曲云霞 王夢(mèng)迪 侯書軍 李慨 白小帆 王世陽(yáng)

摘要 針對(duì)課題組研發(fā)的振動(dòng)顆?？祻?fù)儀，完成了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，改善了該儀器應(yīng)用過(guò)程中的操作性能。應(yīng)用光電傳感器與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配合實(shí)現(xiàn)了零位控制，提高了康復(fù)儀啟動(dòng)的穩(wěn)定性;將康復(fù)儀的主要工作參數(shù)（激振頻率、振動(dòng)方向角）轉(zhuǎn)化為按摩方式、按摩強(qiáng)度等治療參數(shù)，直觀且容易操作;依據(jù)康復(fù)儀功能需求、控制系統(tǒng)功能需求，完成控制平臺(tái)的搭建，通過(guò)離線仿真與在線試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了康復(fù)儀控制系統(tǒng)的模塊化、智能化及治療時(shí)間的可調(diào)節(jié)性，為康復(fù)患者提供菜單式治療方案。

關(guān) 鍵 詞 康復(fù)儀;控制系統(tǒng);顆粒流;PLC;仿真;試驗(yàn)

中圖分類號(hào) TP272;R496 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Design and test on control system of particle vibration rehabilitation based on PLC

QU Yunxia， WANG Mengdi， HOU Shujun， LI Kai， BAI Xiaofan， WANG Shiyang

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130）

Abstract In this paper， the control system of the vibration particle recovery instrument developed by the research group has been designed and tested， and the operational performance during the application of the instrument has improved.The application of photoelectric sensor and stepping drive system has realized the zero-location control and improved the stability of rehabilitation instrument during start-up;The main working parameters （excitation frequency， vibration direction Angle） of the rehabilitation instrument are converted into therapeutic parameters such as massage method and massage intensity， which are intuitive and easy to operate.According to the functional requirements of the rehabilitation instrument and the control system， the control platform was built.Through offline simulation and online testing， the modularization， intelligence and adjustment of treatment time of the rehabilitation instrument control system have been realized to provide a menu-based treatment plan for rehabilitation patients.

Key words instrument; control system; particle flow; PLC; simulation; test

0 引言

自然災(zāi)害（如地震、泥石流等）以及非自然事故（如車禍、工傷等）影響著人們的正常生活，當(dāng)受災(zāi)人群肢體損傷程度較大時(shí)，需要通過(guò)手術(shù)修復(fù)甚至截肢治療，機(jī)體的術(shù)后恢復(fù)是一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程，對(duì)康復(fù)治療提出了較高的要求[1-3]?？刂葡到y(tǒng)可使被控對(duì)象趨于某種穩(wěn)定狀態(tài)[4-5]，且具有較好的動(dòng)態(tài)性能[6-7]，臨床治療中要求這種康復(fù)設(shè)備需要和控制系統(tǒng)結(jié)合，使其具有一定程度上的信息自動(dòng)處理功能和自動(dòng)控制功能，優(yōu)化康復(fù)治療的效果[8]。

該康復(fù)儀旨在為截肢患者提供方便有效的治療方式，其主要工作參數(shù)為激振頻率和振動(dòng)方向角。激振頻率影響按摩強(qiáng)度，激振頻率越高，振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，振動(dòng)強(qiáng)度越大，顆粒流對(duì)肢體的按摩強(qiáng)度越強(qiáng);振動(dòng)方向角影響按摩方式，不同振動(dòng)方向角下振動(dòng)電機(jī)的空間位姿不同，激振力方向不同，康復(fù)儀中顆粒流的運(yùn)動(dòng)形式不同，從而實(shí)現(xiàn)不同的按摩方式。因此從對(duì)以上2種參數(shù)控制角度出發(fā)，根據(jù)康復(fù)儀的功能需求，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)其模塊化、智能化及治療時(shí)間的可調(diào)節(jié)性，為康復(fù)患者提供菜單式治療方案。

1 控制系統(tǒng)的總體方案

設(shè)計(jì)一套可根據(jù)患者自身恢復(fù)狀況選擇治療模式的康復(fù)儀控制系統(tǒng)。包括康復(fù)儀控制系統(tǒng)需求分析、功能分析、硬件組太和軟件構(gòu)架，以面板形式實(shí)現(xiàn)對(duì)康復(fù)儀的控制，并通過(guò)離線仿真與在線試驗(yàn)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能、穩(wěn)定性和可靠性。

1.1 振動(dòng)顆粒康復(fù)儀的功能及需求分析

1）提供可選擇的按摩強(qiáng)度模塊，醫(yī)生可根據(jù)正在接受康復(fù)訓(xùn)練患者所處的康復(fù)階段進(jìn)行選擇。對(duì)于剛剛接受康復(fù)訓(xùn)練的患者而言，先進(jìn)行低強(qiáng)度按摩，隨著截肢患者創(chuàng)傷處耐受力的增強(qiáng)，可以接受的刺激強(qiáng)度的增加，而依次增加康復(fù)儀的按摩強(qiáng)度。

2）提供可選擇的按摩形式模塊，患者在接受康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，需要對(duì)治療肢體的不同位置進(jìn)行刺激按摩，且同一位置需要不同的按摩方式，因此需要康復(fù)儀能夠提供不同的按摩形式。

3）提供可選擇的時(shí)間輸入模塊，根據(jù)截肢患者的恢復(fù)狀態(tài)選擇不同的治療時(shí)間，提供小時(shí)、分鐘、秒的輸入界面，到達(dá)設(shè)定時(shí)間以后，定時(shí)指示燈亮，設(shè)備停止按摩工作，處于待機(jī)狀態(tài)。

1.2 控制系統(tǒng)的主要功能分析

1）康復(fù)儀的參數(shù)采集預(yù)處理：根據(jù)為患者所選擇的治療方案，對(duì)相關(guān)工作參數(shù)（按摩強(qiáng)度、按摩形式、按摩時(shí)間）進(jìn)行準(zhǔn)確的采集與控制。

2）邏輯控制：通過(guò)邏輯順控來(lái)實(shí)現(xiàn)康復(fù)儀相關(guān)的操作和動(dòng)作。

3）急?？刂疲撼P(guān)機(jī)狀態(tài)外，當(dāng)設(shè)備按照設(shè)定好的時(shí)間工作時(shí)，若出現(xiàn)緊急狀況，可隨時(shí)通過(guò)急?？刂仆Ｖ箍祻?fù)儀的工作。

1.3 康復(fù)儀控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)康復(fù)儀功能需求、控制系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖如圖1示。

在康復(fù)儀輸入檢測(cè)端，零位待機(jī)按鈕用以配合傳感器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)電機(jī)在任何位置的回歸零位控制，對(duì)應(yīng)輸出響應(yīng)端的零位指示燈;強(qiáng)度選擇按鈕開啟按摩強(qiáng)度選擇界面，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度選擇模塊;方式選擇按鈕開啟按摩方式選擇界面，對(duì)應(yīng)方式選擇模塊;時(shí)間設(shè)定按鈕開啟時(shí)間輸入界面，對(duì)應(yīng)時(shí)間設(shè)定模塊。

1.4 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)由控硬件和軟件構(gòu)成，康復(fù)儀控制系統(tǒng)主要硬件的選擇如圖2所示。

硬件間的連接關(guān)系如圖3所示。

觸摸屏顯示器屏幕前的觸摸檢測(cè)部件接受按摩強(qiáng)度、按摩方式、按摩時(shí)間等觸摸信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)傳送給PLC-CPU，同時(shí)又能接收PLC-CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行;PLC通過(guò)對(duì)程序的掃描及運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)指定按摩強(qiáng)度、按摩方式、按摩時(shí)間等任務(wù);PLC自帶高速脈沖控制模塊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，配合傳感器實(shí)現(xiàn)零位控制，并調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)至指定空間位姿，從而得到相應(yīng)的按摩方式;PLC結(jié)合RS-485通信模塊與變頻器進(jìn)行通信，控制振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)激振力大小，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)儀按摩強(qiáng)度的控制。

選用GX Works2編譯控制系統(tǒng)各功能部分的程序梯形圖，該軟件專用于PLC設(shè)計(jì)、調(diào)試工作，操作性能好;選用Kinco HMIware編譯觸摸屏的組態(tài)畫面，該軟件自帶模擬功能，達(dá)到的效果可以和實(shí)物基本一致，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試程序時(shí)不必重復(fù)的下載程序，節(jié)省了許多時(shí)間。

2 康復(fù)儀各功能模塊子程序

依據(jù)康復(fù)儀控制要求，開機(jī)后，康復(fù)儀處于待機(jī)狀態(tài)，控制柜上待機(jī)指示燈亮;根據(jù)截肢患者的康復(fù)狀態(tài)選擇按摩強(qiáng)度，觸摸屏上強(qiáng)度選擇模塊指示燈亮;根據(jù)治療時(shí)對(duì)顆粒流運(yùn)動(dòng)方式的要求選擇按摩形式，觸摸屏上形式選擇模塊指示燈亮;在時(shí)間輸入界面設(shè)定時(shí)間，當(dāng)治療時(shí)間尚未到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，設(shè)備一直處于治療狀態(tài)，當(dāng)治療時(shí)間到達(dá) 設(shè)定時(shí)間后，設(shè)備停止治療狀態(tài)，并返回待機(jī)狀態(tài)。康復(fù)儀治療流程如圖4所示。

2.1 通信子程序設(shè)計(jì)

按摩強(qiáng)度功能模塊用到的變頻器需要和PLC-CPU進(jìn)行通訊設(shè)置，應(yīng)用MODBUS協(xié)議編寫通信協(xié)議子程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)電機(jī)激振力的控制，采用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位、停止位為1位的偶校驗(yàn)，波特率（bps）為19 200，硬件類型選用的RS-485模塊，b0～b3為（0 0 0 1）、b4～b7為（1 0 0 1）、b8～b11為（0 0 0 0）、b12～b15為（0 0 0 1）;通訊協(xié)議采用RTU模式設(shè)定，b0～b3為（0 0 0 1）、b4～b7為（0 0 0 0）、b8～b11為（0 0 0 0）、b12～b15為（0 0 0 0）;從站響應(yīng)超時(shí)設(shè)置為2 000 ms;播放延時(shí)設(shè)置為400 ms;幀間延時(shí)設(shè)置為10 ms;重試次數(shù)設(shè)置為3次。通信子程序梯形圖如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)調(diào)零子程序設(shè)計(jì)

相比伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，選用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減低了成本，但同時(shí)使系統(tǒng)為開環(huán)控制，截肢患者接受治療時(shí)常需要對(duì)振動(dòng)電機(jī)的位姿進(jìn)行調(diào)整。為保證振動(dòng)電機(jī)位姿調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，提供可靠的按摩方式，并防止振動(dòng)電機(jī)過(guò)量的單向旋轉(zhuǎn)造成電機(jī)線纏繞而影響康復(fù)儀正常工作，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)零程序，保證每次治療結(jié)束后，振動(dòng)電機(jī)可以回歸零位，系統(tǒng)的調(diào)零控制流程圖如圖6所示。

按下零位按鈕進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)，若此時(shí)已是零位狀態(tài)，則零位指示燈亮，康復(fù)儀在零位待機(jī);否則進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)，調(diào)零過(guò)程為正傳90 °、反轉(zhuǎn)180 °，期間任意時(shí)刻到達(dá)零位，零位指示燈亮，康復(fù)儀在零位待機(jī)。該文應(yīng)用PLC PLSY指令控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)量。

2.3 按摩強(qiáng)度選擇子程序

振動(dòng)電機(jī)是康復(fù)儀的動(dòng)力源，為其提供激振力，激振力的大小由振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，應(yīng)用變頻器對(duì)振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，并根據(jù)不同激振頻率下康復(fù)儀中顆粒流對(duì)肢體的按摩強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，即輸入按摩強(qiáng)度等級(jí)，變頻器便會(huì)控制振動(dòng)電機(jī)按指定轉(zhuǎn)速工作，康復(fù)儀按摩強(qiáng)度選擇控制流程圖如圖7示。

本文應(yīng)用PLC ADPRW指令實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)電機(jī)啟、停及調(diào)速控制。

2.4 按摩方式選擇子程序

振動(dòng)電機(jī)的空間位姿決定了康復(fù)儀激振平臺(tái)的振動(dòng)方向角，振動(dòng)方向角影響顆粒流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，顆粒流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又決定了康復(fù)儀的按摩方式，因此，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)振動(dòng)電機(jī)空間位姿的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)康復(fù)儀按摩方式的轉(zhuǎn)變。康復(fù)儀按摩方式控制流程圖如圖8所示。

應(yīng)用PLSY指令將寄存器中輸入的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)量發(fā)送給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)的位姿。

2.5 按摩時(shí)間子程序

根據(jù)截肢患者對(duì)按摩治療時(shí)間的要求為康復(fù)儀設(shè)定指定的工作時(shí)間，到達(dá)指定時(shí)間后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到待機(jī)狀態(tài)，應(yīng)用PLC TCMP指令通過(guò)對(duì)時(shí)間比較結(jié)果的設(shè)定控制康復(fù)儀的治療、待機(jī)，按摩時(shí)間設(shè)定流程圖如圖9所示。

2.6 觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

根據(jù)康復(fù)儀控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能，應(yīng)用Kinco HMIware軟件對(duì)程序梯形圖中各軟元件進(jìn)組態(tài)設(shè)計(jì)，為方便操作，將各功能模塊分區(qū)處理，如圖10所示。

3 控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)

3.1 控制程序的離線調(diào)試

通過(guò)更改各軟元件的當(dāng)前值對(duì)所編程序進(jìn)行離線調(diào)試，如圖11示。

調(diào)試模擬了控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，分別調(diào)試各功能模塊子程序，結(jié)果符合預(yù)期要求，依據(jù)邏輯順控將各功能模塊程序合并，整體調(diào)試，針對(duì)程序遺漏的互鎖部分進(jìn)行修正，并將功能多余重復(fù)部分進(jìn)行改進(jìn)，至結(jié)果符合控制要求且精煉為止。

3.2 控制程序的在線試驗(yàn)

控制程序的在線試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

將在Kinco HMIware軟件中完成的組態(tài)設(shè)計(jì)導(dǎo)入觸摸屏，如圖10a）所示;將離線調(diào)試好的整個(gè)程序進(jìn)行在線控制試驗(yàn)，如圖10b）所示;通過(guò)康復(fù)儀樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)控制系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證，如圖10c）所示。

通過(guò)在線試驗(yàn)中對(duì)康復(fù)儀控制系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證。振動(dòng)電機(jī)在任意位姿下點(diǎn)擊零位按鈕，電機(jī)通過(guò)零位控制回歸零位;在強(qiáng)度輸入界面依次輸入1-5，激振力逐漸增大，康復(fù)儀中顆粒運(yùn)動(dòng)劇烈程度逐漸升高，按摩強(qiáng)度逐漸增強(qiáng);在按摩方式輸入界面輸入角度，振動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)至指定位置，康復(fù)儀中顆粒流的運(yùn)動(dòng)形式根據(jù)激振力方向改變而變化，實(shí)現(xiàn)不同的按摩方式;在按摩時(shí)間輸入界面輸入時(shí)間，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，康復(fù)儀自動(dòng)回歸待機(jī)狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)康復(fù)儀的工作需求、控制需求以及控制方案進(jìn)行分析，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了如下工作。

1）面向輸入端操作便捷的要求，將康復(fù)儀的主要工作參數(shù)（激振頻率、振動(dòng)方向角）轉(zhuǎn)化為按摩方式、按摩強(qiáng)度等治療參數(shù)，更直觀且容易操作。

2）根據(jù)康復(fù)儀的功能需求，完成控制平臺(tái)的搭建、控制柜的設(shè)計(jì)與加工和各功能模塊程序的編譯。

3）通過(guò)離線調(diào)試與在線試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了康復(fù)儀樣機(jī)調(diào)零、按摩強(qiáng)度分級(jí)、按摩方式轉(zhuǎn)換、按摩時(shí)間可調(diào)節(jié)等功能。

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