多功能足膝浴疗机的研制

赵东亮，李无阴，朱太咏，谢艳

河南省正骨研究院 生物医学工程研究室，河南 洛阳 471002

多功能足膝浴疗机的研制

赵东亮，李无阴，朱太咏，谢艳

河南省正骨研究院 生物医学工程研究室，河南 洛阳 471002

目的 研制一种多功能足膝浴疗机，使浴液可以没膝，可实现多部位喷洗，具有自动计时、座椅电动升降和漏电、低液位自动保护等功能的多功能足膝浴疗机。方法 治疗槽设计成深度达630mm、足部宽、腿部窄的“靴形”结构，用电动推杆驱动的安装有铰接连接的升降装置，可使座椅平稳升降，治疗槽内壁四周均设置有喷嘴，通过循环泵可以将恒温的药液直接喷到病痛部位。治疗时间、喷洗压力、电磁阀的动作等都由单片机控制，采用模糊控制方法对中药液的温度进行控制。结果 研制出的样机使用方便、安全可靠，可以满足1.5～1.9m身高的大部分人群的使用需求，中药液的控温精度达±1℃。

多功能足膝治疗机；药浴；模糊控制； AT89C51单片机；

本文导读 >>

科室简介：生物医学工程研究室正式成立于1998年，主要从事骨伤科领域内的生物医学工程相关技术的研究，为中医骨伤科临床科研服务。主要研究方向为骨伤科医学工程学、骨伤科生物力学、骨伤科医疗器械的研制与开发等研究。拥有骨质量分析技术、生物力学实验技术等多项实验技术，是国家中医药管理局骨代谢与骨质量分析科研（三级）实验室主要依托单位。

课题背景：课题受河南省科技攻关项目（No.0624410061）资助，研究开发颈椎病、关节炎、关节僵直、手外伤及断肢再植术后手腕功能受限等系列骨科康复的产品，使洛阳正骨康复锻炼客观化、器械化，促进骨伤科疾病康复治疗水平的提高。

偏倚或不足：足膝浴疗机作为系列康复器械其中之一，由于是首台样机，经过临床实验，发现因药液较多存在加热时间长、药液浓度低等不足。我们将采用新的设计方案使该器械更小巧、更节能，以便进入家庭。

药浴属于传统中医疗法中的外治法之一，它是将水盛于器皿内，浸泡身体的某些部位或全身，利用水温本身对皮肤、经络、穴位的刺激和药物的透皮吸收，集药效、穴效双效合力作用，从而达到治疗疾病、养生保健的目的。按照中医辨证施治的原则，根据不同的疾病，加入不同的药物，进行治疗，因药物不经胃肠破坏，直接作用于皮肤，并通过透皮肤吸收进入血液，故较之内服药有见疗效快、舒适、无任何毒副作用的优点，也不会增加肝脏负担，因此被医学界誉为“绿色疗法”，越来越受到患者的青睐。然而古今药浴缺乏专业的药浴器具，近代借助于浴盆、木桶进行药浴，市场上的足浴盆也很多，但此类容器太浅（只能没住脚），治疗疾病范围有限。而小腿的角质层较薄，且血管、神经、肌肉丰富，更利于药物透皮吸收，膝关节周围有膝阳关、足三里、阳陵泉等穴位。因此对包括膝盖以下部位的药浴, 可以治疗膝关节退行性变、骨关节炎、鹤膝风、白虎历节风、下肢静脉炎、淋巴管炎以及全身风湿病等症。于是我们克服现有药浴设备的不足，提出一种浴液可以没膝，可实现多部位喷洗，具有自动恒温、自动计时和座椅电动升降等功能的多功能足膝浴疗器。

1 机械结构设计

图1为多功能足膝浴疗机的主视剖面图，图2为其俯视图[2]。

图1 多功能足膝浴疗机主视剖面图

图2 多功能足膝浴疗机俯视图

具体实施方案：多功能足膝浴疗机主要由设置在机壳10上的治疗槽11、加热元件14、万向脚轮5、座椅4和控制箱12组成。浴疗器机壳10采用薄钢板包裹而成，表面全部喷塑处理，既美观又防潮。治疗槽11采用不锈钢材料制作，便于加热又防腐防潮，其底部宽、出口窄，为“靴形”结构，不但节约能源，而且用户在使用时腿可以伸开，感觉舒适，深度达630mm以上，方便膝关节的治疗。在治疗槽11内部四周均设置有与循环增压泵17连通的喷嘴2，通过循环增压泵17可以将治疗槽11内恒温的药液直接喷到病痛部位，对人体有静水压力作用、水流冲击作用、浮力作用等机械效应，进一步提高治疗效果。循环增压泵17连接在治疗槽11底部的出药口端。在治疗槽11内设置有多孔结构的脚踏板3，该脚踏板3采用胶木板制作，避免人体直接接触不锈钢材料而感觉发烫。在脚踏板3下面设置有温度传感器13，用于测量治疗槽11内中药液的温度。加热元件14为电磁炉，其设置在治疗槽11的下面的底座支架16上，在底座支架16上设置有四个调整螺栓15，通过调整调整螺栓15可使加热元件14与治疗槽11底部紧密接触，提高热效率。由于整个浴疗机较高，很难找到合适的凳子，于是在机壳10上设置可升降的座椅4，把座椅和治疗槽设计为一体，且座椅的高度可以电动调节，座椅升降装置带动座椅很平稳地升降，不会出现座椅前后左右摇晃现象。

具体制作：在座椅4的下面安装有铰接连接的升降装置9，电动推杆8的一端与电机输出端连接，另一端与升降杆9装置的铰接连接点连接，在升降装置9的右侧底部连接有滑轮7，该滑轮7与固定在机壳10上的轨道6滑动连接。用于控制加热元件14自动加热、循环增压泵17循环工作及座椅4自动升降的电器元件设置在控制箱12内，其上设置有控制面板1，控制箱固定在机壳10上。在机壳10底部固定有四个带刹车功能的万向脚轮5，移动时很方便，使用时将刹车踩下，设备便固定在原地不动，可防止用户在使用时滑倒。

使用：根据用户的治疗需求向治疗槽11内加入适量中药液，通过控制面板设定合适的治疗温度和治疗时间。待温度显示窗显示的实际温度达到设定值时，可开始治疗。治疗时，先按下控制面板上的“下降”键将座椅降到最低处，再侧坐到座椅上，按下“上升”键，升到合适位置后将腿放入治疗槽内开始治疗。循环增压泵将治疗槽11内温度适宜的中药液加压到喷嘴处，实现喷洗治疗，喷洗压力可根据治疗需求自由调节[3、6]。

2 控制系统设计

功能足膝浴疗机控制系统原理框图如图3所示，主要由信号采集元件（温度和压力传感器）、中心控制单元（AT89C51单片机）、输入设备（薄膜按键）、信号输出设备（数码管）以及输出负载（加热装置、电磁阀、蜂鸣器、电动推杆）等组成[4、5]。

我们选择高性价比的AT89C51单片机作为控制核心，该芯片是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。采用HD7279对数码管进行驱动，HD7279是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵[1]。

系统运行过程是：用户根据治疗需求通过薄膜按键设定治疗温度和时间，设置完毕后，足膝浴疗机便进入全自动运行状态，同时加热器开始工作。通过温度传感器对治疗槽内的中药温度进行测量，判断温度是否超限，若超限则进行报警处理，否则进入模糊控制状态，利用模糊控制的查表法确定恒温控制。温度达到设定值后，开始治疗并自动计时，用户可以根据需求打开对应部位的治疗喷嘴进行喷洗治疗，喷洗压力可由单片机自动控制调节。达到设定的治疗时间后，报警提示，同时关闭电源[7]。具有过热保护功能，当治疗槽内药液的温度过高时，加热器自动停止加热，并报警提示。 用户可以根据自己的身高按下“升”、“降”键控制电动推杆来调节座椅的高度，从而保持很舒适的坐姿。

图3 多功能足膝浴疗机控制系统原理框图

控制系统实现的关键技术[7-9]：采用智能集成温度传感器DS18B20进行温度采集，只需一根信号线和CPU相连，不需要外部元件，直接输出串行数据，不需要外部电源，直接通过信号线供电。测温精度高，测温范围为：-55℃～+125℃,精度为±0.5℃。采用模糊控制的方法对中药液的温度进行控制，模糊控制器采用两输入单输出型，两个输入量为温度偏差和温度变化率，输出直接控制固态继电器。在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解。具有良好的鲁棒性和适应性，可使被控温度达到调节时间短、超调量小且稳态误差在±1℃的技术要求。

3 结论

该多功能足膝浴疗机制作成功后，经过反复调试和修改，机械结构设计合理,座椅升降装置传动平稳,可以满足身高1.5～1.9m的大部分人群的使用需求,各项控制指标达到了设计要求， 控温精度达到±1℃，定时精确度达到±1min，防漏电、防干烧等各种保护功能都能自动实现。由于中药液的温度、喷洗压力等数据的采集、运算处理和循环泵、电磁阀等负载的起停都由单片机统一控制，软件设计采用模块化、结构化的程序设计理念，使得足膝浴疗机的自动化程度、可靠性、稳定性都大大提高，具备智能化设备的特征, 功能增强，减少了护理人员的劳动强度，使患者使用更安全、更方便。

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Development of Multi-function Foot and Knee Treatment System

ZHAO Dong-liang, LI Wu-yin,ZHU Tai-yong, XIE Yan
Biomedical Engineering Laboratory,Orthopedic Traumatological Institute of Henan Province, Luoyang Henan 471002,China

Objective To develop a kind of multi-function foot and knee treatment system,which can spray many parts of the body and its washing water can submerge knees. This system has functions of automatic controlling time,electric seat,electric lift seat and leakage,low liquid level protection. Methods treatment trough are desighed as broad foot place and narrow leg place “shoe model” structure whose deepness reaches 630mm. The lift device which was drived by the electric handspike and was installed the gemel can make the seat up and down placidly. There are four nozzles aroud the treatment through wall. The traditional Chinese medicine(TCM) liquid with constant temperature was sprayed to the aching part by a circulator pump. The treatment time and spraying pressure and the action of electromagnetic valves are controlled by the MCU. The fuzzy control method is used to process the temperature of TCM liquid. Results The developed sampling machine has facility of safety and reliability and can satisfy most people of 1.5m-1.9m height. The temperature control accuracy of TCM liquid reachs ±1℃.

multi-function foot and knee treatment system; medicated bath;fuzzy control; AT89C51 singlechip

1674-1633(2010)04-0018-03

2009-10-09

2009-12-13

河南省科技攻关项目（0624410061）。

本文作者：赵东亮，工程硕士，主要从事医疗设备控制系统研发。

作者邮箱：ngnzdl@163.com

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.04.007