水腫組織;電磁閥掉電時接通負壓管路和外界大氣,使負壓管路泄壓,理療手柄失去對水腫組織的抽吸力,通過電磁閥的高頻通斷即可使理療手柄產生振動的效果。 負壓傳感器選用蕪湖芯硅智電子科技有限公司的XGZP6829D 型負壓傳感器,量程為-100 ~0 kPa,分辨率為24 bits,響應頻率可達400 Hz。 控制板集成有STM32f407 微控制器,并結合模糊PID 控制算法實現對負壓泵和微型電磁閥的精確控制。 負壓系統原理如圖2 所示。

2 負壓搖擺理療手柄設計

2.1 負壓搖擺理療手柄結構設計

為增加負壓理療手柄對水腫組織的牽拉和揉搓效果,本文設計了可擺動吸口的負壓搖擺理療手柄。如圖3 所示。 其中,根據吸口的大小不同,設計了一系列吸口,方便根據不用的水腫組織部位更換合適口徑的吸口;負壓管路與主機相連,將負壓泵產生的負壓傳導至吸口;搖擺機構采用四桿搖擺機構。 驅動電機采用大力矩直流減速電機,可通過主動齒輪將旋轉運動傳遞給從動齒輪,從動齒輪與調節圓盤固定連接,通過調節塊帶動連桿運動,連桿帶動搖擺吸口座繞其旋轉軸線來回擺動。 為了能夠調整吸口的擺動幅度,調節圓盤設計有徑向凹槽,調節塊內嵌入徑向凹槽內,可沿凹槽滑動。 使用過程中,可通過調整調節塊在調節圓盤凹槽內的位置來調整搖擺吸口座的擺動幅度。

2.2 負壓搖擺理療手柄運動分析

為驗證搖擺機構的性能,本文利用SolidWorks 的運動分析模塊對搖擺機構進行了運動分析,選取吸口與水腫組織接觸面的圓心點作為研究對象,分析運動過程中該圓心點的位移幅值、速度幅值和加速度幅值。 得到的結果如圖4 所示,其中,位移1 表示調節塊位于調節圓盤凹槽最外端時所得的位移曲線,位移2 表示調節塊位于調節圓盤凹槽最內端時所得的位移曲線,兩條曲線對比可知,吸口與水腫組織接觸面圓心點的位移調節范圍約為18 ~32 mm。 機構的速度和加速度幅值能夠較好地反映出機構運動的平滑程度[7],本文在仿真過程中對從動齒輪施加30 r/min 的轉速,加速度運動分析曲線如圖5 所示,結果表明:速度范圍約為0 ~57 mm/s,加速度范圍52 ~256 mm/s2,速度曲線和加速度曲線變化規律較平滑,不存在較大的突變點,應用于水腫組織的理療時能夠提供較好的舒適性。

3 高頻間歇負壓控制系統設計

3.1 控制系統交互界面設計

針對高頻間歇負壓肢體循環理療儀,采用電容觸摸屏進行交互,本文設計的控制系統交互界面如圖6 所示。 控制系統交互界面中可設置負壓值、手柄搖擺速度、手柄振動頻率、抽吸釋放周期、抽吸占比等參數。

3.2 模糊PID 控制系統設計與仿真

由負壓泵、理療手柄、負壓管路和負壓傳感器所構成的負壓系統在工作過程中并不是理想的線性定常系統,許多因素會導致系統的傳遞函數發生變化,如:在工作過程中根據水腫部位更換吸口、水腫組織的硬化程度不同、理療參數的變化等。 常規的PID 控制算法適合用于精確模型的控制[8],對應具有時變性、非線性和易受到干擾的控制系統控制效果不佳[9]。 模糊PID 控制將模糊控制與PID 控制相結合,具有機動性好、響應速度快、準確度高的優點[10-11],因此,本文采用模糊PID 控制算法。 結合本文的高頻間歇負壓控制應用場景,得到的模糊PID 控制系統如圖7 所示,運行過程中實時計算當前負壓值和期望負壓值的偏差E以及負壓值偏差的變化率EC,并將兩者送入模糊控制器,進而完成對常規PID 控制參數的實時調整。

根據理療儀的控制要求,理療手柄的負壓值范圍為0 ~300 mmHg,故設置負壓值偏差的論域范圍為[ -300,300],負壓值偏差變化率的論域范圍為[ -30,30],并在此范圍分別設置7 個三角隸屬度函數,隸屬度函數分布如圖8 ~圖9 所示。

在模糊控制系統中,模糊控制規則表是核心,該規則表是專家經驗的總結[12],結合本文高頻間歇負壓控制的實際情況和專家經驗,設計的Kp、Ki、Kd模糊規則表如表1 ~表3 所示。

表1 KP 模糊控制規則

表2 Ki 模糊控制規則

表3 Kd 模糊控制規則

為驗證模糊PID 控制在高頻間歇負壓控制系統上的性能,本文利用Simulink 環境搭建了仿真系統,并與常規PID 控制器進行對比分析。 高頻間歇負壓控制系統是一個比較復雜的系統,其動態特性可以近似用二階系統模型表示,整體的系統仿真原理如圖10 所示,搭建的負壓模糊PID 控制系統如圖11 所示。

針對常規PID 控制器,首先利用臨界比例度法進行了參數的粗略確定,隨后利用經驗法進行參數的微調,得到了一套較為合適的參數:Kp= 0. 4,Ki=0.2,Kd=0.1,仿真過程中用方波信號模擬負壓系統的抽吸和釋放指令,觀察模糊PID 控制和常規PID 控制的適應性能。 由圖12 可知,模糊PID 控制算法的響應時間約為0.25 s,常規PID 控制算法的響應時間約為0.7 s,模糊PID 控制算法具有更快的響應速度;模糊PID 控制算法最大超調量控制在1%,常規PID 控制算法選用合適的控制參數也能達到較小的超調量,但需要不斷的試錯才能得到該參數,如果選用其他的控制參數有可能產生較大的超調量甚至導致震蕩發生。

通過在STM32f407 微控制器上編寫模糊PID 控制算法實現高頻間歇負壓系統的模糊PID 控制。 經驗證,STM32f407 微控制器運行模糊PID 控制算法可達100 Hz的響應頻率,能夠應對最小抽吸周期為2 s 的控制需求。

4 總結

為了優化治療肢體淋巴水腫的裝置,本文設計了高頻間歇負壓肢體循環理療儀。 搖擺手柄設計有可快速更換口徑的負壓吸口結構和搖擺機構,方便用戶根據水腫組織更換合適口徑的吸口;搖擺機構能夠驅動吸口搖擺運動,增加對水腫部位牽拉和揉搓力度。 理療儀集成STM32f407微控制器,并使用模糊PID 控制算法實現負壓系統的精確控制。 仿真實驗結果表明:1)搖擺理療手柄吸口的位移調節范圍約為18 ~32 mm,速度曲線和加速度曲線變化規律較平滑,不存在較大的突變點,應用于水腫組織的理療時能夠提供較好的舒適性;2)負壓控制系統使用模糊PID 控制算法的響應時間約為0.25 s,最大超調量控制在1%。 本設計具有適應性強、便攜、高性價比的優點,對水腫組織的淋巴循環和血液循環有較好的促進作用。