膝内外翻振动矫形康复仪矫正机构控制系统设计与优化

孙　蓓，白　岩，郑文岗

(1.北华大学机械工程学院，吉林 吉林　132021；2.北华大学工程训练中心，吉林 吉林　132021)



膝内外翻振动矫形康复仪矫正机构控制系统设计与优化

孙蓓1，白岩2，郑文岗1

(1.北华大学机械工程学院，吉林 吉林132021；2.北华大学工程训练中心，吉林 吉林132021)

摘要：膝内外翻康复一直是医学矫正的难题.针对传统康复仪监测频次低、反馈不及时、控制精度差、数据采集不全等缺点，以矫正部分机械结构的优化为切入点，设计了一台集信息技术、单片机控制技术、传感器监测技术于一体的智能康复仪，确保人体矫正的运动功能和工作可靠性，具有安全可靠、经济实用、配置优化等优点，以及非常广阔的市场应用前景和医学研究价值.

关键词：康复系统；矫正；单片机

【引用格式】孙蓓，白岩，郑文岗.膝内外翻振动矫形康复仪矫正机构控制系统设计与优化[J].北华大学学报(自然科学版)，2016，17(2)：270-274.

由于盲目锻炼，很多人在锻炼健身后肢体可能会出现变形，或由于长期的不良姿势或不正确的用力习惯引起支配关节的肌肉力学失衡.长期的肌肉力学失衡可以导致关节发生移位，容易形成膝内外翻[1].因此，研制矫形康复仪器显得尤为重要.目前，国内外治疗膝内外翻的设备仪器比较少，功能、精度差.我国的肢体矫形器生产始于20世纪50年代，直至20世纪90年代，随着医学技术的发展和人民生活水平的提高，矫形器的研制和应用日益受到重视，近几年来已在不少大、中城市应用，并被列入中国残疾人事业“九五”计划纲要，成为肢体残疾康复实施计划的重要内容之一[2].目前市场上的康复仪价格昂贵，且在治疗过程中的振动按摩、舒筋活血等方面做得不好，容易使人体在长时间治疗过程后腿部酸麻，如果治疗频率过高还会对腿部造成伤害，甚至产生褥疮等病变.针对康复仪机械结构和控制系统不能合理融合的问题，本文对膝内外翻振动矫形康复仪矫正机构分控制系统进行设计，以提高控制精度和机械结构的灵活性，实现点动控制正向运转的拉伸牵引和矫正功能，以及控制反向运转的复位功能、监控反馈安全功能、数字显示功能、机械过载电源切断功能、声光报警功能.

1X/O型下肢康复仪硬件结构优化设计

膝内外翻振动矫形康复床的机械结构主要由拉伸、压腿、床身、振动以及矫正5部分组成.

1.1矫正机构组成

矫正单元机械部分主要由过载保护装置、轴、矫正触头、支板、滑块、直线导轨等组成，见图1.工作时在夹紧力的作用下，患者膝关节处的韧带内侧纵向拉伸，使膝关节间的间隙变小，长期作用下促使患者韧带两侧的受力逐渐恢复平衡，从而减小甚至消除患者膝关节间的间隙.

1.2矫正机构功能要求

1)矫正单元进行3次夹紧矫正.通过矫正单元的压力传感器反馈信息预先设定默认值为5 N，持续10 min，矫形触头复位，进行第2次夹紧矫形；压力10 N，持续10 min，矫形触头复位，进行第3次夹紧矫形；压力15 N，持续10 min，矫形触头复位，进行震动单元的操作.

2)牵引单元辅助矫正.牵引单元能够对腿部进行适度拉伸，以配合矫正机构的矫形工作.

3)震动缓解肌肉压力.

2控制系统设计

控制系统必须满足以下技术要求：最大矫形范围，中度18°～27°，矫形力7～17 N(最大矫形力)，牵引力70 N(最大牵引力)，振动频率20～40 Hz；电动推杆，额定电压24 V，行程100 mm，速度1 mm/s，负载200 N；额定电压24 V，行程200 mm，速度1 mm/s，负载200 N.

依照膝内外翻矫形康复仪的功能以及机械系统对控制系统的要求进行设计.该控制系统的硬件组成见图2，主要包括核心控制单元、参数设置与显示模块、传感器检测单元、信号调理单元、电机输出控制单元、震动频率检测单元、通信单元、监控报警单元以及电源模块等.

2.1信号调理单元

信号调理包括压力信号调理和拉力信号调理等，其电路基于仪表放大器电路，并使用BAV99M三极管设计出理想的信号调理电路.BVA99是一种开关二极管，是半导体二极管的一种，由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短，以此种晶体管做成的BAV99M三极管主要应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路，在IC网络超市上还有更详细的产品图片、尺寸、封装、PDF等资料.在该控制系统中，压力信号调理电路和拉力信号调理电路设计方案相同[4].信号调理电路见图3.

由于TLC2274是将4个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样就可以大大减少仪表放大器各运放由于制造工艺不同而带来的器件性能差异.采用TLC2274构成的仪表放大器有统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能的提高.此外，采用TLC2274构成仪表放大器在给PCB布局、布线带来方便的同时也节省了电路板空间.

2.2震动频率检测单元

震动单元相对于压力、拉力单元对安全性的要求较低，一般不会给患者造成过失伤害，因此设计要求也相对较低，但是如果频率过高可能引起患者腿部不适.因此，设计成频率数值可视化，可以方便患者了解最适合自己的震动频率，以便下次使用时直接调整到上次频率值[5-6].为了将震动电机的震动频率显示出来，需要设计频率检测电路.系统采用的频率检测电路见图4.

2.3压力传感器单元

控制系统需要在治疗过程中实时检测患者腿部受到的压力值，以便反映给系统控制校验和显示到操控平台供患者和医疗人员参考，需要使用压力传感器.经过评定，测量值在0～50 N即可，根据市场上的传感器分析选型，使用韩国bong shin公司的CBFS-5 kg压力(称重)传感器.

根据传感器应用需求，设计了基于78M12的传感器配电电源.78M12是三端稳压IC集成电路，其只有3条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端.输出参数是12 V，500 mA.用78/79系列三端稳压IC组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用可靠、方便，且价格便宜.该系统中传感器配电电路见图5.

3软件系统设计

由于患者对治疗状态的需求不同，控制系统需要按照患者的意愿手动操控重置矫正参数，以满足患者需求.在手动模式下，患者可以进行点动控制和长动控制，在一定范围内随意调节矫正力和牵引力的大小以及作用时间，以及震动单元的震动频率和震动时间[7-8].

膝内外翻矫形康复仪控制系统的功能主程序流程见图6.

在参数处理子程序中，患者可以直接使用系统默认的参数值：矫正力F为5，10，15 N，时间T为10 min.参数处理子程序允许患者重新设定参数值.F1表示设定的矫正力，F2表示设定的牵引力，H表示设定的最大震动频率，T1表示矫正力持续的时间(牵引单元与矫正单元同步工作时，持续时间相同)，T2表示震动持续的时间.工作时，控制系统以相应的传感器检测当前的矫正力(F1x)、牵引力(F2x)和震动频率(Hx)，并通过参数处理子程序进行分析判断这些动态参数，以便做出控制响应.

3.1参数设定部分

参数设定部分的调节键盘电路见图7.其中：S7和S11，S8和S12，S9和S13分别用来设定矫正力、牵引力和震动频率参数值以及预设工作时间；S6和S10为辅助按键，可短按、长按和超长按，用来扩展按键功能，实现对矫正工作、牵引工作、震动工作的单独控制及工作模式设定.

3.2数码管显示电路与按键检测

数码管显示电路与按键检测电路见图8.

矫正力的显示范围为0～17 N，牵引力的显示范围为0～70 N，震动频率的显示范围为20～40 Hz.显示工作模式，共计需要16位数码管来完成控制系统的显示功能，16位数码管位驱动选择可以用2个八线十进制译码器74HC145来实现.

灯光处理部分程序如下：

//运行灯处理

LedData(LED_RUN，OFF)；//设备停止或禁用时，灯灭.

}else

if(RunSta.DevSta==DEV_RUN){

LedData(LED_RUN，ON)；//运行中

LedAr(LED_RUN，STA_ON)；

}else

if(RunSta.DevSta==DEV_PAUSE){

LedData(LED_RUN，ON)；//暂停状态

LedAr(LED_RUN，STA_OFF)；

}

//报警灯处理

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

LedData(LED_ERR，ON)；//报警灯亮

LedAr(LED_ERR，STA_OFF)；

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

LedAr(LED_ERR，STA_ON)；//电机、硬限位、传感器故障时，灯闪烁.

}

}

else{

LedData(LED_ERR，OFF)；//报警灯亮

LedAr(LED_ERR，STA_OFF)；

}//蜂鸣器处理ALARM_TEMP_H |

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

AlarmBeepEn()；//蜂鸣器响

}else{

AlarmBeepDis()；//蜂鸣器关

}

//当前温度闪烁

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结论

本文设计的康复仪集震动、夹紧、拉伸、压紧等多功能于一体，通过单片机控制系统调节震动频率和振幅，拉伸力和矫形力可在允许的范围内调节，患者可根据作用力来设定参数，完成膝内外翻矫形康复仪的功能设置.本康复仪具有控制精度高、安全、稳定等优点，应用结果显示其具有较高的医学研究价值和广阔的商业前景.

参考文献：

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[2] 姚银花，王金海，郑羽，等.基于SOC单片机的医疗护理床系统设计[J].天津工业大学学报，2006，25(4)：44-47.

[3] 张东，谢存搏，吴剑.机器人化多功能护理床的研究与开发[J].机器人技术与应用，2003(6)：21-25.

[4] 姜生元，胡艳娟，王尧，等.基于MCS-51单片机的智能化多功能电动康复床控制系统设计[J].机电一体化，2008(6)：42-45.

[5] 宁志杰.现代矫形器的特点与应用[J].中国矫形外科杂志，2001，8(5)：421-422.

[6] 姚爽.实验室气敏测试系统的组建与半导体气敏材料研究[D].长春：东北师范大学，2008：12-15.

[7] 郎嘉琪，唐明云，彭伟.智能化多功能遥控床[J].木材加工机械，2015，28(4)：42-45.

[8] 徐慧，李重根，郭琼，等.老年人护理床的功能需求调研与分析[J].包装工程，2015，36(20)：74-78.

【责任编辑：郭伟】

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

中图分类号：TP502.7

文献标志码：A

作者简介：孙蓓(1966-)，女，副教授，主要从事控制与检测研究，E-mail：1512974922@qq.com；通信作者：白岩(1980-)，女，硕士，讲师，主要从事控制理论与控制工程研究，E-mail：745575912@qq.com.

收稿日期：2015-11-08

文章编号：1009-4822(2016)02-0270-05

DOI：10.11713/j.issn.1009-4822.2016.02.028