基于模塊化設(shè)計的自動控溫艾灸盒

王一凡, 韓 夏, 韋坤妮, 王 晶, 王澤峰, 黃金昶, 閆 聰

(1. 北京中醫(yī)藥大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 北京, 100029; 2. ASIR(中法)人工智能與機(jī)器人協(xié)會, 法國 巴黎, 75001;3. 湖州師范學(xué)院, 浙江 湖州, 313000; 4. 北京中醫(yī)藥大學(xué)附屬第三醫(yī)院, 北京, 100029)

艾灸通過點(diǎn)燃艾草對穴位產(chǎn)生刺激，具備溫經(jīng)散寒、舒筋活絡(luò)等功效。艾灸治療中應(yīng)遵循中醫(yī)“三因制宜”的思想，施灸過程中應(yīng)根據(jù)患者病情、身體形態(tài)選擇合適的灸法及器具進(jìn)行治療[1]。同時，隨著艾灸機(jī)制研究的深入以及臨床環(huán)境的變化，艾灸療法也在不斷更新[2-3], 艾灸治療的需求也隨之不斷變化，對艾灸設(shè)備的設(shè)計提出了個性化、多樣化的要求[4]。產(chǎn)品與設(shè)備的個性化定制隨著工業(yè)、制造業(yè)的發(fā)展逐漸興起，模塊化就是一種豐富產(chǎn)品功能、實(shí)現(xiàn)個性化的設(shè)計、生產(chǎn)的解決方案[5]。本文提出了一種模塊化艾灸盒的設(shè)計方案(國家實(shí)用新型專利號ZL202022220208.8), 以滿足中醫(yī)個性化診療的設(shè)計需求?；谠撃K化方案，設(shè)計了能夠切換施灸部位的自動控溫艾灸盒，同時針對艾灸盒自動控溫系統(tǒng)在模塊化系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)。

1 艾灸盒的模塊化設(shè)計與方法

1.1 模塊劃分

模塊化設(shè)計的目的是滿足艾灸盒的個性化、多功能等需求，同時改進(jìn)溫控系統(tǒng)以適應(yīng)模塊化設(shè)計。艾灸盒是臨床常用的輔助施灸的設(shè)備，具備固定艾條、溫度檢測等功能，其控溫功能由艾條升降結(jié)構(gòu)、電機(jī)、溫度傳感器等組成。通過對艾灸盒改進(jìn)設(shè)計研究的分析[6-10], 采用模塊劃分的方法對模塊化艾灸盒的控溫功能進(jìn)行改進(jìn)。同時，為了豐富艾灸盒的功能，設(shè)計了統(tǒng)一接口，方便更多模塊接入。

在模塊化艾灸盒的設(shè)計中，艾灸盒被分為了2個部分，即“控制”和“治療”，圖1所示為模塊化堆疊的形式。控制模塊是模塊化艾灸盒的核心部分，完成信號的接收、處理、動力輸出等功能。治療模塊主要承擔(dān)施灸的治療功能，需根據(jù)施灸部位、艾條尺寸、療法的特點(diǎn)在升降結(jié)構(gòu)、艾條的固定、個性化部分及模塊化接口等方面進(jìn)行合理設(shè)計。根據(jù)模塊化框架定義，由控制、驅(qū)動部分組成的控制模塊是統(tǒng)一規(guī)格的，由治療、個性化部分組成的治療模塊是根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計生產(chǎn)并在應(yīng)用時進(jìn)行更換的。

1.2 模塊設(shè)計

1.2.1 控制模塊: 控制模塊是模塊化艾灸盒的核心模塊，除板載程序外不需要定制。該模塊包含與治療模塊連接的端口、驅(qū)動單元和控制單元。① 連接端口: 連接端口包括機(jī)械動力連接端口與數(shù)據(jù)連接端口。機(jī)械動力連接主要結(jié)構(gòu)為動力片，動力片由舵機(jī)搖臂改裝而成，是齒數(shù)為3的類齒輪結(jié)構(gòu)，齒頂圓半徑為22.5 mm, 齒寬度與齒間距均為60 °; 數(shù)據(jù)連接端口由4 pin磁吸金屬觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，觸點(diǎn)間距2.54 mm, 4個引腳分別為電源、接地以及2個數(shù)據(jù)通信觸點(diǎn)。連接端口如圖2所示。② 驅(qū)動單元: 艾灸盒常用電機(jī)升降艾條、LED燈模擬紅外光等方式進(jìn)行施灸[11-12], 溫度控制與調(diào)節(jié)也是自動施灸艾灸盒的基本功能。在模塊化艾灸盒的控制中，采用脈沖帶寬調(diào)制(PWM)以控制盡可能多的元件。舵機(jī)中有基準(zhǔn)電路和位置監(jiān)測器，可以控制旋轉(zhuǎn)的角度，獲得了精確控制艾條升降的條件。PWM信號還可以作為功率控制方式調(diào)節(jié)LED燈、風(fēng)扇等，多種輸出模塊均是同一種控制方法，有助于模塊化設(shè)計平臺建設(shè)并增加功能豐富度。③ 控制單元: 包括微處理單元ESP12-E以及傳輸數(shù)據(jù)的端口。內(nèi)置閃存可以儲存艾灸時的溫度信息、患者信息等。通過無線傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和HTTP協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)的Web網(wǎng)頁顯示當(dāng)前的設(shè)備狀態(tài)并對設(shè)備進(jìn)行控制。

1.2.2 治療模塊: 為了適應(yīng)各種艾灸療法及個性化需求，需要定義治療模塊的功能及技術(shù)要求。治療模塊一端與控制模塊連接，另一端需要與底座相連。治療模塊在設(shè)計上應(yīng)滿足以下要求: ① 點(diǎn)燃艾條的設(shè)計應(yīng)包含艾條的固定、濾灰等裝置; ② 溫度控制系統(tǒng)，至少包括1個溫度傳感器與適合的升降結(jié)構(gòu); ③ 個性化定制部分; ④ 根據(jù)本設(shè)計定義的端口與控制模塊連接的接口。

2 結(jié) 果

2.1 以施灸部位切換為例的治療模塊設(shè)計

艾灸盒作為艾灸的輔助器具，需要滿足多樣性、個性化的使用需求。從施灸部位上看，配穴施灸可以提升艾灸的療效[13], 常用的施灸部位包括腿部、肩部、腹背部等[14-18]?；诖?，設(shè)計了2種模塊化艾灸盒的治療模塊，以驗(yàn)證框架的可行性。通過將控制模塊安裝在不同的治療模塊實(shí)現(xiàn)施灸部位的切換，切換效果示意圖見圖3。

2.2 單穴位灸

① 艾條固定、濾灰結(jié)構(gòu): 設(shè)計了2種尺寸不同的艾條固定器，方便患者在應(yīng)用時根據(jù)需要選擇不同的艾柱。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。② 溫度控制系統(tǒng): 溫度傳感器被布置在靠近皮膚的位置，能夠探測施灸時的皮膚溫度。升降結(jié)構(gòu)共分為3層，外層為外殼，外殼的內(nèi)側(cè)有2條豎直方向的導(dǎo)軌; 中層為動力圈，動力圈帶有動力接口的齒型缺口和螺旋槽孔; 內(nèi)層為艾條固定圈，固定圈上帶有固定柱，穿過螺旋槽孔置于外層豎直軌道內(nèi)。③ 個性化定制部分: 接觸皮膚時硬質(zhì)塑料會造成不適，該治療模塊設(shè)計了一種基于柔性材料并可進(jìn)行3D打印的底座模塊，使用熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行打印。選用了硬度評級為55A、65A、85A、95A的材料進(jìn)行3D打印，可根據(jù)施灸時佩戴舒適度、支撐性等需求選擇不同硬度的底座進(jìn)行更換。應(yīng)用3D打印技術(shù)節(jié)省了開模費(fèi)用，方便進(jìn)行測試和調(diào)整。④ 連接端口: 動力圈上有和動力片嚙合的齒型結(jié)構(gòu)，安裝動力圈后進(jìn)行溫度控制時，動力圈由控制模塊動力片帶動旋轉(zhuǎn)，使艾條固定圈上下移動。金屬觸點(diǎn)有線連接延伸至下方的溫度傳感器。

2.3 多穴位灸

多穴位灸治療模塊主要針對腰腹部多穴位的艾灸，模塊總體采用拱橋設(shè)計(見圖5，剖面視圖)，使艾條懸于皮膚之上。① 艾條固定、升降結(jié)構(gòu): 艾條采用鐵絲網(wǎng)固定在艾條固定架上。艾灸時，控制模塊根據(jù)溫度控制動力圈進(jìn)行0～180 °的旋轉(zhuǎn)，改變艾條和皮膚之間的距離。② 溫度控制系統(tǒng): 溫度傳感器布置位置與單穴位灸相同，固定裝置與連桿間是固定連接的，連桿隨動力連接一起轉(zhuǎn)動，連桿與艾條固定裝置之間呈活動連接，轉(zhuǎn)動時艾條的方向始終保持豎直。③ 個性化定制部分: 艾條固定鐵絲網(wǎng)可以在固定架上移動，可根據(jù)患者體型調(diào)整腹背部的施灸穴位。④ 連接端口: 動力圈有和控制模塊動力片的統(tǒng)一齒型接口，安裝部位有專門的卡槽和磁吸連接觸點(diǎn)，用于控制模塊的安裝和數(shù)據(jù)的傳輸。

2.4 施灸部位切換

當(dāng)在四肢或單個穴位施灸時，可選擇單穴位灸治療模塊; 在腹背部大面積、多穴位施灸時，可選擇多穴位灸治療模塊。將控制模塊安裝在不同治療模塊上即可完成施灸部位的切換，見圖6，圖中單穴位灸和多穴位灸使用的是同一個控制模塊。

2.5 控制軟件

治療模塊根據(jù)不同的施灸部位與療法進(jìn)行設(shè)計，在應(yīng)用通用的模塊化接口時存在不同的限位與步進(jìn)角度，故在完成模塊切換時需在軟件進(jìn)行設(shè)置。在軟件界面中，點(diǎn)擊切換按鈕即可完成單穴位灸與多穴位灸的參數(shù)更改，自動模式下可點(diǎn)擊完成溫度設(shè)置、開啟或關(guān)閉自動模式，手動模式可點(diǎn)擊完成升高或降低艾條。

2.6 溫控測試

測試了2種艾灸盒的溫度區(qū)間以及自動模式下控溫能力，測試結(jié)果見表1。溫度區(qū)間測試分別保持艾條的最低和最高位置不變，測得溫度40～60 ℃, 保證了艾灸盒施灸的安全性，治療時間20～50 min, 可以保證施灸的療效。自動模式測試了2種艾灸盒溫度為45℃的自動模式以及單穴位灸50 ℃的自動模式，測試曲線見圖7。測試過程中，開啟自動模式后，舵機(jī)隨著溫度變化(圖7中藍(lán)線)自動對艾條的高度(圖7中黃線)進(jìn)行調(diào)整?？刂颇K通過金屬觸點(diǎn)讀取皮膚的溫度，不需要調(diào)整艾條位置時，每0.5 s讀取1次; 調(diào)整艾條位置后，經(jīng)過20次測溫后再判斷是否需要再次調(diào)整。這種算法調(diào)溫敏感, 0.5 s間隔可以滿足艾灸時的測溫需求，調(diào)整后的測溫可以避免頻繁調(diào)整艾條位置，保證溫度的穩(wěn)定。溫度測試可以看出，溫度的調(diào)節(jié)能夠與艾條高度對應(yīng)，監(jiān)測溫度低于設(shè)置溫度時(藍(lán)線低于預(yù)設(shè)值)，舵機(jī)自動控制艾條高度降低(黃線下降)，當(dāng)溫度逐漸升高至設(shè)定溫度范圍內(nèi)，舵機(jī)停止工作，維持艾條高度不變(黃線水平); 當(dāng)監(jiān)測溫度超過設(shè)定溫度范圍，舵機(jī)自動控制艾條高度上升(黃線上升)。當(dāng)艾條即將燃燒殆盡，監(jiān)測溫度一直不能達(dá)到設(shè)定溫度，舵機(jī)會控制艾條高度降低到最低部(圖7中Y軸為0的位置，但艾灸盒的設(shè)計保證在最低部時艾條也不會觸碰到皮膚)，并維持該位置，而整體溫度會隨著時間逐漸降低。

經(jīng)過測試，響應(yīng)能力和溫控能力滿足了艾灸的使用需求，在模塊切換后溫度控制功能較為完整，進(jìn)一步驗(yàn)證了模塊化設(shè)計的可行性及溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為艾灸手法提供了基礎(chǔ)。

表1 溫控測試結(jié)果

3 討 論

艾灸盒較為統(tǒng)一的外形與尺寸難以滿足艾灸治療中遵循中醫(yī)“三因制宜”思想。模塊化設(shè)計有助于人們應(yīng)對多功能、個性化需求的挑戰(zhàn)，例如在生物傳感器與腦電領(lǐng)域都有為豐富功能而建立的模塊化體系[19-21]。在面對大量的定制或復(fù)雜需求時，各領(lǐng)域都在積極提出模塊化方案，以達(dá)到簡化問題、提高設(shè)計生產(chǎn)效率的目的。

模塊化艾灸盒的控制模塊可Wi-Fi遠(yuǎn)程控制，自動、無級調(diào)溫，較自動控溫艾灸盒控制方便; 治療模塊可靈活切換施灸部位與功能，較木質(zhì)艾灸盒使用場景靈活; 底座模塊可個性化定制，如選擇不同高度或材料的底座，較無個性化定制的艾灸盒治療體驗(yàn)更佳。

控制施灸溫度是通過調(diào)整艾條與皮膚間的距離實(shí)現(xiàn)的，這種控溫方法較為直接，溫度控制靈活。目前艾灸盒大多采用升降結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)溫度的控制，但實(shí)際設(shè)計中升降結(jié)構(gòu)對艾灸盒的形狀與大小有要求，艾灸時存在一定限制?！翱刂啤迸c“治療”分體式的設(shè)計能夠?yàn)閭€性化設(shè)計留有空間。

從整體溫控效果看，本設(shè)計的溫控系統(tǒng)具備2個優(yōu)點(diǎn): ① 溫度曲線調(diào)整較為靈敏，在開始施灸時及艾灸過程中，艾條位置能夠逐步調(diào)整，升溫過程中5 min即可達(dá)到設(shè)置溫度，能夠及時將溫度調(diào)回設(shè)置范圍; ② 達(dá)到調(diào)控溫度后控溫平穩(wěn)，艾條在小范圍內(nèi)升降，能夠維持10～25 min的平穩(wěn)溫度。單穴位灸與多穴位灸是2種常用且體積兩極化的典型艾灸盒，改進(jìn)的溫控系統(tǒng)在兩種設(shè)備切換時仍然能夠達(dá)到治療溫度。

治療模塊的個性化定制部分可根據(jù)患者情況更換模塊。選擇合適的模塊進(jìn)行治療，將提升艾灸治療的體驗(yàn)，有助于提高患者依從性。結(jié)合3D打印技術(shù)，在醫(yī)院或家中即可加工個性化模塊，且可選用不同材料進(jìn)行打印，并選擇合適的高度，進(jìn)一步調(diào)整艾灸盒的可控溫度，也可同時滿足不用尺寸的要求，例如臨床應(yīng)用時不同尺寸的艾灸盒可根據(jù)患者體型進(jìn)行設(shè)計; 家庭應(yīng)用時，也可以根據(jù)兒童體型差異設(shè)計小號的治療模塊進(jìn)行施灸。

本文提出了艾灸盒的模塊化設(shè)計方案，定義了模塊劃分及各模塊的功能?；谠摲桨冈O(shè)計了控制模塊及相應(yīng)端口，同時改進(jìn)了艾灸盒的升降結(jié)構(gòu)以適用模塊化拆裝的設(shè)計，并根據(jù)切換施灸部位功能設(shè)計了2種治療模塊?；谀K化設(shè)計，該艾灸盒不受傳統(tǒng)艾條規(guī)格的限制，應(yīng)用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)自主感知溫度、自動調(diào)節(jié)艾條位置的功能。面對多種使用場景，通過模塊的拆裝，一方面簡化了艾灸盒功能切換、個性化定制等問題，另一方面是控制成本的一種方式。本文設(shè)計的模塊化智能艾灸盒實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)中醫(yī)療法的結(jié)合，具有較大的應(yīng)用潛力，為艾灸盒甚至中醫(yī)診療設(shè)備的設(shè)計提供了新的方法及思路。