腰椎牵引床控制算法的研究

腰椎牵引床控制算法的研究

王帅张田龙王腾

（河北省自动化研究所河北石家庄050081）

摘要：腰椎牵引床的算法主要分为牵引力的控制算法和斜板角度控制算法等。牵引控制系统主要实现对病人的牵引治疗，其核心是牵引力的控制。从治疗功能上，牵引系统有动牵、静牵、按摩和斜扳四个功能。牵引控制系统的执行器采用直流电机，反馈部分则由拉力传感器、角度传感器和位置传感器构成，控制核心采用带触摸功能的嵌入式一体机，开发单片机-继电器板实现电机的驱动。

关键词：牵引力，间歇时间，牵引床

引言：

生活水平提高的同时，身体健康问题却越来越多。腰椎间盘的发病率逐年增多，患病引起的身体不适严重影响正常生活。[1]有关专家表示，大多时候人们会因为不良的工作和生活习惯，而忽略了对身体的保护，直到腰椎颈椎出现问题的时候才去医院治疗。手术治疗和非手术治疗。手术治疗主要是对症状较严重的，经严格的非手术治疗无效，身体尚能耐受手术的病人，非手术治疗临床方法中的牵引疗法以其简单、安全、无痛、有效得到了广泛的应用。

1牵引床控制系统简介

伏卧式腰椎牵引床应用于牵引治疗，主要由设备状态采集传感器、直流牵引电机及驱动单元、请教检测单元、数据存储单元、中央处理单元组成。

本系统的牵引按摩控制部分以嵌入式一体机为控制核心，开发的单片机电路和继电器构成驱动单元，直流推杆电机作为执行单元，拉力传感器、角度传感器和位置传感器作为反馈单元。控制过程和算法采用VB.Net编制。

通过位置传感器、角度传感器、拉力传感器以及起辅助功能的位移传感器采集牵引装置的姿态，将参数汇总，经过数据处理单元模块，传送至中央处理器。最后，经过处理器整合计算，分析出牵引装置的状态，由3D显示窗口实时显示，这也是对牵引装置安全性的进一步保障。当牵引装置开始牵引治疗时，出现超出处方的姿态时给予报警并自动分析原因，必要时复位，停止治疗。

2静牵模式下牵引力的控制算法

静牵时，理想状态下牵引力逐渐达到预定的牵引力值，然后维持牵引力不变，直到静牵牵引治疗结束。

实际过程中，由于患者在治疗过程中轻微的活动和绑紧带松动等原因，牵引力不可避免的会发生变化，而牵引床牵引力的控制一般是继电器驱动直流电机来实现，过于频繁的启动和停止点击会严重损害牵引床的使用寿命，因此需要一种合适的算法来维持牵引力的恒定，保证静牵牵引治疗正常完成。

首先，设置一个值域B={a-δ，a+δ}，其中a为牵引力设定值，δ为允许牵引力偏移量。设置一个值域A=[0，a-δ]，C=[a+δ，+∞），传感器测得的实时牵引力为F，电机运行状态Y。

当F∈A时，电机应该处于正转我们将信号抽象为Y=1；当F∈C时，电机应该处于反转我们将信号抽象为Y=-1。

当F∈B，F＞a并且Y≠-1时，Y=0，即电机停止转动；当F∈B，F＞a并且Y=-1时，Y=-1，即电机反转。

当F∈B，F≤a并且Y≠1时，Y=0，即电机停止转动；当F∈B，F≤a并且Y=1时，Y=1，即电机正转。

所以电机状态于牵引力值得函数为：

当前一刻Y=0时，

3动牵模式下牵引力的控制算法

动牵功能下，牵引力和松弛力均为定值的力，其值的大小按照静牵牵引力的控制方法来控制。

现在主要讨论间歇时间的控制方法。我们可以选择用上位机触摸屏电脑控制或单片机定时控制。

由于设备的数据实时的通过单片机传至上位机，为了减小处理速度相对慢的单片机的工作压力，我们选用上位机定时。然而，基于VB6.0编制的软件中，timer控件的定时受代码程序的影响比较大，timeGetTime函数以毫秒计的系统时间。该时间为从系统开启算起所经过的时间。时间相对准确。

4结论

经过分析核试验，运用本问题及的静牵模式控制方法和动牵模式控制方法，能有效的控制牵引床完成牵引治疗，也有利于延长牵引床各个部件的使用寿命，适用于牵引床的设计。但电脑三维牵引下腰椎斜扳法疗效优于常规腰椎斜扳法，可在临床推广应用。[2]

参考文献：

[1]赵锐强.基于使用方式的牵引床设计研究[D].西南交通大学，2017.

[2]李勇强，张俊，侯宇，李霞，孙玲.牵引下腰椎斜扳手法治疗腰椎间盘突出症的临床观察[J].黑龙江中医药，2016，45（04）：10-11.

作者简介：王帅（1987-），男，工程师，研究方向：自动控制类产品的开发。