基于气动柔性技术的智能脉诊仪研究.pdf

2 0 1 3年 1 1 月 第 4 1 卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 3 V0 l _ 41 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 2 ． 0 2 5 基于气动柔性技术的智能脉诊仪研究 张涛，齐永奇 华北水利水 电学院机械学院，河南郑州 4 5 0 0 1 1 摘要为了使脉诊仪的工作符合中医传统切脉习惯，设计了基于仿生学的气动柔性智能脉诊仪。以柔性致动器作为脉 诊仪的驱动机构来驱动前端的传感器获取脉象数据，分析了脉诊仪传感器触点位置与柔性致动器内腔压力的数学关系，通 过电磁阀调节进入柔性致动器内腔的气体压力来实现脉诊仪触点的运动。临床应用表明该设计提高了脉诊仪的柔顺性和 稳定性，实现了切脉的布指定位功能。 关键词气动脉诊仪 ；柔性致动器；触点 中图分类号T P 3 9 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 2 0 6 7 3 St u dy o n I nt e l l i g e nt Pul s e Di a g n o s i s I n s t r u me nt Ba s e d o n Pne u ma t i c Fl e x i b l e Te c hn o l o g y Z H A N G T a o ， Q i Y o n g q i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t r i c P o w e r ，Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e t h e p r o c e s s o f p u l s e d i a g n o s i s i n l i n e wi t h t r a d i t i o n a l C h i n e s e me d i c i n e h a b i t s ，p n e u ma t i c fl e x i b l e p u l s e d i a g n o s i s i n s t r u me n t wa s d e s i g n e d b a s e d o n b i o n i c s ． O n t h e b a s i s o f a n a l y s i s o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n p o s i t i o n o f s e n s o r c o n - t a c t s a n d i n t e rna l g a s p r e s s u r e o f a c t u a t o r s ， fl e x i b l e a c t u a t o r ，w h i c h wa s t h e d r i v e n me c h a n i s m o f p u l s e d i a gn o s i s i n s t r u me n t ，d r o V e t h e f r o n t p r e s s u r e s e n s o r t o o b t a i n p u l s e d a t a ．Mo r e o v e r ， s o l e n o i d v al v e s w e r e u s e d t o a d j u s t t h e i n p u t g a s p r e s s u r e o f fl e x i b l e a c t u a t o r s t o c h a n g e mo v e me n t o f c o n t a c t s ．T h e r e s u l t s o f c l i n i c t r i a l s s h o w t h a t t h e d e s i gn s c a n i mp r o v e c o mp l i a n c e a n d d e p e n d a b i l i t y a n d a c h i e v e t h e f u n c t i o n o f f i n g e r ’ s a r r a n g e me n t a n d p o s i t i o n ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c p u l s e d i a g n o s i s i n s t ru me n t ；F l e x i b l e a c t u a t o r ；C o n t a c t 脉搏信号是人体重要的生理信号，包含了人体重 要的生理病理信息。传统中医通过上千年的脉象诊断 临床实践，总结 形成 了一 门具有独特 诊断技巧 的 “ 脉学” 。但是切脉是 由中医依据个人分析诊断， 必然带有一定主观性 ，而且， “ 脉理精微 ，其体难 辨” ，往往需要多年的临床经验才能够掌握这种诊断 技巧。同时切脉受到外界影响且有时段的局限性。脉 诊仪应用现代科学理论和技术 ，设计专门的测量和记 录仪器，记录桡动脉搏动信号 ，再根据特征参数的提 取和融合 ，得出具有诊断意义的脉象，在一定程度上 促进了脉诊的客观化和规范化。现有的脉诊仪 大多 采用单点测量方法，仅仅是对寸口脉搏信息的测量， 能够检测的脉象信息较少，输出的脉象图为单一动脉 血管压力 波形 ，无 法全 面综 合 地 反映 患者 的 脉 图特 征。虽然传感器设计已从最初的单点采集 ，发展到阵 列式多点采集，但是仍然与实际切脉有一定差距。中 医切脉要根据患者的具体情况进行布指定位，举 、 按、寻三者结合，不断调节手指用力轻重的变化。而 现有的采集装置 。 主要是采用纯机械结构，利用电 机或者液压驱动机械部件上下左右移动 ，缺点是结构 复杂、柔顺性能差、只能做直线运动、和传统中医手 指不符 、不能主动适应患者手腕的外形 ，影响了实施 效果。也有一些改进的脉诊机械手采用三段连接的结 构 ，增加了手指的灵活度 ，可 以完成较复杂的运动， 例如手指的弯 曲，但 由于其本质上还是机 械结构 ， 与人体手指的柔性还不一样 ，难以保证采集的脉象 信号的真实性 。为了使脉诊仪 的工作符合 中医传统 习惯 ，设计 了具有柔 性 的气 动脉诊 仪 用 于对 桡动 脉 寸关尺三部脉搏信号的测量 ，利用气体的可压缩性 使驱动器具有柔性 ，通过对驱动器 的气压进行 自适 应调节，来模拟中医手指的运动，带动压力传感器 获取脉象信息。 收稿 日期 2 0 1 21 01 7 基金项目河南省教育厅科学技术研究重点项 目 1 2 A 4 6 0 0 0 8 ；河南省重点科技攻关项 目 1 1 2 1 0 2 2 1 0 1 0 4 ；河南省创新科 技团队 豫科人组 2 0 1 1 3号 一3 9 ；河南省高等学校实验教学示范中心 教高 2 0 1 0 1 0 4 7号 ～ 2 5 作者简介张涛 1 9 8 O 一 ，男，博士，讲师，主要研究方向为智能控制与故障诊断。E m a i l z t n c w u 1 2 6 ． c o rn。 6 8 机床与液压 第 4 1卷 1 脉诊仪系统工作原理 气动柔性脉诊仪的工作原理如图 1 所示。 图 1 气动柔性脉诊仪工作原理 系统的核心是微控制器模块，实现控制驱动 电 路 、信号的采集和处理、与 P c机的通信以及外围端 口的设计和操作等功能；通信模块主要是完成微控制 器与 P C机的通信 ，实现数据的实时快速传输；A ／ D 转换模块负责将测量的脉象信息转换传给微控制器和 将 P c机经微控制器发出的指令传给驱动电路 ；信号 调理电路完成低频微弱脉搏信号的放大、滤波和去除 干扰等工作 ；传感器装置通过接触患者手臂上的桡动 脉 ，采集 脉搏信号 ；驱动电路按 照微控 制器 的指令设 定电磁阀的动作，控制柔性致动器腔内的气压，实现 模仿医生手指的动作 ；气源提供柔性致动器需要的高 压气 体。 2 压力传感器阵列 压力传感器阵列用于检测脉搏并将检测到的信号 转化成电信号输出。压力传感器阵列由压敏导 电橡 胶、电极、导线和聚酯基座压合构成。压力传感器阵 列尺寸为 1 0 m m1 0 m m5 0 l x m。在保证精度和足 够信息量的基础上，压力传感器阵列采用整体三层的 结构 ，上层 电极通过导线连接横 向排列 ，下层 电极通 过导线连接纵向排列，上层的电极定为感应力点，上 层阵列为3 4矩阵，下层阵列为 4 x 5矩阵，这样设 计保证传感器不但 可以检测法 向力 ，而且可 以检测切 向力 和斜 向力。上 下层是通 过导线 相连 的 电极 阵列 ， 采用 P B塑料薄板通过化学方法镀上 银浆制 作 ，中间 是压 敏导电橡胶 ，上下层 电极 可以通过导电胶 与压敏 导电橡胶粘合。压力传感器阵列用强力胶粘贴固定在 柔性致动器的前端盖上，压力传感器阵列受力面用橡 胶指套包裹 ，增加其柔顺性。 3柔性致动器 3 ． 1 柔性致 动 器结构 柔性致动器 的结 构 如图 2所示 ，其外 形呈 管状 ， 内腔分 隔成 3个互 成 1 2 0 。 的扇形 气 室。柔 性 致 动器 包括橡胶管 和螺旋状镶嵌在橡胶 管圆周 内的起加强作 用的纤 维线 。橡胶管 的材料是硅橡胶 ，纤维线为尼龙 制成的细纤维。纤维线用来在通气时限制橡胶管径向 增大，使柔性致动器沿轴线方向伸长。橡胶管两端分 别 由前端盖和后端盖通过强力胶密封 。其 中，前端盖 模拟人指形状设计 ，由聚酯材料制成 ，表面附着压力 传感器阵列 ，获得脉搏波的原始压力数据，通过前端 盖上的导线传到控制系统用于脉象特征提取分析。由 于压力传感器阵列 内各个压力传感器之间存在关联 性 ，某个压力传感器下的脉搏波在贡献给它本身压力 信息的同时，也影响着其他各个压力传感器，利用这 些相互影响的信息，则可以较为准确地实现类似中医 大夫手指的压力信息采集过程。后端盖通过平键和螺 钉固定在脉诊仪支架上，后端盖上装有进气管，可向 各扇形气室 内输入不同压力 的气体改变柔性致动器 的 运动 。 腔 体 后 感器 图2 柔性致动器结构 3 ． 2直线 运动 分析 当向3 个气室同时加相等的压力时，柔性致动器 沿轴线方向伸长，改变取脉压力。假设无能量损失和 能量储存 ，柔性致动器执行端面受力如下 F P 叮 r r 02一A 一F 一P a tm 叮 T r 02 其 中 橡 胶 管 截 面 面 积 A 丌 ro 一 一 丢 ， r0 为 柔性致动器初始平均半径， 为橡胶管的厚度 ， 为管 内分室橡 胶 内壁 厚 ，P和 p 分别 是 内腔气 体压 力和大气压 ，F为柔性致动器输出力。 橡胶 壳体弹性力为 F t r A 橡胶管应力为 o r Ee 其中E为橡胶管弹性模量。 橡胶管应变为 一 0 8 其中 和 分别为柔性致动器的原长和变化后的 长度。 3 ． 3 弯曲运动分析 当只有某一气室加压时 ，或压力与另两气室压力 不同时，柔性致动器将发生弯曲，如图3所示，实现 转 向驱动 ，达到脉诊接触位置 的调整 。通过调整 3个 第 2 2期 张涛 等基于气动柔性技术的智能脉诊仪研究 6 9 气室空气的压力 ，使该柔性致动器实现空间方向的驱 动 。假设弯 曲运动 发生 的形变很 小且 有一定 的弧 度 ， 则形 变可 用 3个参 数 0 、R、A来 描 述 。0表示 弯 曲 的方 向，是 轴和 轴的夹角，坐标系 0一 x y z固定 于柔性致动器底端 ， 轴是柔性致动器 中心轴线在 y 平面 的投影 ，R为 中心轴 线 的 曲率 半径 ，A是 z 轴和柔性致动器末端弯曲方向的夹角。通过应用无 限小形变原理 ，及根据柔性致动器在平面弯 曲的 运动 矢量对 等性 可 以得 出参 数 0 、R、A与 各气 室压 力 的关 系 t 0 4 3 P 一P i 1 啪 箍主i1 L o A 去 式中 P 分别是气室内的压力；E 是附有纤维线的 橡胶管弹性模量 ；， 为柔性致动器转动惯量 ；A 为 3 个气室的受压面积 ； A 为橡胶管的截面积；6为柔性 致动器中心到每个气室扇形区中心的距离。 由 图3 柔性致动器弯曲特性分析 通过 柱面坐 标 转换 公式 将 柔 性致 动器 执行 端 位置用笛 卡尔坐标 表示 f L 1 一 c 。 s A c 。 s { y 1 一 c。 sA sin 【 s in A 4 气动系统 脉诊仪中用来控制和维持柔性致动器运动所需要 的压力是气动系统。气动系统包括气源以及连通气源 和每个柔性致动器内气室的各个气路，其结构如图4 所 示 。 图4 气动控制原理 气源包括空压机 、气罐、压力表和流量指示器， 向柔性致动器提供所需的高压气体。3条气路分别连 通柔性致动器 的 3个气室 ，气路上设 有 电磁阀组 。每 个电磁阀组中，二位三通电磁阀一路接气源部分 ，一 路接 流量控 制阀 ，一路接 二位二通 电磁 阀 ，二位二通 电磁阀的另一端通过排气管连通大气。每个电磁阀组 控制气动系统实现3种状态 加压，保持和减压。当 二位 三通 电磁 阀接通气 源 、二位二 通 电磁 阀 断开时 ， 实现对柔性致动器内腔的加压，使压力传感器不断寻 找最佳取脉位置；当二位三通电磁阀和二位二通电磁 阀都断开时就可以实现柔性致动器的压力保持，进行 脉象数据的采集 ；当二位三通电磁阀断开、二位二通 电磁阀接通时可释放高压气体到外界 ，可降低柔性致 动器内腔压力 ，结束脉象采集工作。 5结论 介绍的气动柔性智能脉诊仪主要作为脉象检测的 专用设备而开发。采用气动技术的柔性致动器根据需 要移动其前端的传感器运动，寻找最佳切脉压力和位 置。采用气动柔性脉诊仪，可以使其运动更加接近医 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