摘要:在简单介绍体位变换机械通气原理的基础上,针对智能呼吸保健椅机械结构设计的复杂性。为保运动的稳定性,重点研究了临床试验设备的机械结构和智能控制算法,并进行了建模仿真研究。提出滑杆驱动式智能呼吸保健椅机械结构方案,利用ADAMS仿真软件建立方案的动力学仿真模型,并进行模型验证和仿真研究;设计了综合专家知识和PID控制理论的专家PID控制器,利用ADAMS和MATLAB的联合仿真能力对控制算法进行仿真研究。仿真结果表明,智能呼吸保健椅不仅具有一般摇椅的自然摇动功能,还能实现电机驱动控制下的目标动作,并且打滑幅度较小,说明机械方案的可行性,同时联合仿真结果表明了专家知识PID控制器的快速精确控制能力。
1 引言
机械通气是借助呼吸机建立气道口与肺泡间的压力差,利用机械装置来代替、控制或改变自主呼吸运动的一种通气方式。长期以来,有创正压通气挽救了许多危重病患者的生命,但是该通气方法却有着很多严重的并发症和后遗症[1, 2]。
针对这种情况, 2005年,李宪玉等人结合膈肌在呼吸过程中的主导作用和俯卧位通气的临床经验,提出同步变压位机械通气方法(包括伏卧位同步变压[3]、同步体位变换[4]和同步变压位),并申请“人工呼吸床(椅)”实用新型(专利申请号:20042001504106)。
由于同步变压位机械通气方法是一种新的医学方法,为了对其进行深入研究,需要开发可以用于临床医学试验的医 疗设备。2008年许继平等人研究了伏卧位同步变压机械通气方法的临床试验用设备,成功开发出可以进行医学研究的智能人工呼吸床[5]。
为了能开展同步体位变换机械通气的临床医学试验,本文研究了基于该通气方法的试验用设备。首先提出滑杆驱动式智能呼吸保健椅机械方案,以此为基础,利用ADAMS动力学仿真软件建立了该方案的动力学模型并进行了仿真验证;然后,针对滑杆驱动式智能呼吸保健椅具有的大惯量、复合运动模式、驱动方式复杂、易打滑等特点,提出针对力矩伺服的专家知识PID控制器;最后对智能呼吸保健椅系统进行了ADAMS和MATLAB联合仿真研究。仿真结果表明了滑杆驱动式智能呼吸保健椅方案和专家知识PID控制器的可行性,可以进行实验设备加工,同时仿真研究工作减小了开发成本、加快了研发进度。
2 体位变换机械通气原理
体位变换机械通气方法原理如图1所示。
患者躺在一张可以与呼吸同步变换床体角度的床板上,吸气时令床体头侧抬高一定角度,横膈内脏受重力和惯性力下移,拉动肺脏吸张;呼气时躯干恢复平卧位,横膈内脏复位上移压缩肺脏呼出残气。
3 机械结构设计方案及动力学仿真
3. 1 机械结构设计
滑杆驱动式智能呼吸保健椅系统由座椅、圆弧支架、滑杆、电机和轨道组成,如图2所示。
图中,座椅靠背和水平成60°夹角,以方便躺靠,座椅腿托与水平成45°夹角,以方便腿部安放,座椅与圆弧支架焊接相连并放置于轨道上。轨道用来支撑圆弧支架,两侧(图2中平行于纸面)设置有高于轨道平面的限制钢条,以防止座椅摇动时发生侧移。在座椅靠前、中间位置下面刚性连接有一个滑槽杆,电机及电机托件固定在轨道中间位置,电机输出轴和滑槽杆通过钢杆相连,钢杆的一端是带有销槽的套筒,实现与电机输出轴的连接,另一端是与滑槽相配套的滚轴。当电机逆时针转动时,座椅受到一个向后的作用力而逆时针摇动,当电机顺时针转动时,带动智能呼吸保健椅顺时针摇动,这样随着电机的往复运动,驱动智能呼吸保健椅前后摇动。
3. 2 动力学模型建立
在ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of MechaNIcalSystem)[6]软件环境下建立滑杆驱动式智能呼吸保健椅方案的动力学模型。
为了方便仿真模型建立,将人体简化三部分:头胸部、大腿部、小腿部,它们分别与座椅靠背、椅面和座椅腿托刚性连接滑杆驱动式智能呼吸保健椅,动力学仿真模型如图3所示。
设置头胸部质量为40千克,大腿部为40千克,小腿部为20千克,以上质量加入了相应座椅的质量,圆弧支架质量设置较小,可以忽略。其他尺寸与图2同。添加圆弧支架与轨道之间的solid to solid CONTACT,模拟真实系统中圆弧放在轨道上,前者对后者产生压力,并在接触面存在水平方向的摩擦力,设置静摩擦系数为0·3,动摩擦系数为0·2。在图3的B图中,滑槽杆固定在座椅前中部,在电机输出轴心位置设置与轨道为一体的POINT0,在滑槽杆与动力传动钢杆接触点上设置POINT1,添加以POINT0和POINT1为端点的LINK形成动力传动钢杆,设置滑槽杆与动力传动钢杆之间的Translational Joint,限制后者的端点只能沿前者杆方向移动,形成滑槽杆功能,最后设置动力传动钢杆与POINT0之间的动力机构,添加Rot JointMotion(速度型)或Torque(力矩型),这样电机驱动功能就实现了。
3. 3 仿真分析
在智能呼吸保健椅的机械动力学模型成功建立基础上,借助ADAMS的仿真功能进行方案验证。根据功能要求,设计仿真内容包括如下几个方面:
1)自然摇动。在无电机驱动条件下,验证智能呼吸保健椅的自然摇动情况, 40秒内智能呼吸保健椅角度变化曲线见图4所示。由图可知,智能呼吸保健椅摇动为过阻尼振动,频率约为8·3次/分钟,最大角度约为28·8度,与之前设计方案的预期结果相符。
2)一般功能验证。设计智能呼吸保健椅运动角度轨迹为起停慢、中间快的正弦曲线,验证10秒内不同目标频率和角度下电机功率、角度、水平位移的变化情况,仿真结果见表1。
对照表1中8组仿真试验数据的实际角度与水平位移可知,在电机驱动下,智能呼吸保健椅可以按预定参数运行,能够实现辅助通气和间歇指令通气功能。表中电机功率数据表明,在目标频率低于20次/分钟时,考虑2倍的安全因素,选择额定功率为仅为100瓦的电机就可以满足各种参数条件下的动力需求,符合智能呼吸保健椅作为保健用品的功率消耗要求。
3)打滑测试。验证一分钟内不同目标频率和角度下角度、水平位移的偏移情况,仿真结果见表2。表中,上角度偏移值表示最后一个周期与第一个周期的最大角度之差,下角度偏移值表示最后一个周期与第一个周期的最小角度之差,上水平位移偏移值表示最后一个周期与第一个周期的最大水平位移之差,下水平位移偏移值表示最后一个周期与第一个周期的最小水平位移之差。
从表2仿真试验数据可知:在静摩擦系数为0·3、动摩擦系数为0·2的条件下,该方案的打滑现象确实存在,因此需要通过采用磨砂、凹凸面或齿条来增加表面摩擦系数。另外,目标角度对角度偏移影响较大时目标角度为30度时的偏移量要远远小于15度的结果表明,智能呼吸保健椅的摇摆角度应设定在自然振动角度28·8度左右,这样可以通过利用智能呼吸保健椅自身的动作来降低打滑幅度。
综合以上仿真结果,表明滑杆驱动式智能呼吸保健椅方案是可行的,在采取增加表面摩擦系数措施后,基本上符合体位变换试验用智能呼吸保健椅的要求,可以实施机械加工。
4 智能控制算法研究及联合仿真
通过分析滑杆驱动式智能呼吸保健椅方案可知,在控制实现上存在如下难点:大惯量系统控制、干扰出现时的平稳控制和打滑处理,因此本文提出基于专家知识的PID控制器[7-10],该控制器的输出力矩由两部分组成:智能呼吸保健椅理想化驱动力矩和其他补偿驱动力矩,前者由专家知识计算得到,后者则由PID算法实时给出,由于专家知识能通过对目标值分析加载超前控制量,结合PID的实时精确补偿,使得该控制器能较好的实现直流力矩电机智能呼吸保健椅驱动功能。
4. 1 智能呼吸保健椅受力分析
智能呼吸保健椅的动作可分解为水平方向的平移和以圆弧支架圆心为转心的转动,对智能呼吸保健椅进行受力分析,见图5所示。
其中,O为圆弧支架圆心,A为滑槽杆与连杆的接触点,B为电机输出轴中心,C为人、座椅和圆弧支架组成的联合体的重心,D为圆弧支架与轨道接触点, l1为电机输出轴中心B与滑槽杆和连杆接触点之间的距离, l2为人、座椅和圆弧支架组成的联合体的重心C与圆弧支架圆心之间的距离,α为AB与竖直方向的夹角,β为CO与竖直方向的夹角。
4. 2 专家知识PID控制器设计
在理想情况下,认为使用者质量m、初始状态CO与竖直方向的夹角β0、联合体重心与圆弧支架圆心距离l2已知,且无内、外部干扰,则由式(11)可以得到目标角度θ与电机输出扭矩T0之间的对应关系,从而实现智能呼吸保健椅的精确控制。但是,在实际运行过程中,许多量都是未知或时变的,且存在复杂的内、外部干扰,因而由式(11)所得到的电机输出扭矩T0达不到精确控制目的,需要进行必要的改进。实际运行过程中,存在如下不确定因素和干扰:
1)使用者质量不确定。相同年龄层使用者质量存在一定的差别,不同年龄层差别较大。
2)初始状态CO与竖直方向的夹角β0不确定。使用者质量、坐姿的不同会使β0不确定,且在智能呼吸保健椅运行过程中随着使用者坐姿的调整而改变。
3)联合体重心与圆弧支架圆心之间的距离l2不确定。使用者质量、坐姿的不同会使l2不确定。
4)内、外部干扰影响。智能呼吸保健椅圆弧支架与轨道间的滑动,传感器测量误差,电机扭矩输出误差等等。针对以上问题,为了解决大惯量、复合运动模式、驱动方式复杂、易打滑、不确定因素和干扰带来的控制难题,本文提出结合专家知识的PID控制器。
设定人、座椅和圆弧支架组成的联合体质量为M,其中人的质量为使用者平均预期质量,若某使用者质量与平均预期质量之间的差值为Δm,则m=M-Δm,代入式(11)计算,可得:
4. 3 仿真结果与分析
借助ADAMS和MATLAB进行了联合仿真研究。下面以运动频率为15次/秒、最大摇转角度为30度的目标运动角度条件下控制为例,说明所设计的专家知识PID控制器的性能。作为比较,本文同时进行了二阶自抗扰控制系统的仿真。各控制系统的参数设置如下,专家知识PID控制系统:M=900、Kp=400、Ki=0·001、Kd=0·1,自抗扰控制系统: h=0·1、β01=10、β02=20、β03=100、β1=0·1、β2=0·3、b0=30。
1)无干扰情况下的控制研究。图6和7分别为智能呼吸保健椅系统不受干扰时专家知识PID控制器和二阶自抗扰控制器的控制效果,其中实线为目标角度曲线,短虚线为实际角度曲线,长虚线为PID控制器力矩输出信号,点划线为总的力矩输出信号。由图6可知,专家知识PID控制器能克服智能呼吸保健椅系统大惯量带来的控制难题,专家知识通过提取目标角度的二阶微分信号,得到与目标角度变化趋势一致的力矩输出信号,当目标角度加速变化时,输出力矩为正,反之输出力矩为负,加之PID控制器的实时误差补偿力矩,从而形成控制智能呼吸保健椅目标动作跟随的力矩输出。由图7可知,二阶自抗扰控制系统在目标角度增大时,由于实际角度小于目标角度,则控制力矩迅速增大,经过一段时间调整后,实际角度开始大于目标角度,此时控制力矩开始减小,但仍大于零,智能呼吸保健椅角度与目标角度的差值越来越大,最后使得智能呼吸保健椅系统无法正常工作。对比专家知识PID控制器和二阶自抗扰控制器的控制效果,前者由于利用了专家知识提前采取加速和制动措施,克服了智能呼吸保健椅的大惯量带来的控制难题,结合增量式PID的力矩补偿,成功实现了智能呼吸保健椅的力矩智能控制。
2)干扰情况下的控制研究。同样以运动频率为15次/秒、最大摇转角度为30度的目标运动角度条件下控制为例,在adams_sub智能呼吸保健椅角度输出加扰动,模拟使用者挪动身体对智能呼吸保健椅产生的干扰。仿真时间设置为24秒,在2·75、10、20秒处,加入周期为0·5秒、幅值分别为3、5、4度的正弦干扰,对智能呼吸保健椅分别运动在前倾、端点、后仰三个状态的抗干扰效果进行研究。图8控制效果图,其中实线为目标角度曲线,短虚线为实际角度曲线,长虚线为PID控制器力矩输出信号,点划线为总的力矩输出信号。
由图8可知,当扰动发生时,由于专家知识不受扰动影响,保证了输出力矩的稳定性,且PID控制系统能在短时间内恢复正常工作,无较大波动,说明本文所设计的基于专家知识PID控制系统能克服外部扰动,具有良好的适应性,具有一定的工程应用价值。
5 结论
针对正压通气存在的缺陷,本文提出了体位变换机械通气方法,并制定了滑杆驱动式智能呼吸保健椅方案,同时利用ADAMS和MATLAB仿真软件,建立了该方案的动力学模型、进行了仿真验证、提出基于专家知识和PID控制理论的控制算法且进行了系统的联合仿真研究。研究结果表明,智能呼吸保健椅系统是稳定、可行的,可以实施加工并应用于临床医学研究。
参考文献:
[1] 陈天狮,陈良安.机械通气肺损伤的发生机制[J].军医进修学院学报, 2005, 26(3): 238-239.
[2] 李桂芳.肺保护策略与重症支气管哮喘的机械通气治疗[J].局解手术学杂志, 2004, 13(4): 248-249.
[3] 李宪玉,等.伏卧位时与呼气同步托压悬空腹对潮气量的影响[J].人民军医, 2006, 49(9): 510-512.
[4] 李宪玉,等.与呼吸同步变换体位对呼吸功能的影响[J].航空军医, 2005, 33(1): 16-17.
[5] 许继平,等.智能人工呼吸床的设计与仿真[J].计算机仿真,2008, 25(4): 330-334.
[6] 朱春霞,等.基于ADAMS的并联机器人振动特性仿真及结构优化[J].系统仿真学报, 2008, 20(14): 3721-3725.
[7] 孙俊.船舶锅炉汽包水位及其专家PID控制系统仿真[J].计算机仿真, 2007, 24(4): 162-164.
[8] 寇怀成,吴云洁,陈燕娥.基于模糊多模型的专家PID在主汽温控系统中的应用研究[J].系统仿真学报, 2008, 20(23):6398-6400.
[9] 张鹏翼,郑思仪,罗卫兵.基于专家PID的小型无人机导航算法设计[J].火力与指挥控制, 2008, 33(12): 77-80.
[10] 路综强,等.基于专家PID控制器的节流压井管汇电气控制系统[J].电气传动, 2007, 38-7(5): 43-44.
[作者简介]
许继平(1979-),男(汉族),湖南岳阳人,博士,讲师,研究方向为复杂系统建模仿真。
刘载文(1954-),男(汉族),广东南海人,博士,教授,研究方向为智能控制与优化控制。
王小艺(1975-),男(汉族),山西新绛人,博士,副教授,主要研究方向为复杂系统建模、仿真与决策。
连晓峰(1977-),男(汉族),山西长治人,博士,讲师,主要研究方向为移动机器人、机器视觉、三维重建。
