CN110693710A - 一种基于arm处理器的智能无痛进针机构及进针方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于进针机构领域，具体涉及一种基于ARM处理器的智能无痛进针机构及进针方法。包括：仿生无痛针具：用于针灸；进针机构：用于所述仿生无痛针具的扎针和提插；捻转机构：用于所述仿生无痛针具的捻转；ARM处理器：与进针机构和捻转机构连接，用于控制扎针、提插和捻转。本发明采用基于ARM处理器自动控制方式，ARM处理器通过步进脉冲控制串口I与步进方向控制串口II驱动步进电机；通过PWM波控制串口III驱动数字舵机；利用ARM处理器的高速I/O口，实现了处理器、步进电机、数字舵机之间的快速通信，可以实现扎针、提插、捻转的三种行针手法。

Description

一种基于ARM处理器的智能无痛进针机构及进针方法
技术领域
本发明属于进针机构领域，具体涉及一种基于ARM处理器的智能无痛进针机构及进针方法。
背景技术
针灸是我们祖国传统医学的重要组成部分，具有适应症广、疗效明显、操作方便、经济安全等优点，千百年来为中华民族防病治病起了重大作用。然而，一个专业的针灸医生往往需要很长的培养周期，这就导致了针灸治疗这种需要丰富的临床经验才能完成的治疗手段难以在日常家庭生活中实现。
目前国内用于在针灸方面的扎针机构的研究较少，专利号200920044980.X、99247082.X提出的送针机构仅能将针灸针送至扎针位置，却无法实现捻转、提插等基本的行针手法,而且此类针灸机构精度较低，危险性较大。相较于服用药物等常规治疗手段，传统中医针灸治疗由于针刺带来的明显痛感，往往会使得用户放弃针灸治疗。从医者角度入手，快速无痛进针无疑是解决这一问题的最优方法。快速、稳健的扎针往往需要医生进行长久的指力训练，而针灸科医生的匮乏和水平参差不齐的现实状况导致了针灸治疗难以大幅推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ARM处理器的智能无痛进针机构及进针方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于ARM处理器的智能无痛进针机构，包括：
仿生无痛针具：用于针灸；
进针机构：用于所述仿生无痛针具的扎针和提插；
捻转机构：用于所述仿生无痛针具的捻转；
ARM处理器：与进针机构和捻转机构连接，用于控制扎针、提插和捻转。
进一步的，所述进针机构包括：步进电机、电机螺杆、上套杆、下套杆和含内螺纹法兰盘；
所述上套杆上端设有上套杆平台，所述下套杆下端设有下套杆平台，所述上套杆平台和下套杆平台上开有圆形通孔，所述上套杆和下套杆为截面形状为正三角形的中空棱柱，所述上套杆的内径和下套杆的外径相匹配，所述下套杆相对于上套杆上下滑动；所述下套杆平台下端固定有含内螺纹法兰盘，所述电机螺杆依次穿过上套杆平台的中心圆形通孔、上套杆、下套杆、下套杆平台的中心圆孔通和含内螺纹法兰盘，电机螺杆与含内螺纹法兰盘的螺纹配合。
进一步的，所述捻转机构包括：舵机基座、数字舵机、舵机齿轮、连接件、含内齿轮法兰盘、针具套筒、深沟球轴承和限位螺钉；
所述数字舵机置于舵机基座中，舵机齿轮与含内齿轮法兰盘啮合，舵机齿轮旋转带动含内齿轮法兰盘转动；连接件与舵机基座通过螺栓相连，连接件设有圆形通孔，通孔中心位置正对舵机齿轮中心，深沟球轴承置于通孔中；针具套筒顶部与含内齿轮法兰盘通过螺栓连接，针具套筒穿过深沟球轴承；仿生无痛针具置于针具套筒内，利用限位螺定从侧面旋入针具套筒，压紧仿生无痛针具。
进一步的，所述仿生无痛针具模拟昆虫口器设计，具体结构为：在针尖位置两侧各有依次排列的多个菱形状微小锯齿，两侧锯齿关于针具中轴线对称，每个锯齿与针具中轴线夹角角度逐渐减小，随着高度的逐渐提升，锯齿夹角逐渐增大；针尖端的位置硬度最低，随着高度的提升，仿生无痛针具硬度逐渐提高。
进一步的，所述ARM处理器通过步进脉冲控制串口Ⅰ与步进方向控制串口Ⅱ连接电机驱动器进而控制步进电机，从步进脉冲控制串口Ⅰ输出移动距离控制信号，从步进方向控制串口Ⅱ产生电机正向或方向运动控制信号；
所述ARM处理器通过PWM波控制串口Ⅲ连接舵机驱动器进而控制数字舵机(9)，从串口Ⅲ输出可变占空比PWM波控制信号，改变占空比大小，实现舵机齿轮0～180度范围内的旋转。
一种利用上述的进针机构实现进针的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：初始化ARM处理器控制系统；
步骤(2)：ARM处理器输出电机正向控制信号和移动距离X1控制信号，电机螺杆向下运动，即仿生无痛针具下移，到达指定位置后，步进电机停止运动，实现扎针动作；
步骤(3)：ARM处理器输出可变占空比的PWM波控制信号，舵机齿轮旋转，带动仿生无痛针具的旋转，改变占空比大小，可实现舵机齿轮0～180度范围内的旋转，实现捻转动作；
步骤(4)：所述ARM处理器输出电机反向控制信号和移动距离X2控制信号，电机螺杆向上运动，即仿生无痛针具上移，移动X2距离后，步进电机停止运动，ARM处理器再次输出电机正向控制信号和移动距离X2控制信号，电机螺杆向下运动，即仿生无痛针具下移，移动X2距离后，步进电机停止，实现了提插动作，所述X2值小于X1；
步骤(5)：所述ARM处理器输出电机反向控制信号和移动距离X1控制信号，电机螺杆转动回到初始位置，即仿生无痛针具回到初始位置，完成复位。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明采用基于ARM处理器自动控制方式，ARM处理器通过步进脉冲控制串口I与步进方向控制串口II驱动步进电机；通过PWM波控制串口III驱动数字舵机；利用ARM处理器的高速I/O口，实现了处理器、步进电机、数字舵机之间的快速通信，可以实现扎针、提插、捻转的三种行针手法。
(2)仿生无痛的针具配合高速的电机使用，大幅降低针刺痛感，实现患者无痛治疗。
(3)系统结构简洁新颖，适用面广，可利用电机底座便利的与市面上的机械手连接，成为全自动化的针刺机器人。
附图说明
图1为本发明智能无痛进针机构的整体结构主视图。
图2为本发明智能无痛进针机构的数字舵机部分左视图。
图3为本发明智能无痛进针机构的下套杆A-A处俯视图。
图4为本发明智能无痛进针机构的系统硬件连接关系框图。
图5为本发明智能无痛进针机构的系统程序控制流程图。
图6为本发明智能无痛进针机构的仿生无痛针具示意图。
附图标记说明：
1-步进电机，2-电机螺杆，3-上套杆平台，4-上套杆，5-下套杆，6-下套杆平台，7-含内螺纹法兰盘，8-舵机基座，9-数字舵机，10-舵机齿轮，11-连接件，12-含内齿轮法兰盘，13-针具套筒，14-深沟球轴承，15-限位螺钉，16-仿生无痛针具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1、2、3所示，一种基于ARM处理器的智能无痛进针机构，包括ARM处理器控制系统、步进电机1、电机螺杆2、上套杆平台3、上套杆4、下套杆5、下套杆平台6、含内螺纹法兰盘7、舵机基座8、数字舵机9、舵机齿轮10、连接件11、含内齿轮法兰盘12、针具套筒13、深沟球轴承14、限位螺丝15和仿生无痛针具16。
本发明中采用“步进电机—套杆”的结构来完成快速扎针操作，所述步进电机1置于在上套杆平台3上方，通过螺栓固定；上套杆平台3和下套杆平台6顶部中心开圆形通孔；上套杆4和下套杆5是截面形状为正三角形的中空棱柱，上套杆4的棱柱内径尺寸稍大于下套杆5棱柱的外径，使得下套杆5可以相对于上套杆4进行上下滑动；电机螺杆2依次穿过上套杆平台3的圆形通孔、上套杆4、下套杆5和下套杆平台6的圆形通孔，电机螺杆2与含内螺纹法兰盘7设有螺纹配对；含内螺纹法兰盘7与下套杆平台6通过螺栓固定，实现电机螺杆2旋进运动转化为下套杆5的上下垂直运动。
数字舵机9置于舵机基座8中，舵机齿轮10与含内齿轮法兰盘12啮合，舵机齿轮10旋转带动含内齿轮法兰盘12转动；连接件11与舵机基座8通过螺栓相连，连接件11设有圆形通孔，通孔中心位置正对舵机齿轮10中心，深沟球轴承14置于通孔中；针具套筒13顶部与含内齿轮法兰盘12通过螺栓连接，针具套筒13穿过深沟球轴承14；仿生无痛针具16置于针具套筒13内，利用限位螺丝15从侧面旋入针具套筒13，压紧仿生无痛针具16，确保仿生无痛针具16不会掉落，实现了舵机齿轮10转动转化为仿生无痛针具16的旋转运动，即捻转的行针手法。舵机基座8与下套杆平台6通过螺栓固定，实现了下套杆5的上下垂直运动转化为针具的上下运动，即扎针、提插的行针手法。
如图4所示，ARM处理器通过步进脉冲控制串口I与步进方向控制串口II连接电机驱动器进而控制步进电机，从步进脉冲控制串口I输出移动距离控制信号，从步进方向控制串口II产生电机正向或方向运动控制信号；ARM处理器通过PWM波控制串口III连接舵机驱动器进而控制数字舵机，从串口III输出可变占空比PWM波控制信号，改变占空比大小，实现舵机齿轮0～180度范围内的旋转；利用ARM处理器的高速I/O口，实现了处理器、步进电机、数字舵机之间的快速通信。
如图5所示，首先初始化ARM处理器控制系统；ARM处理器输出电机正向控制信号和移动距离X1控制信号，电机螺杆2向下运动，即仿生无痛针具16下移，到达指定位置后，步进电机1停止运动，实现了扎针动作；
ARM处理器输出可变占空比的PWM波控制信号，舵机齿轮10旋转，带动仿生无痛针具16的旋转，改变占空比大小，可实现舵机齿轮100～180度范围内的旋转，实现了捻转动作。
ARM处理器输出电机反向控制信号和移动距离X2控制信号，电机螺杆2向上运动，即仿生无痛针具16上移，移动X2距离后，步进电机1停止运动，ARM处理器再次输出电机正向控制信号和移动距离X2控制信号，电机螺杆2向下运动，即仿生无痛针具16下移，移动X2距离后，步进电机1停止，实现了提插动作。需要指出的是，X2值远小于X1，保证能快速进行一次提插动作以模拟医生的提插针刺手法。
ARM处理器输出电机反向控制信号和移动距离X1控制信号，电机螺杆2转动回到初始位置，即仿生无痛针具16回到初始位置，完成复位。
以上通过软件控制实现了智能无痛进针机构的一次完整的扎针、捻转、提插的三种行针手法的组合。
为了更好的降低针刺痛感，在此利用仿生学原理，对常规针具进行改进，如图6所示。蚊子可以吸取人类血液数秒而不被人类察觉。这是由于蚊子特殊的口器结构，它们都具有锯齿状或者齿状的细长的刺针尖端，可以轻易的刺入皮肤。为了便于说明，将针头部分锯齿尺寸进行放大，模拟昆虫口器而设计的仿生无痛针具16在针尖位置两侧各有依次排列的3个菱形状微小锯齿；两侧锯齿关于针具中轴线对称；第一个锯齿与针具中轴线夹角角度逐渐最小，随着高度的逐渐提升，锯齿夹角逐渐增大。针尖端的位置硬度最低，利于在高速进针时候刺入皮肤，随着刺入深度的增加，进针阻力也越大，仿生无痛针具16的硬度也逐步提高，确保进针方向始终垂直皮肤表面，仿生无痛针具16不会发生严重形变，伤害患者。此种具有一定刚性分布的锯齿状的仿生无痛针具16更容易刺破皮肤，进一步降低针刺痛感。

Claims (6)

1.一种基于ARM处理器的智能无痛进针机构，其特征在于，包括：
仿生无痛针具(16)：用于针灸；
进针机构：用于所述仿生无痛针具(16)的扎针和提插；
捻转机构：用于所述仿生无痛针具(16)的捻转；
ARM处理器：与进针机构和捻转机构连接，用于控制扎针、提插和捻转。
2.根据权利要求1所述的进针机构，其特征在于，所述进针机构包括：步进电机(1)、电机螺杆(2)、上套杆(4)、下套杆(5)和含内螺纹法兰盘(7)；
所述上套杆(4)上端设有上套杆平台(3)，所述下套杆(5)下端设有下套杆平台(6)，所述上套杆平台(3)和下套杆平台(6)上开有圆形通孔，所述上套杆(4)和下套杆(5)为截面形状为正三角形的中空棱柱，所述上套杆(4)的内径和下套杆(5)的外径相匹配，所述下套杆(5)相对于上套杆(4)上下滑动；所述下套杆平台(6)下端固定有含内螺纹法兰盘(7)，所述电机螺杆(2)依次穿过上套杆平台(3)的中心圆形通孔、上套杆(4)、下套杆(5)、下套杆平台(6)的中心圆孔通和含内螺纹法兰盘(7)，电机螺杆(2)与含内螺纹法兰盘(7)的螺纹配合。
3.根据权利要求2所述的进针机构，其特征在于，所述捻转机构包括：舵机基座(8)、数字舵机(9)、舵机齿轮(10)、连接件(11)、含内齿轮法兰盘(12)、针具套筒(13)、深沟球轴承(14)和限位螺钉(15)；
所述数字舵机(9)置于舵机基座(8)中，舵机齿轮(10)与含内齿轮法兰盘(12)啮合，舵机齿轮(10)旋转带动含内齿轮法兰盘(12)转动；连接件(11)与舵机基座(8)通过螺栓相连，连接件(11)设有圆形通孔，通孔中心位置正对舵机齿轮(10)中心，深沟球轴承(14)置于通孔中；针具套筒(13)顶部与含内齿轮法兰盘(12)通过螺栓连接，针具套筒(13)穿过深沟球轴承(14)；仿生无痛针具(16)置于针具套筒(13)内，利用限位螺定(15)从侧面旋入针具套筒(13)，压紧仿生无痛针具(16)。
4.根据权利要求1所述的进针机构，其特征在于，所述仿生无痛针具(16)模拟昆虫口器设计，具体结构为：在针尖位置两侧各有依次排列的多个菱形状微小锯齿，两侧锯齿关于针具中轴线对称，每个锯齿与针具中轴线夹角角度逐渐减小，随着高度的逐渐提升，锯齿夹角逐渐增大；针尖端的位置硬度最低，随着高度的提升，仿生无痛针具(16)硬度逐渐提高。
5.根据权利要求3所述的进针机构，其特征在于，所述ARM处理器通过步进脉冲控制串口Ⅰ与步进方向控制串口Ⅱ连接电机驱动器进而控制步进电机(1)，从步进脉冲控制串口Ⅰ输出移动距离控制信号，从步进方向控制串口Ⅱ产生电机正向或方向运动控制信号；
所述ARM处理器通过PWM波控制串口Ⅲ连接舵机驱动器进而控制数字舵机(9)，从串口Ⅲ输出可变占空比PWM波控制信号，改变占空比大小，实现舵机齿轮0～180度范围内的旋转。
6.一种利用权利要求5所述的进针机构实现进针的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：初始化ARM处理器控制系统；
步骤(2)：ARM处理器输出电机正向控制信号和移动距离X1控制信号，电机螺杆(2)向下运动，即仿生无痛针具(16)下移，到达指定位置后，步进电机(1)停止运动，实现扎针动作；
步骤(3)：ARM处理器输出可变占空比的PWM波控制信号，舵机齿轮(10)旋转，带动仿生无痛针具(16)的旋转，改变占空比大小，可实现舵机齿轮(10)0～180度范围内的旋转，实现捻转动作；
步骤(4)：所述ARM处理器输出电机反向控制信号和移动距离X2控制信号，电机螺杆(2)向上运动，即仿生无痛针具(16)上移，移动X2距离后，步进电机(1)停止运动，ARM处理器再次输出电机正向控制信号和移动距离X2控制信号，电机螺杆(2)向下运动，即仿生无痛针具(16)下移，移动X2距离后，步进电机(1)停止，实现了提插动作，所述X2值小于X1；
步骤(5)：所述ARM处理器输出电机反向控制信号和移动距离X1控制信号，电机螺杆(2)转动回到初始位置，即仿生无痛针具(16)回到初始位置，完成复位。
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