呼吸模拟系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种呼吸模拟系统，包括头模、呼吸面罩、电源单元、主控板、触摸屏、运动控制板、驱动器、伺服电机、高速滑台、低摩擦气缸、零位开关、流量传感器、第一压力传感器和差压传感器，主控板通过运动控制板控制驱动器，从而控制伺服电机，通过高速滑台带动低摩擦气缸运行产生气体并送至呼吸面罩。本发明专利技术公开了一种呼吸模拟系统的控制方法，通过呼吸速度曲线精确控制伺服电机运行。本发明专利技术基于数字化运动控制和微机电一体化控制原理，实现在不同状态下的真实模拟呼吸效果，可验证多人同时呼吸时的峰值气量，尤其适合模拟飞行员人体在不同身体状态下呼吸特征，用于测试和验证分子筛氧气系统功能和性能的符合性，方便使用和推广。

Respiratory simulation system and control method

【技术实现步骤摘要】
呼吸模拟系统及控制方法
本专利技术涉及一种呼吸模拟系统，尤其涉及一种基于嵌入式控制板的呼吸模拟系统及控制方法。
技术介绍
在机载分子筛氧气系统开发和试验中，呼吸模拟系统(也称为呼吸模拟器)是一种专门用于模拟呼吸的设备，为了达到足够真实的飞行员呼吸模拟效果，呼吸模拟系统应该尽量满足以下要求：1、需要在特定呼吸频次(0～60次/min)、潮气量(0～1.5L)、肺通气量(0～60L/min)和呼吸峰值等需求下的呼吸模拟功能，并能实现任意呼吸曲线(S型、T型、三角型等曲线)的编辑和验证；2、在模拟呼吸试验过程中，系统需实时采集呼吸回路气体流量和面部口腔呼吸时的压力，将呼吸气体流量和压力数据生成曲线能够分析呼吸特性的曲线供试验分析用；3、呼吸模拟系统需具备同步接口，通过同步接口可实现模拟多人同时呼吸功能，以更好的验证机载分子筛氧气系统耗氧量及氧调等特性；4、在试验验证时，需要呼吸模拟系统的头模与氧气面罩紧密结合，不得漏气，较真实的模拟飞行员的呼吸特征。目前市面上用户模拟呼吸的产品主要是面向医学教学领域设计，其功能指标和组成结构等方面较为单一，无法满足机载分子筛氧气系统开发和试验的上述大部分要求。传统呼吸模拟系统通常基于PC机结构实现运动控制，即基于工控机+运动控制卡的组合方式，设备无法实现便携式、小型化和低功耗要求；另外工控机通常基于Windows操作系统，在进行呼吸模拟器实现过程中，首先运动控制采用位置精确控制(控制精度在微米级)，同时需要采集的是呼吸管路的气体瞬时流量(其反应速度在2ms)，基于控制位置精度和时间精度上，Windows操作系统下的软件是无法达到精确控制和实时控制。另外，在飞机飞行员高空生命安全的分子筛氧气系统氧气面罩及制氧机试验过程中，不但需要模拟单个机组人员呼吸时的呼吸特性，而且需要模拟多个机组人员同时呼吸时的瞬时供气流量和压力等，这就需要采用实时同步的方式模拟多个人员同时呼吸功能特性；而传统呼吸模拟系统只能模拟单人呼吸特征，无法满足模拟多人同时呼吸要求。而且，传统呼吸模拟系统的头模大多采用光敏树脂材料加工制作，硬度高达90以上，无法与较真实的接近人脸皮肤，使飞行员氧气面罩佩戴时贴合不紧而漏气。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于数字化运动控制原理和微机电一体化的呼吸模拟系统及控制方法。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种呼吸模拟系统，包括头模和佩戴在所述头模上的呼吸面罩，还包括电源单元、主控板、触摸屏、运动控制板、驱动器、伺服电机、高速滑台、低摩擦气缸、零位开关、流量传感器、第一压力传感器和差压传感器，所述电源单元为所述主控板、所述触摸屏、所述运动控制板和所述驱动器供电，所述主控板设有用于与外部控制设备连接的同步信号接口，所述主控板分别与所述触摸屏和所述运动控制板通信连接，所述运动控制板的控制输出端与所述驱动器的控制输入端连接，所述驱动器的输出端与所述伺服电机的输入端连接，所述伺服电机的动力输出端与所述高速滑台的动力输入端连接，所述高速滑台的滑块通过连杆与所述低摩擦气缸的活塞杆连接，所述低摩擦气缸的气嘴通过气管与所述呼吸面罩连接，所述零位开关安装于所述高速滑台的末端附近并用于检测所述滑块是否处于零位，所述流量传感器安装于所述低摩擦气缸与所述呼吸面罩之间的气管上，所述第一压力传感器和所述差压传感器分别安装于所述呼吸面罩的接口处并分别用于检测所述呼吸面罩内的口腔气压和呼吸压差，所述零位开关的信号输出端与所述运动控制板的信号输入端连接，所述流量传感器的信号输出端、所述第一压力传感器的信号输出端和所述差压传感器的信号输出端分别与所述主控板的信号输入端连接。进一步，为了提高运行安全性，所述呼吸模拟系统还包括第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和所述第二限位开关分别安装于所述低摩擦气缸的两端并用于检测所述低摩擦气缸的活塞杆运动极限位置，所述第一限位开关的信号输出端和所述第二限位开关的信号输出端分别与所述运动控制板的信号输入端连接。作为优选，为了利用低摩擦气缸的活塞杆内的磁环作为检测目标，所述第一限位开关和所述第二限位开关均为磁性开关。进一步，为了在必要时实现紧急关机，所述呼吸模拟系统还包括急停开关，所述急停开关串联连接于所述驱动器的电源输入端。进一步，为了在气管堵塞时能够自动及时排气以保护低摩擦气缸，所述呼吸模拟系统还包括四通接头、第二压力传感器和电磁阀，所述四通接头安装于所述低摩擦气缸与所述呼吸面罩之间的气管上，所述第二压力传感器和所述电磁阀分别安装于所述四通接头的另外两个分支管上，所述第二压力传感器的信号输出端分别与所述主控板的信号输入端连接，所述电磁阀的控制输入端与所述主控板的控制输出端连接。具体地，所述电源单元包括滤波器和AC-DC电源电路，所述滤波器的输入端与交流电源连接，所述滤波器的输出端分别与所述AC-DC电源电路的输入端和所述驱动器的电源输入端连接，所述AC-DC电源电路的输出端分别与所述主控板、所述触摸屏和所述运动控制板的电源输入端连接。作为优选，为了实现头模与呼吸面罩之间紧密贴合以防止漏气，所述头模上用于与所述呼吸面罩接触的位置表面设有硅胶层。一种呼吸模拟系统的控制方法，包括以下步骤：步骤1、通过触摸屏和主控板设定包括但不限于以下参数：呼吸频次、呼吸潮气量、肺通量，设定包括但不限于以下呼吸工作状态：正常呼吸、深呼吸、急促呼吸，设定呼吸速度曲线即模拟呼吸运动的速度曲线；所述呼吸潮气量即单次呼吸的气体总量；步骤2、当模拟不同人的呼吸时，通过触摸屏选择不同的呼吸频次、呼吸潮气量和肺通量，主控板依据呼吸速度曲线计算好低摩擦气缸的活塞杆运行距离，根据运行距离计算出伺服电机运行的时间并通过运动控制板向伺服电机发送PWM脉冲数信号，主控板根据呼或吸的状态确定伺服电机的旋转方向并以此通过运动控制板控制伺服电机，实现呼吸模拟；所述步骤2中，设当前速度为V1，下一刻速度为V2，运动微距离为L，则加速度ACC的计算公式为：ACC＝(V22-V12)/2L主控板将V1、V2、ACC、L的实时数据传输给运动控制板，并设置运动控制板的输出使能状态，实现伺服电机的运动控制，从而实现呼吸模拟。本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于数字化运动控制和微机电一体化控制原理，通过实时采集呼吸面罩内的口腔气压和呼吸压差等数据，能够设定呼吸速度曲线并由触摸屏、主控板和运动控制板共同实现参数预设、数据计算、精确控制，并通过伺服电机、高速滑台和低摩擦气缸精确产生呼吸所需气体，最终由佩戴在头模上的呼吸面罩实现在不同状态下的真实模拟呼吸效果，并能够实时监测瞬时呼吸气量和累积呼吸气量，而且在多个系统联网后，主机可以同步控制从机按照相同的呼吸频率、潮气量模拟呼吸，这样可达到模拟多人同时呼吸的功能，可验证多人同时呼吸时的峰值气量，以更好的验证机载分子筛氧气系统耗氧量及氧调等特性，尤其适合模拟飞行员人体在不同身体状态下呼吸特征，用于测试和验证分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种呼吸模拟系统，包括头模和佩戴在所述头模上的呼吸面罩，其特征在于：还包括电源单元、主控板、触摸屏、运动控制板、驱动器、伺服电机、高速滑台、低摩擦气缸、零位开关、流量传感器、第一压力传感器和差压传感器，所述电源单元为所述主控板、所述触摸屏、所述运动控制板和所述驱动器供电，所述主控板设有用于与外部控制设备连接的同步信号接口，所述主控板分别与所述触摸屏和所述运动控制板通信连接，所述运动控制板的控制输出端与所述驱动器的控制输入端连接，所述驱动器的输出端与所述伺服电机的输入端连接，所述伺服电机的动力输出端与所述高速滑台的动力输入端连接，所述高速滑台的滑块通过连杆与所述低摩擦气缸的活塞杆连接，所述低摩擦气缸的气嘴通过气管与所述呼吸面罩连接，所述零位开关安装于所述高速滑台的末端附近并用于检测所述滑块是否处于零位，所述流量传感器安装于所述低摩擦气缸与所述呼吸面罩之间的气管上，所述第一压力传感器和所述差压传感器分别安装于所述呼吸面罩的接口处并分别用于检测所述呼吸面罩内的口腔气压和呼吸压差，所述零位开关的信号输出端与所述运动控制板的信号输入端连接，所述流量传感器的信号输出端、所述第一压力传感器的信号输出端和所述差压传感器的信号输出端分别与所述主控板的信号输入端连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种呼吸模拟系统，包括头模和佩戴在所述头模上的呼吸面罩，其特征在于：还包括电源单元、主控板、触摸屏、运动控制板、驱动器、伺服电机、高速滑台、低摩擦气缸、零位开关、流量传感器、第一压力传感器和差压传感器，所述电源单元为所述主控板、所述触摸屏、所述运动控制板和所述驱动器供电，所述主控板设有用于与外部控制设备连接的同步信号接口，所述主控板分别与所述触摸屏和所述运动控制板通信连接，所述运动控制板的控制输出端与所述驱动器的控制输入端连接，所述驱动器的输出端与所述伺服电机的输入端连接，所述伺服电机的动力输出端与所述高速滑台的动力输入端连接，所述高速滑台的滑块通过连杆与所述低摩擦气缸的活塞杆连接，所述低摩擦气缸的气嘴通过气管与所述呼吸面罩连接，所述零位开关安装于所述高速滑台的末端附近并用于检测所述滑块是否处于零位，所述流量传感器安装于所述低摩擦气缸与所述呼吸面罩之间的气管上，所述第一压力传感器和所述差压传感器分别安装于所述呼吸面罩的接口处并分别用于检测所述呼吸面罩内的口腔气压和呼吸压差，所述零位开关的信号输出端与所述运动控制板的信号输入端连接，所述流量传感器的信号输出端、所述第一压力传感器的信号输出端和所述差压传感器的信号输出端分别与所述主控板的信号输入端连接。


2.根据权利要求1所述的呼吸模拟系统，其特征在于：所述呼吸模拟系统还包括第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和所述第二限位开关分别安装于所述低摩擦气缸的两端并用于检测所述低摩擦气缸的活塞杆运动极限位置，所述第一限位开关的信号输出端和所述第二限位开关的信号输出端分别与所述运动控制板的信号输入端连接。


3.根据权利要求1所述的呼吸模拟系统，其特征在于：所述第一限位开关和所述第二限位开关均为磁性开关。


4.根据权利要求1所述的呼吸模拟系统，其特征在于：所述呼吸模拟系统还包括急停开关，所述急停开关串联连接于所述驱动器的电源输入端。


5.根据权利要求1所述的呼吸模...

【专利技术属性】
技术研发人员：周锐，杜波，
申请(专利权)人：成都康拓兴业科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51