高頻間歇負(fù)壓肢體循環(huán)理療儀設(shè)計(jì)

周利杰,郝瑞林,蔡國慶,劉 輝

(1.河北水利電力學(xué)院 機(jī)械工程系,河北 滄州 061001;2.河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 滄州 061001)

肢體循環(huán)障礙主要表現(xiàn)為淋巴水腫,在世界衛(wèi)生組織對致殘類疾病的排位中位居第二位[1]。 目前綜合消腫法具有較好的消腫效果,已被國際推薦為消腫的標(biāo)準(zhǔn)療法[2]。 近些年,眾多學(xué)者針對肢體循環(huán)促進(jìn)裝置進(jìn)行研究和嘗試。 何玉祥等[3]通過在口腔建立負(fù)壓,驗(yàn)證了負(fù)壓能夠影響淋巴動力學(xué),可以有效促進(jìn)淋巴循環(huán)。 趙玉璽等[4]利用壓縮空氣設(shè)計(jì)了一種促進(jìn)肢體血液循環(huán)的儀器,通過氣囊的壓力變化反復(fù)壓迫肢體,促進(jìn)血液循環(huán)。 劉東[5]針對治療深靜脈血栓設(shè)計(jì)了空氣波壓力治療儀,通過充氣的方式壓迫足底促進(jìn)血液和淋巴流動,從而消除水腫。 吳頔[6]利用氣囊間歇充放氣模擬肌肉的收縮和舒張效果設(shè)計(jì)了肢體循環(huán)促進(jìn)裝置。 通過上述分析可知,現(xiàn)有研究成果主要利用氣囊的間歇充放氣實(shí)現(xiàn)對肢體的壓迫,從而促進(jìn)肢體循環(huán),氣囊的壓迫面積較大,對于面積較小的水腫組織適應(yīng)性較差。 本文針對氣囊應(yīng)用于促進(jìn)肢體循環(huán)裝置的局限性,利用小口徑的負(fù)壓吸口,并結(jié)合高頻間歇工作方式設(shè)計(jì)了高頻間歇負(fù)壓肢體循環(huán)理療儀。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高頻間歇負(fù)壓肢體循環(huán)理療儀采用分體式的設(shè)計(jì)方案,主要由理療手柄、負(fù)壓管路、主機(jī)和觸摸屏構(gòu)成,如圖1 所示。 主機(jī)內(nèi)部主要由負(fù)壓泵、電磁閥、負(fù)壓傳感器、控制板等組成。 為增加理療手柄對水腫組織皮膚的牽拉作用,理療手柄內(nèi)設(shè)計(jì)有直流減速電機(jī)和搖擺機(jī)構(gòu),能夠使理療手柄的吸口來回?cái)[動。

主機(jī)內(nèi)部的負(fù)壓泵選用德國Thomas1420D 直流無刷隔膜泵,該負(fù)壓泵能夠產(chǎn)生-40 kPa ~0 kPa 的相對真空壓力。 電磁閥選用廈門微能WV121 型兩位三通電磁閥,電磁閥得電時接通負(fù)壓泵和負(fù)壓管路,通過理療手柄將負(fù)壓作用于水腫組織;電磁閥掉電時接通負(fù)壓管路和外界大氣,使負(fù)壓管路泄壓,理療手柄失去對水腫組織的抽吸力,通過電磁閥的高頻通斷即可使理療手柄產(chǎn)生振動的效果。 負(fù)壓傳感器選用蕪湖芯硅智電子科技有限公司的XGZP6829D 型負(fù)壓傳感器,量程為-100 ~0 kPa,分辨率為24 bits,響應(yīng)頻率可達(dá)400 Hz。 控制板集成有STM32f407 微控制器,并結(jié)合模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓泵和微型電磁閥的精確控制。 負(fù)壓系統(tǒng)原理如圖2 所示。

2 負(fù)壓搖擺理療手柄設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)壓搖擺理療手柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為增加負(fù)壓理療手柄對水腫組織的牽拉和揉搓效果,本文設(shè)計(jì)了可擺動吸口的負(fù)壓搖擺理療手柄。如圖3 所示。 其中,根據(jù)吸口的大小不同,設(shè)計(jì)了一系列吸口,方便根據(jù)不用的水腫組織部位更換合適口徑的吸口;負(fù)壓管路與主機(jī)相連,將負(fù)壓泵產(chǎn)生的負(fù)壓傳導(dǎo)至吸口;搖擺機(jī)構(gòu)采用四桿搖擺機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動電機(jī)采用大力矩直流減速電機(jī),可通過主動齒輪將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給從動齒輪,從動齒輪與調(diào)節(jié)圓盤固定連接,通過調(diào)節(jié)塊帶動連桿運(yùn)動,連桿帶動搖擺吸口座繞其旋轉(zhuǎn)軸線來回?cái)[動。 為了能夠調(diào)整吸口的擺動幅度,調(diào)節(jié)圓盤設(shè)計(jì)有徑向凹槽,調(diào)節(jié)塊內(nèi)嵌入徑向凹槽內(nèi),可沿凹槽滑動。 使用過程中,可通過調(diào)整調(diào)節(jié)塊在調(diào)節(jié)圓盤凹槽內(nèi)的位置來調(diào)整搖擺吸口座的擺動幅度。

2.2 負(fù)壓搖擺理療手柄運(yùn)動分析

為驗(yàn)證搖擺機(jī)構(gòu)的性能,本文利用SolidWorks 的運(yùn)動分析模塊對搖擺機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動分析,選取吸口與水腫組織接觸面的圓心點(diǎn)作為研究對象,分析運(yùn)動過程中該圓心點(diǎn)的位移幅值、速度幅值和加速度幅值。 得到的結(jié)果如圖4 所示,其中,位移1 表示調(diào)節(jié)塊位于調(diào)節(jié)圓盤凹槽最外端時所得的位移曲線,位移2 表示調(diào)節(jié)塊位于調(diào)節(jié)圓盤凹槽最內(nèi)端時所得的位移曲線,兩條曲線對比可知,吸口與水腫組織接觸面圓心點(diǎn)的位移調(diào)節(jié)范圍約為18 ~32 mm。 機(jī)構(gòu)的速度和加速度幅值能夠較好地反映出機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平滑程度[7],本文在仿真過程中對從動齒輪施加30 r/min 的轉(zhuǎn)速,加速度運(yùn)動分析曲線如圖5 所示,結(jié)果表明:速度范圍約為0 ~57 mm/s,加速度范圍52 ~256 mm/s2,速度曲線和加速度曲線變化規(guī)律較平滑,不存在較大的突變點(diǎn),應(yīng)用于水腫組織的理療時能夠提供較好的舒適性。

3 高頻間歇負(fù)壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)

針對高頻間歇負(fù)壓肢體循環(huán)理療儀,采用電容觸摸屏進(jìn)行交互,本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)交互界面如圖6 所示。 控制系統(tǒng)交互界面中可設(shè)置負(fù)壓值、手柄搖擺速度、手柄振動頻率、抽吸釋放周期、抽吸占比等參數(shù)。

3.2 模糊PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

由負(fù)壓泵、理療手柄、負(fù)壓管路和負(fù)壓傳感器所構(gòu)成的負(fù)壓系統(tǒng)在工作過程中并不是理想的線性定常系統(tǒng),許多因素會導(dǎo)致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)發(fā)生變化,如:在工作過程中根據(jù)水腫部位更換吸口、水腫組織的硬化程度不同、理療參數(shù)的變化等。 常規(guī)的PID 控制算法適合用于精確模型的控制[8],對應(yīng)具有時變性、非線性和易受到干擾的控制系統(tǒng)控制效果不佳[9]。 模糊PID 控制將模糊控制與PID 控制相結(jié)合,具有機(jī)動性好、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)[10-11],因此,本文采用模糊PID 控制算法。 結(jié)合本文的高頻間歇負(fù)壓控制應(yīng)用場景,得到的模糊PID 控制系統(tǒng)如圖7 所示,運(yùn)行過程中實(shí)時計(jì)算當(dāng)前負(fù)壓值和期望負(fù)壓值的偏差E以及負(fù)壓值偏差的變化率EC,并將兩者送入模糊控制器,進(jìn)而完成對常規(guī)PID 控制參數(shù)的實(shí)時調(diào)整。

根據(jù)理療儀的控制要求,理療手柄的負(fù)壓值范圍為0 ~300 mmHg,故設(shè)置負(fù)壓值偏差的論域范圍為[ -300,300],負(fù)壓值偏差變化率的論域范圍為[ -30,30],并在此范圍分別設(shè)置7 個三角隸屬度函數(shù),隸屬度函數(shù)分布如圖8 ~圖9 所示。

在模糊控制系統(tǒng)中,模糊控制規(guī)則表是核心,該規(guī)則表是專家經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)[12],結(jié)合本文高頻間歇負(fù)壓控制的實(shí)際情況和專家經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)的Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則表如表1 ~表3 所示。

表1 KP 模糊控制規(guī)則

表2 Ki 模糊控制規(guī)則

表3 Kd 模糊控制規(guī)則

為驗(yàn)證模糊PID 控制在高頻間歇負(fù)壓控制系統(tǒng)上的性能,本文利用Simulink 環(huán)境搭建了仿真系統(tǒng),并與常規(guī)PID 控制器進(jìn)行對比分析。 高頻間歇負(fù)壓控制系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng),其動態(tài)特性可以近似用二階系統(tǒng)模型表示,整體的系統(tǒng)仿真原理如圖10 所示,搭建的負(fù)壓模糊PID 控制系統(tǒng)如圖11 所示。

針對常規(guī)PID 控制器,首先利用臨界比例度法進(jìn)行了參數(shù)的粗略確定,隨后利用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)的微調(diào),得到了一套較為合適的參數(shù):Kp= 0. 4,Ki=0.2,Kd=0.1,仿真過程中用方波信號模擬負(fù)壓系統(tǒng)的抽吸和釋放指令,觀察模糊PID 控制和常規(guī)PID 控制的適應(yīng)性能。 由圖12 可知,模糊PID 控制算法的響應(yīng)時間約為0.25 s,常規(guī)PID 控制算法的響應(yīng)時間約為0.7 s,模糊PID 控制算法具有更快的響應(yīng)速度;模糊PID 控制算法最大超調(diào)量控制在1%,常規(guī)PID 控制算法選用合適的控制參數(shù)也能達(dá)到較小的超調(diào)量,但需要不斷的試錯才能得到該參數(shù),如果選用其他的控制參數(shù)有可能產(chǎn)生較大的超調(diào)量甚至導(dǎo)致震蕩發(fā)生。

通過在STM32f407 微控制器上編寫模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)高頻間歇負(fù)壓系統(tǒng)的模糊PID 控制。 經(jīng)驗(yàn)證,STM32f407 微控制器運(yùn)行模糊PID 控制算法可達(dá)100 Hz的響應(yīng)頻率,能夠應(yīng)對最小抽吸周期為2 s 的控制需求。

4 總結(jié)

為了優(yōu)化治療肢體淋巴水腫的裝置,本文設(shè)計(jì)了高頻間歇負(fù)壓肢體循環(huán)理療儀。 搖擺手柄設(shè)計(jì)有可快速更換口徑的負(fù)壓吸口結(jié)構(gòu)和搖擺機(jī)構(gòu),方便用戶根據(jù)水腫組織更換合適口徑的吸口;搖擺機(jī)構(gòu)能夠驅(qū)動吸口搖擺運(yùn)動,增加對水腫部位牽拉和揉搓力度。 理療儀集成STM32f407微控制器,并使用模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)負(fù)壓系統(tǒng)的精確控制。 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)搖擺理療手柄吸口的位移調(diào)節(jié)范圍約為18 ~32 mm,速度曲線和加速度曲線變化規(guī)律較平滑,不存在較大的突變點(diǎn),應(yīng)用于水腫組織的理療時能夠提供較好的舒適性;2)負(fù)壓控制系統(tǒng)使用模糊PID 控制算法的響應(yīng)時間約為0.25 s,最大超調(diào)量控制在1%。 本設(shè)計(jì)具有適應(yīng)性強(qiáng)、便攜、高性價比的優(yōu)點(diǎn),對水腫組織的淋巴循環(huán)和血液循環(huán)有較好的促進(jìn)作用。