多功能吊掛系統設計①

陳 森 程武山

(上海工程技術大學機械工程學院)

多功能吊掛系統設計①

陳 森 程武山

(上海工程技術大學機械工程學院)

通過對機械結構和控制原理的深入研究，設計了一種具有肢體任意高度固定并能夠進行受損肢體康復訓練的多功能智能吊掛系統。主要論述了吊掛系統機械結構的設計和控制系統的實現。控制系統硬件部分的核心為ARM9/S3C2440A芯片，通過設計相應的底板電路來實現整體系統的硬件需求；軟件部分以KEIL5為開發(fā)環(huán)境，通過對I/O口高低電平的控制，來控制電機的運行，從而進一步控制整個系統的運行。通過Solidworks軟件仿真驗證了機械結構設計的可行性。

智能吊掛 ARM9/S3C2440A Solidworks仿真 電源電路

自20世紀90年代以來，中國老齡化人口日益增多，如今老齡化已經進入快速發(fā)展階段，根據預測老齡人口在2040年將超過人口總量的20%[1]。對于老人而言，面臨的最大問題就是肢體的健康問題，肢體行動不便帶來的將是生活無法自理，通常將此類老人稱為失能老人[2]。由此看來，對于老人而言，肢體健康將是最大的問題。因此，研制出當老人肢體出現問題，能夠方便護理并帶有康復訓練的吊掛系統至關重要。

目前，醫(yī)院護理床上的吊掛系統在國內還處于低水平層面，僅能提供簡單的機械固定功能，對于方便和智能而言，遠遠不夠[3]?，F有的吊掛結構已經不能滿足快速老齡化的社會需求。為此，筆者研究并設計了一種以ARM9/S3C2440A為核心的多功能智能吊掛系統，這種吊掛系統具有的功能有：肢體固定、肢體訓練和肢體按摩。這樣不僅滿足用戶對智能護理產品的需求，更能減輕家庭的護理強度，還可以降低產品成本，利于商業(yè)化更利于廣大用戶[4]。

1 智能吊掛系統的工作原理

智能吊掛系統主要由機械系統和控制系統組成。機械結構的設計主要滿足安全參數的設計需求，并對它進行軟件仿真來證明機械設計部分的可靠性?？刂葡到y部分主要有ARM9/S3C2440A主芯片模塊、GPIO接口模塊、電源模塊及其控制程序。

通過對電機的控制，點擊不同的功能按鍵，可實現吊掛系統的不同功能。本系統設計的智能吊掛可實現以下功能：

a. 固定懸掛功能。當病人剛剛受傷時，吊掛可以實現固定角度的懸吊，這樣的功能即目前醫(yī)院普通的吊掛功能。

b. 肢體康復鍛煉和肌肉按摩功能?？紤]到有的患者因為意外事故導致長期臥床，四肢長期得不到鍛煉而可能導致肌肉萎縮，因此吊掛系統設計了上下肢康復鍛煉和上下肢肌肉按摩的功能，使患者的四肢可以得到康復鍛煉，從而促進血液循環(huán)，防止肌肉萎縮。

2 機械系統

2.1 機械結構設計

多功能吊掛系統機械結構可分為底盤結構、龍門架結構和電機結構，如圖1所示。下方為吊掛底盤，裝載8個帶自鎖功能的萬向輪，如此設計是為了提高吊掛整體的方便性：當病人需要護理上肢或者下肢的時候，將吊掛系統移動到相應的部位，即可對肢體進行護理；當病人不需要吊掛系統的時候，便可將此吊掛系統安放在某一空閑的角落，待需要的時候，再將它移出來使用；若病人可以下床，此吊掛系統還可以單獨放在某處進行上肢康復訓練。

圖1 系統機械結構框圖

上方為電機安放位置，采用4個電機的設計方式，這種設計是為了方便實現不同肢體不同強度的康復訓練要求。通過軟件來控制不同的電機，以此來實現不同的功能和護理強度[5]。

2.2 軟件仿真驗證

作為醫(yī)療護理設備，安全因素是非常重要的。本次設計的吊掛系統病人體重的上限值為300kg。相對于上肢而言，下肢的重量更大一些，而下肢的總重量約占人體總重量的35%左右，根據這一數據就可以得到肢體的總重量，以便下一步軟件仿真。

為了驗證吊掛機械結構是否可行，下面將從可視化角度來進行仿真驗證[6]。本次設計所應用的軟件為Solidworks軟件，這款軟件自帶一個強大的仿真功能，利用仿真功能，可以更直觀地看到設計結果[7]。目前實驗數據為：橫向750N的力，垂直向下750N的力，這個力相當于106kg的人的腿部重量，而人的腿部占人體總重量的30%～40%，這里取35%。這樣的最終結果就是相當于300kg的人體總重量。Solidworks軟件仿真結果如圖2所示。

仿真的應用材料是鋁合金，其單位面積的屈服力為27.570MN，而仿真結果應力圖中單位面積的最大屈服力為9.537MN，即吊掛材料的承受力大于設計值，因此此方案是可行的。在位移圖中外框架的最上方的最大位移量為1.629mm，幾乎沒有產生什么形變。所以就目前這個材料的選擇和仿真結果來看，完全滿足設計任務需求，也更加說明設計的可行性。

a. 應力

b. 位移

3 硬件設計

多功能吊掛控制系統的核心硬件為ARM9/S3C2440A芯片，根據控制系統的整體需求，設計了系統的硬件架構，并對各個模塊電路進行設計，完成開發(fā)板設計。系統硬件架構如圖3所示。吊掛的ARM9由核心板和底板構成，核心板通過插針插在底板上，這樣設計的優(yōu)勢在于：當需要增加其他功能時，只需要修改底板，如此一來在很大程度上降低了工作量和設計成本[8]。核心板主要包括：主芯片電源電路模塊、Flash電路模塊、SDRAM電路模塊和時鐘電路模塊。底板電路的重要模塊有：底板電源電路模塊、復位電路模塊和GPIO接口模塊[9]。

在本吊掛系統中，外部設備主要是通過 GPIO 接口與ARM控制器連接，外部設備主要是步進電機控制模塊。

圖3 系統硬件架構

3.1 電源電路

電源是系統穩(wěn)定工作的基本。由于外部采用24V的步進電機，為了外部接口的簡潔化，所以外部電路只采用24V的適配器為吊掛系統整體提供總電源[10]。但是ARM9芯片需要的是3.3V電源，其他部分芯片需要5V電源，所以筆者采用的電源電路設計方案為：24V轉5V轉3.3V。從24V直流電壓轉換到5V直流電壓，由LM2576S-5芯片來實現。

具體電路如圖4所示。

圖4 24V轉5V電路

電壓由24V轉變成5V后，再通過1.5A低壓差線性穩(wěn)壓AMS117-3.3芯片轉換成控制板所需電源即3.3V，電路如圖5所示。但是主芯片S3C2440A的內核工作電壓為1.25V，所以還需要進一步的電壓轉換，采用MAX8860EUA18芯片來完成3.3V到1.25V的轉換[11]。

圖5 5V轉3.3V電路

如果電源濾波不干凈的話，電源中含有交流成分，這將會嚴重影響整個系統的工作，所以電源電路中一定要設置濾波電路。濾波電路如圖6所示。

圖6 電源濾波電路

3.2 復位電路

復位電路的好壞直接影響系統電路的穩(wěn)定運行，對整個系統的穩(wěn)定性將產生至關重要的影響。復位電路有兩種方式，分別為手動復位方式和自動復位方式。自動復位是由程序來控制的，手動復位則是需要借助開關按鈕來進行系統復位。本次設計采用MAX811S作為復位芯片，同時該芯片也可以對系統電壓進行實時監(jiān)控。當MAX811S檢測到當前系統電壓小于設定的復位值時，系統就會進行復位操作。該芯片的引腳4為電源輸入端，提供3.3V電源，引腳3接一個按鈕實現復位功能，引腳2為復位輸出端，并串接了一個限流電阻來保證下路芯片的安全。復位電路如圖7所示。

圖7 復位電路

3.3 外部GPIO接口擴展電路

S3C2440A芯片具有130多個I/O口，通過GPIO接口，可以將系統多余的端口引出來，方便后續(xù)功能的增加和其他設備的連接。在中斷口的地方增加上拉電阻，這樣既可以提高抗干擾能力，同時還可以確保系統的正常運行。部分外部GPIO擴展電路如圖8所示。

a. 中斷口上拉電路

b. GPIO接口

4 軟件設計

主程序流程如圖9所示。程序為模塊化程序，這樣設計的目的在于方便修改。程序的功能主要有界面動畫顯示模塊和功能選擇模塊。界面動畫顯示模塊為顯示屏部分，此部分提供視覺展示效果，以動畫的模式讓病人知道自己的護理過程。

圖9 主程序流程

吊掛系統總電源接通后，程序會自動執(zhí)行初始化操作。初始化后便檢測當前的系統狀態(tài)并在界面上顯示。用戶可以根據狀態(tài)顯示結果考慮是否需要復位操作，然后進行吊掛功能的選擇并進行吊掛功能的執(zhí)行，與此同時繼電器打開給電機上電，在程序的控制下實現相應的功能，最后結束當前功能[12]。

按鈕模塊有4個功能按鍵，分別為：固定模式按鍵、康復護理按鍵、肌肉按摩按鍵和復位按鍵。病人可以根據需要選擇不同的護理模式來實現護理需求。

用程序控制步進電機，每個電機都分配有獨立的端口，用“0”表示電機反轉，用“1”表示電機正轉，在KEIL5編譯軟件中，部分控制程序如下[13]：

//3號電機驅動

if((0==back_run_up_flag)&&(0==back_run_down_flag)&&(0==leg_run_up_flag)

&&(0==leg_run_down_flag)&&(0==washlet_run_flag)&&(0==body_turn_left_flag)&&(0==body_turn_right_flag))

{

int j;

Hang_1_2(1,43000);//將左肢抬高

delay_ms(1000);

for(j=0;j

{

LED1=0; //在康復訓練過程中LED1閃爍

Hang_1(1,75000); //向上運動

LED1=1;

delay_ms(1000);

LED1=0;

Hang_1(0,75000); //向下運動

LED1=1;

delay_ms(1000);

}

Hang_1_2(0,43000); //將左肢放平到原來的位置

LED1=1;

}

else

{

LED0=0; //若不滿足條件，LED0/LED1閃一下

LED1=0;

delay_ms(100);

LED0=1;

LED1=1;

}

5 系統調試

多功能智能吊掛系統整體聯調是將ARM9控制系統和機械結構系統結合起來進行調試，測試整體系統的設計是否能夠滿足預先的設計需求。本設計主要從以下幾個方面對整體系統進行調試：

a. 通過串口通信，將程序燒入ARM芯片，用示波器檢測各個主要端口的信號是否正常；

b. 整體系統上電，通過遙控器上的按鍵選擇不同的護理模式來檢測各個功能運行是否正常；

c. 讓測試者在測試時晃動腿部，以此來檢測機械結構的穩(wěn)定性和整體系統運行的穩(wěn)定性。

在整體聯調的同時，多次修改程序來完善產生的問題，使得最終設計滿足預期要求。并且經過多功能吊掛系統的整體調試，在系統能夠滿足功能需求的情況下，反復測試整體系統，大量的測試結果充分證明了整體系統運行的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結束語

針對國內吊掛水平低下的現象，研究并設計了一種多功能的智能吊掛方案。建立了基于ARM9的嵌入式控制系統，完成了對多功能吊掛的控制。詳細介紹了硬件電路的模塊化設計并對整體機械結構進行了仿真驗證，最后通過了整體系統調試，結果證明此吊掛系統運行的可靠性和安全性，滿足了社會對智能護理產品的需求，對高端護理產品在國內的發(fā)展具有一定的促進作用。今后，還需要進一步結合實際，對整個系統進行優(yōu)化升級。

[1] 王霞.中國人口結構變動與老齡化問題研究[J].濟南大學學報(社會科學版)，2015，25(2):66～69.

[2] 趙向紅.城市失能老人長期照料問題的應對之策[J].貴州社會科學，2012，(10)：129～132.

[3] 廖翼.智能護理床的發(fā)展現狀與趨勢[J].醫(yī)療裝備，2013，26(10):5～7.

[4] Shyu K K，Chiu Y J，Lei P, et al.Total Design of an FPGA-Based Brain-Computer Interface Control Hospital Bed Nursing System[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(7):2731～2739.

[5] 田帥，侯杰.多功能護理床的設計研究[J].科技致富向導，2010，27：129.

[6] 陳永當，鮑志強，任慧娟,等.基于Solidworks Simulation 的產品設計有限元分析[J].計算機技術與發(fā)展，2012，22(9):177～180.

[7] 周晴，杜平安，劉孝保.面向對象有限元分析技術及其實現方法研究[J].系統仿真學報，2012，24(3):582～586.

[8] 李述良，馮杰，劉文進，等.基于S3C2440A嵌入式系統的硬件設計[J].黃岡師范學院學報，2009，29(3):37～41.

[9] 張豪，楊春燕，汪筱陽. S3C2440A芯片及應用[J].電子設計工程，2011，19(24):26～29.

[10] 譚林，魯守銀，張偉，等.機器人化護理床及其控制系統[J].山東建筑大學學報，2010，25 (1) :18～20.

[11] 江俊輝.基于ARM的嵌入式系統硬件設計[J].微計算機信息，2005，(10)：120～122.

[12] 張鐵，謝存禧，周惠強，等.一種機器人化的多功能護理床及其控制系統[J].華南理工大學學報(自然科學版)，2006，34(2):47～51.

[13] 王小強. ARM處理器裸機開發(fā)實戰(zhàn)：機制而非策略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

DesignofMulti-functionalHangingSystem

CHEN Sen, CHENG Wu-shan
(CollegeofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience)

Through in-depth study of the mechanical structure and control principle, a multi-functional hanging system which boasting of fixing the limbs at a height at will and rehealthy training of the damaged limbs was designed. The realization of hanging system’s structure design and the implementation of control system were elaborated. The ARM9/S3C2440A chip which acting as the core of the control system can realize the system hardware requirements through the design of backplane circuit; through taking KEIL5 as development environment in software part and the control over the high and low level of I/O port, the motors’ operation and the operation of the whole system were controlled. Simulation with Solidworks software verifies the feasibility of the mechanical structure design.

intelligent hanging, ARM9/S3C2440A, Solidworks simulation, power circuit

陳森(1992-)，碩士研究生，從事嵌入式系統的研究，739779625@qq.com。

TH865

A

1000-3932(2017)12-1164-06

2017-09-06，

2017-11-07)

全球No.1雙盤閥問世

“中國制造”再上新臺階！

近日，安特威集團成功研制出了20英寸雙盤閥，這也是迄今為止全球最大的雙盤閥，再次引發(fā)業(yè)界的高度關注。

雙盤閥是安特威匠心獨運的創(chuàng)造之舉！這是專門為煤化工鎖斗系統切斷閥量身定制的一種特殊閥門。一直以來，鎖斗閥故障是制約煤氣化裝置穩(wěn)定運行的重要因素，就算是進口閥門的在線壽命也難以突破四千小時。安特威針對這一技術瓶頸，創(chuàng)造性地將盤閥引入該領域，最終研制出全球首臺雙盤閥，壽命提升了4～5倍，為國家節(jié)省了大量資源，極大地提升了客戶的經濟效益。

目前，安特威雙盤閥已應用在神華寧煤400萬噸煤制油、潞安集團400萬噸煤制油、大同煤業(yè)集團煤制甲醇、明水化工改擴建及新能能源二期等項目上，無論是壽命還是可靠性均深受客戶贊譽！