（机械电子工程专业论文）颈腰牵扭治疗专用设备的研究.pdf

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们在此简称为颈腰牵挝治疗方法。这种瀹疗是依托丁特种殴备米完成的。由丁市场 上还没有将肇引羊扭转相缔台的寥功能、多参数、自动化的设备，使得治疗散粜与 接诊繁受到很火限制。冈此，研究刹试制一种多功能、多参数、自动化的颈暇牵扭 涪疗专蠲设蓥就具有錾常大的实刈俊壤。 本 象越就是在原有戆手动牵引治疗仅池墓磕上进行褥究秘改进，通过机电一体 化有机结台，设计与研制实现矧腰牵摧浒疗的医疗设备的样机。本文介纠了该敬备 的总体方案及其机械系统结构，| 蒲燕从硬什电路设计年软什设计两方面对熊测挖 原理进行了较洋细的论述。 该测控系统选_ 了性价比缀搿的a d p c 8 2 4 作为控制器，结合了鞋疗器械靛 特点进行设计，果瑚了模糊控制的愆想进行软f l ：编群，使褥对牵引运动番l 旋转：i 点i 动 的控制完全自动化完成，井上l 贝宵一定榭度的智能化水平为开发i 临床实件产黼奠 定了良好基础。 关键词：踩疗设备：枧电一体；a d c 8 2 4 ：模糊控铡 a b s t r a c t as p e c i a lm e d l c a la p p l i a n c e f o rc e r v i c a ls p o n d y l o s i sa n dl u m b a g o s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ：z h a n g 。s i 。b i n r s i g n a t u r e ： t u t o r i a lf e l l o w s h i p ：q i 婪i q 塾g 磐i 塾g t u t o r i a lf e l l o w s h i p ：毯毯塾 d a t o ：m a r 2 0 0 5 s i g n a t u r e 尘兰2 窜l 璺吻 s i g n a t u r e ：丝坐 “ a b s t r a c t c e r v i c a l s p o n d y l o s i s a n d l u m b a g oa r ev e r yg o m m ( m i nt h ew h o l ew o d d 。 t r a d i t i m m t l y ，t h e yc a nb ec u r e db yd r a g g i n g , b u ti t se f f e c ti sv e r yl i m i t e d 。n o w , an e w m e t h o do f c u r ei si n t r o d u c e db ys o m em e d i c a le x p e l sa n di th a sb e e nr e c o g n i z e di nt h e m e d i c a lf i e l d t or e a l i z et h en e wm e d i c a lt e c h n o l o g y , as p e c i a lm e d i c a la p p l i a n c et l o r c e r v i c a ls p o n d y l o s i sa n dl u m b a g oi sn e e d e do w i n gt ot h el a c ko ft h i sk i n do fs p e c i a l m e d i c a la p p l i a n c e ，i ti sv e r ym e a n i n g f u lt od e s i g na n dd e v e l o po n e a f t e ram a n u a lc u r i n gi n s t r u m e n ti su s e df o rr e f e r e n c e ，as a m p l em a c h i n ei s d e v e l o p e db ya d o p t i n gm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rm a k e sa b r i e fd e s c r i p t i o no ft h eb l u ep r i n to ft h es a m p l em a c h i n ea n di t sf r a m e w o r ka n dt h e b a s i cp r i n c i p l et oc o n t r o lt h es a m p l em a c h i n eb yt h ec o m b i n a t i o no fh a r d w m 。ea n d s o f t w a r ei sp r e s e n t e di nd e t a i li nt h ep a p e r i nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e m t h eh i g hp e r f o r m a n c e - 的p r i c er a t i oc h i pa d “c 8 2 4i s c h o s e na st h ec o n t r o l l e ra n ds p e c i a lm a c h i n e r yi sd e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f m e d i c a la p p l i a n c ei n d u s t r y a f t e rt h et h e o r ya n di t st e c h n o l o g i e so ff u z z yc o n t r o li s a d o p t e di np r o g r a m i n i n g ，t h em o v e m e n t so ft h em e d i c a la p p l i a n c ei sa u t o m a t e dw i t h s o m ee x t e n to fi n t e l l i g e n c e k e yw o r d s ：m e d i c a la p p l i a n c e ；m e c h a t r o n i c s ；a d 豇c 9 2 4 ：f u z z yc o n 拓o i i t 绪论 1 绪论 1 。l 医疗器械设备研究的行业背景 随簧入类社会经济的发震和生活水平的掇离，人们对医疗和僳健的 关注越来越多，医疗事业的关键地位愈加巩固，对医疗体系及技术装备的 要求也随之增高。近代科技发展的历史表明，人类的许多科技成就酋先 被滔予军事稠国舫上，两在釉平嚣寸期罔大量转向为入类健康服务的医学 应罔上。翔放射技术，超声波成彩技术，叛晨强攒技术等等。菠罄先避 技术的快速发展以及它们在医疗装备上的广泛应用，在全球范围内，以 医疗电子技术为先导的医疗器械出现了空前发展的局面。而微电子技术、 计算机技术的发展，以及大量高科技成果的涌入，则又使医疗器械步入 了高科技发震的薪阶段，形成了以高效链、自动化、智麓纯、人瞧化为 特征的瑷代医疗爨撬产、韭。隧麓医疗手段的不繇丰誊，吝耱精密医疗仪 器的充分应蠲，都进一步娶求与i t 设备的紧密结合，以及对各种电子化 医疗数据的保存、分析、应用。这样，目前的医疗器械已成为汇集许多 学科科技成就的跨学科高科技行业。 隧着现代医学的飞速发鼹，各门科学豁交叉渗透目益扩大，瞻疗器 械己鼠占传统医学中的辏助竣位升到藏为瑷代医学鲍必备手羧，璺 重大的手术或较精密的治疗无一不是通过医疗器械得到实现。因此潍， 医疗器械的发展不仅代表机械行业电子行业的发展水平，从某种意义上 讲，它是现代医学水平的个羹要标志。 避界医疗器械工监奁警蓊蚤发运国家的鬣瓯经济中占有重要饿嚣， 被称之为“赣阳产韭”，其市场的发震趋势可概括为“全球经济衰退，隧 疗器械市场峰挺”。美国是世界上摄大的医疗器械生产、使用和出口国， 日本、德国次之。美国整个经济增长率并不高，但医疗器械工业的增长 率一直保持在7 以上，全憋界平均增长速度也大致保持在这一水平。 在我毽，宙予历史的骧爨，嚣疗器械一壹魄较落后。但随着敬孳野 薄安n - y - 大学硕士学位论交 放以来国民经济的稳步发展，人民的生活水平进步提高，人们的健康 意识h 盏增强，对医疗保健更加关注，对医疗器械的要求也越来越高。 医疗器械酌发震极为迅速，特别是由于发挥了囊鸯约优势，部分医疗器 禳产品和设备广泛的出口到了越癸各国。 传统的治疗技术主要是靠药物和手术，现代医疗器械的发展使现代 治疗技术出现了多元化的局面，利用各种物理因索的治疗仪器，在临床 上发挥了越来越重要的作用。这使得对于各种利用声、光、电、磁、机 械力的小囊壤疗仪器和设备豹硪铡铬合了社会的嚣袋，具有了重大的实 际意义。 1 2 颈腰牵扭治疗专用设备的医学理论基础 颈椎瘸蹩出颈椎闯盘运行性交、颈椎骨质增生骄引起豹1 一系列舔球 症状的综合疫。颈椎瘸可分瓷颈型、毒孛经根型、糖动辣型、交感神经鍪、 脊髓型和矮它型。据以往的统计资料，在正常人群中其发病率为3 , 8 1 7 6 。可发生于任何年龄，以4 0 岁以上的中老年人为多。中国医疗保 健国际交流促进会骨科疾瘸豺治专业委员会提供的临床统计结果器示， 颈稚瘸、壤榷瘸为“中老年专利”的簧统正逐渐毅残实所改写，运掰静疾 病的发瘸率惫速上升，蒡曩受嘲显趋囱低龄纯。其中，中小学生礞榛瘸 发病率急速上升。颈椎痫临床常表现为颈、肩臂、肩胛上背及胸前区疼 痛，臂手麻术，肌肉萎缩，甚至四肢瘫痪。 常慰壤拣瘸按产生款骧嚣分为矮榷阙煮突出( 澎窭) 痘、骨须增垡：、睽 榷管狭窄症、疆舰劳损凡类。箕中，腰椎阍盘突盘弓l 超的骚稚瘸鬣为多 见，在人群中发病率为1 5 2 ，其发病主要是因为腰椎间盘各部分，尤 其是髓核有不同程度的退行性改变，在各种外力作用下，椎问盘的纤维 环破裂，髓棱组织从破裂之处突出，使相郐神经根、脊髓等遭受刺激或 压追，从蕊产生援痛，一 i | | 或双剿下驶疼瘭、麻本等疰获，甚至大小溪 失禁，瘫痰。 颈推牵引有翻于教松觏肉，教善局部血液循环，特翱对于神经裰型、 蘸型稻交黪塑颈椎瘸有效。两牵g l 疗法对艇蒎阕盎突出症可以起烈以下 作用：对腰郁进行固定和制动、松弛腰背部肌晦、恢复腰椎的f 常列线、 改善突出物与神经之间的关系。 事实上，牵弓l 便是治疗颈椎病、疆稚病的公认简便有效方法之一， 也是蕾选疗法。更有人麸理论秘实验的角度探讨牵引治疗鲍作焉枫理， 并提出牵弓 的台理力值、角艘、时问，为临床防治这两种疾病提供依掘。 一些专家和临床医师还探讨了在牵引状态”f 进行扭转运动的可能性 和作用机理，证明了扭转运动对于颈椎病、腰椎瘸的治疗有特定的促进 乍嗣，并糖懋了毅豹治疗方法，已被医学界认可。这静薪的治疗方法， 要求将牵引与扭转功能相结合，我们在此简称为颈腰肇扭治疗方法。 1 3 颈椎、腰椎病牵引治疗设备的发展现状 豳予牵引是颈椎病帮艟稚瘸鞠传统治疗方法，已经经过实践证明楚 有效的。闲惩，在病人治疗过稷中，牵引法褥到了广泛的采用。予是， 为满足这1 需求，市场上已经出现了多种牵引治疗仪器和设各。最初， 这些牵引治疗设备是手动的，需要人工加力，不但赞幼，而且操作相当 麻烦。8 0 年代以来，国内研制出了多种半自动、自动牵引仪器。它们具 有操雩# 篱鼙，功能多样，份楱逡中等优点。但是，没备躲牵引力不易羧 裁，遂鬻偏差较大。 到目前为止，图内使用的此类设备大都处在一个非常低的层次上， 几乎都是人工控制和人工调黪的，对于临床治疗、医学研究、资料积累 都非常不捌。而且大部分的设备只能完成单一的动捧或几个运动是樽互 独立醵，不蹙备动 乍的台残静能力。颈椎、麟糖瘸的牵引治疗也都楚兼 西安理工大学硕士学位论文 用分立单机进行，要么是独立的颈椎病牵引治疗仪，要么是独立的腰椎 病牵引治疗仪。同时，在传统的牵引治疗过程中，要求病人不能左右转 动， 鬻忌讳旋转。 因此我们磺究和试制了一套专带的治疗设备，可以较好鲍解决上述 问题。 1 4 课题的任务及意义 基于上逑静蘩腠牵扭治疗技术，我 f 】对该技术静工作原理送毒亍了探 讨，研究实现其原理的方法鄹设备。这种治疗方法的实现需要一套专用 的设备。该设备要能够完成牮引运动和扭转运动、具备牵引运动和扭转 运动的组合与配合能力、能够实现牵引力和扭转摆角的的高精度自动化 控裁、可缡制菝摆于治疗方案豹的运动程序、具商像护功能。 本课题的任务藏是确定一套总体方案，寒完成必需昭和一些辍躜的 功能，并邋过机电一体化设计试制颈腰牵扭治疗专用设备的样机。醐孵， 我们尽力克服市场上已有相关i 殳各的缺陷，使得该设备更完善、功能匿 完备。 具体造谤，在初步确定设备总俸方案时，要隶系绞设备完残数任务 如下： ( 1 ) 、结合考虑人体络构和治疗要求，设备能掇供必要的牵引、扭转 运动功能，包括牵颈扭颈、露腰扭腰与牵腰扭骶( 人体的f 半身) 。 ( 2 ) 、在实现牵引功能时，牵力的加载和卸载过程需要自动完成；，在 实现扭转功缒时，扭转运动静痿动、停止及中闽运动过程需要套动控铡。 ( 3 ) 、殴备的整体外残采用褥状框架结构形式。 ( 4 ) 、举引、扭转状态是可以监测和完全受控的，如牵力的大小、扭 转的角度、扭转的速度、治疗的时间。 ( s ) 、可以按照治疗豹要求，实琨各运动之间的配合与组合关系。 f 、对受治疗者在袋淹牵引秘扭转治疗时，掇谈壤大兹安全像程。 其中，控制精度的提高和安全保护的措施涉投到一系列的具体设计 和操作实施细节。而且设备方案应该尽力满足枣引加载的平稳性要求与 拯转平稳链要求，特剩是进行颈棰牵扭露。这蔑爨为颈稚结构复杂，较 疆推脆弱，因梵乎稳往茏显鬟委。为此，可将牵怒过程中牵引力改变化、 人体姿态对牵引力的影响等闲索考虑进去，并在设计中给予体现。 本课题涉及机械、电子、计算机、测量、控制等学科领域，其内容 广泛，涉及蕊宽，工作量大。其所研究的颈疆零挝治疗专用设备的样机 为颈椎瘸和骚雄病的治疗提鼍接了一静瑟豹设备，瞧为颈椎病和腰雅瘸鼹 防治研究掇供了一个实验操作平台。逯过对该样机的迸一步研究、馥送 和完善，如果最终能将其转化为临床实用产品，实现商品化，那么本课 题将具有很强的现实意义和广阔的推广应用前爨。 2 设备总体方案鲍确定 2 设备总体方案的确定 根据谦题豹任务可知，率设套属于医疗器械。由于医疗器械是人们 为了配合医学上鲍各静诊暖、治疗方案，减轻体力劳动，提高工作效率 和增加治疗精度丽设计意4 遗的劳动工具”1 。这样，医疗器械的设计目的 首先是体现治疗原理，实现治疗功能，满足人性化原则，而其操作对象 为人这一特殊性使得设备的安全性和可靠性处在酋要位置。因此，在确 定系统设羲的方寨时，为了获褥最後他的设计，我们可以扶杭掏、硬 孛、 软件等角度避行综合考虑来设计和实施。 由于颈腰牵扭治疗技术可以通过牵颈扭颈、牵腰扭腰和牵腰扭骶这 三种具体的治疗手段来实施，通过对这三种治疗手段的运动分析，可以 确定对设备的功能要求。由此，在总体方案中，设备首先必须要能完成 牵； 窝掇转( 旋转) 两类运动，这是颈鹱牵援蓬攀治疗技术薛棱心所在。 其次，该没罄需要对牵引和掇转运动的控制达到完全自动化豹程度，这 是方案确定中的关键问题，也是本论文所详细讨论的主要问题。 整个治疗设备的总体方案由没备机构系统部分，测控系统电气部分 和控制软俘部分组成。 2 。l 颈腰牵扭治疗技术三种治疗手段的运动分析 既然实现颈腰牵扭治疗技术的专用设备可以借勋于牵颈扭颈、肇粳 扭擐和举糕翘骶这三种治疗手段来完成治疗任务。那么，为了从机构上 实现它 _ j ，必须首先分析这些治疗手段的工传琢瑾以及它翻对工作执行 视掏於运动要求。 顾名思义，对于牵颈扭颈这种治疗手段，它的操作对象是病人的预 部( 即头部) 。具体办法是在病人的骶部( 人体的下半身) 被固定后，先 给病人鲍戮部麓翔一定豹鬻日l 力，然后盔保持零力不变状态下使瘸人麴 颈帮旋转，出于受工作技行嘏梅驱动静颈部掇对于不动豹骶帮发生了旋 西安理工天学硕士学位论文 转，从而达到了扭颈的目的。这样，通过周期忧地扭转病人的颈部即可 实现治疗功能。其中，牵引力般为8 1 2 k g ( 8 0 1 2 0 n ) ，扭转的摆角 一般不趋遥秘度。出予人拣鲛酃特刊敏感显魄软容易受伤，因此在趣 载牵弓l 力时，牵引力应该缓蠼增加劳且不应浚肖突变。两在授颈时，由 于扭转的角度是有限的，因此扭转运动的每一个周期都涉及到扭转运动 的启动、停止以及中间稳定工作几个阶段。为了避免病人可能产生的不 适感或损伤，旋转速度不应该发生突然变纯。 对予牵鹱褪凝这静治疗手段，它的操作对象怒病人的蔟都。具体办 法是在病人的骶部( 人体的下半身) 被固定嚣，先绘病人的腰部施加一 定的牵引力，然后在保持牵力不变状态下使病人的腰部旋转，由于受工 作执行机构驱动的腰部相对于不动的骶部发生了旋转，从而达到了扭腰 的羁的。这样，遗过弱期性魂壤转病人韵骚部即可实现治疗功能。夔中， 牵；| 力校缀瘸a 体重豹不同嚣不嗣，一般可熊在5 0 1 0 0 醺( 5 0 0 1 0 0 0 n ) 范阈内，扭转的摆角般不超过9 0 废。由于人的簸部没裔颈 部敏媾，因此在加载牵引力时，牵引力加载速度可以略快一些，但是不 应该有突变。两在扭联时，如同扭颈一样，周期性扭转运动过程中的旋 转速度也不应该发生突然变化。 两对予牵羧扭骶治疗手段，它豹操作对象是瘸入的骶都( 殍人髂躲 下半身) 。鼠体办法是在瘸入的骶部( 人体的下半身) 被固定后，先给瘸 人的腰部施加一定的牵引力，然后在保持牵力不变状态下使病人的骶部 旋转。幽予执行机构框架使得腰帮不能动弹，这样，运动的骶部相对于 不动豹骚部发生了囊转，扶丽达到了扭骶豹强的。予是，通过属期髂她 拯转病久豹繇帮印可实现治疗功麓。其中，零g 力的力值大小要求和船 载要求均牵腰扭腰治疗手段中的一样。丽扭转的攥角一般不超过3 0 度。 在扭骶时，如同上述两种治疗手段一样，周期性扭转运动过程中的旋转 速度也不应该发生突然变化。 阻上所逮分析了颈竣零擒治疗技术静三种治疗手段在操作郝彼、加 2 设备总体方案的确定 载要求和运动要求这几个方嘲的异同点，在此基础上，我们可以构思实 现卜述三种治疗手段的设备黝机构方案，并尽力满足人性化原则，与此 同 l 雩也需要考虑到安全径以及撵孛# 鲶方便桎等阅题。 2 2 设备机构系统的运动方案臼4 1 一般而言，机械产品是以机械运动为特征的技术系统。因此机械系 统方案设计的核心是机械系统运动方案的设计。它在极械系统设计的褴 个过程中，占有专+ 分重要豹地位，也是最其创造魏鞠综合住的一环，它 直接决定产品的性能、质量及其在市场上的竞争力和企业的效率。所以， 机械运动方案设计是机械产品_ ) _ 1 ：发设计的最重要阶段。 在本设备中，根据治疗过程和要求可知，设备必须提供牵引和扭转 ( 旋转) 这涎类运动功能。因此，在设备的枫橡系统豹设计中，必须酋 先保证这殛类运动动作的完成。具体地说，牵弓 运动包括对颈郝的牵引 和对腰部的牵引；扭转运动包括对颈部的扭转、对腰部的扭转以及对骶 部的扭转。 在锚撩手动牵引治疗仪的经验后，本设备的整体外形可以采用椅状 框架缝鞫形式，扶两馒褥瘸人溅以习惯的坐姿接受治疗。因此，霈嚣在 这个榜狄整体外形框架中实现期蓑斡五种独立静运动功能。 为了方便控制，五种独立的运动功能可以出血个电机来驱动完成。 但颈部的扭转和腰部的扭转怒不能同时进行的，而它们的工作原理相似， 因此，这两种运动共用一个电机。但是，它们的避大扭转摆角是不样 的。为此，可以采用一个手动颈位开关柬区分它们。两颈都酶牵引靼簇 部的牵g 也是不能同时遴芎亍的，并且它们的工俸藤理也媚似，因此，这 两种运动也可共用一个电机。但是由于它们的工作执行结构不一样，饿 而在执行两种牵引运动时，需要一个人工选择擞作米辅助区分它们。 这样，本设备最终共可采孀三个直流电枫。灏五个独立的运动功能 是通过露动部俘、传动撬构鞠二 作弧行辊构耱配合瑶完成鹣。设蛰辘搦 西安理工走学硕士学位论走 的运动状况如下面的运动简圈2 。1 所示。( 其中，上下箭头表示可作上“f 运动，左右箭头表示可作左右旋转运动。) 精瘫挫 阿2 - i 醋斋帆鞠运动简酗 参照运动简图进行运动分析可知，该设备总共可以产生四个运动。 两个是上下移动，两个是是z ，旋转。其中，一一个电机可以带动“牵引缒” 移动，邂过人工的辖助逸黪操作可以实现两静牵引运动。当“零g i 缝” 遥过“硝镑”翔上拉头蘸黎绘头郏拥力时可牵g 颈部，完成牵颈遮动； 当把头燕架拿开，使得“牵引绳”通过“吊钩”拉着“椅靠背”沼“立 柱”向上滑动时可以牵引腰部，完成牵腰运动。 第二个电机可以驱动“藏毒主”左右旋转，第三三个电机可以驱动“椅 痊垫”左右旋转。这样，逶过对这三个电视的瘤箨避行组合选择，共可 实觋牵颈毂颈、牵腰穗腰和牵鞭挝骶这三种治疗手段所需酶运动动作。 在颈部鼹窜引制，可以实现在颂受力拉状态f 的头部左右旋转运动( 牵 颈扭颈) ；在腰部受牵引h 寸，可以实现在腰受力拉状态下的腰部左右旋转 运动( 牵牍糖获) 、骶郝矗：右旋转运动( 牵腰搬骶) 。 在上述的设备祝秘运动方褰中，运动将会涉及劐人的颈部、麟穗帮 2 设备总体方案的确定 骶部三处。在运动实施机构中，设备首先要保证各个运动动作的工作执 行机构不会相互干涉。其次，臻根据实际情况殴计姻关的辅助机构。 对予牵g i 运动，由于癌入赢矮不同，牵力加载装姜需要能够土= f 调 整，以馁便牵； 绳张紧，这可以通过一个手动调整旋锰来辅助完成。耐 突然加裁的冲击可能使病人产生不适感或损伤，为此，牵力加载机构可 以通过弹餐带动牵引绳来加载牵引力，弹簧将刑加载力的变化形成一种 缓冲，从谳避免抛载的突变，进丽可以保证如载动作平稳、安全。当治 疗过程完成后，船载的牵弓 力毖须卸掉，牵力栩载装置应该回复利缀来 位置以方便f 次的加载，运需要一套弹簧复位装鹫来完成。 对于扭转运动，扭转的摆角应该都是有限度的，为了避免机构使得 人身的颈部、腰部或骶部的摆角( 即旋转角度) 太大而造成伤害，除了 扶电路 ：采取措施以於，还可以在祝橡上采用死辍位装置，扶两僳证在 任何时籁旋转角度不会遂太。 2 3 设备的测控系统 工程技术发展史表明，自动控制与计算机几乎是同步地发展赣。自 动控制系统鲍核心闰题是如何寻找和实琨最链斡终翻律。在a d 、d a 和l i o 技术出现荠成熟之后，最佳控制津的实现闽题就变成了最佳控制 律的运算( 代数、微分、积分等运算) 问题，从而计算机作为自动控制 系统的核心部分就是自然之枣。 在选择款诗算机作为主控制器螽，为了实观颈、腰两种牵引的颤 动纯加载翻额、腰、骶三季孛圭珏转运动的自动化控割，t 并实时监控牵引力 值大小与扭转摆角变化这穰项系统的关键指标，设计的设各测控系绞结 构框图如阁2 2 所示。 由于运动的自动控制总是依据一定的标准柬进行控制的判断，为此 我们藏需瑟对运动过程中的参数进行设定和溺整，这就是参数设爱功能 摸块的作用。为了攥传者麓够实对掌握设备兹实际工作状况，就要求溉 西安理王大学硕士学位论文 髓2 - 2 设番端铡控系统结构穰强 控系统需要有一个参数显示与软态显示功麓模块。 除了人机器面功能模块外，由图2 2 可知，糖个测控系统分为两大 部分。一部分与牵引运动相关，主要包括牵力自动加载模块：另部分 与扭转运动相关，主要包括扭转的自动控制模块。 在牵弓| 运动部分，零引力是在趣载电规驱动嬲载规掏后藏热绘瘸人 豹。为了判定牵引力的旃裁怒否符合系统豹要求，蕾先需要爨助牵力测 量模块将牵力值转化为电压值，接着进行数据的聚集。这样，计辫机就 可以根据测量到的牵力值对加载电机进行控制，进而实现载荷的调节。 前蕊已经分柝了颈腰牵扭治疗技术的三辩治疗手段，它们要求牵引 力鸯疆载辩不应该有突变。畿裁是说，在实现颈、簇这两释牵g 的蠹动纯 操载时，傻德病，久在牵引力豹加载过程中感觉舒溅楚至关重要浆。露然， 为了提商效率和缩短治疗过程时问，我们右必鬟迅速完成牵引力的加载， 使之达到期望值。但在加力时，如果牵引力增加过快，牵力对人的冲击 过大，可髓使病人感觉缎不错缀，甚至对患者造成伤害，引发医疗搴敞。 因戴，既要保证鸯鬟载安全、静逶，又要有合适兹擞鬣速度就是举力爨动 2 设备总体方案的确定 加载模块设计的关键。 在扭转运动部分，颈、腰、骶的扭转是借助予执行机构的配合来完 成静，两执行枫梅筑动作是织转驱动电枫的旋转运动经过规藏传动藤转 化丽成的。为了判定扭转摆角蛉大小是否符合系统鹤要求，首先需要偿 助转角测量模块将牵力值转化为电信号，接着谶行数据的采集。这样， 计算机就可以根据测量到的扭转摆角值对扭转驱动电机进行控制，进而 进行速度的调节。 毒前露豹奔绍同样可知，颈腰牵报治疗方法要求扭转摆速不应该发 生突然变化。扭转摆速突变也西能产生过大的冲击，为此，在实现舔、 腰和骶三种扭转运动的自动化控制时，使得病人在每个扭转运动周期的 启动、停止及中间稳定工作几个阶段中感觉舒服也是非常重要的。这样， 使得扭转运动在整个运动过程中具有适当豹摆速馕就是扭转垂动控制模 块谩诗的关键。 必须特制注意的是，测控系统的设计是与设备实施机构紧密相关的。 也就是说，必颁通过采用机电一体化设计技术使得机构系统与测控系统 有机结合。其中，测控系统的很多复杂控制任务都是通过软件编程来实 现豹，遮藏要求对测控系绞豹硬件毫路秘软传进行恰当静划分。 2 4 设备的控制软件 在本系统中，考虑到对不同瘸人的治疗效聚，对设备运行参数傻的 选择就是极为重要的闻题。也就是要给牵力值大小、援转的摆角缓多少、 扭转的摆遮馕铛次的高低和演疗跨续时闽的长短这翅个参数选撵台蘧的 具体僵。这就得求助于医生。在本系统工作之前，操作者需要首先鼗定 这四个参数的值。而设备控制软件的作用就是，在机构和硬件的配合下， 通过软件程序来实现运动动作在这四个运动参数要求下的自动化控制。 在上述转运动参数缓确定居，牵力必须通过牵力是动魏载模块完威， 摆角和摆遮静要求努须遁过旋转运动的囊魏接锱功缝模块来律现，悉汝 西安理工大学硕士学位论文 疗定时时间值的要求涉及到设备运动动作的启停控制。 出予牵引绳移动速度越大，牵力加载速度就越大。因此，考虑到牵 力鑫动加载功缝模块翁要求，在颈疆牵扭稔疗专瘸没各实现牵力彝动纯 加载的过程中，确定如俺控制牵g 运动的速度( 帮犟弓l 绳的移动速度) 就是一个j e 常关键的问题，特别是在对极为敏感的颈部操作时。此外， 因为操作对象是人，病人身体的偶然动作也可能对牵力加载产生干扰， 必须尽可能避免。于是，裁需凝透过软件的控制束协调处理这愿个阉题。 为了诖病人在牵力自动麴载时感觉舒适，牵s | 绳靛移动速度耨辔牵 引力值的大小和牵弓f 力值变化量的大小来决定。根据经验可知，入不是 刚性物体，在牵引力开始加裁时，牵引力值很小，此时如果判断出零引 力的变化鬣是人为动作引起的，那么即使牵引力的变化量较大，仍然允 许弱且鸯必爱以较大的速囊拥载；妇粟剃叛出牵弓 力的变化量是由热载 运动引起的，那么在牵引力豹变化量较大时，有必要将翔载速度硌徽簿 低一些。丽程牵引力值较大时，牵引力僮变化鬣的大小对加载速度的影 响又将与刚开始加载时不同。等到牵引力值很大时，不管牵引力的变化 量大小如何，都有必要以技小的速度加载。其中，牵引绳豹移动逋度酋 先由牵g l 力德大小初步决定，然后在考虑牵弓i 力绶变讫量靛大小及变化 趋势焉，最终确定牵g l 绳的准确移动速囊。在零力撩载过程中，瘸人实 际所受牵力不断变化，相应魄，应该通过控制使得牵引绳的移动速度不 断变化。鼹然，在进行控制判断时，判断所依据的牵引力值的大小和零 引力值变化量的大小都是模糊的概念，它们都与医疗经验值有关，偶经 验焦因其有主残性且往往是一个范豳谴面不傻明确萋讫。 正是幽于上述过程中酌控铡均要借助予医疗经验，而且尽管淹行控 制判断时的推理前提具有不精确、不完整或不完全可靠的特性，但是确 实是实际有效的。因此，我们有必要模拟这种推理方式，以获取焚似的 效果。丽模糊控制就是以模嬲逻辑作为处理不确定性的框架进行接瑷， 这藏与a 封大量闻题进行巍观恿考熬方法楣一致，纯繁为篱，这疆蹙模 2 设备总俸方案的确定 糊控制的优点1 6 1 因此，我们采用模糊控制的基本思想和方法，充分发 挥其优点。在牵力自动加载过程中，我们把经过测量得到的实际牵力僖 和实繇牵力德变纯量遴行模糊亿处理，将它期划烟剥不同的模赣子集中， 然后进行禳襁推理。通过软件束实瑗模糊控制算法，我们就可以对泼过 程进行横糊控制，最终实现期望的目标。 同样，考虑到对病人的承受能力和舒适性，在治疗设备通过左右旋 转运动实现扭转功能时，如何控制翘转的摆速也是一个极为关键的阉越。 在不同摆角萃 ；| 额定摆速档次条件下，竹么时绞开始减速才能簿止在漆确 的位莺上，如何控制加速和减遽才能符合舒适的要求。这些也需要通过 软件的控制来完成。总之，扭转运动在整个运动过程中的摆速曲线涉及 到各个不同的阶段，它们可以由软件任意设定，伛最好根据已经获得的 医疗经验爨体确定。这种摆逡麴调节策略也将通过软件韵算法实现。 对于本设备控制部分瓣软件漩诗，我们褥努力费，窃蔓述控制恩路。 但是如果宠全按照理想的斓颦进行设计，则要袋输入参数较多，不仅获 取输入信号的代价高，而且控制策略也更为复聚。这样，在考虑到实用 性及箕相关闷题之后，只要控制的精度能达到一定的水平，满足一定的 要求，我 ： 靛可以对本系统中豹些较复杂趣麓律一定程度的简优。其 中，粟i = 霹模襁控割愚想靛软件部分，可以饺褥模糊控钢算法中瓣接蹙规 则和控制策略较简单。 3 设备机械系统概述 3 设备机械系统概述 3 1 设备机械系统的总体结构b m 7 1 在机械系统的工作过程中，运动和力的传递与转换，是通过各种机 构来实现的。机构示意图就表达了机械系统的机构特征与基本结构。本 系统中，设备的整体机构示意图如图3 一l 所示： 背暖视图 僦面视鬣 鹜3 - 1系统数螽曲整捧机构示意鲤 西安理工大学硕士学位论文 在实施机构中，传动系统、执行系统及控制系统的界限有时并不能 明显划分，特别是在现代机电一体化系统中变得模糊而更具综合性。但 是，因为枫槭系统主要幽鞑动系统、传动系统、挠季亍系统和控制系绕所 缝或。翻姥，荚总体方案设计鲍主要内容就是臻绕这几部分的方案设计。 由于机构系统在实现规定的运动和力的传递与变换之后，其功能鼠接 体现在其执行系统上。在本设备中，在与一些辅助机构相结合装配后， 执行系统机构采用了以椅状枢架为主体的结构方式( 见图3 1 ) 。 在图3 1t p ，“翁靠蜚”和“辑扶手”固定在一麓，它们艉够一超沿 着“立挺”上下淆动，但不能褶对“立柱”转动。警电机通过传动后带 动“吊钩”向上移动时，如果“吊钩”挂在“椅靠背”上，则可对瘸人 进行腰部的牵引治疗：如果“吊钩”挂上一个头蕊架，则可对病人进行 颈部的牵弓 治疗。在进行颈部豹牵 l 避，为了迅速完成牵力粕载过程， 针对高矮不黼的病人，辊构上设计了一个“调整旋镪”。操作时，可以宠 松开“调艇旋镪”来调整“牵l 绳”的长度，在绳绷紧后锁死。这棒， “牵引缀”的长度就被确定而不再变化，通过这一段定长的“牵引绳” 传递后，电机上电后驱动绞盘缠绕“牵引绳”的运动立即转化成了“吊 钩”鞠向上移动。从而使愆j 童电掘上电癀动焉，牵引力藏马上玎戆施 加到病人身e 。于是，牵力热载过程可以较茯宠成，提赢了设备的王僚 效率。其结构的工作原理将在后面3 、2 节详细介绍。 当电机通过机械传动后带动“立柱”旋转时，遮动的固定在一起的“椅 靠背”和“靖扶手”相对于静止不动的“椅座鹅”发生转动，这样即可 对病人避 亍翘转治疗；| 司嚣娥，当电机通过传动蜃带动“椅座熬”鼷转 砖，运葫鹩“穗座垫”襁辩予静出币动静露定在一起的“椅靠背”裙“祷 扶手”发生转动，这样也可对瘸人进行扭转治疗。其结构的工作原理将 在后丽3 0 节详细介绍。 因此，通过对这几种运动治疗方式的组合，_ = | 二作执行机构完成了实现 谍题所蠢治疗功能的任务。必矮蒋剐巍明墟是，颈部运动和骚部运动复 3 设昏机械系统概连 用了一个电机，并且在颈部转动时，机构上具有进一步的保护措施，为 此，我们操作对必须注意，如果进行颈部运动，必须将图3 1 中的“颈 位玎关”援为有效状态；如粟遂彳亍腰部运蚤，盛须将鼙3 一l 中豹“颈位 开关”甏为无效状态。只蠢使“颈位开关”处予正确状态时，设备才可 以运行。当然，如果进行骶部运动，则不考虑“颈位开关”所处的状态。 作为动力，本设备采用的是直流减速电动机。因为设备正常工作时 的速度较低，商电机输出轴转速一般很高。如果电枫没有装配减速机， 那么必须通过外部祝梅对电枫进 亍大降速传动，这必将导致传动枫梅设 计更加困难，并且设备噪声大大增加。此外，点流电机的控制比较简单、 方便。最终，设计中总共采用了三个这样的直流减速电机。 对于传动系统，由于设备要实现牵引和扭转( 旋转) 两类运动。因 此，其相碰的簧动系统部分也是独立的两类。对于牵力加载装置的上下 移动动住，可以等效遗认为，电捉经过一对蜗轮溺栝传动后带动一段牵 引绳移动，这样，在机构的配合下即可实现牮_ | 功能。对于设备翘转实 施机构的左右旋转运动动作，电机首先经过一对齿轮组传动，然后经过 对蜗轮蜗杼传动，蜗轮的转动带动相关机构的旋转，这样，在机构的 配合下即可实现翅转功能。 对予控制系统，它是为了满足不目控翻侄务蕊设计静。并基往往需要 将机构的控制系统部分与硬件电路设计、软件襁序设计相结合后才能实 现控制。在本设备中，对于牵引力控制，牵力大小能通过拉力传感器测 量得到，嗣时为了方便加载和卸载，还设计了一个牵力换向调整潮复位 装置。对予籀转受度控铡，在适当位置设计死个遮光弩，著与光毫开关 传感器避彳j ：配合安装后，扭转摆角太小能够通过光魄开关传感嚣溅爨厝 换算得到。除此之外，在机构中采用了许多辅助性的机构和装筒，为设 备的自动控制提供了实现手段，为设备的安全工作提供了有效的保障。 由于设备整体框架为椅状，为了美化其外观，通过采用堆叠式设计， 我们在擒底座内整合了疑有传动嘏捣移动力电机，以及部分静电气控铡 西安n _ x - 大学硕士学位论文 元器件，这样就有效压缩了设备的占用空问。 3 2 牵引运动的传动原理鹳h 9 1 桃械传动系统的设计，怒辊械设计中极其羹簧的一环。正确、合理 地设计机械的传动系统，对于提高机械的性能和质量，降低机械的制造 成本和使用费用等都是至关熏要的。本节和下一节将讨论本设备中的传 动系统部分豹结构原理。 本系绞中，实理牵孳 运动豹健动结稳静原理翔錾3 2 所示。 参照图3 2 “直流电机”与“减速机”圆联在起( 即直流减遮电 机) 。在它们的输出轴上，套蕾一个“蜗杆”。由于“蜗轮”与“绞盘” 通过一个“键”固联在一起，经过“蜗杼”和“蜗轮”传动后，电机轴 的旋转运动转纯或了“绞盘”的旋转运动。涎蔫“绞盘”的转动，宅上 垂开始缠绕“牵弓 绳”。在由禳形镪构成的“立校”兹槽内，“牵引缝” 通过个抉向的“固定滑轮”后，连接到一个“拉簧”并使之移动，这 段“拉簧”将其另一端的“牵引绳”经过三个变向的“固定滑轮”厝， 带动“力传感器”和“吊钩”起移动。这样，通过传动和传递盾，电 枫辘韵旋转运动转傀畿了“甬镑”煞上下移动。及面完成了牵引运动蚋 传穗，实现了牵弓l 功能。 其中，“拉簧”实质上就是一段弹簧，只不过其刚度比较大而已。安 装“拉簧”的目的是在牵力加载过程中，对牵力的突然变化有个缓冲 于乍用，从丽避免了牵力的突交新产生的冲击可能对身体造成f 勺损辔，探 迁了人囊的安全。这耪保护撼施对于颈部这一爽特射敏感的操作对象麓 菲常必要的。 山于“力传感器”测黛的是“吊钩”上的拽力，在忽略掉设备加裁 装置在“滑动导轨”上所受摩擦力后，从该力值中减掉头盔架的霪攮：或 者固定在一起鹣“捧靠鬻”与“祷座挚”豹萎黧，得到弱就是病人赝受 牵引力德大小。 3 设备机械系统概述 技 ! 刊定? ；轮 牵0 绳 力转感嚣 吊钩 滑动替轨 调燕旋镪 拉篱 榜巍背 蜗杼蜗轮绞盘轴 鼬定滑轮 强3 - 2 帮0 运动翦传动结构域 9 西安理工大学硕士学位论戈 3 g 旋转运动的传动原理 在本设备中，实现旋转运动的转动结构原理蠢【| 强3 3 所示。 齿轮i癣轮2梅缝祭蜗轮 齿轮3街转4 - 蜗轮2立梗 圈3 - 3 箍转运动静传动结构鼙 参照阁3 3 ， “齿轮3 ”绕着一个直流减遮电机的输出轴旋转。而 “齿轮4 ”以一个蜗杆2 的无螺纹部分蜗杆为轴旋转，且该蜗杆2 和“蜗 轮2 ”配对使用。由予“立柱”与“蜗轮2 ”固定在一起，不糍发生榻对 运动。这氍，在经过一令蠢轮缝( 蠡“齿轮3 ”与“遴轮4 ”构成) 摹掰 对蜗轩蜗轮( 由“蜗杼2 ”弓“螨轮2 ”构成) 传动后，电视辅的旋转运 动变成了“立柱”在水平面内的旋转运动。在其它机构的辅助作用f ，“立 柱”的旋转能够实现颈部或腰部的扭转功能。其实现的原理如图3 - 4 所 示。因为运动敬荠且可以等效为潮联在一起的“立桂”、“耩靠背”= 荸 1 “褥 扶手”穗对于静止不动鲍“祷瘙絷”发生了旋转，麸霜实理了拯转功筏。 3 设备机械系统概述 旋转初始位最旋转极限位置 强3 4 艇转鞠对莲葫不葱拶 同样，“齿轮1 ”绕着另一个直流减速电机的输出轴旋转。而“荫轮 2 ”以另一个蜗杆1 的无螺纹部分蜗杆为轴旋转，且该蜗杆1 和“蜗轮1 ” 配对使用。出于“棱底座”与“蜗轮1 ”固定在一起，不能发生相对运动。 这样，在经过一个齿轮组( 凌“凌轮l ”与“齿轮2 ”构成) 昶一对媛抒 蜗轮( 凌“蜗耔1 ”与“蜗轮1 ”梅成) 传动后，电机辅的旋转运动变成 了“椅庶热”在水平面内的旋转运动。参照图3 - 4 可类推，由于逯劫的 “椅座鳓”相对于静止不动的并且固定在一起的“椅靠背”和“椅挟_ 予” 发生了旋转，从两能够实现了骶郝豹扭转功能。 在旋转运动静传动缝秘中，“蠢轮l ”和“鹰耱2 ”、“齿轮3 ”秘“遴 轮4 ”、分别是一对外啮合圆柱齿轮，它们的传动院都为2 ，并且为了减 小噪声丽选择材料为塑料。“蜗秆l ”和“蜗轮1 ”、“蜗杆2 ”和“蜗轮2 ” 分别啮合，它们的传动比都是t 4 4 ，并且两个蜗杼都是圆柱形的渐开线 甄轩，蜗耱头数为l 。这样，挽稳疆转时，传魏系统视构l 乍减速动力传 动，胰蹇流减速电视的输出辘传递到蜗轮的传动魄为： f = 2 1 4 4 = 2 8 8 。 这样，赢流减速电机的输出轴每旋转一圈，蜗轮对应的旋转角度为： 5 ：3 6 0 2 ：t 2 5 。 4 设备硬件电路设计 4 设备硬件电路设计 4 。1 设备测控系统豹整体框图”1 在本系统中，在初步完成设备运动功能实施部件的结构设计后，我 们选用了a d “c 8 2 4 作为主控芯片，构建颈腰牵扭治疗系统平台。 之所以选铎a d c 8 2 4 乍为主控芯片，是翔为对于颈、腰两季孛牵引 运动的牵力控制，该芯片内禽离分辨率a d 稻增益可程拄敖大器，故必 需添加一个拉力传感器即可。对于颈、腰、骶三种扭转运动的摆角控制， 因为复用r 个电机，所以借助光电传感器将旋转角度转化为数字脉冲 后，只需两个计数器即可，丽a d c 8 2 4 有三个定时器计数器，除了一 个作为霉娶雳到靛对两基准外，稔能满足这一要求。这样，a d 嚣c 8 2 4 能较充分媳剩用片内资源两完满地完成系统设餐核心功能任务，扶丽将 会使得系统的设计和开发得以简化。 基予以上的考虑，设计的测控系统的整体框图如图4 一l 所示。 串 丁通讯 謇 挣截 数燕窝指 | 包穗电机 掣灯罐小