【技术实现步骤摘要】
所属本专利技术涉及自动控制、人体仿生学等应用领域。适用于术后智能护理，具体为一种基于人体仿生学的智能护理矩阵同步控制算法。
技术介绍
1、患者长期卧床会出现压疮以及血液不流畅引起的并发症。为了防止这些并发症的产生，护理床必须具有有利于患者康复、生活自理和必要姿态变换的功能。
2、护理床的形式按照其动力的来源可以分为两类：手摇型和电动型。前者通过人工手摇完成患者对位姿变换功能，采用这种结构只能由护理人员控制患者的姿态；后者通过电机驱动代替人工完整这些功能，允许患者自行控制选择合适姿态。依据人体仿生学分配电机推杆位置，采用矩阵同步控制算法使电机同步更精确，在人体被机器支撑起来的过程中采用柔顺控制，避免机器对患者造成二次伤害。此设计不仅可以满足患者的基本姿势变换要求，而且可以对患者术后使用的肌肉有一个锻炼康复效果。
3、在人体仿生学中，将人体的结构按照不同的方式分成四大类，即头部、躯干、上肢、下肢。躯干是人体的中部，包括颈部，臀部和腹部等部位。研究躯干结构可以涉及人体姿势、平衡控制、呼吸和消化系统等方面的仿生设计。人体生物力学的起卧过程中，人体的重量会在不同的阶段以及动作中进行重新分配。平躺姿势中，人体的重量主要分布在背部、臀部和腿部，质心位置可以近似地看作位于人体的中央即腰部附近；起坐姿势中，重量开始从背部逐渐转移到臀部和腿部，质心位置也会相应地向下移动；坐姿姿势中，重量主要集中在臀部和腿部，质心位置位于臀部附近。在抬手姿势中，肩关节承担了重要的角色，肩关节由肩胛骨和上臂骨头组成，提供了上肢的灵活度、肘关节起
4、多电机同步控制主要有两种算法，一种是非交叉耦合控制算法如图1所示，适用于精度不高的控制系统领域。以两台电机组成的系统为例，在非交叉耦合后控制下，两台电机分别跟踪用户给定值，而不是彼此相互跟踪，因此系统跟踪给定值效果很好。但是因为不同电机的动态性能不可能完全一样，所以两台电机之间的精确同步会受到影响。在对同步精度要求高的系统中，提出另一种同步控制算法，即耦合控制算法的主从方式交叉耦合控制结构如图2所示。以两台电机组成的系统为例，主从方式交叉耦合控制将一台电机作为主动电机，另一台电机作为从动电机。主电机以用户给出的速度和位置作为参考值，在运行过程中紧密跟踪系统给定值，从而电机以主电机的速度和位置输出作为自己的参考值，在运行过程中紧密跟踪主电机。这样在运行过程中，两台电机并不是分别跟踪系统给定值，而是由从动电机跟踪主动电机，使得系统的同步精度大为提高。
5、传统的柔顺控制方法包括被动柔顺和主动柔顺。被动柔顺是指通过机器自身材料的弹性或者在机器末端安装储能装置，如弹簧等，使机器可以对外界保持一定的柔顺性。但由于弹簧和储能装置的参数不能随意调节，所以实用性较低，主动柔顺要求机器对环境作用力具有感知力，可以根据外界环境作用力对变化调整自身状态，实现主动柔顺。主动柔顺主要是用一些控制算法来主动控制外部作用力实现柔顺性。采用一种基于力传感器的主动柔顺控制，解决关节范围运动过大对患者造成二次损伤的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于人体仿生学的智能护理矩阵同步控制算法，适用于术后智能护理。
2、本技术专利技术通过如下技术方案予以实现：
3、提供一种基于人体仿生学智能护理矩阵同步控制算法，其特征是针对术后的智能护理要求，基于人体仿生学的人体结构及躺姿状态，计算人体重量分配及质心位置，从而确定智能护理所需同步控制的推杆分布；采用主从方式交叉耦合矩阵同步控制算法，主电机以用户给出的速度和位置给定值作为参考值，在运行系统中紧密跟随系统中给定的值，其余电机就会以主电机的速度和位置输出作为自己的参考值；根据动作姿势及身体部位舒适度进行柔顺控制，通过感知和测量人体给到传感器的压力作为反馈，智能护理矩阵同步控制支撑作用过程中，使得电机将人托起的过程中更加柔顺、灵活和安全。
4、所述其特征是通过人体仿生力学研究人体结构及躺姿状态来确定智能护理所需同步控制的推杆分布，根据人体仿生学将人体分为头颈、上躯干、下躯干、大腿、小腿、上臂、前臂，这些位置都需要电机推杆作用，使得患者可以选择合适的姿态，实现平躺、支背、屈腿、抬手、肌肉康复功能，依据人体躺下到坐起来的运动模型分析，并观察人体模型中不同肌肉的受力变化，确定患者术后康复中主要使用的肌肉，下肢中主要使用的肌肉有腹直肌、外侧广肌、股直肌、半膜肌、股二头肌、臀中肌等。通过比较不同肌肉的受力大小，计算人体重量分配及质心位置。
5、所述其特征是所需同步控制的推杆采用主从方式交叉耦合矩阵同步控制算法，针对同步精度有较高要求的术后护理系统，不同位置电机的控制需要耦合控制，根据人体重量分配将质心位置电机作为主动电机，其余耦合控制电机作为从动电机。主电机以用户给出的速度和位置给定值作为参考值，在运行系统中紧密跟随系统中给定的值，其余电机就会以主电机的速度和位置输出作为自己的参考值。耦合控制电机采用主从式跟踪系统给定的系统值，使得系统内同步的精度大幅提升，保证了术后护理系统同步精度。
6、所述其特征是根据动作姿势及身体部位舒适度，基于力传感器进行柔顺控制。通过力传感器对位置控制内环阻抗控制力进行检测，作用于外环轨迹跟踪训练；通过设定角度阈值，当人机交互力大于设定阈值，对顺应位移进行限制，避免顺应位移过大造成力关节超出运动范围对患者造成伤害，当小于阈值按照原定对轨迹进行被动支撑，人体在支撑过程中采用柔顺控制，提升了矩阵控制精准托起过程中的安全性和舒适性。
7、本专利技术与现有技术相比具有如下优点：
8、(1)本专利技术利用人体仿生学来对人体结构和人体肌肉进行分析，来研究人在起身过程中最舒适，最安全和有利于患者进行康复的一个支撑部位和起身姿势。
9、(2)本专利技术利用矩阵同步控制来对所有电机同步精准控制，使得所有电机能够同时对人体进行一个支撑，而从达到患者对需要姿态的调整。与传统的医院护理床相比不需要进行手动将床摇起，可以实现将人托起的自动化控制。
10、(3)本专利技术利用主动柔顺控制，在机器与人交互过程中通过力传感器来感知外界环境力的变化来调整自身状态，实现主动柔顺，避免机器对人造成一个二次损伤。
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1.一种基于人体仿生学的智能护理矩阵同步控制算法，其特征是针对术后的智能护理要求，基于人体仿生学的人体结构及躺姿状态，计算人体重量分配及质心位置，从而确定智能护理所需同步控制的推杆分布；采用主从方式交叉耦合矩阵同步控制算法，主电机以用户给出的速度和位置给定值作为参考值，在运行系统中紧密跟随系统中给定的值，其余电机就会以主电机的速度和位置输出作为自己的参考值；根据动作姿势及身体部位舒适度进行柔顺控制，通过感知和测量人体给到传感器的压力作为反馈，智能护理矩阵同步控制支撑作用过程中，使得电机将人托起的过程中更加柔顺、灵活和安全。
2.根据权利要求1，其特征是通过人体仿生力学研究人体结构及躺姿状态来确定智能护理所需同步控制的推杆分布，根据人体仿生学将人体分为头颈、上躯干、下躯干、大腿、小腿、上臂、前臂，这些位置都需要电机推杆作用，使得患者可以选择合适的姿态，实现平躺、支背、屈腿、抬手、肌肉康复功能，依据人体躺下到坐起来的运动模型分析，并观察人体模型中不同肌肉的受力变化，确定患者术后康复中主要使用的肌肉，通过比较不同肌肉的受力大小来计算人体重量分配及质心位置。
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4.根据权利要求1，其特征是根据动作姿势及身体部位舒适度，基于力传感器进行柔顺控制。通过力传感器对位置控制内环阻抗控制力进行检测，作用于外环轨迹跟踪训练；通过设定角度阈值，当人机交互力大于设定阈值，对顺应位移进行限制，避免顺应位移过大造成力关节超出运动范围对患者造成伤害，当小于阈值按照原定对轨迹进行被动支撑，人体在支撑过程中采用柔顺控制，提升了矩阵控制精准托起过程中的安全性和舒适性。
...【技术特征摘要】
1.一种基于人体仿生学的智能护理矩阵同步控制算法，其特征是针对术后的智能护理要求，基于人体仿生学的人体结构及躺姿状态，计算人体重量分配及质心位置，从而确定智能护理所需同步控制的推杆分布；采用主从方式交叉耦合矩阵同步控制算法，主电机以用户给出的速度和位置给定值作为参考值，在运行系统中紧密跟随系统中给定的值，其余电机就会以主电机的速度和位置输出作为自己的参考值；根据动作姿势及身体部位舒适度进行柔顺控制，通过感知和测量人体给到传感器的压力作为反馈，智能护理矩阵同步控制支撑作用过程中，使得电机将人托起的过程中更加柔顺、灵活和安全。
2.根据权利要求1，其特征是通过人体仿生力学研究人体结构及躺姿状态来确定智能护理所需同步控制的推杆分布，根据人体仿生学将人体分为头颈、上躯干、下躯干、大腿、小腿、上臂、前臂，这些位置都需要电机推杆作用，使得患者可以选择合适的姿态，实现平躺、支背、屈腿、抬手、肌肉康复功能，依据人体躺下到坐起来的运动模型分析，并观察人体模型中不同肌肉的受力变化，确定患者术后康复中主要使用的肌肉，通过比较...
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