摘要：多功能康复床是常用的一种辅助设备，可有效地缓解医护人员的劳动强度和压力，而当前康复的仪器设备集成化和智能化的程度不高，未来康复医疗器械企业只有加大对新产品的研发才能不断满足社会需要。基于此，文章提出了一种多功能康复床结构与控制系统设计方案。
关键词：康复床；控制系统；单片机；设计
1结构设计
康复器械产品涉及生物、医学、机械、电子、计算机、新材料等技术领域，是典型的技术交叉型特殊产品。随着科技的不断发展进步，康复器械产品将朝着信息化、智能化、模块化、精细化、家庭化以及个性化的方向发展，多功能康复床是需求中常见的一种器械产品。随着社会发展和医学技术进步，通过更加合理全面多功能康复床结构控制设计的帮助，有利于需要康复人员回归社会工作或提高生活质量。通过功能模块化组合，合理设计多功能床总体布局。针对不同的部位采取主动与被动相结合方式进行康复训练，一方面体现结构设计多功能的特性，另一方面检验是否达到康复者预想的目标，多功能康复床的总体设计图如图1所示。整个尺寸根据行业康复床标准（长度为1900mm～2000mm，高度480mm～630mm，宽度900mm～1000mm）进行设计，床尾部增加辅助功能箱模块，丰富康复锻炼功能；床边沿设计成能通过按钮带动电机进行收放的护栏，部分康复者可实现自我控制器件运行达到保护功能，床的背部能起升，长度设计成560mm，上升的角度在0～70度之间可调，大腿与小腿支撑板块也可调节高度，以备进行基础功能康复训练之用[1]。背部采用常用的传动结构，在床头设计可放置或可悬挂测量仪器设备的地方，方便通过仪器观测人体本征参量，如对床体连有常见使用所需的转换电源模块，以满足不同仪器设备组装时需要。床两头留有支柱孔以便安装横梁悬挂需要训练功能模块，横竖框架结构是可以装卸的，预留置插孔，上面可以挂有不同组合配套悬吊训练器械，如图2所示，能够调节到不到部位进行锻炼，根据康复训练者的需求，有自主进行上肢功能康复训练或下肢机体功能训练，也可安放设置自动运行功能模块，帮助有难度进行自主康复训练的人员。
2控制系统设计
2.1控制功能。随着科学技术进步带来控制系统整体功能提升，智能化、人性化设计技术在康复领域得到广泛应用，安全性、稳定性与可靠性是设计时要考虑必不可少的环节，同时产品性能要符合相关标准和等级要求。康复功能除了基本侧翻与前后抬升功能外，还对功能全面性方面设计采用模块化即插即用组合方式，丰富了康复功能，优化结构设计，针对不同需求的人员选用灵活重组形式，提升康复床的整体性能。设计运行动作能够帮助康复者进行局部有节奏的收缩与放松运动，促进组织功能恢复。采集锻炼者运动力度、位移和心率三路信号通过电路微处理器传送到显示器，并且得出运动曲线与正常人动作相比较反映康复锻炼成效，对于弱信号要进行放大电路传输，通常把模拟信号转换成数字信号减少外界干扰，这样芯片能够有效进行处理。通过上肢拉伸和手指灵活性锻炼，肩、臂膀、肘、手部、关节相关肌肉的锻炼达到肌体功能康复，如果上肢活动较困难时，可能通过向前平伸、向前上方伸展、向前下方伸展、上举和旋转等各种动作达到恢复基本功能训练的目的[2]。下肢体训练曲腿，基本训练髋关节、膝关节和踝关节。主要运动形式有屈伸、外展内收、回旋，人体下肢骨骼有股骨、腓骨、髌骨、胫骨等组成。卧式康复训练，床尾部模块中运用踏板进行脚步运动动作屈伸往复，雅马哈线性马达单轴机器人，行程50mm～2050mm，速度300mm/s～2400mm/s，最大搬动重量达30kg。模块化组装，没有滚珠螺杆的危险速度，进行闭路控制能够很强的适应环境。
2.2控制系统模块构成。多功能康复床整体设计涉及到机械结构设计、构造优化、控制系统设计等多种知识。基本功能包括背部调节模块、侧翻模块、腿部锻炼模块、辅助桌调节模块、传感器模块，各模块的运动由电机的转动来实现的。电源模块、电机驱动模块、摄相头模块、生物体征测量模块、环境参数测量模块，控制系统的主要组成如图3所示。在控制系统中增加无线网模块，控制者可以通过摄像头即时了解现场情况，从而能够实现利用手机进行远程操控。康复床的电源采用单相220V线路供电，通过断路器作为隔离开关，具有短路、欠压、和漏电保护功能。交流接触器把电源分配到电动机，主控制系统采用24V直流电，主控制系统再进行电压转换，满足不同电压的芯片供电的需要。主控系统由主控模块、驱动模块构成，信号发给主控系统后，主控系统控制相应的运动部件，采用电机驱动控制多电机驱动，电路具有可靠稳定性强、抗干扰能力强、输出电流大、反应快等特点。同时行程开关反馈运行状态的信号，保障系统安全稳定运行，达到设计的理想效果。控制对象涉及到多个电机，有多个传感器输入点，控制程序，内置看门狗，抗干扰能力强，能够满足各种需求[4]。增加适用辅助功能，体现人性化特点。人机的配匹问题，可调节达到合理性，协助使用者进行有节奏的放松与收缩动作，改善局部血液循环，促进机体组织修复，机构设计自由度越多，越灵活，机构元件各部分自由度数目满足位置位姿的需要情况尽量少取最低数目，降低控制系统的复杂性。构件是组成机构的运动单元体，机构中所有构件都有确定的相对运动，对构件加以运动约束。
2.3主要芯片。STC12C5A60S2STC12C5A60S2是增强型8051CPU，其工作电压在5.5V～3.3V之间，工作频率范围为0～35MHz之间；有40个通用I/O口，具有四种工作模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O端口的驱动能力的电流值可达20mA，整个芯片最大允许电流值为55mA，另外芯片具有看门狗功能，外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，PCA模块支持上升沿进行中断，通用全双工异步串行口(UART)，可再用定时器或PCA软件实现多串口，STC12C5A60S2系列有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)。
2.4电路与功能。主芯片的主要接线端口如图4所示。可定时对病人进行姿势调节，可控制康复床上的辅助桌移动到合适的位置，可在床上完成吃饭、看书、写字、娱乐等其他活动。通过床一端动架调节，可以实现体位调节、腿部进行康复锻炼，也可进行上肢锻炼，达到一定康复锻炼的目的。多维牵引智能控制系统中包括单片机芯片、液压电磁阀驱动电路和反馈电路等，单片机通过传达命令控制液压缸，完成牵引、旋转、摆角等功能，实现预计的设计功能，传感器通过反馈的数据进行修正，保障动作的完整性。为了提高仪器设备的抗干扰能力，驱动电路与控制器之间实行光电耦合方式隔离，在电机两端加电容保护驱动电路，在软件方面采用看门狗技术，避免程序受到外境的干扰而进入死循环，另外可利用延时控制方式消除因控制按钮抖动产生的影响。
3系统软件设计
采用C语言进行编程，通过模块功能组合，整体目标实现更加可靠与稳定，不断调试使运动的精准度更高。每一个模块功能程序写好放在C文件里面，需要时从main函数中调用，当运动到一定位置时，作出相应提醒，每个运动的动作控制在安全范围内，安全得到可靠保障。下肢平伸抬起动作，曲膝动作练习达到活动关节的锻炼目的，在实际应用中根据康复者的状况即时调节频率与强度，流程图如图5所示。
4结语
网络技术发展，传感器、生物技术和智能控制的结合，未来网络智能化控制会更加完美。采用嵌入式和网络技术的家庭控制系统对家中多种设备连成网络，实现远程对多功能康复床智能控制运行，另外可以增加语音控制功能，通过视频观察实景方便使用者或康复者即时沟通，灵活智能化控制，综合性人性化的康复床将在未来得到更广泛应用[5]。
作者:赵昌友 单位:亳州职业技术学院智能工程系
