一種智能型腿部按摩儀的設(shè)計(jì)*

李卓琪，李 娜

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

隨著我國(guó)人口老齡化加速，老年人易患的心腦血管、神經(jīng)系統(tǒng)等各類疾病往往會(huì)引起偏癱、下肢運(yùn)動(dòng)障礙等問(wèn)題，從而導(dǎo)致其長(zhǎng)期臥床。根據(jù)中國(guó)老齡辦發(fā)布的“2010年度中國(guó)老齡事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)”數(shù)據(jù)[1]，到2020年中國(guó)將會(huì)有超過(guò)4200萬(wàn)臥床老人，總計(jì)占到老年人口總數(shù)的30%[1]。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)老年人平均不能自理率達(dá)到8.81%，高齡患者臥床數(shù)量巨大且逐年遞增[1]。長(zhǎng)期臥床的老年患者因自身自理能力差、缺乏活動(dòng)，從而易引發(fā)一系列并發(fā)癥，如褥瘡、肌肉萎縮、足下垂等[1]。與此同時(shí)，現(xiàn)代社會(huì)各種技術(shù)飛速發(fā)展，老年人在接受新產(chǎn)品、新技能時(shí)需要一段較長(zhǎng)的適應(yīng)時(shí)間。

鑒于以上情況，為預(yù)防老年人長(zhǎng)期臥床引發(fā)的并發(fā)癥，并考慮到老人年對(duì)新產(chǎn)品的認(rèn)知特點(diǎn)，本研究旨在設(shè)計(jì)一種智能型腿部按摩儀。該按摩儀主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：一方面結(jié)合康復(fù)醫(yī)學(xué)知識(shí)，采用物理療法，通過(guò)老年人下肢與儀器內(nèi)表面的圓弧突起物相接觸，使用者能夠感受到動(dòng)態(tài)的按壓效果；另一方面，根據(jù)使用者需求，加入腿部抬升支架和踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)支架，通過(guò)支架自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)患肢抬高20°～30°，同時(shí)可調(diào)節(jié)腳踝角度，實(shí)現(xiàn)足與下肢成直角，輔助使用者下肢運(yùn)動(dòng)。以上功能均可通過(guò)語(yǔ)音操作完成。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)控制部分以嵌入式單片機(jī)STM32為核心[2]。本裝置可實(shí)現(xiàn)兩大功能：主功能實(shí)現(xiàn)對(duì)腿部的按摩，按摩功能是通過(guò)氣泵對(duì)氣囊有規(guī)律地充放氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)小腿不同程度的擠壓，從而完成按摩功能，促進(jìn)腿部血液循環(huán)，防止出現(xiàn)靜脈血栓對(duì)患者造成二次傷害。輔助功能實(shí)現(xiàn)腿部的抬升及腳踝的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)該機(jī)械運(yùn)動(dòng)促進(jìn)患者腿部血液流通，加速患者腿部的康復(fù)。腳踝的運(yùn)動(dòng)主要是以踝關(guān)節(jié)的背屈和跖屈為主，有助于減少足下垂的發(fā)生，還可改善中風(fēng)、截癱等疾病引起的踝關(guān)節(jié)變形。主功能與輔助功能均可通過(guò)語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)由六個(gè)部分組成：電源模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊(LD3320)、主芯片STM32F429、電機(jī)、按摩模塊及下肢活動(dòng)模塊等。首先用戶發(fā)出指令，語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320識(shí)別指令關(guān)鍵詞，并進(jìn)行處理分析，輸出識(shí)別結(jié)果[3-4]；然后將識(shí)別結(jié)果傳送給主芯片STM32F429；由單片機(jī)STM32的控制選擇實(shí)現(xiàn)按摩功能或下肢活動(dòng)功能。如主控芯片識(shí)別指令為腿部按摩功能，則控制氣泵對(duì)氣囊有規(guī)律地充放氣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小腿不同程度的擠壓，達(dá)到按摩效果；如主控芯片識(shí)別指令為下肢活動(dòng)功能，則控制電機(jī)帶動(dòng)腿部支架進(jìn)行不同角度的抬升；此外，控制腳踝支架實(shí)現(xiàn)腳踝的背屈和跖屈活動(dòng)。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)采用5 V電源供電?？紤]到LD3320芯片的工作電壓是3.3 V，因此，本設(shè)計(jì)采用LM337穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)5 V電壓至3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換[5]。

2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

采用LD3320芯片實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能[3]。主要由語(yǔ)音信號(hào)采集、識(shí)別及處理兩部分組成。首先用戶發(fā)出相應(yīng)指令，由LD3320芯片構(gòu)成的模塊采集并識(shí)別“關(guān)鍵詞”，并將結(jié)果傳送給主芯片。主芯片控制外部電路完成按摩或者下肢活動(dòng)等功能。LD3320芯片語(yǔ)音識(shí)別原理[3-6]如圖2所示。

圖2 LD3320語(yǔ)音識(shí)別原理圖

2.3 下肢活動(dòng)控制模塊

1) 電動(dòng)舵機(jī)

電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)為位置伺服系統(tǒng)，通過(guò)接收主芯片發(fā)送的控制指令，經(jīng)過(guò)與實(shí)際位置反饋?zhàn)霾?，其誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID控制器計(jì)算，并將結(jié)果輸出給功率放大電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。為了防止電樞電流過(guò)大，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)PWM信號(hào)的占空比輸出進(jìn)行限制，其系統(tǒng)控制原理框圖如圖3所示[7-9]。

圖3 舵機(jī)控制原理框圖

由于本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)抬升患者小腿的功能，所以選取的舵機(jī)力矩不能太小。本文采用DSS-M15S舵機(jī)，該舵機(jī)更加穩(wěn)定可靠，能夠百分百達(dá)到所標(biāo)定的參數(shù)性能，具備力矩大、抖動(dòng)小、散熱好，能夠在高負(fù)載下長(zhǎng)期工作的能力，基本符合本研究需求。

2) 機(jī)械抬升裝置

該裝置用于抬升腿部，包括用于支撐腿部的半圓柱型護(hù)板、電機(jī)以及其它的輔助支架。通過(guò)主芯片STM32F429產(chǎn)生的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)支架運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而促使腿部抬升[10-11]，其工作原理如圖4所示。

圖4 機(jī)械控制原理框圖

2.4 按摩模塊

腿部按摩模塊利用STM32嵌入式單片機(jī)控制氣泵充氣與泄氣，從而實(shí)現(xiàn)按摩及定時(shí)的功能。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。利用單片機(jī)一方面控制氣泵對(duì)氣囊進(jìn)行充氣和泄氣；另一方面控制充氣與泄氣的速度或者時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)不同程度的按摩強(qiáng)度及按摩時(shí)間[12]。

圖5 按摩模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程圖如圖6所示。首先初始化主控芯片，其次通過(guò)接收語(yǔ)音信號(hào)，識(shí)別指令，對(duì)其余模塊進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊(LD3320芯片)識(shí)別用戶輸入的指令性語(yǔ)言，進(jìn)而選擇是否實(shí)現(xiàn)按摩功能或者下肢活動(dòng)功能。其中，語(yǔ)音識(shí)別的部分代碼如下：

void LD3320(void){

u8nAsrRes=0;

While(1){

switch(nAsStatus){

caseLD_ASR_RUNING;

caseLD_ASR_ERROR;

caseLD_ASR_NONE;

nASRStatus=LD_ASR_RUNING;

If(RunASR()==0){nAsrStatus=LD_ASR_ERROR;

Break;

}

caseLD_ASR_FOUNDOK:nAsrStatus=LD_getResult();

printf(“ 識(shí)別碼：d%”,nAsrRes);

}

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主流程圖

4 測(cè)試與結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)腿部的按摩主功能以及腿部抬升及腳踝運(yùn)動(dòng)的輔助功能。使用者可根據(jù)自身需求自行選擇功能模塊。采用該按摩儀進(jìn)行測(cè)試，接通電源后，測(cè)試者選擇按摩功能模塊，通過(guò)語(yǔ)音輸入按摩強(qiáng)度為中，按摩時(shí)長(zhǎng)為20 min，測(cè)試者腿部能感受到明顯的擠壓按摩；選擇下肢運(yùn)動(dòng)功能模塊，語(yǔ)音輸入或手動(dòng)控制腿部抬升20 cm，抬腿時(shí)長(zhǎng)10 min；同時(shí)可自行設(shè)定抬腿次數(shù)。通過(guò)按摩儀的測(cè)試，幫助老年患者自行鍛煉腿部，且本設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，下肢腿部抬升的高度及踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度均可根據(jù)老年人的實(shí)際需求自行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)使用的智能化及舒適度。