[发明专利]一种模拟人肺自主呼吸运动装置及控制方法

权利要求书

1.一种模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，流量传感器、模拟肺腔上基板、弹簧、直流伺服电机驱动器、滑轮、牵拉绳、模拟肺腔换气口、控制电路、固定基柱、模拟肺腔下基板、直流伺服电机、卷绳轴承、模拟肺底层基板和模拟肺腔；

所述固定基柱设置在模拟肺腔底层基板上，模拟肺腔上基板放置在固定基柱上，所述模拟肺腔放置在模拟肺腔底层基板与模拟肺腔上基板之间，模拟肺腔上设有模拟肺腔换气口，所述流量传感器安装在模拟肺腔换气口上，流量传感器的输出端接控制电路，控制电路接直流伺服电机驱动器；所述弹簧安装在模拟肺腔上基板和模拟肺腔下基板之间并处于拉伸状态；牵拉绳一端固定在模拟肺腔下基板上，另一端通过滑轮缠绕在直流伺服电机的卷绳轴承上；直流伺服电机驱动器驱动直流伺服电机。

2.根据权利要求1所述的模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，还包括模拟肺顶层面板和液晶显示触摸屏，所述放置在模拟肺腔上基板，并开设有用于模拟肺腔换气口穿过的孔，所述液晶显示触摸屏安装在模拟肺顶层面板上，液晶显示触摸屏与控制电路连接。

3.根据权利要求1或2所述的模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，所述模拟肺腔的腔体是柔性硅胶腔体。

4.根据权利要求3所述的模拟人肺自主呼吸运动装置，其特征在于，所述控制电路包括自带AD微控制器。

5.一种模拟人肺自主呼吸运动的控制方法，其特征在于，包括：

流量传感器检测通过模拟肺腔换气口的气流量并传输到控制电路的微控制器，并设定呼吸生理参数；微控制器根据检测到的气流量和设定的呼吸生理参数进行分析处理，并产生电机驱动信号，控制直流伺服电机工作，从而控制牵拉绳的拉伸运动，最后控制模拟肺腔的呼吸运动；

所述为微控制器控制电机采用PID控制，其控制输出由离散PID公式：

u(n)=Kpe(n)+KiΣj=0ne(j)+KdΔe(n)]]>

其中：u(n)是第n个时刻点电机控制电压；K_p、K_i、K_d分别为PID控制的比例系数、积分系数及微分系数；e(n)是第n个时刻点的流量偏差值e(n)=Q₀(n)-Q(n)，Q(n)是指流量传感器检测到的第n时刻的实时流量值，Q₀(n)=A_I×Q_Itar(n)+A_E×Q_Etar(n)，Q_Itar(n)和Q_Etar(n)分别为目标吸气和呼气流量值，当吸气时系数A_I=1;A_E=0，当呼气时系数A_I=0;A_E=1；是从0时刻到第n个时刻的偏差累积值；Δe(n)是偏差变化率Δe(n)=e(n)-e(n-1)。

6.根据权利要求5所述的模拟人肺自主呼吸运动的控制方法，其特征在于，设定的生理参数为吸呼比R_I/E、呼吸频率f_res/min、潮气量VT和肺活量VC。

7.根据权利要求6所述的模拟人肺自主呼吸运动的控制方法，其特征在于，时间周期序列长度N由吸呼比R_I/E和呼吸频率f_res/min及微控制器的采样频率f_daq决定；其关系为：吸气时间呼气时间TE=60fres(EI+E)=60fres(1RI/E+1);]]>吸气时间序列长度NI=fdaqTI,]]>呼气时间序列长度时间周期序列长度N=N_I+N_E；

潮气量VT与吸气目标流量之间的关系满足：

潮气量VT与呼气目标流量之间的关系满足：

吸气目标实时流量控制方程为：其中n=[0,1,2…N_I]，A_Itar为目标吸气幅度；

呼气目标实时流量控制为：其中n=[N_I+1,N_I+2…N]，A_Etar为目标呼气幅度。