【文章內(nèi)容簡介】 時監(jiān)控的脈診調(diào)節(jié)系統(tǒng):在垂直方向運用兩級調(diào)控系統(tǒng)，在快速調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進行精細調(diào)節(jié)，保證脈診儀的施力精度；同時可以在水平平面上自由調(diào)控，便于準確尋找不同患者的橈動脈位置。調(diào)節(jié)結(jié)果同步反映到脈診系統(tǒng)中，動態(tài)指示醫(yī)師操作。多路信號復(fù)合采集，綜合分析 動壓力信號 反映中醫(yī)脈動信息； 靜壓力信號 反映中醫(yī)師“舉按尋”運指手法； 心電圖 反映心臟運動，間接計算出脈搏波的傳導(dǎo)速度，表征血管信息； 光電脈圖 反映微循環(huán)和反射脈搏波。脈波與心電圖訊號、光電脈圖實時偵測，偵測精確度高，同步偵測、記錄完整的脈波圖形與心電圖訊號。結(jié)合心臟健康狀況，提供相關(guān)圖形與參數(shù)，作進一步診斷辨證，是中西醫(yī)結(jié)合的一大創(chuàng)新。采集時實時自動分析和采集后人機交互輔助分析相結(jié)合:BioME中醫(yī)脈診計算機輔助系統(tǒng)一邊采集一邊自動分析和自動切分脈搏周期，計算中醫(yī)經(jīng)典脈學(xué)所稱之“數(shù)脈”、“遲脈”、“平脈”、“結(jié)促代脈”的脈搏信號屬性，及時反饋到人機界面中。采集后的數(shù)據(jù)通過人機交互輔助分析，提供更多的中醫(yī)經(jīng)典脈學(xué)資訊。通過對心電圖、壓力脈圖、光電脈圖、患者基本信息的綜合分析，得出“浮沉”、“遲數(shù)”、“滑澀”、“弦緊”、“虛實”等多種脈象信息。 仿生柔性壓力傳感器:仔細分析中醫(yī)師的診脈過程：人的手指指面是觸覺最敏感的部位之一，切脈是采用柔性傳感器（醫(yī)生的手指）通過阻尼系統(tǒng)（病人的表皮及皮下組織）提取彈性管路（橈動脈）中脈動流體（血流）的復(fù)雜動力學(xué)與流變學(xué)狀態(tài)信息。BioME中醫(yī)脈診計算機輔助系統(tǒng)模擬人類觸覺小體的柔性壓力傳感器，用于實現(xiàn)指感下多維脈診觸覺信息的提取，較之硬性、剛性脈波擷取系統(tǒng)有本質(zhì)的不同，極大地提高本系統(tǒng)的仿生性和可靠性。廣適性系統(tǒng):使用目前最廣泛的USB接口，無須外接電源。只要您的計算機提供標準的USB接口，安裝驅(qū)動即可使用。方便攜帶，使用便捷，是現(xiàn)代科學(xué)中醫(yī)師必備之輔助診斷工具。 本系統(tǒng)總體設(shè)計方案基于單片機作為控制和數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)暮诵牡拿}搏檢測系統(tǒng)用于完成脈搏數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理。整個系統(tǒng)主要包括脈搏檢測探頭驅(qū)動模塊、脈搏波檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電源管理模塊、存儲模塊、時鐘模塊、串口通訊模塊、液晶顯示模塊和按鍵控制模塊。其中的機構(gòu)設(shè)計可分為兩大部分：總體框圖如29所示控制模塊專家模塊圖象處理模塊步進電機檢測儀（探頭機構(gòu)）步進電機檢測儀（托架機構(gòu)）圖29系統(tǒng)總體設(shè)計方案 本章小結(jié)在硬件系統(tǒng)研制過程中，我們以實用、可靠為原則，在此基礎(chǔ)上，努力簡化硬件設(shè)計，主要完成了以下工作：通過與國內(nèi)外已有的設(shè)計方案進行比較，總結(jié)其優(yōu)缺點，設(shè)計出新型的比較完善的脈搏檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案。第3章 系統(tǒng)的整體機構(gòu)設(shè)計簡介 CAD和UG軟件簡介20世紀70年代后期以來，一個以計算機輔助設(shè)計技術(shù)為代表的新的技術(shù)改革浪潮席卷了全世界，它不僅促進了計算機本身性能的提高和更新?lián)Q代，而且?guī)缀跤绊懙饺考夹g(shù)領(lǐng)域，沖擊著傳統(tǒng)的工作模式。以計算機輔助設(shè)計這種高技術(shù)為代表的先進技術(shù)己經(jīng)、并將進一步給人類帶來巨大的影響和利益。計算機輔助設(shè)計技術(shù)的水平成了衡量一個國家上業(yè)技術(shù)水平的重要標志。計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design, CAD)是利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進行工程和產(chǎn)品的設(shè)計與分析，以達到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。它是綜合了計算機科學(xué)與工程設(shè)計方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。CAD技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的基本功能通常包括：繪圖（如二維繪圖、三維繪圖、數(shù)據(jù)三維動畫、出圖打印等）、數(shù)據(jù)管理（如與工程數(shù)據(jù)庫結(jié)合實現(xiàn)對工程數(shù)據(jù)的存儲、查詢等功能）、數(shù)值分析（如數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、有限元分析、碰撞分析、模擬裝配等）、仿真模擬（如飛行仿真、受力破壞分析、交通狀況模擬等）。目前國內(nèi)市場上己經(jīng)出現(xiàn)了一些針對系列化產(chǎn)品的專用CAD軟件，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工及機電控制研究所開發(fā)的基于Solidworks平臺的渦輪盤專用CAD/CAM系統(tǒng)，燕山大學(xué)開發(fā)的基于特征造型的軸類零件GTCAD系統(tǒng)等[5]。UG(Unigraphics)是美國EDS公司集CAD/CAE/CAM于一體的軟件集成系統(tǒng)，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計與制造。它廣泛應(yīng)用于機械、汽車、航空航天、家電、電子以及化工等各個行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計和制造領(lǐng)域，通過其虛擬產(chǎn)品開發(fā)（VPD）的理念，提供多極化的、集成的、企業(yè)級的包括軟件產(chǎn)品與服務(wù)在內(nèi)的完整的MCAD解決方案。UG面向過程驅(qū)動技術(shù)的環(huán)境中用戶的全部產(chǎn)品以及精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開發(fā)各個環(huán)節(jié)保持相關(guān)，從而有效地實現(xiàn)了并行工程UG不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)品工程圖等設(shè)計功能，而且在設(shè)計過程中可進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬，提高了設(shè)計的可靠性。同時，可用建立的三維模型直接生成數(shù)據(jù)代碼，用于產(chǎn)品的加工，其后處理程序支持多種類型數(shù)控機床。另外，它所提供的二次開發(fā)語言UG/OPEN GRIP、UG/OPEN API簡單易學(xué)，實現(xiàn)多功能，便于用戶開發(fā)專用CAD系統(tǒng)。 系統(tǒng)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計整個機構(gòu)采用模塊化的設(shè)計思想，模塊化設(shè)計是以功能分析為基礎(chǔ)，在某一基礎(chǔ)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上將同一功能的模塊互相選用或加工不同功能特性的模塊及分模塊，用以更好地滿足用戶需要的一種變型設(shè)計方法。本設(shè)計不但從脈搏檢測儀的功能方面，還從加工裝配方面都充分利用模塊化的設(shè)計思想。按照完成的功能將三個自由度分成兩組，本系統(tǒng)只采用了移動模塊，而且各個零件也盡可能采用同一尺寸。這樣，可以降低運動副之間的干涉，不僅使檢測儀具有更大的適應(yīng)性和靈活性，也大大的縮短了設(shè)計制造周期，從而降低了制造成本。本系統(tǒng)得整體機構(gòu)如31圖所示。圖31 機構(gòu)的整體設(shè)計圖 自由度的分析現(xiàn)在的脈診是根據(jù)脈學(xué)原理對病人進行診療，這就是要達到兩個方面的要求，一是脈搏檢測儀的探頭必須找準病人手臂脈搏的正確位置；二是要通過探頭傳感器和電路的控制，并且根據(jù)浮、中、沉得取脈壓力原理，獲得正確的脈象信息。這就要綜合考慮病人的性別，年齡、高矮、胖瘦等因素，在脈學(xué)原理的基礎(chǔ)上對檢測儀進行綜合設(shè)計。我們設(shè)計的脈搏檢測儀是使用機構(gòu)來實現(xiàn)初步的脈象檢測和脈象信息的采集、分析。這就要求機器人具有三個自由度來實現(xiàn)要求。而且，我們采用三個探頭的獨立運動來找準測脈的準確位置，從而可以大大的提高脈象信息的可靠性。探頭裝置如圖32所示。 　　圖32 探頭裝置經(jīng)過多次嘗試和簡化以后，我們將整個機構(gòu)分為兩大部分。第一部分是探頭檢測裝置如圖33所示，它主要是由三個探頭裝置組成，每個探頭均可完成兩個自由度并且在探頭處放上傳感片以找到脈象。主要通過步進電機來帶動三個探頭裝置的移動，以找準測脈準確位置為目的。圖33 探頭檢測裝置的三維視圖第二部分是手臂托架裝置如圖34和35所示，它主要是有一個托架槽組成，可以完成一個自由度。主要通過步進電機來帶動托架槽的移動，以使探頭可以采集到不同位置的脈象信息為目的。圖34手臂托架裝置三維視圖圖35手臂托架裝置二維示圖 關(guān)鍵元件的選取 考慮到機構(gòu)的控制精度和造價等的問題，我們在脈搏檢測儀的設(shè)計上選用步進電機，因為它具有如下的特點： 1．可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)廉價簡單。 2．位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3．無刷，電機本體部件少，可靠性高。 4．易于啟動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性也好。 5．停止時，可有自鎖能力。 6．步距角選擇范圍大，可在幾十度至180。大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)即穩(wěn)定進行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載。 7．速度可在相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時用一臺控制器控制幾臺步進電機可使它們完全同步進行。 8．步進電動機帶慣性負載的能力較差。 9．出現(xiàn)失步和共振，步進電動機的加減速方法利用狀態(tài)不同復(fù)雜化[7]。 這里，我們選用常州豐源微特電機有限公司的精密型永磁式減速步進電機，表31列出了電機的技術(shù)數(shù)據(jù)。表31電機技術(shù)數(shù)據(jù)型號步距角相數(shù)電壓電流電阻15BYHJ0118/1502542012減速比空載運行頻率空載啟動頻率啟動轉(zhuǎn)距鎖定轉(zhuǎn)距1/15010008004502500滑動螺旋傳動可以實現(xiàn)元件的直線運動，本系統(tǒng)中的移動裝置即可通過螺栓桿來完成其運動要求。而且，螺栓桿安裝簡便，結(jié)構(gòu)緊湊，工作適應(yīng)非常強。根據(jù)不同的螺栓桿可以達到的各種精度要求。螺栓桿所具備的特點適合脈搏檢測儀的結(jié)構(gòu)的要求，它大大的降低了機構(gòu)的擁擠程度，使其整個機構(gòu)的外觀合理、和諧、精簡。在整個機構(gòu)的設(shè)計中起到了重要的作用。根據(jù)表32可得我們選用的螺紋副材料是銅對青銅，根據(jù)表33可得我們選用的螺桿材料為45號鋼。 表32 滑動螺旋傳動的許用壓強[p]螺紋副材料滑動速度，m/min許用壓強，Mpa螺紋副材料滑動速度，m/min許用壓強，Mpa銅對青銅低速1825銅對灰鑄鐵13181118612476127101512銅對鋼低速銅對耐磨鑄鐵61268淬火鋼對青銅6121013注：φ，[p]可提高約20%表33 螺桿許用壓力材料許 用 應(yīng) 力[σ][σb ][τ]螺桿鋼螺母青銅40～6030～40耐磨鑄鐵50～6040灰鑄鐵45～5540鋼(1～)[σ][σ]本系統(tǒng)機構(gòu)移動時要求精確到毫米級。因此，根據(jù)GB19363我們可以選用公稱直徑d=6mm，螺距t=1mm，線數(shù)n=1的螺栓桿來達到我們的要求。 d=6mmt=1mmn=1S=nt=11=1mm 因此，本設(shè)計中我們選用江陰市同方車業(yè)有限公司生產(chǎn)的直徑為6mm的普通粗牙螺栓桿，如圖36所示。圖36 滾軸絲桿三維視圖 移動機構(gòu)的設(shè)計移動機構(gòu)是為了實現(xiàn)探頭和托架的移動，以達到檢測的目的。因此每一個探頭移動機構(gòu)都應(yīng)該具有兩個自由度，這樣要通過兩個方向的運動的合成使運動點可以達到運動平面的任意位置。關(guān)于運動的合成常有兩種方法來實現(xiàn)，并聯(lián)法和串聯(lián)法網(wǎng)。并聯(lián)法是施加的運動都位于同一級，這種形式的特點是節(jié)約空間，運動相應(yīng)快，要求元件精度高，承載小等；而串聯(lián)法是運動一級的傳遞的，它的特點是占用空間大，承載大，運動穩(wěn)定等。經(jīng)過分析后覺得串聯(lián)機構(gòu)比較的適合我們的設(shè)計要術(shù)，整個機構(gòu)運動能夠比較的穩(wěn)定，準確，而且串聯(lián)機構(gòu)的受力要比并聯(lián)機構(gòu)好，所以選擇串聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)[8]。如圖37所示，移動機構(gòu)主要是由一根滾軸絲桿和兩根光軸導(dǎo)軌組成，這兩根光軸起到支撐導(dǎo)向的作用，并承受壓力和軸向力來減少甚至取消滾軸絲桿的受力，同時它們的位置在滾軸絲桿的左右，這樣有利于運動的穩(wěn)定，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且精度高。下層的移動機構(gòu)的平臺設(shè)計三個孔，其中中間的是滾軸絲桿孔與滾軸絲桿配合，兩側(cè)的孔和光軸配合，同時絲桿與一個步進電機連接，而上層的移動機構(gòu)的設(shè)計與下層的類似。當下層的步進電機轉(zhuǎn)動時，與之連接的絲桿隨之轉(zhuǎn)動，同時帶動了上層平臺的移動；當上層的步進電機轉(zhuǎn)動時，帶動與之相連的絲桿轉(zhuǎn)動，從而帶動探頭使其達到平面內(nèi)的指定位置。這就是探頭移動機構(gòu)單元的機構(gòu)和工作原理。圖37 移動機構(gòu)視圖如圖38所示 ，移動機構(gòu)也主要是有一根滾軸絲桿和兩根光桿導(dǎo)軌組圖38 移動機構(gòu)視圖成，其下層移動機構(gòu)的絲桿和光桿的機構(gòu)和工作原理與上述類似。而上層只有托架槽，當下層的步進電機轉(zhuǎn)動時，與之連接的絲桿隨之轉(zhuǎn)動，同時帶動了上層的托架槽移動，這就是托架移動機構(gòu)單元的機構(gòu)和工作原理。滾軸絲桿包括光桿的長度的確定，是根據(jù)測脈的實際長度和探頭行程的有效長度來確定的，這就需要知道脈搏檢測處手臂的大致寬度和兩移動機構(gòu)之間的大致距離。（1）根據(jù)手腕的大致寬度可取為45mm，因此，第一個部件的下層機構(gòu)的行程　15mmS1 25mm 經(jīng)計算可得： S1=40164=20mm 滿足上述要求（2）根據(jù)測脈的浮，中，沉原理和不同年齡的病人手臂長短的不同。要求第一部件的上層機構(gòu)的行程 　10mmS240mm 經(jīng)計算可得： S2=40162=22mm 滿足上述要求（3）根據(jù)脈搏檢測儀需要采集至少六次的脈象信息。要求第二部件的移動機構(gòu)的行程 　10mmS3 40mm 經(jīng)計算可得： S3=6430=34mm 滿足上述要求 因此，本機構(gòu)的設(shè)計滿足實際應(yīng)用的要求。 機構(gòu)校核脈搏檢測儀結(jié)構(gòu)中，重要的部分是滾動絲桿和移動機構(gòu)，因為它們是實現(xiàn)探頭移動的脈搏檢測與脈象采集得主要途徑，所以我們需要校核一下關(guān)鍵部件的尺寸，從而能夠保證脈搏檢測儀的機械精度與剛度。整個檢測機構(gòu)基本采用鋁合金和45號鋼等材料，體積小，故整體質(zhì)量輕，而且不存在大的傳動和扭矩轉(zhuǎn)動，因此，機構(gòu)的剛度校核與強度校核可以忽略不計[8][9]。經(jīng)分析，該機構(gòu)中影響精度和比較危險的部件有兩處，所以我們選擇這兩處進行計算[10]。該絲桿以及兩邊的導(dǎo)向軸一起承受著上層的平臺機構(gòu)和探頭檢測時所產(chǎn)生的向下的力。（1）質(zhì)量估計 查密度表：，探頭槽： m =（1022）=（）