多維牽引智能康復(fù)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳昆韋　喻洪流　石萍

摘要：

為幫助腰椎間盤(pán)突出癥患者進(jìn)行牽引治療，設(shè)計(jì)了一款多維牽引智能康復(fù)床控制系統(tǒng)。以STM32F103單片機(jī)為控制核心，配合供電系統(tǒng)模塊、液壓閥驅(qū)動(dòng)電路模塊、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路模塊、串口通信電路模塊與傳感器電路模塊，構(gòu)成了牽引床控制平臺(tái)的硬件系統(tǒng)，并且對(duì)牽引模塊、串口通信模塊、傳感器模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)成了牽引床控制平臺(tái)的軟件系統(tǒng)。對(duì)控制系統(tǒng)輸出的脈寬占空比PWM進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了液壓閥的比例控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：

腰椎間盤(pán)突出癥；多維牽引；比例控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.172697

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）003012704

英文摘要Abstract：To help patients with lumbar disc herniation implement traction therapy，a control system of a multidimensional traction intelligent rehabilitation bed is designed. With the STM32F103 microcontroller as the control core， the hardware of the traction bed control platform is constituted by power supply module， hydraulic valve driving module， electric putter driving module， serial communication module and sensor module， the software of the traction bed control platform is constituted by the software design of traction module， serial communication module and sensor module. The pulse width modulation （PWM ）of the control system is controlled to achieve the proportional control of the hydraulic valve， which proves the feasibility of the control system. The control system is reasonable and feasible in design.

英文關(guān)鍵詞Key Words：lumbar disc herniation； multidimensional traction； proportional control

0引言

腰椎間盤(pán)突出癥是一種較為常見(jiàn)的疾病，主要發(fā)病原因是患者的腰椎間盤(pán)纖維發(fā)生了因外傷產(chǎn)生的裂隙或因?yàn)檠甸g盤(pán)纖維發(fā)生了環(huán)退。該病多見(jiàn)于青壯年，其中20～40歲之間患者約占70%，但亦可見(jiàn)于16歲以下年幼者及70歲以上高齡者，且高齡者多伴有椎管狹窄或神經(jīng)根管狹窄。男女性別間發(fā)病率差異較大，男性多于女性，男女比例約為4∶1[1]。在對(duì)腰椎間盤(pán)突出癥患者進(jìn)行治療的過(guò)程中，部分患者使用了手術(shù)治療，但無(wú)論是常規(guī)手術(shù)還是微創(chuàng)手術(shù)，都會(huì)對(duì)患者身體造成一定創(chuàng)傷，對(duì)其術(shù)后恢復(fù)造成較大影響，導(dǎo)致部分患者最終治療效果不理想。因此，對(duì)腰椎間盤(pán)突出癥的非手術(shù)治療方法進(jìn)行研究顯得尤為重要。目前有較多的非手術(shù)治療腰椎間盤(pán)突出癥的方法，而其中最安全、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)且效果較好的治療手法便是中醫(yī)牽引治療[23]。

牽引治療是保守治療腰椎間盤(pán)突出癥的重要治療手段，有持續(xù)牽引、間歇牽引、前屈牽引、背伸牽引、三維牽引等不同牽引方式。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)臨床研究，觀察得出不同牽引方法的療效有所差異，重慶市第三人民醫(yī)院康復(fù)理療科的符曉[4]認(rèn)為間歇牽引的療效優(yōu)于持續(xù)牽引；桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院的楊少華等[5]認(rèn)為L(zhǎng)4～5突出患者使用前屈快速牽引方式療效優(yōu)于背伸狀態(tài)的牽引，L5～S1椎間盤(pán)突出背伸狀態(tài)牽引方式療效優(yōu)于前屈狀態(tài)的牽引。牽引床的主要功能有：①調(diào)節(jié)小關(guān)節(jié)紊亂，松弛背頸部肌肉[6]；②改善突出物與神經(jīng)根之間的關(guān)系，改善自主神經(jīng)對(duì)內(nèi)臟器官的支配，提高機(jī)體應(yīng)激能力[78]；③延緩組織衰老，提高自身免疫力等[9]。

本研究的目標(biāo)是研制一套多維牽引智能康復(fù)床（見(jiàn)圖1）控制系統(tǒng)，醫(yī)生可以根據(jù)患者的實(shí)際情況和需要采取相應(yīng)治療策略，修改上位機(jī)軟件的治療參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)串口發(fā)送數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)，使多維牽引智能康復(fù)床的床體執(zhí)行指定的康復(fù)治療動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)串口接收上位機(jī)軟件參數(shù)并解析成相應(yīng)的動(dòng)作命令，通過(guò)單片機(jī)和液壓閥驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路，使液壓缸和電動(dòng)推桿完成指定運(yùn)動(dòng)，通過(guò)傳感器測(cè)量牽引床的拉力和旋轉(zhuǎn)角度，并反饋到單片機(jī)修正床體的實(shí)際治療量。

1控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多維牽引智能康復(fù)床控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，控制系統(tǒng)包括嵌入式芯片、液壓電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和反饋電路等。嵌入式單片機(jī)接收上位機(jī)傳來(lái)的控制命令驅(qū)動(dòng)液壓缸執(zhí)行相應(yīng)命令，完成水平牽引、旋轉(zhuǎn)、擺角、成角等功能。傳感器采集床體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)反饋電路反饋給嵌入式芯片，芯片根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)修正運(yùn)動(dòng)參數(shù)，最終形成一個(gè)閉環(huán)反饋控制電路。上位機(jī)通過(guò)RS-232串口向嵌入式芯片傳輸數(shù)據(jù)，包括牽引姿態(tài)、牽引模式、牽引角度、速度、距離等變量。

2控制平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括：供電系統(tǒng)模塊、液壓閥驅(qū)動(dòng)電路模塊、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路模塊、串口通信模塊與傳感器模塊。

2.1供電系統(tǒng)模塊

多維牽引智能康復(fù)床采用單相220V三線制接入，低壓斷路器作為第一道切斷隔離開(kāi)關(guān)，同時(shí)具備負(fù)荷、短路、欠壓和漏電保護(hù)功能，交流接觸器作為通斷電源的主電器，使用保險(xiǎn)絲作為過(guò)流保護(hù)元件，經(jīng)過(guò)交流接觸器之后將電源均勻分配到液壓泵和電動(dòng)機(jī)，并輸送到開(kāi)關(guān)電源部分。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生24V直流電給主控系統(tǒng)供電，主控系統(tǒng)再次進(jìn)行電壓變換，給各種類(lèi)型的芯片供電。

2.2液壓閥驅(qū)動(dòng)電路模塊

由于多維牽引智能康復(fù)床需要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，因此采用了電液比例控制技術(shù)[10]。比例電磁閥的工作原理是根據(jù)電磁開(kāi)關(guān)閥的原理改進(jìn)而來(lái)：電磁開(kāi)關(guān)閥在斷電時(shí)，閥內(nèi)彈簧將閥芯頂在閥座上，閥門(mén)關(guān)閉[11]；當(dāng)電磁鐵線圈通電時(shí)，產(chǎn)生的電磁力克服彈簧力將閥芯提起，從而打開(kāi)閥門(mén)。比例電磁閥對(duì)電磁開(kāi)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)作了一些改進(jìn)：在任何線圈電流下使彈簧力與電磁力之間產(chǎn)生平衡。輸入線圈電流的大小或電磁力大小將影響柱塞的行程和閥門(mén)開(kāi)度，而閥門(mén)開(kāi)度與輸入線圈的電流之間為理想的線性關(guān)系。

本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的方法，向比例電磁鐵輸出脈寬可調(diào)的電脈沖，以獲得確定流量的液壓輸出。脈寬調(diào)制是利用單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的簡(jiǎn)單有效的技術(shù)。PWM的原理如圖3所示。

采用PWM 控制器輸出的脈沖觸發(fā)比例電磁鐵， 比例電磁鐵再去控制比例閥的通斷和開(kāi)口度大小，改變液壓流量和時(shí)間， 液壓缸按脈沖寬度的時(shí)間動(dòng)作， 從而達(dá)到自動(dòng)控制參數(shù)的目的[1213]。

主控芯片采用STM32F103ZET6，其采用3.3V供電，L9352B采用5V供電，因此STM32芯片與L9352B不能直接連接。本文選用四通道數(shù)字隔離器ADUM1402，它既能兼容3.3V和5V的電壓，也起到了隔離作用。每片ADUM1402可以給L9352B傳輸兩路PWM控制信號(hào)或兩路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，另外L9352B的使能輸入EN和漂移檢測(cè)使能輸入TEST也需要ADUM1402進(jìn)行隔離和電壓轉(zhuǎn)換，因此一片L9352B需要使用三片ADUM1402。L9352B的Q3、Q4輸出兩路PWM信號(hào)控制一個(gè)電液比例閥，Q1、Q2輸出兩路開(kāi)關(guān)信號(hào)控制一個(gè)電磁閥。D3、D4為續(xù)流二極管通道（Free-Wheeling Diode Channel），以保護(hù)元件不被感應(yīng)電壓損壞。

2.3電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路模塊

電動(dòng)推桿的控制采用BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用兩片BTS7960，可以構(gòu)成一個(gè)全橋H型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在任意時(shí)間，同一橋臂上的MOSSFET功率管只導(dǎo)通一個(gè)，用于控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

2.4串口通信電路模塊

多維牽引智能康復(fù)床需要上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)串口是典型的232電平邏輯，1為-3V～-15V，0為+3V～+15V。RS232電平不能直接連接到STM32，因此需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)接芯片，本系統(tǒng)選擇SIPEX公司的SP3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在SP3232上接一個(gè)9針串口母頭，通過(guò)一根公對(duì)母的9針串口線與PC機(jī)上的串口公頭連接。

2.5傳感器電路模塊

本文采用的是S型拉壓力傳感器，S型拉壓力傳感器有四根線，包括兩根電源線和兩根信號(hào)線，最大輸出電壓為24mV，因此需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大處理。電壓放大選擇的是儀表放大器AD620，AD620的+IN和-IN接拉壓力傳感器信號(hào)，+RG和-RG跨接電阻Rg來(lái)調(diào)整放大倍率，Rg=49.9k/（G-1），G為增益，AD620的+VS、-VS接正負(fù)電源，REF接芯片基準(zhǔn)電壓，一般選擇接地，6號(hào)引腳輸出。

3控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

多維牽引智能康復(fù)床的設(shè)計(jì)需要軟件和硬件基礎(chǔ)，下位機(jī)軟件主要執(zhí)行以下幾個(gè)任務(wù)：①執(zhí)行牽引控制，包括液壓系統(tǒng)控制和電動(dòng)推桿控制；②與上位機(jī)進(jìn)行串口通信；③傳感器信號(hào)采集處理。軟件系統(tǒng)運(yùn)行的總體流程如圖4所示。

3.1牽引模塊軟件設(shè)計(jì)

牽引模塊實(shí)現(xiàn)了通過(guò)單片機(jī)控制液壓系統(tǒng)和電動(dòng)推桿。對(duì)于比例閥，需要通過(guò)PWM波改變比例閥的開(kāi)口度，從而實(shí)現(xiàn)液壓壓力流量控制。以定時(shí)器3的通道2產(chǎn)生PWM波為例，主要使用了捕獲比較模式寄存器TIMx_CCMR1/2，捕獲比較使能寄存器TIMx_CCER，捕獲比較寄存器TIMx_CCR1～4。捕獲比較模式寄存器TIMx_CCMR1控制定時(shí)器通道1和通道2，TIMx_CCMR2控制定時(shí)器通道3和通道4。該寄存器第12～14位的模式設(shè)置位OCxM設(shè)置為110PWM模式。捕獲比較使能寄存器TIMx_CCER的第4位CC2E置1，使能通道2的輸入捕獲。捕獲比較寄存器TIMx_CCR1～4對(duì)應(yīng)定時(shí)器的4個(gè)通道，通過(guò)修改該寄存器的值與定時(shí)器的計(jì)數(shù)值CNT相比較，即可控制PWM輸出的占空比。這里TIMx_CCR寄存器的值不是固定的，根據(jù)上位機(jī)軟件傳輸?shù)闹委焻?shù)，改變TIMx_CCR寄存器的值，從而可通過(guò)硬件電路改變液壓系統(tǒng)的流量，達(dá)到治療要求。

3.2串口通信模塊軟件設(shè)計(jì)

STM32的串口使用比較簡(jiǎn)單，只需開(kāi)啟串口時(shí)鐘，配置好相應(yīng)的IO口，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、校驗(yàn)位等即可使用。每個(gè)串口都有一個(gè)波特率寄存器USART_BRR，用來(lái)存放分?jǐn)?shù)波特率的值。寄存器的低四位用于存放小數(shù)部分DIV_Fraction，4～15位用于存放整數(shù)部分DIV_Mantissa。

STM32波特率值=Fpclk16USARTDIV

其中，F(xiàn)pclk是串口的時(shí)鐘。因此，在知道Fpclk和波特率的情況下，則可以求出USARTDIV的值，將USARTDIV的值轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，分別將整數(shù)和小數(shù)部分賦值給DIV_Mantissa和DIV_Fraction，從而將BRR寄存器寫(xiě)入波特率的值。

3.3傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)

S型拉壓力傳感器產(chǎn)生的模擬電壓信號(hào)通過(guò)AD620放大，放大倍數(shù)通過(guò)一個(gè)電位器調(diào)節(jié)，使最大的輸出電壓小于stm32單片機(jī)ADC模塊引腳所能承受的最大電壓3.3V。stm32的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）具有12位采樣精度，參考電壓VREF+接3.3V。因此，ADC的電壓值=ADC的轉(zhuǎn)換值*（3.3V/4096）。將ADC的電壓值與拉壓力傳感器理論上拉力對(duì)應(yīng)的電壓值相比較（此處理論電壓值是指經(jīng)過(guò)AD620放大后的電壓值），當(dāng)ADC的電壓值等于理論上的電壓值，則液壓系統(tǒng)保壓；當(dāng)ADC的電壓值大于理論上的電壓值，則液壓系統(tǒng)減壓；當(dāng)ADC的電壓值小于理論上的電壓值，則液壓系統(tǒng)增壓，可以通過(guò)修改比例溢流閥PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)。拉壓力傳感器模塊的輸出接到PA0/ADC123_CH1。

4PWM占空比實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)基于Visual Basic的多維牽引智能康復(fù)床軟件將治療參數(shù)通過(guò)串口發(fā)送給控制系統(tǒng)。因?yàn)楸壤姶乓缌鏖y的開(kāi)口度大小是根據(jù)輸入電壓信號(hào)的大小控制的，因此通過(guò)改變PWM的占空比，可以調(diào)節(jié)比例電磁閥的開(kāi)口度，從而改變液壓系統(tǒng)的壓力。因此，本實(shí)驗(yàn)的目的是通過(guò)示波器觀察控制板輸出的PWM波形是否可以根據(jù)上位機(jī)軟件治療參數(shù)的改變而改變。本實(shí)驗(yàn)中使用牽引力這個(gè)治療參數(shù)，在上位機(jī)發(fā)送的字符串中，取出相應(yīng)的位，將其轉(zhuǎn)換成PWM的占空比，從而調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力，改變實(shí)際牽引力大小。改變軟件中牽引力的參數(shù)大小，觀察PWM波形變化如圖5所示。由圖可知，可通過(guò)改變上位機(jī)的牽引力大小來(lái)改變PWM波占空比，從而改變比例閥開(kāi)口度，達(dá)到了改變液壓系統(tǒng)工作壓力流量的目的。

5總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)了一款多維牽引智能康復(fù)床控制系統(tǒng)，以STM32F103單片機(jī)為控制核心，配合供電系統(tǒng)模塊、液壓閥驅(qū)動(dòng)電路模塊、電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路模塊、串口通信電路模塊與傳感器電路模塊，構(gòu)成了牽引床控制平臺(tái)的硬件系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)牽引模塊、串口通信模塊、傳感器模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)成了牽引床控制平臺(tái)的軟件系統(tǒng)，并且對(duì)控制系統(tǒng)輸出的脈寬占空比PWM進(jìn)行調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)液壓閥的比例控制。實(shí)驗(yàn)證明了該控制系統(tǒng)的可行性。

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