脚踝康复机设计专题控制系统设计
脚踝康复机设计专题控制系统设计[20200106194203]
本设计背景是患者的踝关节损伤或其他疾病导致长期卧床，为其尽快恢复痊愈或预防下肢深静脉血栓等其他并发症，需对踝关节进行踝泵运动康复训练的情况。期望设计一台能够对踝关节充分、有效进行康复训练的器械（脚踝康复机）。本设计主要对控制系统进行设计，脚踝康复机是基于PLC控制为核心，步进电机及丝杆滑台为运动部件，触摸屏为监控及输入的一体化装置。PLC通过对步进电机速度、位置控制，实现丝杆滑台根据设定的轨迹作规律运动，从而带动固定脚踝的机械部件运动，达到对踝关节进行踝泵运动的康复训练目的。踝泵运动器特点有：功能安全稳定，能够对踝关节充分彻底训练，多种训练模式可供选择，其运动次数、周期、幅度等多种参数可调，具有很高的实用及经济价值。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:踝关节,踝泵运动,康复训练,PLC,步进电机
目 录
1 引言 1
1．1 课题研究的背景 1
1．2 踝泵运动的定义及优点 2
1．3 本文主要研究的内容 2
1．4 本章小结 3
2 控制方案的设计 3
2．1 脚踝康复机的功能要求分析 3
2. 2 总体方案设计 5
2．3 本章小结 7
3 控制系统硬件设计 8
3．1 步进电机的选型 8
3．2 PLC的选型 15
3．3 上位机的选型 19
3．4 行程开关选型 21
3．5 继电器的选型 21
3．6 开关电源的选型 22
3．7 控制系统元件清单 23
3．8 PLC的I/O分配及触摸屏地址分配 23
3．9 PLC接线图的设计 26
3．10 本章小结 27
4 控制系统软件设计 27
4．1 PLC程序设计 27
4．2 触摸屏画面设计 29
4．3 本章小结 36
5 系统安装与调试 37
5．1 硬件接线 37
5．2 调试 37
5．3 本章小结 38
6 维护与保养 39
6．1 常见问题与解决方法 39
6．2 保养方法 39
6．3 本章小结 40
结 论 41
致 谢 42
参 考 文 献 43
1 引言
1．1 课题研究的背景
随着经济的发展，生活节奏的加快，人口老龄化的加重以及汽车等交通工具的广泛使用，使得交通事故和人体疾病导致肢体运动障碍的概率增加。脚踝是人体负重最大的活动关节，也是下肢动作的关键关节。人体站立时全身的重量几乎全部落在脚踝上，比如日常生活中走路、弹跳运动，最主要的是依靠脚踝的背屈跖屈动作。脚踝的损伤在日常生活中较为常见，脚踝损伤后会使患者行动不便，严重影响其正常的日常生活。尤其对于长期卧床患者，会造成关节粘连和肌肉蒌缩,并且极易引起并发症DVT（下肢深静脉血栓形成），心、脑、肺部疾病导致长期卧床的患者DVT的临床报导非常多见。因此，对脚踝的康复治疗相当重要。早期积极主动、被动的康复训练锻炼以促进静脉血液回流，起到了不可替代的作用。
脚踝康复训练的主要采取运动训练的方式，以主动活动为主，被动活动为辅，如指导或帮助患者进行踝泵运动。康复训练是指可以借助外力或医疗器械，使脚踝进行有规律地、适度地运动，从而加速关节组织的愈合，增强脚踝周围韧带肌肉力量，提高脚踝的柔韧性、稳定性及协调性，预防再次扭伤，增强人体对脚踝的本体感觉。
目前对脚踝的康复训练主要依赖于治疗师一对一的徒手训练,难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求,而且手工康复训练的成本很高。另外由于康复评价也多为主观评价,不能够实时监测治疗效果。另外市场上的关于脚踝康复训练的器械大多需要人力来完成,且功能单一,大多仅提供关节一个方向的运动,对关节整体功能的恢复尚存不足,而且使用不当易造成关节的再次损伤。市场上还没有专门针对脚踝进行综合康复训练的医疗器械。因此，本设计希望研制一台能够综合辅助患者康复训练的机器人“脚踝康复机”。脚踝康复机对于现在的医疗现状将会有很重要的意义：首先，机器可以连续工作，能够达到训练的强度要求，减少了医护人员的人力投入；在者，机器节省下的医生的时间，用来评估患者的康复训练进展及效果，同时也能记录训练相关数据，作为康复训练效果的评估依据，从而使评估更加客观；其次，可以根据患者的康复训练效果，调整机器的相关参数，能够很好的适应新一阶段患者康复训练的需要；机器记录的训练数据，有助于医生发现数据与训练效果之间的关系。总而言之，脚踝康复机将会是一次创新，为患者带来福音。
1．2 踝泵运动的定义及优点
踝泵运动（英文名字Ankle pump），是就是通过脚踝的运动，起到像泵一样的作用，促进下肢的血液循环和淋巴回流。
踝泵运动是下肢骨折功能锻炼最简便、有效的训练方法，主要通过脚踝的活动带动下肢肌肉收缩，加快血液回流，促进肿胀消除及肢体功能康复；术后早期的踝泵训练能使高凝状态的血液流动增快。该护理方法简单易行，安全实惠，疗效突出，临床应用广泛。但踝泵运动临床护理操作方式不尽相同，有单纯的脚踝屈伸运动，同时有脚踝的内旋和外旋、跖屈和背屈、内翻和外翻组合在一起的“环绕运动”。
1．3 本文主要研究的内容
脚踝康复机设计主要包括两部分：机械结构部分和控制系统部分。结构部分由另一位同学负责，本文主要设计控制系统部分。本控制系统的设计主要包括一下内容：（1）系统控制功能分析及控制方案的确定
在脚踝损伤及其康复训练理论的基础上，根据脚踝的康复需要，结合医疗康复训练的要求，分析控制系统功能。并根据系统功能要求，结合所学专业知识，设计控制方案。
（2）系统硬件设计
根据控制系统的要求，选择合适的系统元件，包括步进电机及驱动器、控制器、电源、行程开关、上位机等。硬件在能够满足条件的基础上，选择经济实惠的硬件。
（3）相关图纸的绘制
根据系统功能要求，完成电气原理图、接线图、程序框图的设计。
（4）控制器及上位机程序设计
根据系统功能要求，编写控制器控制程序及上位机程序。
（5）系统安装与调试
在机械结构设计完成的基础上，结合控制系统设计，和同组同学完成实物样机的制作，并进行系统功能调试，对于调试过程中出现的问题，及时做出分析并且修改，以保证系统能够稳定运行。
（6）编写技术文档
在完成样机的程序调试后，编写相应的技术文档，即完成本毕业设计。
1. 4 本章小结
本章阐述了脚踝康复训练的背景，提出脚踝康复机的设计构想，简单介绍了康复训练过程中的主要训练运动方式（即踝泵运动）。并指出本文主要针对脚踝康复机控制系统进行设计，以及概括性的说明了控制系统设计的工作内容。
2 控制方案的设计
2．1 脚踝康复机的功能要求分析
2.1.1 基本要求
对脚踝康复训练装置进行设计前,应对康复训练装置的功能要求进行分析。踝泵运动实际上是辅助脚踝进行模拟各种能够进行的医疗训练动作，达到训练的目的。脚踝的运动可以分解为三组基本的动作，（1）背屈和跖屈（2）内翻和外翻（3）内旋与外旋。脚踝其他复杂动作均可由这三种基本的动作组合而成。为达到康复训练的良好效果，脚踝康复机应满足以下基本功能：
（1）性能稳定，能够长期安全使用。脚踝康复训练一般需要长期疗养过程，长期安全实用是康复训练的基本保障。
本设计背景是患者的踝关节损伤或其他疾病导致长期卧床，为其尽快恢复痊愈或预防下肢深静脉血栓等其他并发症，需对踝关节进行踝泵运动康复训练的情况。期望设计一台能够对踝关节充分、有效进行康复训练的器械（脚踝康复机）。本设计主要对控制系统进行设计，脚踝康复机是基于PLC控制为核心，步进电机及丝杆滑台为运动部件，触摸屏为监控及输入的一体化装置。PLC通过对步进电机速度、位置控制，实现丝杆滑台根据设定的轨迹作规律运动，从而带动固定脚踝的机械部件运动，达到对踝关节进行踝泵运动的康复训练目的。踝泵运动器特点有：功能安全稳定，能够对踝关节充分彻底训练，多种训练模式可供选择，其运动次数、周期、幅度等多种参数可调，具有很高的实用及经济价值。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:踝关节,踝泵运动,康复训练,PLC,步进电机
目 录
1 引言 1
1．1 课题研究的背景 1
1．2 踝泵运动的定义及优点 2
1．3 本文主要研究的内容 2
1．4 本章小结 3
2 控制方案的设计 3
2．1 脚踝康复机的功能要求分析 3
2. 2 总体方案设计 5
2．3 本章小结 7
3 控制系统硬件设计 8
3．1 步进电机的选型 8
3．2 PLC的选型 15
3．3 上位机的选型 19
3．4 行程开关选型 21
3．5 继电器的选型 21
3．6 开关电源的选型 22
3．7 控制系统元件清单 23
3．8 PLC的I/O分配及触摸屏地址分配 23
3．9 PLC接线图的设计 26
3．10 本章小结 27
4 控制系统软件设计 27
4．1 PLC程序设计 27
4．2 触摸屏画面设计 29
4．3 本章小结 36
5 系统安装与调试 37
5．1 硬件接线 37
5．2 调试 37
5．3 本章小结 38
6 维护与保养 39
6．1 常见问题与解决方法 39
6．2 保养方法 39
6．3 本章小结 40
结 论 41
致 谢 42
参 考 文 献 43
1 引言
1．1 课题研究的背景
随着经济的发展，生活节奏的加快，人口老龄化的加重以及汽车等交通工具的广泛使用，使得交通事故和人体疾病导致肢体运动障碍的概率增加。脚踝是人体负重最大的活动关节，也是下肢动作的关键关节。人体站立时全身的重量几乎全部落在脚踝上，比如日常生活中走路、弹跳运动，最主要的是依靠脚踝的背屈跖屈动作。脚踝的损伤在日常生活中较为常见，脚踝损伤后会使患者行动不便，严重影响其正常的日常生活。尤其对于长期卧床患者，会造成关节粘连和肌肉蒌缩,并且极易引起并发症DVT（下肢深静脉血栓形成），心、脑、肺部疾病导致长期卧床的患者DVT的临床报导非常多见。因此，对脚踝的康复治疗相当重要。早期积极主动、被动的康复训练锻炼以促进静脉血液回流，起到了不可替代的作用。
脚踝康复训练的主要采取运动训练的方式，以主动活动为主，被动活动为辅，如指导或帮助患者进行踝泵运动。康复训练是指可以借助外力或医疗器械，使脚踝进行有规律地、适度地运动，从而加速关节组织的愈合，增强脚踝周围韧带肌肉力量，提高脚踝的柔韧性、稳定性及协调性，预防再次扭伤，增强人体对脚踝的本体感觉。
目前对脚踝的康复训练主要依赖于治疗师一对一的徒手训练,难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求,而且手工康复训练的成本很高。另外由于康复评价也多为主观评价,不能够实时监测治疗效果。另外市场上的关于脚踝康复训练的器械大多需要人力来完成,且功能单一,大多仅提供关节一个方向的运动,对关节整体功能的恢复尚存不足,而且使用不当易造成关节的再次损伤。市场上还没有专门针对脚踝进行综合康复训练的医疗器械。因此，本设计希望研制一台能够综合辅助患者康复训练的机器人“脚踝康复机”。脚踝康复机对于现在的医疗现状将会有很重要的意义：首先，机器可以连续工作，能够达到训练的强度要求，减少了医护人员的人力投入；在者，机器节省下的医生的时间，用来评估患者的康复训练进展及效果，同时也能记录训练相关数据，作为康复训练效果的评估依据，从而使评估更加客观；其次，可以根据患者的康复训练效果，调整机器的相关参数，能够很好的适应新一阶段患者康复训练的需要；机器记录的训练数据，有助于医生发现数据与训练效果之间的关系。总而言之，脚踝康复机将会是一次创新，为患者带来福音。
1．2 踝泵运动的定义及优点
踝泵运动（英文名字Ankle pump），是就是通过脚踝的运动，起到像泵一样的作用，促进下肢的血液循环和淋巴回流。
踝泵运动是下肢骨折功能锻炼最简便、有效的训练方法，主要通过脚踝的活动带动下肢肌肉收缩，加快血液回流，促进肿胀消除及肢体功能康复；术后早期的踝泵训练能使高凝状态的血液流动增快。该护理方法简单易行，安全实惠，疗效突出，临床应用广泛。但踝泵运动临床护理操作方式不尽相同，有单纯的脚踝屈伸运动，同时有脚踝的内旋和外旋、跖屈和背屈、内翻和外翻组合在一起的“环绕运动”。
1．3 本文主要研究的内容
脚踝康复机设计主要包括两部分：机械结构部分和控制系统部分。结构部分由另一位同学负责，本文主要设计控制系统部分。本控制系统的设计主要包括一下内容：（1）系统控制功能分析及控制方案的确定
在脚踝损伤及其康复训练理论的基础上，根据脚踝的康复需要，结合医疗康复训练的要求，分析控制系统功能。并根据系统功能要求，结合所学专业知识，设计控制方案。
（2）系统硬件设计
根据控制系统的要求，选择合适的系统元件，包括步进电机及驱动器、控制器、电源、行程开关、上位机等。硬件在能够满足条件的基础上，选择经济实惠的硬件。
（3）相关图纸的绘制
根据系统功能要求，完成电气原理图、接线图、程序框图的设计。
（4）控制器及上位机程序设计
根据系统功能要求，编写控制器控制程序及上位机程序。
（5）系统安装与调试
在机械结构设计完成的基础上，结合控制系统设计，和同组同学完成实物样机的制作，并进行系统功能调试，对于调试过程中出现的问题，及时做出分析并且修改，以保证系统能够稳定运行。
（6）编写技术文档
在完成样机的程序调试后，编写相应的技术文档，即完成本毕业设计。
1. 4 本章小结
本章阐述了脚踝康复训练的背景，提出脚踝康复机的设计构想，简单介绍了康复训练过程中的主要训练运动方式（即踝泵运动）。并指出本文主要针对脚踝康复机控制系统进行设计，以及概括性的说明了控制系统设计的工作内容。
2 控制方案的设计
2．1 脚踝康复机的功能要求分析
2.1.1 基本要求
对脚踝康复训练装置进行设计前,应对康复训练装置的功能要求进行分析。踝泵运动实际上是辅助脚踝进行模拟各种能够进行的医疗训练动作，达到训练的目的。脚踝的运动可以分解为三组基本的动作，（1）背屈和跖屈（2）内翻和外翻（3）内旋与外旋。脚踝其他复杂动作均可由这三种基本的动作组合而成。为达到康复训练的良好效果，脚踝康复机应满足以下基本功能：
（1）性能稳定，能够长期安全使用。脚踝康复训练一般需要长期疗养过程，长期安全实用是康复训练的基本保障。
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