多功能吊掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

陳 森 程武山

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

多功能吊掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

陳 森 程武山

(上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

通過對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制原理的深入研究，設(shè)計(jì)了一種具有肢體任意高度固定并能夠進(jìn)行受損肢體康復(fù)訓(xùn)練的多功能智能吊掛系統(tǒng)。主要論述了吊掛系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)硬件部分的核心為ARM9/S3C2440A芯片，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的底板電路來實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的硬件需求；軟件部分以KEIL5為開發(fā)環(huán)境，通過對(duì)I/O口高低電平的控制，來控制電機(jī)的運(yùn)行，從而進(jìn)一步控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。通過Solidworks軟件仿真驗(yàn)證了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

智能吊掛 ARM9/S3C2440A Solidworks仿真 電源電路

自20世紀(jì)90年代以來，中國(guó)老齡化人口日益增多，如今老齡化已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，根據(jù)預(yù)測(cè)老齡人口在2040年將超過人口總量的20%[1]。對(duì)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(dòng)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(duì)于老人而言，肢體健康將是最大的問題。因此，研制出當(dāng)老人肢體出現(xiàn)問題，能夠方便護(hù)理并帶有康復(fù)訓(xùn)練的吊掛系統(tǒng)至關(guān)重要。

目前，醫(yī)院護(hù)理床上的吊掛系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還處于低水平層面，僅能提供簡(jiǎn)單的機(jī)械固定功能，對(duì)于方便和智能而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[3]。現(xiàn)有的吊掛結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足快速老齡化的社會(huì)需求。為此，筆者研究并設(shè)計(jì)了一種以ARM9/S3C2440A為核心的多功能智能吊掛系統(tǒng)，這種吊掛系統(tǒng)具有的功能有：肢體固定、肢體訓(xùn)練和肢體按摩。這樣不僅滿足用戶對(duì)智能護(hù)理產(chǎn)品的需求，更能減輕家庭的護(hù)理強(qiáng)度，還可以降低產(chǎn)品成本，利于商業(yè)化更利于廣大用戶[4]。

1 智能吊掛系統(tǒng)的工作原理

智能吊掛系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要滿足安全參數(shù)的設(shè)計(jì)需求，并對(duì)它進(jìn)行軟件仿真來證明機(jī)械設(shè)計(jì)部分的可靠性。控制系統(tǒng)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(duì)電機(jī)的控制，點(diǎn)擊不同的功能按鍵，可實(shí)現(xiàn)吊掛系統(tǒng)的不同功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能吊掛可實(shí)現(xiàn)以下功能：

a. 固定懸掛功能。當(dāng)病人剛剛受傷時(shí)，吊掛可以實(shí)現(xiàn)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(fù)鍛煉和肌肉按摩功能。考慮到有的患者因?yàn)橐馔馐鹿蕦?dǎo)致長(zhǎng)期臥床，四肢長(zhǎng)期得不到鍛煉而可能導(dǎo)致肌肉萎縮，因此吊掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上下肢康復(fù)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(fù)鍛煉，從而促進(jìn)血液循環(huán)，防止肌肉萎縮。

2 機(jī)械系統(tǒng)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能吊掛系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為底盤結(jié)構(gòu)、龍門架結(jié)構(gòu)和電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。下方為吊掛底盤，裝載8個(gè)帶自鎖功能的萬向輪，如此設(shè)計(jì)是為了提高吊掛整體的方便性：當(dāng)病人需要護(hù)理上肢或者下肢的時(shí)候，將吊掛系統(tǒng)移動(dòng)到相應(yīng)的部位，即可對(duì)肢體進(jìn)行護(hù)理；當(dāng)病人不需要吊掛系統(tǒng)的時(shí)候，便可將此吊掛系統(tǒng)安放在某一空閑的角落，待需要的時(shí)候，再將它移出來使用；若病人可以下床，此吊掛系統(tǒng)還可以單獨(dú)放在某處進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練。

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)框圖

上方為電機(jī)安放位置，采用4個(gè)電機(jī)的設(shè)計(jì)方式，這種設(shè)計(jì)是為了方便實(shí)現(xiàn)不同肢體不同強(qiáng)度的康復(fù)訓(xùn)練要求。通過軟件來控制不同的電機(jī)，以此來實(shí)現(xiàn)不同的功能和護(hù)理強(qiáng)度[5]。

2.2 軟件仿真驗(yàn)證

作為醫(yī)療護(hù)理設(shè)備，安全因素是非常重要的。本次設(shè)計(jì)的吊掛系統(tǒng)病人體重的上限值為300kg。相對(duì)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(jù)這一數(shù)據(jù)就可以得到肢體的總重量，以便下一步軟件仿真。

為了驗(yàn)證吊掛機(jī)械結(jié)構(gòu)是否可行，下面將從可視化角度來進(jìn)行仿真驗(yàn)證[6]。本次設(shè)計(jì)所應(yīng)用的軟件為Solidworks軟件，這款軟件自帶一個(gè)強(qiáng)大的仿真功能，利用仿真功能，可以更直觀地看到設(shè)計(jì)結(jié)果[7]。目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：橫向750N的力，垂直向下750N的力，這個(gè)力相當(dāng)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(jié)果就是相當(dāng)于300kg的人體總重量。Solidworks軟件仿真結(jié)果如圖2所示。

仿真的應(yīng)用材料是鋁合金，其單位面積的屈服力為27.570MN，而仿真結(jié)果應(yīng)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(shè)計(jì)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(chǎn)生什么形變。所以就目前這個(gè)材料的選擇和仿真結(jié)果來看，完全滿足設(shè)計(jì)任務(wù)需求，也更加說明設(shè)計(jì)的可行性。

a. 應(yīng)力

b. 位移

3 硬件設(shè)計(jì)

多功能吊掛控制系統(tǒng)的核心硬件為ARM9/S3C2440A芯片，根據(jù)控制系統(tǒng)的整體需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，并對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成開發(fā)板設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。吊掛的ARM9由核心板和底板構(gòu)成，核心板通過插針插在底板上，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：當(dāng)需要增加其他功能時(shí)，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(shè)計(jì)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(shí)鐘電路模塊。底板電路的重要模塊有：底板電源電路模塊、復(fù)位電路模塊和GPIO接口模塊[9]。

在本吊掛系統(tǒng)中，外部設(shè)備主要是通過 GPIO 接口與ARM控制器連接，外部設(shè)備主要是步進(jìn)電機(jī)控制模塊。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

3.1 電源電路

電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基本。由于外部采用24V的步進(jìn)電機(jī)，為了外部接口的簡(jiǎn)潔化，所以外部電路只采用24V的適配器為吊掛系統(tǒng)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(shè)計(jì)方案為：24V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)3.3V。從24V直流電壓轉(zhuǎn)換到5V直流電壓，由LM2576S-5芯片來實(shí)現(xiàn)。

具體電路如圖4所示。

圖4 24V轉(zhuǎn)5V電路

電壓由24V轉(zhuǎn)變成5V后，再通過1.5A低壓差線性穩(wěn)壓AMS117-3.3芯片轉(zhuǎn)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(nèi)核工作電壓為1.25V，所以還需要進(jìn)一步的電壓轉(zhuǎn)換，采用MAX8860EUA18芯片來完成3.3V到1.25V的轉(zhuǎn)換[11]。

圖5 5V轉(zhuǎn)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(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，所以電源電路中一定要設(shè)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(fù)位電路

復(fù)位電路的好壞直接影響系統(tǒng)電路的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。復(fù)位電路有兩種方式，分別為手動(dòng)復(fù)位方式和自動(dòng)復(fù)位方式。自動(dòng)復(fù)位是由程序來控制的，手動(dòng)復(fù)位則是需要借助開關(guān)按鈕來進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。本次設(shè)計(jì)采用MAX811S作為復(fù)位芯片，同時(shí)該芯片也可以對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)MAX811S檢測(cè)到當(dāng)前系統(tǒng)電壓小于設(shè)定的復(fù)位值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行復(fù)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(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能，引腳2為復(fù)位輸出端，并串接了一個(gè)限流電阻來保證下路芯片的安全。復(fù)位電路如圖7所示。

圖7 復(fù)位電路

3.3 外部GPIO接口擴(kuò)展電路

S3C2440A芯片具有130多個(gè)I/O口，通過GPIO接口，可以將系統(tǒng)多余的端口引出來，方便后續(xù)功能的增加和其他設(shè)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(shí)還可以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。部分外部GPIO擴(kuò)展電路如圖8所示。

a. 中斷口上拉電路

b. GPIO接口

4 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖9所示。程序?yàn)槟K化程序，這樣設(shè)計(jì)的目的在于方便修改。程序的功能主要有界面動(dòng)畫顯示模塊和功能選擇模塊。界面動(dòng)畫顯示模塊為顯示屏部分，此部分提供視覺展示效果，以動(dòng)畫的模式讓病人知道自己的護(hù)理過程。

圖9 主程序流程

吊掛系統(tǒng)總電源接通后，程序會(huì)自動(dòng)執(zhí)行初始化操作。初始化后便檢測(cè)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)并在界面上顯示。用戶可以根據(jù)狀態(tài)顯示結(jié)果考慮是否需要復(fù)位操作，然后進(jìn)行吊掛功能的選擇并進(jìn)行吊掛功能的執(zhí)行，與此同時(shí)繼電器打開給電機(jī)上電，在程序的控制下實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，最后結(jié)束當(dāng)前功能[12]。

按鈕模塊有4個(gè)功能按鍵，分別為：固定模式按鍵、康復(fù)護(hù)理按鍵、肌肉按摩按鍵和復(fù)位按鍵。病人可以根據(jù)需要選擇不同的護(hù)理模式來實(shí)現(xiàn)護(hù)理需求。

用程序控制步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)都分配有獨(dú)立的端口，用“0”表示電機(jī)反轉(zhuǎn)，用“1”表示電機(jī)正轉(zhuǎn)，在KEIL5編譯軟件中，部分控制程序如下[13]：

//3號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

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(fù)訓(xùn)練過程中LED1閃爍

Hang_1(1,75000); //向上運(yùn)動(dòng)

LED1=1;

delay_ms(1000);

LED1=0;

Hang_1(0,75000); //向下運(yùn)動(dòng)

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(tǒng)調(diào)試

多功能智能吊掛系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)是將ARM9控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)合起來進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否能夠滿足預(yù)先的設(shè)計(jì)需求。本設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試：

a. 通過串口通信，將程序燒入ARM芯片，用示波器檢測(cè)各個(gè)主要端口的信號(hào)是否正常；

b. 整體系統(tǒng)上電，通過遙控器上的按鍵選擇不同的護(hù)理模式來檢測(cè)各個(gè)功能運(yùn)行是否正常；

c. 讓測(cè)試者在測(cè)試時(shí)晃動(dòng)腿部，以此來檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在整體聯(lián)調(diào)的同時(shí)，多次修改程序來完善產(chǎn)生的問題，使得最終設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求。并且經(jīng)過多功能吊掛系統(tǒng)的整體調(diào)試，在系統(tǒng)能夠滿足功能需求的情況下，反復(fù)測(cè)試整體系統(tǒng)，大量的測(cè)試結(jié)果充分證明了整體系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

針對(duì)國(guó)內(nèi)吊掛水平低下的現(xiàn)象，研究并設(shè)計(jì)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(tǒng)，完成了對(duì)多功能吊掛的控制。詳細(xì)介紹了硬件電路的模塊化設(shè)計(jì)并對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，最后通過了整體系統(tǒng)調(diào)試，結(jié)果證明此吊掛系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，滿足了社會(huì)對(duì)智能護(hù)理產(chǎn)品的需求，對(duì)高端護(hù)理產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。今后，還需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

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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(tǒng)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(guó)制造”再上新臺(tái)階！

近日，安特威集團(tuán)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(guān)注。

雙盤閥是安特威匠心獨(dú)運(yùn)的創(chuàng)造之舉！這是專門為煤化工鎖斗系統(tǒng)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(yùn)行的重要因素，就算是進(jìn)口閥門的在線壽命也難以突破四千小時(shí)。安特威針對(duì)這一技術(shù)瓶頸，創(chuàng)造性地將盤閥引入該領(lǐng)域，最終研制出全球首臺(tái)雙盤閥，壽命提升了4～5倍，為國(guó)家節(jié)省了大量資源，極大地提升了客戶的經(jīng)濟(jì)效益。

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