多維牽引智能康復床控制系統設計與實現

吳昆韋　喻洪流　石萍

摘要：

為幫助腰椎間盤突出癥患者進行牽引治療，設計了一款多維牽引智能康復床控制系統。以STM32F103單片機為控制核心，配合供電系統模塊、液壓閥驅動電路模塊、電動推桿驅動電路模塊、串口通信電路模塊與傳感器電路模塊，構成了牽引床控制平臺的硬件系統，并且對牽引模塊、串口通信模塊、傳感器模塊進行軟件設計，構成了牽引床控制平臺的軟件系統。對控制系統輸出的脈寬占空比PWM進行調控，實現了液壓閥的比例控制，實驗結果證明了該控制系統的可行性。

關鍵詞：

腰椎間盤突出癥；多維牽引；比例控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.172697

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003012704

英文摘要Abstract：To help patients with lumbar disc herniation implement traction therapy，a control system of a multidimensional traction intelligent rehabilitation bed is designed. With the STM32F103 microcontroller as the control core， the hardware of the traction bed control platform is constituted by power supply module， hydraulic valve driving module， electric putter driving module， serial communication module and sensor module， the software of the traction bed control platform is constituted by the software design of traction module， serial communication module and sensor module. The pulse width modulation （PWM ）of the control system is controlled to achieve the proportional control of the hydraulic valve， which proves the feasibility of the control system. The control system is reasonable and feasible in design.

英文關鍵詞Key Words：lumbar disc herniation； multidimensional traction； proportional control

0引言

腰椎間盤突出癥是一種較為常見的疾病，主要發病原因是患者的腰椎間盤纖維發生了因外傷產生的裂隙或因為腰椎間盤纖維發生了環退。該病多見于青壯年，其中20～40歲之間患者約占70%，但亦可見于16歲以下年幼者及70歲以上高齡者，且高齡者多伴有椎管狹窄或神經根管狹窄。男女性別間發病率差異較大，男性多于女性，男女比例約為4∶1[1]。在對腰椎間盤突出癥患者進行治療的過程中，部分患者使用了手術治療，但無論是常規手術還是微創手術，都會對患者身體造成一定創傷，對其術后恢復造成較大影響，導致部分患者最終治療效果不理想。因此，對腰椎間盤突出癥的非手術治療方法進行研究顯得尤為重要。目前有較多的非手術治療腰椎間盤突出癥的方法，而其中最安全、無風險且效果較好的治療手法便是中醫牽引治療[23]。

牽引治療是保守治療腰椎間盤突出癥的重要治療手段，有持續牽引、間歇牽引、前屈牽引、背伸牽引、三維牽引等不同牽引方式。國內學者通過臨床研究，觀察得出不同牽引方法的療效有所差異，重慶市第三人民醫院康復理療科的符曉[4]認為間歇牽引的療效優于持續牽引；桂林醫學院附屬醫院的楊少華等[5]認為L4～5突出患者使用前屈快速牽引方式療效優于背伸狀態的牽引，L5～S1椎間盤突出背伸狀態牽引方式療效優于前屈狀態的牽引。牽引床的主要功能有：①調節小關節紊亂，松弛背頸部肌肉[6]；②改善突出物與神經根之間的關系，改善自主神經對內臟器官的支配，提高機體應激能力[78]；③延緩組織衰老，提高自身免疫力等[9]。

本研究的目標是研制一套多維牽引智能康復床（見圖1）控制系統，醫生可以根據患者的實際情況和需要采取相應治療策略，修改上位機軟件的治療參數，通過計算機串口發送數據給控制系統，使多維牽引智能康復床的床體執行指定的康復治療動作?？刂葡到y通過串口接收上位機軟件參數并解析成相應的動作命令，通過單片機和液壓閥驅動電路、電動推桿驅動電路，使液壓缸和電動推桿完成指定運動，通過傳感器測量牽引床的拉力和旋轉角度，并反饋到單片機修正床體的實際治療量。

1控制系統總體方案設計

多維牽引智能康復床控制系統的總體設計框圖如圖2所示，控制系統包括嵌入式芯片、液壓電磁閥驅動電路和反饋電路等。嵌入式單片機接收上位機傳來的控制命令驅動液壓缸執行相應命令，完成水平牽引、旋轉、擺角、成角等功能。傳感器采集床體的運動姿態數據，并通過反饋電路反饋給嵌入式芯片，芯片根據傳感器數據修正運動參數，最終形成一個閉環反饋控制電路。上位機通過RS-232串口向嵌入式芯片傳輸數據，包括牽引姿態、牽引模式、牽引角度、速度、距離等變量。

2控制平臺硬件設計

硬件系統主要包括：供電系統模塊、液壓閥驅動電路模塊、電動推桿驅動電路模塊、串口通信模塊與傳感器模塊。

2.1供電系統模塊

多維牽引智能康復床采用單相220V三線制接入，低壓斷路器作為第一道切斷隔離開關，同時具備負荷、短路、欠壓和漏電保護功能，交流接觸器作為通斷電源的主電器，使用保險絲作為過流保護元件，經過交流接觸器之后將電源均勻分配到液壓泵和電動機，并輸送到開關電源部分。開關電源產生24V直流電給主控系統供電，主控系統再次進行電壓變換，給各種類型的芯片供電。

2.2液壓閥驅動電路模塊

由于多維牽引智能康復床需要對液壓系統進行精確控制，因此采用了電液比例控制技術[10]。比例電磁閥的工作原理是根據電磁開關閥的原理改進而來：電磁開關閥在斷電時，閥內彈簧將閥芯頂在閥座上，閥門關閉[11]；當電磁鐵線圈通電時，產生的電磁力克服彈簧力將閥芯提起，從而打開閥門。比例電磁閥對電磁開關閥的結構作了一些改進：在任何線圈電流下使彈簧力與電磁力之間產生平衡。輸入線圈電流的大小或電磁力大小將影響柱塞的行程和閥門開度，而閥門開度與輸入線圈的電流之間為理想的線性關系。

本系統采用脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）的方法，向比例電磁鐵輸出脈寬可調的電脈沖，以獲得確定流量的液壓輸出。脈寬調制是利用單片機輸出的數字信號對模擬電路進行控制的簡單有效的技術。PWM的原理如圖3所示。

采用PWM 控制器輸出的脈沖觸發比例電磁鐵， 比例電磁鐵再去控制比例閥的通斷和開口度大小，改變液壓流量和時間， 液壓缸按脈沖寬度的時間動作， 從而達到自動控制參數的目的[1213]。

主控芯片采用STM32F103ZET6，其采用3.3V供電，L9352B采用5V供電，因此STM32芯片與L9352B不能直接連接。本文選用四通道數字隔離器ADUM1402，它既能兼容3.3V和5V的電壓，也起到了隔離作用。每片ADUM1402可以給L9352B傳輸兩路PWM控制信號或兩路開關量信號，另外L9352B的使能輸入EN和漂移檢測使能輸入TEST也需要ADUM1402進行隔離和電壓轉換，因此一片L9352B需要使用三片ADUM1402。L9352B的Q3、Q4輸出兩路PWM信號控制一個電液比例閥，Q1、Q2輸出兩路開關信號控制一個電磁閥。D3、D4為續流二極管通道（Free-Wheeling Diode Channel），以保護元件不被感應電壓損壞。

2.3電動推桿驅動電路模塊

電動推桿的控制采用BTS7960電機驅動芯片，一個電機驅動電路采用兩片BTS7960，可以構成一個全橋H型驅動系統。在任意時間，同一橋臂上的MOSSFET功率管只導通一個，用于控制電機正轉和反轉。

2.4串口通信電路模塊

多維牽引智能康復床需要上位機向單片機發送數據，上位機串口是典型的232電平邏輯，1為-3V～-15V，0為+3V～+15V。RS232電平不能直接連接到STM32，因此需要一個電平轉接芯片，本系統選擇SIPEX公司的SP3232進行電平轉換。在SP3232上接一個9針串口母頭，通過一根公對母的9針串口線與PC機上的串口公頭連接。

2.5傳感器電路模塊

本文采用的是S型拉壓力傳感器，S型拉壓力傳感器有四根線，包括兩根電源線和兩根信號線，最大輸出電壓為24mV，因此需要對輸出電壓進行放大處理。電壓放大選擇的是儀表放大器AD620，AD620的+IN和-IN接拉壓力傳感器信號，+RG和-RG跨接電阻Rg來調整放大倍率，Rg=49.9k/（G-1），G為增益，AD620的+VS、-VS接正負電源，REF接芯片基準電壓，一般選擇接地，6號引腳輸出。

3控制平臺軟件設計

多維牽引智能康復床的設計需要軟件和硬件基礎，下位機軟件主要執行以下幾個任務：①執行牽引控制，包括液壓系統控制和電動推桿控制；②與上位機進行串口通信；③傳感器信號采集處理。軟件系統運行的總體流程如圖4所示。

3.1牽引模塊軟件設計

牽引模塊實現了通過單片機控制液壓系統和電動推桿。對于比例閥，需要通過PWM波改變比例閥的開口度，從而實現液壓壓力流量控制。以定時器3的通道2產生PWM波為例，主要使用了捕獲比較模式寄存器TIMx_CCMR1/2，捕獲比較使能寄存器TIMx_CCER，捕獲比較寄存器TIMx_CCR1～4。捕獲比較模式寄存器TIMx_CCMR1控制定時器通道1和通道2，TIMx_CCMR2控制定時器通道3和通道4。該寄存器第12～14位的模式設置位OCxM設置為110PWM模式。捕獲比較使能寄存器TIMx_CCER的第4位CC2E置1，使能通道2的輸入捕獲。捕獲比較寄存器TIMx_CCR1～4對應定時器的4個通道，通過修改該寄存器的值與定時器的計數值CNT相比較，即可控制PWM輸出的占空比。這里TIMx_CCR寄存器的值不是固定的，根據上位機軟件傳輸的治療參數，改變TIMx_CCR寄存器的值，從而可通過硬件電路改變液壓系統的流量，達到治療要求。

3.2串口通信模塊軟件設計

STM32的串口使用比較簡單，只需開啟串口時鐘，配置好相應的IO口，設置波特率、數據位長度、校驗位等即可使用。每個串口都有一個波特率寄存器USART_BRR，用來存放分數波特率的值。寄存器的低四位用于存放小數部分DIV_Fraction，4～15位用于存放整數部分DIV_Mantissa。

STM32波特率值=Fpclk16USARTDIV

其中，Fpclk是串口的時鐘。因此，在知道Fpclk和波特率的情況下，則可以求出USARTDIV的值，將USARTDIV的值轉換為十六進制，分別將整數和小數部分賦值給DIV_Mantissa和DIV_Fraction，從而將BRR寄存器寫入波特率的值。

3.3傳感器模塊軟件設計

S型拉壓力傳感器產生的模擬電壓信號通過AD620放大，放大倍數通過一個電位器調節，使最大的輸出電壓小于stm32單片機ADC模塊引腳所能承受的最大電壓3.3V。stm32的模數轉換器（ADC）具有12位采樣精度，參考電壓VREF+接3.3V。因此，ADC的電壓值=ADC的轉換值*（3.3V/4096）。將ADC的電壓值與拉壓力傳感器理論上拉力對應的電壓值相比較（此處理論電壓值是指經過AD620放大后的電壓值），當ADC的電壓值等于理論上的電壓值，則液壓系統保壓；當ADC的電壓值大于理論上的電壓值，則液壓系統減壓；當ADC的電壓值小于理論上的電壓值，則液壓系統增壓，可以通過修改比例溢流閥PWM波的占空比實現。拉壓力傳感器模塊的輸出接到PA0/ADC123_CH1。

4PWM占空比實驗

本實驗通過基于Visual Basic的多維牽引智能康復床軟件將治療參數通過串口發送給控制系統。因為比例電磁溢流閥的開口度大小是根據輸入電壓信號的大小控制的，因此通過改變PWM的占空比，可以調節比例電磁閥的開口度，從而改變液壓系統的壓力。因此，本實驗的目的是通過示波器觀察控制板輸出的PWM波形是否可以根據上位機軟件治療參數的改變而改變。本實驗中使用牽引力這個治療參數，在上位機發送的字符串中，取出相應的位，將其轉換成PWM的占空比，從而調節液壓系統壓力，改變實際牽引力大小。改變軟件中牽引力的參數大小，觀察PWM波形變化如圖5所示。由圖可知，可通過改變上位機的牽引力大小來改變PWM波占空比，從而改變比例閥開口度，達到了改變液壓系統工作壓力流量的目的。

5總結與展望

本文設計了一款多維牽引智能康復床控制系統，以STM32F103單片機為控制核心，配合供電系統模塊、液壓閥驅動電路模塊、電動推桿驅動電路模塊、串口通信電路模塊與傳感器電路模塊，構成了牽引床控制平臺的硬件系統，同時對牽引模塊、串口通信模塊、傳感器模塊進行軟件設計，構成了牽引床控制平臺的軟件系統，并且對控制系統輸出的脈寬占空比PWM進行調控，以實現液壓閥的比例控制。實驗證明了該控制系統的可行性。

參考文獻參考文獻：

[1]楊濱，馬華松，鄒德威.腰椎間盤突出癥概述[J].中國臨床醫生雜志，2011，39（1）：1821.

[2]辛本忠，李強.非手術綜合療法治療重癥腰椎間盤突出癥[J].中國中醫骨傷，1997，5（4）：40.

[3]李華強.腰椎間盤突出癥牽引療法淺析[J].現代康復，2001（6）：6667.

[4]符曉.兩種牽引方式治療腰椎間盤突出癥的療效評價[J].中華物理醫學與康復雜志，2002，24（7）：403404.

[5]楊少華，任廷忠.屈曲或背伸位快速牽引對腰椎間盤突出癥治療的研究[J].現代康復，2001，5（12）：2829.

[6]EISENBERG DM，DAVIS RB，ETMER SL，et al.Trends in alternative medicine use in the United States，19901997：results of a follow up national survery[J].JAMA，2002，280（18）：15691575.

[7]CHOU LW，HSIEH YL，CHEN HS，et a1.Remote therapeutic effectiveness of acupuncture in treating myofascial triggerpoint of the upper trapezius muscle[J].Am J Phys Med Rehabil，2011，90（12）：10361049.

[8]MURPHY BA，DAWSON NJ，SLACK JR.Sacroiliac joint manipulation decreases the Hreflex[J].Clin Neurophysiol，1995，35（2）：8794.

[9]VAN KLEEF M，BARENDSE GA，KESELS A，et a1.Randomized trial of radiofrequency lumbar facet denervation for chronic low back pain[J].Spine，2010，24（18）：19371942.

[10]李宇杰.基于PID神經網絡的電液比例伺服系統的研究[D].贛州：江西理工大學，2009.

[11]馬恩，李素敏，高佩川.液壓與氣壓傳動[M].北京：清華大學出版社，2013：221259.

[12]鄭海婷.電液比例閥PWM驅動關鍵技術研究及應用[D].徐州：中國礦業大學，2014.

[13]縱慧慧，郝繼飛，劉會娟，等.基于PWM控制的電液比例閥控制系統的設計[J].工礦自動化，2009（12）：111113.

責任編輯（責任編輯：黃健）