多功能骨科康复综合治疗机的研制

2019-09-09赵东亮郭艳幸李娜陈皓宇

中国医疗设备 2019年9期

赵东亮，郭艳幸，李娜，陈皓宇

河南省正骨研究院河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）生物医学工程研究室，河南洛阳 471000

引言

随着生活节奏的加快与工作方式的改变，颈椎病、腰椎间盘突出症、骨性关节炎等骨科常见病的发病率不断升高，始发年龄也出现年轻化的趋势[1]。早期的颈腰椎病和骨性关节炎患者只需保守治疗，就可获得较好效果。而保守疗法中的中药熏蒸、按摩等物理疗法和功能锻炼相对于药物治疗而言副作用较小，且疗效显著、费用较低[2]。根据上述治疗原理，市场上出现了中药熏蒸床、电动按摩床、股四头肌锻炼器等中医疗法设备[3-5]。

然而传统中医单一治疗的疗效也欠佳，且治疗的规律性难以把握。中医综合治疗将多种中医治疗方法相结合，将预防和治疗密切结合，治疗效果优于单一治疗[6]。有报道指出，熏蒸后配合腰背肌功能锻炼可以加强腰背部肌肉力量，恢复肌肉韧带弹性，增强腰部的稳定性；同时配合直腿抬高训练，可以防止神经与周围瘢痕形成粘连，从而可以有效缓解腰背部疼痛[7]。因此，为了提高腰背部骨科疾病的治疗效果，同时节约治疗时间和节省设备占地空间，我们研究开发出一种集中药熏蒸、腰背部按摩和直腿抬高功能锻炼为一体的多功能骨科康复综合治疗机。

1 机械结构设计

本文研制的多功能骨科康复综合治疗机主要由床体、熏蒸装置、直腿抬高训练装置、腰背部按摩装置和控制装置构成。床体为整个治疗机的主体，腰背部按摩装置设置在床体上部中间，熏蒸装置设置在腰背部按摩装置的下部并连接，中药蒸汽通过滚轮与滚轮之间的间隙输送到患者被熏蒸部位，直腿抬高训练装置对称设置在床体左侧的前部和后部，控制装置设置在床体的右端上部。

1.1 腰背部按摩装置

采用循环链条滚轮结构，由滚轮、滚轮轴、循环链条、链轮、负重轮、链轮轴、框架、链轮减速器和链轮电机构成。滚轮轴设置在滚轮中间，循环链条平行设置在滚轮轴的两端，框架设置在循环链条的内侧，框架的外侧设置有轨道轮，链轮与循环链条内侧啮合，负重轮设置在循环链条的内侧，链轮设置在链轮轴两端，链轮轴后端与链轮减速器输出轴连接，链轮电机设置在链轮减速器后部与链轮减速器输入轴连接，腰背部按摩装置的上部为曲面结构，符合人体生理曲度，控制装置通过控制链轮电机的转速进而调节腰背部按摩装置的运动速度。腰背部按摩装置高于床体上面高度。

1.2 床体结构

床体表面有床架、固定床板和活动床板。固定床板固定在床架上部，活动床板设置在固定床板中间。固定床板为矩形板结构，固定床板的中间设置有长方形安装孔，安装孔内侧前后分别设置有滑动轨道，滑动轨道内侧与腰椎按摩装置上的轨道轮配合；活动床板为长方形结构，活动床板设置在固定床板安装孔内的左侧，固定床板的上部一侧设置有蒸汽温度传感器；床架为框架结构，有立柱和横梁构成。固定床板和活动床板上部均包裹防潮柔性材料。

1.3 熏蒸装置

熏蒸装置由加热管、熏蒸药箱、药液温度传感器和气流罩构成。熏蒸药箱设置在熏蒸装置的底部，气流罩设置在熏蒸药箱的上部，加热管设置在熏蒸药箱的内部下侧，药液温度传感器设置在加热管的上部；气流罩为倒锥形结构，内部空腔，上下贯通，气流罩的上部与床体固定床板安装孔的位置对应，熏蒸药箱为箱体结构，上部敞开，前面设置有加热管安装孔和传感器孔。

1.4 直腿抬高训练装置

直腿抬高训练装置由伺服电机、摇臂减速器和训练摇臂构成。伺服电机驱动摇臂减速器，摇臂减速器驱动训练摇臂，训练摇臂绕阻尼转轴转动，通过伺服电机控制训练摇臂的摆动幅度和速度。训练摇臂为L 形结构，下部为矩形摇臂，摇臂的上部内侧水平设置有摆轮轴，摆轮轴上设置有摆轮，摆轮为圆筒结构，外部包裹有柔性材料[8-9]。

多功能骨科康复综合治疗机整体结构示意图如图1a 所示，治疗机中熏蒸装置和腰背部按摩装置结构示意图如图1b 所示。

2 控制系统硬件设计

2.1 安全性设计

为保证熏蒸治疗的安全性，采取以下措施：① 熏蒸药箱内安装有液位开关，当液位低于加热管上表面时自动断开加热回路，防止干烧损坏加热管；② 电源进线处设置有漏电断路器，只要有30 mA 的漏电流，漏电断路器自动断开，切断总电源；③ 熏蒸气流罩上部设置有定值机械式限温开关，当PLC 温控电路失控时，气流罩上部的蒸汽温度只要达到50℃，设备便自动断开加热回路。

图1 多功能骨科康复综合治疗机结构示意图

2.2 温度控制

为了提高熏蒸治疗的舒适性和稳定性，本系统可对药液温度和蒸汽温度同时实现精确闭环控制。温度传感器采用PT100 铂电阻，输出信号为0～5 V 标准信号温度传感器和测力传感器放大后输出的0～5 V 标准信号通过模拟量模块转换为数字信号传送给PLC。PLC 根据温度设定值与测量值的偏差自动调用PID 算法子程序控制固态继电器的导通时间，从而控制加热管的加热时间，来达到自动恒温控制的目的。

2.3 训练阻力和训练摇臂转动角度控制

用测力传感器检测直腿抬高功能锻炼时的训练阻力，测力传感器输出为mv 信号，经信号放大器放大为0～5 V标准信号，再通过模拟量模块转换为数字信号传送给PLC。伺服电机能够根据控制要求发出高速脉冲和电机转动的信号，经过伺服驱动器控制伺服电机旋转，该伺服电机内置的旋转编码器输出信号通过驱动器形成A 相和B 相正交信号，经信号转换以后作为PLC 高速计数器的信号源，形成以PLC 为处理器的闭环控制系统。PLC 根据训练阻力及训练摇臂转动角度设定值与测量值的偏差自动控制伺服电机的速度和转向，实现对训练阻力和训练摇臂转动角度的精确闭环控制。为了保证用户安全，该伺服电机连接了减速机，用于降低训练摇臂转动速度；在直腿抬高训练的最小角度和最大角度处均设置有行程开关，万一控制系统失控时，训练摇臂活动到最小或最大角度时，伺服电机自动停转，防止活动角度过大拉伤髋关节。直腿抬高抗阻训练时，用户用腿主动带动训练摇臂向上抬起，当抬到设定角度值时停留8 s 后，PLC 自动驱动伺服电机反转，带动训练摇臂向下转动。重复上述动作，PLC 内置的计数器可自动计数，用户可根据治疗需求科学地完成自己的训练计划。

2.4 按摩控制

为了保证腰背部按摩功能的舒适性，按摩速度要缓慢且可调，因此链轮电机采用步进电机。步进电机的运转方向和运转速度都由PLC 程序自动控制。通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的[10-12]。

多功能骨科康复综合治疗机控制系统整体结构框图如图2 所示。

图2 控制系统整体结构框图

2.5 输入输出点的确认

I/O 接口又称输入/输出接口，或称I/O 模块，是PLC与外围设备之间的连接部件。PLC 通过输入接口检测输入设备的状态，以此作为对输出设备控制的依据，同时PLC又通过输出接口对输出设备进行控制。PLC 的I/O 接口能接受的输入和输出信号个数称为PLC 的I/O 点数。I/O 点数是选择PLC 的重要依据之一。根据本项目控制要求，PLC 的I/O 配置如表1 所示。

表1 I/O分配表

2.6 控制系统关键配件的选型

2.6.1 PLC的CPU

PLC 的CPU 是整个控制系统的控制中枢，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC 有条不紊地进行工作。根据PLC 的I/O 分配表需要占用6 路输入、6 路输出，而且步进和伺服驱动器的方向与脉冲信号以及控制加热的固态继电器输入控制信号都需要高速输出。为了提高系统可靠性，同时节约研发成本，因此CPU 选用性价比较高的台达DVP14SS211T（8DI+6DO），输出形式为晶体管。

2.6.2 人机界面

人机界面，简称HMI，又称触摸屏监控器，主要功能有数据的输入与显示，设备操作状态方面的时时信息显示，报警处理及文字提醒等。由于整台设备体积较大，选用7 寸触摸屏比较合适，为了便于操作、保证画面清晰，因此选用与台达PLC 完美搭配的台达DOP-B07S410 型人机界面。该界面为7 寸16:9 宽屏幕，65536 色TFT，分辨率为800×480 pixels，内置2 M/82 M Flash Rom，支持RS-232/422/485 通信。

2.6.3 模拟量输入模块

模拟量输入模块的主要用途是把现场采集到的模拟量信号转化为数字量并传送给CPU。药液温度传感器、蒸汽温度传感器、测力传感器都属于模拟量输入信号，共占用3 路模拟量输入，因此选用模拟量输入模块DVP04AD-S（4路模拟量输入）作为扩展模块。

2.6.4 温度传感器

温度传感器主要用于采集药液温度和中药蒸汽温度。由于药液温度控制范围为35℃～65℃，蒸汽温度控制范围为35℃～45℃，因此选用MIK-PT100 型温度传感器，测温范围为-50℃～200℃，温度特性好，测温精度高。

2.6.5 旋转编码器

要想使直腿抬高功能锻炼达到理想的训练效果，活动摇臂的转动角度和转动速度都需要精准控制。活动摇臂转动角度范围：0°～50°（水平时为0°，顺时针旋转），角度控制精度：±1°，活动摇臂转动速度：每秒0°～5°。旋转编码器是用来测量转速并配合PWM 技术可以实现快速调速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，因此用旋转编码器来测量活动摇臂的转动角度和转动速度。根据活动摇臂的角度和转速控制要求及使用环境，选择E40S6-1000-3-T-24 轴型增量旋转编码器型，分辨率为1000 脉冲/转，输出相为A、B、Z 相，控制输出为推拉输出，电源电压24VDC[13]。

2.6.6 伺服电机和测力传感器

根据临床需求直腿抬高训练阻力控制范围为0～50 N。为了保证阻力控制的可靠性和安全性，同时考虑设计成本，选用汇川技术研制的高性能中小功率伺服系统，测力传感器作为阻力检测元件，伺服电机作为动力驱动装置，构成一个智能化闭环控制系统，实现对训练阻力的精准控制。伺服电机型号为ISMH1-40B30CB，功率为400 W，额定转速为3000 rpm，速度响应频率为1.2 kHz。测力传感器型号为JLBS-20KG，量程为0～30 kg，综合精度为0.1%。

上述结果表明,NaCl浓度对饱和GMZ07膨润土及其掺砂混合物的强度有明显影响.相对于纯水,盐溶液饱和提高了GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样的剪切强度,并且试样的内摩擦角增大.随着NaCl浓度的增加,GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样的剪切强度以及内摩擦角随之增大.由表2可知,随着NaCl浓度的增加,砂骨架孔隙比逐渐减小,其最小值已经接近砂的最大孔隙比,故在剪切过程中,部分砂颗粒之间会有接触,强度有所增大.但是混合物试样中砂骨架还未形成,因此掺砂混合物试样的强度还是由膨润土起主要作用.下面通过微观试验结果,分析膨润土及其掺砂混合物强度的产生机理.

2.6.7 步进电机

腰背部按摩时链轮电机驱动链轮机构带动链轮轴转动实现滚动按摩，按摩速度调节范围为0～5 mm/s，链轮传动阻力不大[14]。故选用86HSM45-E1 型步进电机作为链轮电机，对按摩速度和方向都可实现精准控制。额定电流为4 A，步距角为1.8°。

3 控制系统软件设计

3.1 软件功能简介

控制系统软件设计包括PLC 控制程序和人机界面设计程序。PLC 控制程序采用WPLSoft2.41 软件编写，主要包括温度控制子程序、步进电机控制子程序和伺服电机控制子程序，都采用梯形图程序编写。人机界面程序采用DOPSoft2.00.05 软件编写，主要包括欢迎界面、密码登录界面、主控界面。主控界面包括温度、阻力、角度、时间显示和设置窗口，功能启动、停止虚拟按钮。触控参数设置窗口后可自动弹出一个数字输入窗，可根据治疗需求输入参数值，参数显示窗用来显示当前参数监测值和剩余治疗时间。启动、停止按钮用来开启和关闭对应治疗功能。人机界面与PLC 通过串行通信接口RS485 进行通信，数据传输速率为19.2 kb/s[15]。

3.2 算法简介

采用先进的AI 人工智能调节算法对药液温度和蒸汽温度实现精准控制。AI 人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID 调节的一种新型算法。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID 饱和积分现象；当误差趋小时，采用改进后的PID 算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。该算法具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点[16]。

采用PWM（脉冲宽度调制）技术对训练阻力实现精准控制。PWM 控制是指在保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变换为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲的宽度（或用占比表示）或周期，达到改变等效输出电压的一种方法。通过PLC 指令自动控制晶体管的导通与关断时间改变PWM 输出波形[17]。

4 系统调试和主要性能指标检验

经过机械加工、零件组装、硬件接线、程序编制和写入，进行整机调试，各项功能达到了预期设计要求。

4.1 熏蒸温度控制检验

采用美国福禄克公司生产的Fluke 51-II 型接触式温度计分别检测药液温度传感器检测点的药液温度和蒸汽温度传感器检测点的蒸汽温度，精确到0.1℃。分别在药液设定温度为40℃、50℃、60℃和蒸汽设定温度为35℃、40℃、45℃时测量，每个温度点测量3 次，实验结果，见表2 和表3。根据实验结果计算出控温精度为±0.5℃。