Перейти к основному содержанию
ИТарктика
УДК 621.3.07, 621.396
Ласёк Михаил Петрович, Чисталёв Алексей Васильевич, Яруков Артём Павлович, Карманов Владислав Николаевич, Макаров Роман Владимирович, Бекетов Олег Александрович
старший преподаватель, кафедра Радиофизики и электроники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

студент, кафедра Радиофизики и электроники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

студент, кафедра Радиофизики и электроники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

студент, кафедра Радиофизики и электроники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

студент, кафедра Радиофизики и электроники, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

заместитель главного врача,
Государственное учреждение «Республиканская станция переливания крови»
Разработка аппарата для механотерапии нижних конечностей
Аннотация:

В статье рассматривается механотерапевтический аппарат для непрерывной пассивной реабилитации коленного и тазобедренного суставов, разработанный на кафедре радиофизики и электроники «СГУ им. Питирима Сорокина». Приведено описание назначения аппарата, области его применения и основных блоков аппарата. Представлен способ беспроводного управления аппаратом или группой аппаратов. Описано применение WiFi микроконтроллера ESP8266.

Ключевые слова: механотерапевтический аппарат, микроконтроллер, ESP8266, Wi-Fi модуль..

Введение

Одним из прямых показаний к реабилитации с помощью аппарата механотерапии является состояние после перелома кости. Такая травма требует длительного обездвиживания травмированной области, что влечет за собой риск возникновения контрактур, или тугоподвижности сустава. Суть механотерапии заключается в том, что сгибание и разгибание конечности производит непосредственно аппарат, без участия мышц пациента. Это позволяет безболезненно разрабатывать сустав по несколько часов в день. Благодаря постоянному сгибанию и разгибанию ускоряется обмен веществ в травмированной области, и мягкие ткани восстанавливаются в нормальном режиме [1]. Данная статья описывает прототип механотерапевтического аппарата, который был разработан на кафедре радиофизики и электроники в СГУ им. Питирима Сорокина. Аппарат состоит из трёх основных блоков: механический, электронный и блока управления.

Механический блок

Механический блок (рисунок 1) содержит неподвижное основание (1), блок с электроникой в пластиковом корпусе (2), основание (3) для подшипниковой опоры (Рис. 2) (20) и концевого датчика (Рис. 2) (26), кожух для винта (4), коромысло (5), шарнирно закрепленное на неподвижном основании, и трансмиссию. Трансмиссия выполнена в виде двух механизмов, содержащих первое (6), второе (7), третье (8) звенья. Звено (6) может перемещаться по коромыслу (5) и фиксироваться элементами фиксации (9). Ложемент бедра (10) закреплён на третьем звене. Ложемент голени (11) закреплён на раме (2). Опора стопы (12) закреплена на оси (13), закрепляемая элементами фиксации (14). Расстояние между коленным суставом и стопой регулируется звеном (15) и фиксируется элементами фиксации (16). Звено (17) соединено с рамой и с кареткой (18). Каретка соединена с гайкой шарико-винтовой передачи (ШВП). ШВП (19) (Рис. 2) установлена на опорах (20) находящихся на основании (3) и внутри блока с электроникой (2). На конце ШВП установлен шкив (21), соединённый с шкивом (22) зубчатым ремнём (23). Шкив (22) закреплен на валу редуктора (24). Редуктор приводится в движение электронно-коммутируемым бесщеточным двигателем постоянного тока (25). В результате работы двигателя, через редуктор, ременную передачу и ШВП, осуществляется перемещение рамы, с установленной на ней ногой пациента.

76

Электронный блок

Электронный блок используется для обмена командами и данными между пользователем и аппаратом, для установки разных режимов работы аппарата и контроля работы аппарата (рисунок 2). Обеспечение аварийной остановки аппарата, для предотвращения работы за пределами допустимых границ, осуществляется электронной системой контроля, в состав которой входят концевые датчики (26), расположенные в (2) и в (3). Срабатывание концевого датчики приводят к перезагрузке определённых элементов электронного блока, и электронная система контроля блокирует дальнейшее движение за границы, но обеспечивает возможность движения каретки в обратную сторону. Обмен командами и данными осуществляется по Wi-Fi.

ил

Для работы с Wi-Fi сетью в электронном блоке присутствует Wi-Fi модуль (27). Данные и команды от пользователя передаются в локальную Wi-Fi сеть и через Wi-Fi модуль поступают на схему управления (28) (далее СУ). СУ выполнена на базе микроконтроллера PIC16F88 [3] для которого была написана управляющая программа. Данные о работе аппарата хранятся в СУ. После получения команды от пользователя о запуске, остановке, установке или изменении режима работы аппарата, СУ подаёт электрические сигналы на драйвер мотора (29), для установки направления движения и скорости мотора. СУ может принять данные о нескольких режимах работы и выполнять их последовательно друг за другом. Драйвер мотора, используется для управления подачей энергии в мотор, обеспечивающий вращение мотора в нужном направлении и скоростью вращения, а также надёжную работу и высокий КПД. Драйвер обеспечивает плавное ускорение и торможение в начале и в конце движения или при смене направления движения. Контроль угла сгиба ноги происходит через угловой датчик, расположенный в (30) (Рис. 1). Датчик угла сгиба соединён с СУ по витой паре (31). СУ опрашивает датчик для контроля угла сгиба ноги.  По показаниям датчика СУ меняет режим работы мотора через драйвер для обеспечения необходимых условий выполняемой процедуры. Калибровка углового датчика осуществляется датчиком (32) после установки аппарата в режим транспортировки. Взаимодействие электронных элементов происходит по соединительным проводам (33). Питание электронным блоком осуществляется через блок питания (34) не менее 75W от сети 220 В. На стенке корпуса установлен выключатель (35) и кабель питания (36).

Аппарат по умолчанию работает в режиме точки доступа Wi-Fi, т.е. аппарат создаёт собственную Wi-Fi сеть к которой можно подключиться с помощью устройства поддерживающего подключение и обмен данными по Wi-Fi (далее Wi-Fi устройство пользователя) (Рис. 3). Примерами Wi-Fi устройств пользователя являются: мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, ПК, электронные устройства содержание Wi-Fi модули или с возможностью подключения к Wi-Fi сети с использованием дополнительных устройств. После подключения к аппарату по Wi-Fi сети в связке с специальной программой, установленной на Wi-Fi устройство пользователя, можно осуществлять работу с аппаратом, передавая команды и данные о режимах работы аппарата и получая информацию о состоянии работы аппарата. Аппарат можно настроить на работу в Wi-Fi сети созданной пользователем.

ык

Для этого передаются данные Wi-Fi сети, в которой будет работать аппарат. Необходимо указать  SSID (логин) и пароль Wi-Fi сети пользователя. После получения логина и пароля Wi-Fi сети пользователя, модуль сохраняет его в память и переходит в режим работы клиента, т.е. перестаёт являться точкой доступа. В случае неверного указания данных Wi-Fi сети, сброс настоек аппарата производится последовательным включением и выключение питания устройства 5 раз с интервалом не более 5 секунд, используя кнопку включения питания на корпусе прибора. Реализована возможность одновременной работы с несколькими аппаратами с индивидуальными настройками работы для каждого аппарата. Аппараты должны быть подключены к одной Wi-Fi сети и управляться Wi-Fi устройством пользователя (рисунок 3). Для удобства работы с группой аппаратов, аппаратам можно  присваивать уникальные имена, которые будут храниться в энергонезависимой памяти программы.

Блок управления

Устройством управления аппаратом может являться персональный компьютер или мобильное устройство, способное работать в сети Wi-Fi. Для мобильных устройств разработано приложение с удобным графическим интерфейсом (рисунок 4). Приложение позволяет одновременно осуществлять работу с несколькими аппаратами и является сервером, к которому подключаются аппараты в режиме клиента. Приложение позволяет контролировать работу аппаратов и устанавливать режимы их работы.

мгм

Wi-Fi модуль

Для реализации проекта был использована отладочная плата NodeMCU (рисунок 5) . В состав платы входят модуль ESP-12E, стабилизатор питания, конвертер USB-UART, схема автоматического сброса в режим загрузки прошивки. Модуль ESP-12E содержит микроконтроллер ESP8266 с WiFi интерфейсом, для которого была написана программа работы. Модуль работает от источника питания с напряжением 3.3 В. Стабилизатор питания преобразовывает 5 В от USB в 3.3 В для питания микроконтроллера. Конвертер USB-UART позволяет подключить модуль к персональному компьютеру (ПК) и проводить отладку работу и программирование модуля через USB интерфейс. Благодаря схеме автоматического сброса загрузка прошивки будет происходить автоматически. Все рабочие выводы ESP8266 на этих платах разведены на боковые разъемы. Сами платы рассчитаны на установку в беспаечную макетную плату.

цу

Маркировка выводов отладочных плат (рисунок 6) не совпадает с нумерацией портов GPIO микросхемы ESP8266 . Например, выводу GPIO5 соответствует вывод с маркировкой D1 на плате NodeMCU [2].

чвп

Алгоритма управляющей программы для микроконтроллера ESP8266 начинается с настройки портов ввода/вывода, инициализации аппаратного и программного UART интерфейса, инициализации памяти EEPROM. Программный UART и порт ввода/вывода используются для обмена данными между ESP8266 и PIC16F88. При запуске ESP8266, до начала выполнения управляющей программы, аппаратный UART передает информацию о состоянии микроконтроллера. Чтоб избежать получения PIC16F88 информации о состоянии ESP8266 и не оказать влияние на работу аппарата, передача данных на схему управления происходит по программному UART  интерфейсу, а прием осуществляется при помощи аппаратного модуля UART. Аппаратный UART использован для отладки работы выполняющей программы. Порты ввода/вывода используются для сброса обмена данными по UART. EEPROM память ESP8266 используется для хранения информации WiFi подключения: установленный режим работы клиента или точки доступа, логин и пароль точки доступа, создаваемой аппаратом, логин и пароль для подключения к внешней точке доступа. По умолчанию WiFi модуль работает в режиме точки доступа, что может быть изменено пользователем, используя приложение. Разработанная программа для ESP8266 предусматривает аппаратный сброс настроек WiFi модуля при последовательной перезагрузки аппарата в течении фиксированного времени определённого количества раз.

ESP8266 поддерживает аппаратную работу с TCP и UDP протоколами. В режиме работы “Клиент” ESP модуль подключается к локальной сети или непосредственно к устройству управления аппаратом. Далее происходит определение IP адреса устройства управления. Это происходит путем обработки широковещательных UDP пакетов от устройства управления аппаратом. После этого происходит попытка подключения к устройству управления аппаратом по протоколу TCP/IP. Если подключиться не удалось или соединение разорвано, то подпрограмма ожидает очередного UDP пакета для очередной попытки подключения. При удачном подключении, ESP8266 ожидает получения данных по TCP протоколу для обработки и дальнейшей отправки данных микроконтроллеру PIC16F88. В режиме работы “Сервер” управляющее устройство подключается к ESP8266 по интерфейсу TCP/IP к заранее известному IP адресу. При наличии соединения, как и в случае с режимом “Клиент” идёт ожидания получения данных, их обработка и отправка микроконтроллеру PIC16F88. На каждый получаемый пакет данных от ESP8266, микроконтроллер PIC16F88 отправляет ответное сообщение ESP8266, которое обрабатывается и отправляется управляющей программе.

Заключение

В результате разработанное устройство получило ряд особенностей:

  • Беспроводной интерфейс управления аппаратом через Wi-Fi сеть;
  • Два Wi-Fi режимах: режим точки доступа и режим клиента, в которой аппарат можно настроить на работу в Wi-Fi сети созданной пользователем;
  • Управление аппаратом устройствами поддерживающих подключение и обмен данными по Wi-Fi (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, ПК, электронные устройства, содержание Wi-Fi модули или возможность подключения к Wi-Fi сети с использованием дополнительных устройств);
  • Программный и аппаратный сброс настоек аппарата, сохранённых в энергонезависимой памяти;
  • Возможность одновременной работы с несколькими аппаратами с индивидуальными настройками работы для каждого аппарата;
  • Возможность задания уникального имени аппарата, с записью в энергонезависимой памяти аппарата;
  • Применён электронно-коммутируемый бесколлекторный двигатель постоянного тока с драйвером и планетарным редуктором;
  • Электронная система контроля фиксирующая границы движения каретки, и блокирующая вращение электронно-коммутируемого бесколлекторного двигателя постоянного тока в направлении, приводящего к выходу каретки за соответствующую границу, но с возможностью движения в обратном направлении и перезагрузкой блока управления и контроля;
  • Возможность задать разово выполнение нескольких режимов работы, которые будут последовательно выполняться.

Внешний вид разработанного аппарата представлен на рисунке 7

ке

Список литературы

  1. ORTHOCLASS. Реабилитация в домашних условиях. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://orthoclass.ru/mehanoterapia.
  2. Шварц, М. Интернет вещей с ESP8266 [Текст] / М. Шварц. – Санкт–Петербург : БВХ–Петербург, 2018. – 192 с.

References

1.      ORTHOCLASS. Rehabilitation at home. [Electronic resource.] – Access mode: http://orthoclass.ru/mehanoterapia ahhh!

2.      Schwartz, M. Internet of things with ESP8266 [Text] / M. Schwartz. – St. Petersburg : BVH–Petersburg, 2018. – 192 p.