一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床及其工作方法 |
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| 申请号 | CN201710204470.3 | 申请日 | 2017-03-30 | 公开(公告)号 | CN106963166A | 公开(公告)日 | 2017-07-21 |
| 申请人 | 南京信息工程大学; | 发明人 | 胡凯; 刘佳; 陈旭; 蒋星宇; 邵帅; 兰晶晶; 徐倩; 高旭; 纪志杰; 潘格林; 徐春燕; 梁栋; 陈志敏; 王欢; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于智能床领域，具体为一种自适应改变与承载物 接触 部分受 力 的智能床，包括保暖层、用于 支撑 保暖层的支撑层、设于保暖层与支撑层之间的调压层以及用于控制调压层的外部控制系统；所述调压层用于调节保暖层在不同 位置 的压力；压力感应模 块 设于保暖层临近支撑层的一侧；伸缩支撑件一端安装于压力感应模块的下方，另一端连接于驱动模块；驱动模块设于支撑架上，用于驱动伸缩支撑件；外部控制系统采集压力感应模块的信息，并根据采集的信息控制驱动模块。其能自动感应、计算出人体的位置，伸出或者缩进，尽可能增大与人体接触的面积，给与人体平均的受力，对使用者提供一种非常舒服的使用感受。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床，其特征在于，包括保暖层、用于支撑保暖层的支撑层、设于保暖层与支撑层之间的调压层以及用于控制调压层的外部控制系统；所述调压层用于调节保暖层在不同位置的压力，包括若干个调压组件，调压组件包括压力感应模块、伸缩支撑件与驱动模块；压力感应模块设于保暖层临近支撑层的一侧；伸缩支撑件一端安装于压力感应模块的下方，另一端连接于驱动模块；驱动模块设于支撑架上，用于驱动伸缩支撑件；外部控制系统采集压力感应模块的信息，并根据采集的信息控制驱动模块。 |
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| 说明书全文 | 一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床及其工作方法 技术领域[0001] 本发明属于智能床领域，具体为一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床及其工作方法。 背景技术[0002] 床是一种常见的生活用品，它可以对人起到平躺、托举、倚靠、休息放松的作用，是生活中不可能或缺的东西。 [0003] 目前，现有的床大部分是刚性的，在人体平躺时，身体的重量是局部的几个地方支撑的，容易使得接触部分受力太多，从而人体会产生不适。也有部分床是柔性的，如通过水压平衡的水床、通过气压平衡的气床，均是起到一种让各个受力点平衡一致，从而达到最好的平躺效果，但是这种床无法满足人们在坐靠、趴着的状态的受力，例如有些病人在平躺很久后，就需要座靠休息，腰部、脖子需要改变受力；有些病人由于病情，只能处于俯卧姿势，此时，颈部用力较大。而现有的智能床并不能实现调整各个部位的受力状态，不能有效适应于患者在改变姿势后身体受力变化。 发明内容[0004] 本发明提供一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床及其工作方法，其能自动感应、计算出人体的位置，伸出或者缩进，尽可能增大与人体接触的面积，给与人体平均的受力，对使用者提供一种非常舒服的使用感受。 [0005] 为实现上述技术目的，本发明采取的具体技术方案为，一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床，包括保暖层、用于支撑保暖层的支撑层、设于保暖层与支撑层之间的调压层以及用于控制调压层的外部控制系统；所述调压层用于调节保暖层在不同位置的压力，包括若干个调压组件，调压组件包括压力感应模块、伸缩支撑件与驱动模块；压力感应模块设于保暖层临近支撑层的一侧；伸缩支撑件一端安装于压力感应模块的下方，另一端连接于驱动模块；驱动模块设于支撑架上，用于驱动伸缩支撑件；外部控制系统采集压力感应模块的信息，并根据采集的信息控制驱动模块。 [0006] 作为本发明改进的技术方案，若干个调压组件是阵列布置的。 [0007] 作为本发明改进的技术方案，外部控制系统包括控制器模块、与控制器模块之间通信连接的电脑，以及用于给各个模块供电的电源模块；控制器模块用于接收压力感应模块检测的压力数据，并将压力数据传递于电脑；电脑接收控制器模块发送的压力数据，分析和保存压力数据，并能向控制器模块发送指令，控制器模块能根据指令控制驱动模块进而改变伸缩支撑件的伸缩。 [0008] 作为本发明改进的技术方案，还包括发光模块，发光模块连接于控制器模块，并在控制器模块的控制下发光。 [0009] 作为本发明改进的技术方案，还包括发音模块，发音模块连接于控制器模块，并在控制器模块的控制下发出声音。 [0011] 本发明的另一目的在于提供智能床的工作方法，包括如下步骤： [0012] 步骤一、初始化，电脑发送信息给控制器模块，控制器模块控制驱动模块改变各个伸缩支撑件的状态，使所有各个伸缩支撑件处于压缩状态，即所有驱动模块均为不工作状态；设置属于人体压力最小阈值Pmin、最大阈值Pmax；设置压力感应器工作最小阈值Pwmin；设置伸缩支撑件极限工作压力阈值Pexm；设置属于人体压力范围的最小压力点的个数Nbmin；设置属于人体压力范围的最大压力点的个数Nbmax；设置压力适应比例Pok；设置本装置状态类型Errk＝0；设置伸缩支撑件的伸缩步长J；设置当前迭代次数ite＝0； [0013] 步骤二、电脑发送指令于控制器模块，控制器模块控制发音模块提醒人员该步骤智能床不能放置任何人/物体； [0014] 步骤三、获得压力图像；根据压力感应模块获得压力图像 其中， 是指压力图像，m代表的是伸缩支撑件阵列中的纵向方向的伸缩支撑件的个数，n代表的是伸缩支撑件阵列中的横向方向的伸缩支撑件的个数，ite代表的是第ite次迭代获得的压力图像，然后分析压力图像； [0015] 步骤四、统计和分析，统计和分析全部压力图像中属于人体压力范围的映射图像和 的个数，i是指纵向方向的第i个伸缩支撑件，j是指横向方向的第j个伸缩支撑件， 是 的一部分，是 中属于人体压力范围的那一部分，NumPbwite是的个数总和； [0016] [0017] [0018] 统计全部压力图像中，超过伸缩支撑件极限范围的映射图像 和的个数； 是图像 中超过正常伸缩支撑件极限范围的部分，Numexmite为该部分的统计数目； [0019] [0020] [0021] 统计全部压力图像中，小于压力感应器工作最小阈值的映射图像 和的个数， 指图像 中小于压力感应器工作最小阈值的部分，Numerrite为该部分的统计数目； [0022] [0023] [0024] 如果Numexmite≥1，设置状态类型Errk＝1，那么进入到步骤十一； [0025] 如果Numerrite≥1，设置状态类型Errk＝2，那么进入到步骤十一； [0026] 如果Nbmin≥NumPbwite或者NumPbwite≥Nbmax，设置状态类型Errk＝3，进入到步骤三； [0027] 如果Nbmax≥NumPbwite≥Nbmin，设置状态类型Errk＝0，进入到步骤五； [0029] 计算出 中符合人体压力范围的那一部分的平均值 如下式： [0030] [0031] 计算出 中符合人体压力范围的那一部分的方差，如下式： [0032] [0033] 步骤六、判断极限，如果(ite+1)*J≥Jmax，进入步骤八，Jmax是指伸缩支撑件的极限伸缩距离； [0034] 步骤七、物理伸缩，以 中最大的值 标准，凡是伸缩支撑件上的压力感应模块的压力值符合 的伸缩支撑件全部伸出步长J的长度，记录当前所有伸缩支撑件的状态，设置：ite＝ite+1进入步骤三； [0035] 步骤八、输出最优值，寻找到所有迭代中最小的 把此时的 为1的点，输出所有伸缩支撑件的在步骤七中的最优状态 即纵向为i，横向为j的那个伸缩杆的最优伸缩位置；把 为0的点放到最低值； [0036] 步骤九、重新采集，获得新的压力图像，用新的压力图像与最优相减，计算整体的变化压力之和Fch，如下式所示，然后判断是否需要重新进入到步骤三，即： [0037] [0038] 如果， 此时，如果Fch过大，说明使用者位姿发生变化，需要进入到步骤三，否则重新进入到步骤十； [0039] 步骤十、保持不变，维持时间T，当时间T到的时候，进入步骤九； [0040] 步骤十一、暂停，分析系统状态，停止检查，驱动发光模块、发音模块，进行报警工作，并输出以下几种信息之一： [0041] 如果状态类型Errk＝1，表明有伸缩支撑件上承受的压力已经超出了伸缩支撑件能够正常工作的范围，如果继续下去，会损坏本装置； [0042] 如果状态类型Errk＝2，表明有压力感应模块上承受的没有承受压力，这种情况要么是保暖层没有对设备进行覆盖，或者是压力感应模块出现了错误。 [0043] 有益效果 [0045] 图1本发明的智能床结构示意图； [0046] 图2本发明的调压层控制示意图； [0047] 图3本发明的智能床的工作方法图； [0048] 图中1、保暖层；2、调压层；3、支撑层；4、外部控制系统。 具体实施方式[0049] 为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0050] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 [0051] 本实施例中保暖层1；调压层2；支撑层3；外部控制系统4。 [0052] 如图1、图2所示，本发明一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床中，硬件部分用于收集床上的压力分布，控制床上支撑件的伸出或者缩进，从而提高与人体的接触面积，并给与人体平均的受力；硬件部分包括保暖层、用于支撑保暖层的支撑层、设于保暖层与支撑层之间的调压层；所述调压层用于调节保暖层在不同位置的压力，包括若干个阵列布置的调压组件，调压组件包括压力感应模块、伸缩支撑件(可采用伸缩液压缸)与驱动模块(如驱动电机)；压力感应模块设于保暖层临近支撑层的一侧；伸缩支撑件一端安装于压力感应模块的下方，另一端连接于驱动模块；驱动模块设于支撑架上，用于驱动伸缩支撑件。调压组件采用外部控制系统调控，外部控制系统采集压力感应模块的信息，并根据采集的信息控制驱动模块。外部控制系统包括控制器模块、与控制器模块之间通信连接的电脑，以及用于给各个模块供电的电源模块；控制器模块用于接收压力感应模块检测的压力数据，并将压力数据传递于电脑；电脑接收控制器模块发送的压力数据，分析和保存压力数据，并能向控制器模块发送指令，控制器模块能根据指令控制驱动模块进而改变伸缩支撑件的伸缩。还包括发光模块，发光模块连接于控制器模块，并在控制器模块的控制下发光。还包括发音模块，发音模块连接于控制器模块，并在控制器模块的控制下发出声音。还包括开关按钮，开关按钮用于控制电源模块为各个模块的通电与断电。 [0053] 这里电脑是驱动控制器模块的工作，根据压力感应模块的压力信息，分析信息，改变伸缩支撑件阵列的工作状态。伸缩支撑件在驱动模块的驱动下进行伸缩的工作，每个伸缩支撑件上有一个压力感应模块，提供压力信号给控制板，整个阵列上再覆盖一个保暖层。调整伸缩支撑杆的伸缩状态实现调整保暖层上不同位置的压力。 [0054] 本实施例中，电源模块，用于对整个系统进行供电，本实施例中采用的是220V的交流电源转一路5V、一路24V的电源模块，其中一路5V是给外部控制系统以及压力感应模块工作，一路是驱动伸缩支撑件阵列。开关按钮为控制电源模块打开和关闭时使用，本实施例中采用的是轻触自锁的微动开关。发光模块用于显示硬件的工作状态，正常或者报警，本实施例中采用的是全彩的发光二极管。发音模块用于显示硬件的工作状态，本实施例中采用的普通蜂鸣器。控制器模块用于接受电脑的操作指令后，发出指令给分控制器驱动模块，使得分控制器驱动模块驱动整个伸缩支撑件阵列的运行。它还驱动发音模块、发光模块的工作。本实施例中，控制器采用的是STM32F107芯片(厂家STM，型号STM32F107)。驱动模块用于接受控制器模块的指令，驱动各个单个伸缩支撑件工作，分控制器采用的是普通的STM32F103芯片，它能最多产生16路PWM方波，控制16个发光阵列的工作。伸缩支撑件用于构成整个床的运动部分，作为标准件，构成了伸缩支撑件阵列的主体，本实施例中采用的是200毫米行程、24V直流电动推杆，构成的是40*30的阵列。压力感应模块用于检测每个伸缩支撑件上的压力，本实施例中采用的是飞思卡尔压力感应模块MPX10D，每个推杆的接触部分均有一个这个压力感应模块。电脑用于获得控制器模块的压力采集结果，用于分析和保存压力采集结果，用于驱动控制器模块来改变伸缩支撑件阵列中各个伸缩支撑件的工作，用于记录分析各种状态，分析错误可能情况并报警，本实施例中采用的是戴尔T5810型图形工作站。 [0055] 本发明一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床，是根据压力感应阵列获得压力图像，然后根据压力图像，分析人体的位置，再控制总控制器模块来改变伸缩支撑件阵列的伸缩，尽可能增大与人体接触的面积，给与人体平均的受力；同时，电脑在采集数据后进行各种状态分析、可能错误分析并报警。智能床工作过程如下(如图3所示)： [0056] 步骤1.初始化；该步骤为初始自检状态，为非正常工作状态；电脑发送信息给驱动总控制器模块，来改变伸缩支撑件阵列中各个伸缩支撑件的状态，全部变为最低值，即所有驱动伸缩支撑件的全部电机为不工作状态； [0057] 设置属于人体压力最小阈值Pmin、最大阈值Pmax；设置压力感应器工作最小阈值Pwmin；设置伸缩支撑件极限工作压力阈值Pexm；设置属于人体压力范围的最小压力点的个数Nbmin；设置属于人体压力范围的最大压力点的个数Nbmax；设置压力适应比例Pok；设置本装置状态类型Errk＝0；设置伸缩支撑件的伸缩步长J；伸缩支撑件的极限伸缩距离Jmax是由伸缩支撑件的出厂时物理结构设定的；设置当前迭代次数ite＝0。 [0058] 本实施例中，人体压力最小阈值Pmin设置为0.4kg。压力感应器工作最小阈值Pmax设置为12kg。压力感应器工作最小阈值Pwmin设置为0.1kg。伸缩支撑件极限工作压力阈值Pexm设置为20kg。人体压力范围的最小压力点的个数Nbmin设置为全部阵列数目的20％，即40*30*20％＝240。属于人体压力范围的最大压力点的个数Nbmax设置为全部阵列数目的80％，即40*30*80％＝960。压力适应比例Pok设置为5％。伸缩支撑件的极限伸缩距离Jmax是由伸缩支撑件的出厂时物理结构设定的，本实施例中为200毫米行程。伸缩支撑件的伸缩步长J设置为5毫米。 [0059] 步骤2.提醒人员该步骤智能床不能放置任何物体(包括人)。 [0060] 步骤3.获得压力图像。根据压力感应阵列获得压力图像 其中，m代表的是伸缩支撑件阵列中的纵向方向的伸缩支撑件的个数，n代表的是伸缩支撑件阵列中的横向方向的伸缩支撑件的个数，ite代表的是第ite次迭代获得的压力图像，然后分析压力图像；注： 是 的一部分，是属于人体压力范围的那一部分。(i,j)与(m,n)不一样，(i,j)属于(m,n)的一部分。好比是一张彩色图中提取出白色的部分。 [0061] 步骤4.统计和分析。统计全部压力图像中，属于人体压力范围的映射图像和它其中1的个数，即 [0062] [0063] [0064] 统计全部压力图像中，超过伸缩支撑件极限范围的映射图像 和它其中1的个数，即 [0065] [0066] [0067] 统计全部压力图像中，小于压力感应器工作最小阈值的映射图像 和它其中1的个数，即 [0068] [0069] [0070] [1].如果Numexmite≥1，表明有伸缩支撑件上承受的压力已经超出了伸缩支撑件能够正常工作的范围，如果继续下去，会损坏本装置，设置状态类型Errk＝1，那么进入到步骤11； [0071] [2].如果Numerrite≥1，表明有压力感应模块上承受的没有承受压力，这种情况要么是保暖层没有对设备进行覆盖，或者是压力感应模块出现了错误；设置状态类型Errk＝2，那么进入到步骤11； [0072] [3].如果Nbmin≥NumPbwite或者NumPbwite≥Nbmax，那么说明本智能床上可能不是一个人的正常工作范围，设置状态类型Errk＝3，进入到步骤2； [0073] [4].如果Nbmax≥NumPbwite≥Nbmin，那么说明本智能床上是正常工作范围，设置状态类型Errk＝0，进入到步骤5。 [0074] 步骤5.检测状态；计算出 中1的位置对应的 的像素的方差，作为本次迭代的适应度指标。 [0075] 计算出它们的平均值： [0076] [0077] 计算出它们的方差： [0078] [0079] 步骤6判断极限。如果(ite+1)*J≥Jmax，那么说明已经到了伸缩支撑件的长度极限，进入步骤8。 [0080] 步骤7.物理伸缩。以 中最大的值 标准，凡是伸缩支撑件上的压力感应模块的压力值符合 的伸缩支撑件全部伸出步长J的长度；记录当前所有伸缩支撑件的状态。设置：ite＝ite+1进入步骤3。 [0081] 步骤8.输出最优值。寻找到所有迭代中最小的 此时，所有的部位的压力最为平均，是与人体接触面最大，所有压力点一致的情况。把此时的 为1的点，输出所有伸缩支撑件的在步骤7中的最优状态 把 为0的点放到最低值，使得这些伸缩支撑件处于不工作的状态，尽量延长它们的使用寿命。 [0082] 步骤9.重新采集。获得压力图像，用新的压力图像与最优相减，然后判断是否需要重新进入到步骤3，即： [0083] [0084] 如果， 那么说明变化比较大，即人体姿态发生了变化，需要重新计算最优状态了；此时需要进入到步骤3，否则进入到步骤10。 [0085] 步骤10.保持不变，维持时间T，当时间T到的时候，进入步骤9。 [0086] 步骤11.暂停，等待用户下一步的指令；分析系统状态，停止检查，驱动发光模块、发音模块，进行报警工作，并输出以下几种信息之一： [0087] 如果状态类型Errk＝1，表明有伸缩支撑件上承受的压力已经超出了伸缩支撑件能够正常工作的范围，如果继续下去，会损坏本装置； [0088] 如果状态类型Errk＝2，表明有压力感应模块上承受的没有承受压力，这种情况要么是保暖层没有对设备进行覆盖，或者是压力感应模块出现了错误。 [0089] 本发明的一种自适应改变与承载物接触部分受力的智能床，它能够自动感应、计算出人体的位置，伸出或者缩进，尽可能增大与人体接触的面积，给与人体平均的受力，对使用者提供一种非常舒服的使用感受。 |
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