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摘要：多功能康復床是常用的一種輔助設備，可有效地緩解醫護人員的勞動強度和壓力，而當前康復的儀器設備集成化和智能化的程度不高，未來康復醫療器械企業只有加大對新產品的研發才能不斷滿足社會需要?；诖?，文章提出了一種多功能康復床結構與控制系統設計方案。
關鍵詞：康復床；控制系統；單片機；設計
1結構設計
康復器械產品涉及生物、醫學、機械、電子、計算機、新材料等技術領域，是典型的技術交叉型特殊產品。隨著科技的不斷發展進步，康復器械產品將朝著信息化、智能化、模塊化、精細化、家庭化以及個性化的方向發展，多功能康復床是需求中常見的一種器械產品。隨著社會發展和醫學技術進步，通過更加合理全面多功能康復床結構控制設計的幫助，有利于需要康復人員回歸社會工作或提高生活質量。通過功能模塊化組合，合理設計多功能床總體布局。針對不同的部位采取主動與被動相結合方式進行康復訓練，一方面體現結構設計多功能的特性，另一方面檢驗是否達到康復者預想的目標，多功能康復床的總體設計圖如圖1所示。整個尺寸根據行業康復床標準（長度為1900mm～2000mm，高度480mm～630mm，寬度900mm～1000mm）進行設計，床尾部增加輔助功能箱模塊，豐富康復鍛煉功能；床邊沿設計成能通過按鈕帶動電機進行收放的護欄，部分康復者可實現自我控制器件運行達到保護功能，床的背部能起升，長度設計成560mm，上升的角度在0～70度之間可調，大腿與小腿支撐板塊也可調節高度，以備進行基礎功能康復訓練之用[1]。背部采用常用的傳動結構，在床頭設計可放置或可懸掛測量儀器設備的地方，方便通過儀器觀測人體本征參量，如對床體連有常見使用所需的轉換電源模塊，以滿足不同儀器設備組裝時需要。床兩頭留有支柱孔以便安裝橫梁懸掛需要訓練功能模塊，橫豎框架結構是可以裝卸的，預留置插孔，上面可以掛有不同組合配套懸吊訓練器械，如圖2所示，能夠調節到不到部位進行鍛煉，根據康復訓練者的需求，有自主進行上肢功能康復訓練或下肢機體功能訓練，也可安放設置自動運行功能模塊，幫助有難度進行自主康復訓練的人員。
2控制系統設計
2.1控制功能。隨著科學技術進步帶來控制系統整體功能提升，智能化、人性化設計技術在康復領域得到廣泛應用，安全性、穩定性與可靠性是設計時要考慮必不可少的環節，同時產品性能要符合相關標準和等級要求?？祻凸δ艹嘶緜确c前后抬升功能外，還對功能全面性方面設計采用模塊化即插即用組合方式，豐富了康復功能，優化結構設計，針對不同需求的人員選用靈活重組形式，提升康復床的整體性能。設計運行動作能夠幫助康復者進行局部有節奏的收縮與放松運動，促進組織功能恢復。采集鍛煉者運動力度、位移和心率三路信號通過電路微處理器傳送到顯示器，并且得出運動曲線與正常人動作相比較反映康復鍛煉成效，對于弱信號要進行放大電路傳輸，通常把模擬信號轉換成數字信號減少外界干擾，這樣芯片能夠有效進行處理。通過上肢拉伸和手指靈活性鍛煉，肩、臂膀、肘、手部、關節相關肌肉的鍛煉達到肌體功能康復，如果上肢活動較困難時，可能通過向前平伸、向前上方伸展、向前下方伸展、上舉和旋轉等各種動作達到恢復基本功能訓練的目的[2]。下肢體訓練曲腿，基本訓練髖關節、膝關節和踝關節。主要運動形式有屈伸、外展內收、回旋，人體下肢骨骼有股骨、腓骨、髕骨、脛骨等組成。臥式康復訓練，床尾部模塊中運用踏板進行腳步運動動作屈伸往復，雅馬哈線性馬達單軸機器人，行程50mm～2050mm，速度300mm/s～2400mm/s，最大搬動重量達30kg。模塊化組裝，沒有滾珠螺桿的危險速度，進行閉路控制能夠很強的適應環境。
2.2控制系統模塊構成。多功能康復床整體設計涉及到機械結構設計、構造優化、控制系統設計等多種知識?；竟δ馨ū巢空{節模塊、側翻模塊、腿部鍛煉模塊、輔助桌調節模塊、傳感器模塊，各模塊的運動由電機的轉動來實現的。電源模塊、電機驅動模塊、攝相頭模塊、生物體征測量模塊、環境參數測量模塊，控制系統的主要組成如圖3所示。在控制系統中增加無線網模塊，控制者可以通過攝像頭即時了解現場情況，從而能夠實現利用手機進行遠程操控。康復床的電源采用單相220V線路供電，通過斷路器作為隔離開關，具有短路、欠壓、和漏電保護功能。交流接觸器把電源分配到電動機，主控制系統采用24V直流電，主控制系統再進行電壓轉換，滿足不同電壓的芯片供電的需要。主控系統由主控模塊、驅動模塊構成，信號發給主控系統后，主控系統控制相應的運動部件，采用電機驅動控制多電機驅動，電路具有可靠穩定性強、抗干擾能力強、輸出電流大、反應快等特點。同時行程開關反饋運行狀態的信號，保障系統安全穩定運行，達到設計的理想效果?？刂茖ο笊婕暗蕉鄠€電機，有多個傳感器輸入點，控制程序，內置看門狗，抗干擾能力強，能夠滿足各種需求[4]。增加適用輔助功能，體現人性化特點。人機的配匹問題，可調節達到合理性，協助使用者進行有節奏的放松與收縮動作，改善局部血液循環，促進機體組織修復，機構設計自由度越多，越靈活，機構元件各部分自由度數目滿足位置位姿的需要情況盡量少取最低數目，降低控制系統的復雜性。構件是組成機構的運動單元體，機構中所有構件都有確定的相對運動，對構件加以運動約束。
2.3主要芯片。STC12C5A60S2STC12C5A60S2是增強型8051CPU，其工作電壓在5.5V～3.3V之間，工作頻率范圍為0～35MHz之間；有40個通用I/O口，具有四種工作模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個I/O端口的驅動能力的電流值可達20mA，整個芯片最大允許電流值為55mA，另外芯片具有看門狗功能，外部中斷I/O口7路，傳統的下降沿中斷或低電平觸發中斷，PCA模塊支持上升沿進行中斷，通用全雙工異步串行口(UART)，可再用定時器或PCA軟件實現多串口，STC12C5A60S2系列有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3)。
2.4電路與功能。主芯片的主要接線端口如圖4所示?？啥〞r對病人進行姿勢調節，可控制康復床上的輔助桌移動到合適的位置，可在床上完成吃飯、看書、寫字、娛樂等其他活動。通過床一端動架調節，可以實現體位調節、腿部進行康復鍛煉，也可進行上肢鍛煉，達到一定康復鍛煉的目的。多維牽引智能控制系統中包括單片機芯片、液壓電磁閥驅動電路和反饋電路等，單片機通過傳達命令控制液壓缸，完成牽引、旋轉、擺角等功能，實現預計的設計功能，傳感器通過反饋的數據進行修正，保障動作的完整性。為了提高儀器設備的抗干擾能力，驅動電路與控制器之間實行光電耦合方式隔離，在電機兩端加電容保護驅動電路，在軟件方面采用看門狗技術，避免程序受到外境的干擾而進入死循環，另外可利用延時控制方式消除因控制按鈕抖動產生的影響。
3系統軟件設計
采用C語言進行編程，通過模塊功能組合，整體目標實現更加可靠與穩定，不斷調試使運動的精準度更高。每一個模塊功能程序寫好放在C文件里面，需要時從main函數中調用，當運動到一定位置時，作出相應提醒，每個運動的動作控制在安全范圍內，安全得到可靠保障。下肢平伸抬起動作，曲膝動作練習達到活動關節的鍛煉目的，在實際應用中根據康復者的狀況即時調節頻率與強度，流程圖如圖5所示。
4結語
網絡技術發展，傳感器、生物技術和智能控制的結合，未來網絡智能化控制會更加完美。采用嵌入式和網絡技術的家庭控制系統對家中多種設備連成網絡，實現遠程對多功能康復床智能控制運行，另外可以增加語音控制功能，通過視頻觀察實景方便使用者或康復者即時溝通，靈活智能化控制，綜合性人性化的康復床將在未來得到更廣泛應用[5]。
作者:趙昌友 單位:亳州職業技術學院智能工程系
