摘要
随着人们生活习惯和工作方式的改变，脊柱疾病尤其是颈椎疾病已经成为威胁人类健康的极为常见的病种之一，对个人的生活质量造成了极大的影响。临床实践中，牵引疗法凭借其安全、可靠、简单、有效的特点，在治疗各种无牵引禁忌症颈椎病方面得到广泛认可。本文针对当前颈椎牵引设备存在的诸如无法实现多自由度牵引、牵引力控制精度低、牵引模式单一等缺点和不足，对家庭用坐位颈椎牵引椅的机械结构进行了设计，同时进行控制系统方面的研究与探索。旨在能够根据患者个体差异实现多自由度牵引，提高牵引力和牵引角度的控制精度，同时又具备一定的智能化水平，为颈椎病患者提供更好的治疗效果和体验。本文的主要工作由以下几个方面组成: (1)通过对人体颈椎的运动学分析和颈椎牵引的机理分析确定了颈椎牵引的具体方案及相关参数;综合当前颈椎设备存在的问题和牵引的关键要素，设计了坐位颈椎牵引椅;通过对牵引力控制原理的深入分析，推导出整个牵引力控制系统的传递函数，并使用Simulink对牵引力控制系统进行了稳定性分析。 (2)结合常规PID控制、模糊控制和神经网络控制三者各自的优势，设计了模糊神经网络PID控制器，使用MATLAB对所建立的牵引力控制系统的数学模型进行仿真分析，通过对三种算法的输出信号曲线和输入信号曲线的对比，验证模糊神经网络PID算法在提高牵引力控制精度、优化系统控制性能等方面的可行性与有效性。 (3)完成了颈椎牵引控制系统的硬件电路设计。基于STM32单片机(MCU)的外设资源，分别对单片机最小系统和牵引力检测电路、牵引角度检测电路、电机驱动电路、手脚部运动装置的阻尼器控制电路、声光报警电路、急停装置控制电路等外围功能电路进行设计;在此基础上完成PCB电路板的打印及焊接。 (4)使用LabVIEW虚拟仪器软件进行人机交互界面的设计，最终实现牵引治疗的用户登录、病人信息管理、参数设置、设备控制等功能;在搭建好的硬件平台上对牵引力控制系统和控制算法进行了试验研究，对比了常规PID控制和模糊神经网络PID算法的实际控制效果。
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