一种智能点滴控制仪及其控制方法
技术领域
本发明涉及输液装置技术领域，更具体的是，本发明涉及一种智能点滴控制仪及其控制方法。
背景技术
医护工作中，输液为基本常规操作，输液管基本都是人为操作点滴速度，而且需要专门人员监视点滴状态。护理人员一般都是对着手表数数调节，非常耗时耗力。
中国发明专利201810615939.7公开一种可调节多介质输液滴速调节器，包括在流量调节仓的内部中心处设置有流量调节器，弹性垫层的外壁与流量调节仓的内壁之间竖直设置有若干毛细管，通过转动旋钮从而使流量调节仓内部的转盘转动，进而将压杆转动至不同的档位卡槽上，从而使压片对弹性垫层进行压迫使其产生形变，弹性垫层向外挤压对毛细管进行压迫，控制毛细输液管开放数量，从而调节流速。
中国实用新型专利201820219221.1公开一种外科用液体滴速调节器，在储液罐两侧的中心处均固定连接有轴承座，在两个轴承座相对应的一侧横向设置有活动轴，在活动轴的表面且位于储液罐的内腔套设有挡板。当液体滴速需要进行调节时，拉动拉柄将定位杆取出，然后转动转盘，通过转盘旋转带动活动轴旋转，通过活动轴旋转带动挡板旋转，实现滴速调节。
但是上述装置仍需要通过手动调节，调节后仍需对表数数确认滴速，直至调节至需求滴速，还是费时费力，并没有解决其实质问题。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种智能点滴控制仪，能够自动调节滴壶内的药液滴速，进而调节输液速度。
本发明的另一个目的是设计开发一种智能点滴控制仪的控制方法，能够基于模糊控制方法确定滴壶内的药液滴速，进而控制动力机构动作，实现输液速度的自动调节。
本发明还能对温度调节柱的温度进行控制，进行控制输液温度，提高输液舒适性。
本发明提供的技术方案为：
一种智能点滴控制仪，包括：
壳体，其为中空结构，且一侧设置有开口；
调节块，其垂直固定设置在与所述壳体开口相对的所述壳体内壁上部；
通槽，其竖直贯通设置在所述调节块上，且外侧面设置有开口，用于容纳输液管；
第一通孔，其为矩形，且设置在与所述通槽轴向平行的所述调节块侧面上，并与所述通槽连通；
凹槽，其为弧形，且竖直设置在与所述第一通孔相对的所述通槽侧面上，并与所述第一通孔对应；
一对挡板，其对称设置在所述凹槽两侧；
支撑块，其垂直固定设置在与所述壳体开口相对的所述壳体内壁中部；
支撑槽，其竖直设置在所述支撑块顶面上，且外侧面设置有开口；
一对支撑板，其对称设置在所述支撑槽上，且相对侧面设置有弧形槽，并位置对应形成中空圆柱结构，用于容纳输液管滴壶；
第二通孔，其为矩形，且设置在所述支撑块底面上，并与所述支撑槽连通；
动力机构，其垂直设置在与所述第一通孔相对的所述壳体内壁上，且输出端与所述第一通孔位置对应，所述动力机构的输出端的外侧面为弧面；
其中，所述通槽的开口宽度小于所述输液管直径，所述支撑槽的开口宽度小于所述滴壶直径，所述凹槽与所述动力机构的输出端的外侧面弧度一致。
优选的是，还包括：
温度调节柱，其垂直设置在与所述壳体开口相对的所述壳体内壁下部；
螺栓凹槽，其周向均匀设置在所述温度调节柱上，用于螺旋缠绕输液管；
加热棒，其设置在所述温度调节柱内，用于对所述温度调节柱进行加热；
其中，所述螺旋凹槽的槽口宽度小于所述输液管的直径。
优选的是，还包括：
第一槽口，其为矩形，且设置在与所述壳体顶面上，用于输液管穿入；
第二槽口，其为矩形，且设置在与所述壳体底面上，用于输液管穿出；
盖板，其设置在所述壳体开口侧，且一端与所述壳体铰接，用于盖合所述壳体的开口；
手持部，其设置在所述盖板外侧面上。
优选的是，还包括固定座，其设置在与所述壳体开口相对的所述壳体外侧壁中部，用于固定所述壳体与输液架上；
所述固定座包括：
相互贴合的第一夹板和第二夹板，其一端固定设置在所述壳体上；
所述第一夹板和第二夹板的中部为弧形，且位置对应形成通孔，用于容纳夹紧输液架管；
多个螺栓孔，其分别设置在所述第一夹板和第二夹板的另一端，且位置对应；
螺栓，其穿过所述螺栓孔；
螺母，其与所述螺栓螺纹连接，用于夹紧所述第一夹板和所述第二夹板；
其中，所述第一夹板和第二夹板的另一端位置对应形成弧形开口。
优选的是，还包括：
支撑套网，其设置在输液架上，用于悬挂输液瓶或者输液袋；
心率手环，其通过导线与所述壳体连接，用于检测心率。
优选的是，还包括：
多个红外传感器，其均匀设置在所述支撑套网上，用于检测输液瓶或者输液袋内液面高度；
光电传感器，其设置在所述支撑板上，用于检测输液管滴壶内的滴速；
多个温度传感器，其设置在所述温度调节柱和壳体上，用于检测温度调节柱的温度和环境温度；
报警装置，其设置在所述壳体上，能够进行输液和故障报警；
控制器，其与所述红外传感器、光电传感器、心率手环、温度传感器、动力机构和加热棒连接，用于接收所述红外传感器、光电传感器、心率手环和温度传感器的检测数据，并控制所述动力机构和加热棒工作。
一种智能点滴控制仪的控制方法，包括模糊控制器：
将患者心率Bb以及输液瓶或输液袋内液面高度Hb输入模糊控制器，所述模糊控制器中患者心率Bb以及输液瓶或输液袋内液面高度Hb分为7个等级；
模糊控制器输出输液管滴壶内药液滴速vl，输出分为7个等级；
所述患者心率Bb的模糊论域为[3,5]，其量化因子为20；所述患者体温Tb的模糊论域为[0,1]，定量化因子为12；输出输液管滴壶内药液滴速vl的模糊论域为[1,1.2]，定量化因子为50；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，根据输液管滴壶内药液滴速vl，控制动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离满足：
其中，d为动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离，r为输液管的半径，vl为输液管滴壶内的药液滴速，vl,max为输液管滴壶内的最大药液滴速，π为圆周率。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入第i个检测过程的输液管滴壶内药液的实际滴速和输出滴速的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离d的误差补偿控制；
其中，所述输液管滴壶内药液的实际滴速和输出滴速的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为5；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为1.5；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括对温度调节柱的温度进行控制：
其中，Ts为温度调节柱的温度，l为螺旋凹槽的槽深，R为温度调节柱的半径，L为温度调节柱的轴向长度，δpi为温度调节柱的导热效率，n为输液管在温度调节柱上的缠绕圈数，r为输液管的半径，vl为输液管滴壶内的药液滴速，vl,max为输液管滴壶内的最大药液滴速，π为圆周率，Te为室内温度，e为自然对数的底数，T0为药液的初始温度且T0＝2℃。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明设计开发的智能点滴控制仪，能够自动调节滴壶内的药液滴速，进而调节输液速度。
(2)本发明设计开发的智能点滴控制仪的控制方法，能够基于模糊控制方法确定滴壶内的药液滴速，进而控制动力机构动作，实现输液速度的自动调节。本发明还能对温度调节柱的温度进行控制，进行控制输液温度，提高输液舒适性。
附图说明
图1为本发明所述智能点滴控制仪的结构示意图。
图2为本发明所述智能点滴控制仪的结构示意图。
图3为本发明所述智能点滴控制仪除去盖板的结构示意图。
图4为本发明所述智能点滴控制仪的剖视结构示意图。
图5为本发明所述智能点滴控制仪的剖视结构示意图。
图6为本发明所述智能点滴控制仪的剖视结构示意图。
图7为本发明所述模糊控制器的输入患者心率Bb的隶属度函数图。
图8为本发明所述模糊控制器的输入输液瓶或输液袋内液面高度Hb的隶属度函数图。
图9为本发明所述模糊控制器的输出输液管滴壶内药液滴速vl的隶属度函数图。
图10为本发明所述模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图11为本发明所述模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图12为本发明所述模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图13为本发明所述模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图14为本发明所述模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
附图标记说明
100.壳体；110.调节块；111.通槽；112.第一通孔；113.凹槽；114.挡板；120.动力机构；121.输出端；130.支撑块；131.支撑槽；132.支撑板；133.第二通孔；140.温度调节柱；141.螺旋凹槽；150.第一槽口；160.第二槽口；170.盖板；171.手持部；180.固定座；181.第一夹板；182.第二夹板；183.螺栓；184.螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1-6所示，本发明提供一种智能点滴控制仪，包括：壳体100，其为中空结构，且一侧设置有开口。在与壳体100开口相对的壳体100内壁上部垂直固定设置有调节块110。在调节块110上竖直贯通设置有通槽111，其外侧面设置有开口(即与壳体100开口相对的侧面)，用于容纳输液管。所述的通槽111的开口宽度小于输液管的直径。由于输液管是软的，在外力所用下输液管可以沿着通槽111的开口进入通槽111内，也不容易滑出，便于固定输液管。在与通槽111轴向平行的调节块110的一个侧面上设置有第一通孔112，其为矩形，并与通槽111连通。在与第一通孔112相对的通槽111的侧面上设置有凹槽113，其为弧形，且竖直设置在与第一通孔112相对的通槽111的侧面上。在凹槽113两侧对称设置有一对挡板114，以便输液管进入通槽111内后能够稳定置于凹槽113内。在与第一通孔112相对的壳体100内壁上上垂直设置有动力机构120，其输出端121与第一通孔112位置对应，且该动力机构120的输出端121的外侧面为弧面，并且该弧面与凹槽113的弧面的弧度一致。当输液管置于凹槽113内，通过动力机构120控制输出端121伸长或者缩短，实现对输液管的挤压或者放松，进而调节输液管滴壶内的滴速，输液管滴壶内的滴速为1-150滴/min。所述的动力机构优选为滑台电机。
在与壳体100开口相对的壳体100内壁中部垂直固定设置有支撑块130。在支撑块130的顶面上设置有支撑槽131，其竖直设置在支撑块130顶面上，且外侧面(与壳体100开口相对侧面)设置有开口，用于输液管的滴壶进入。并且该开口的宽度小于输液管的滴壶的直径，使得滴壶通过外力进入支撑槽131内，并不易滑出，便于对滴壶二点固定。在支撑槽131的相对侧面上对称设置有一对支撑板132，其相对侧面设置有弧形槽，并位置对应形成中空圆柱结构，用于容纳输液管滴壶，便于固定输液管滴壶并监测输液管滴壶内的药液滴速。在支撑块130底面上设置有第二通孔133，其为矩形，并与支撑槽131连通，便于输液管滴壶下端的输液管穿出，且该第二通孔133的宽度小于输液管滴壶的直径，使得在输液管穿出的同时，输液管滴壶不能穿出，起到支撑输液管滴壶的作用。
在与壳体100开口相对的壳体100内壁下部垂直设置有温度调节柱140，在温度调调节柱140的外侧面周向均匀设置有螺栓凹槽141，用于螺旋缠绕输液管。并且螺旋凹槽141的槽口宽度小于输液管的直径，由于输液管是软的，在外力作用下可以沿着螺旋凹槽141的槽口进入螺旋凹槽121内，并且由于螺旋凹槽141的槽口宽度小于输液管的直径，当输液管进入螺旋凹槽141内后则不能轻易滑出螺旋凹槽141，使得输液管能够稳定缠绕在温度调节柱140上，便于对输液管内的药液进行温度调节。在温度调节柱140内设置有加热棒(图中未示出)，用于对温度调节柱140进行加热，进而调节输液的温度，提高输液舒适性。
在与壳体100内部连通的壳体100顶面上设置有第一槽口150，其为矩形，用于输液管穿入。并在与壳体110内部连通的壳体100底面上设置有第二槽口160，其为矩形，用于输液管穿出。在壳体100开口侧设置有盖板170，其一端与壳体铰接，用于盖合110的开口。并在盖板170的外侧设置有手持部171，便于打开或者关上该盖板170。
在与壳体100开口相对的壳体100外侧壁中部设置有固定座180，用于将壳体100固定输液架上。所述的固定座180包括：相互贴合的第一夹板181和第二夹板182，其一端固定设置在壳体180上。所述的第一夹板181和第二夹板182的中部为弧形，且位置对应形成通孔，用于容纳夹紧输液架管。第一夹板181和第二夹板182的另一端位置对应设置有螺栓孔(图中未示出)，该螺栓孔设置有螺栓183，与螺栓183螺纹连接有螺母184，用于夹紧第一夹板181和第二夹板182。第一夹板181和第二夹板182远离固定板170一端位置对应形成弧形开口，便于输液架管通过弧形开口进入中部弧形围成的通孔内。
在壳体100上还设置有电池槽，用于容纳电池，进而为整个系统供电。该结构为现有技术中的常用结构，因此，其结构在此不做赘述。也设置有导线，可以直接与插座连接进行供电。电池优选为锂电池，为4.8V/2000mA。正常条件下，电池充满后(标准充电电流1A，充电时间为2小时)，可连续使用12小时以上。电源为AC 220V，50Hz。
本实施例中，还包括：支撑套网(图中未示出)，其悬挂设置在输液架上，用于悬挂输液瓶或者输液袋。心率手环(图中未示出)，其通过导线与壳体100连接(当然也可以通过无线模块连接)，用于检测输液者的心率。
本实施例中，还包括：多个红外传感器，其均匀设置在支撑套网上，用于检测输液瓶或者输液袋内液面高度；光电传感器，其设置在支撑板上，用于检测输液管滴壶内的滴速；多个温度传感器，其设置在温度调节柱和壳体上，用于检测温度调节柱的温度和环境温度(即室内温度)；控制器，其与红外传感器、光电传感器、心率手环、温度传感器、动力机构和加热棒连接，用于接收红外传感器、光电传感器、心率手环和温度传感器的检测数据，并控制动力机构和加热棒工作。
在壳体上还设置有报警装置，并设置有外部移动终端，通过oled显示屏显示整个输液过程的各个参数，使得输液可视化。并在外部移动终端上也设置有报警装置，以便进行时时监控。当电池没有电，滴壶内没有液体滴下(有两种可能，一种是输液管发横堵塞，一种是输液已完成)均会报警，显示屏显示警报，指示灯发光并发出报警音，同时发送警报信号给监测站。并且当检测输液瓶内没有液体，且滴壶内没有液体滴下时，动力机构控制输出端运动挤压输液管，停止输液。
本发明设计开发的智能点滴控制仪，能够自动调节滴壶内的药液滴速，进而时时调节输液速度，既提高了输液安全性，也降低了人力成本。
本发明还提供一种智能点滴控制仪的控制方法，控制器包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：
步骤1、将患者心率Bb以及输液瓶或输液袋内液面高度Hb以及输液管滴壶内药液滴速vl进行模糊处理；在无控制时，患者心率Bb的模糊论域为[3,5]，其量化因子为20；患者体温Tb的模糊论域为[0,1]，定量化因子为12；输出输液管滴壶内药液滴速vl的模糊论域为[1,1.2]，定量化因子为50。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中患者心率Bb以及输液瓶或输液袋内液面高度Hb分为7个等级；输出输液管滴壶内药液滴速vl，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图7、8和9。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：
(1)患者心率Bb一定，输液袋内液面高度Hb减小，需要减小输液管滴壶内药液滴速vl；
(2)输液袋内液面高度Hb一定，患者心率Bb减小，需要减小输液管滴壶内药液滴速vl；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一输液管滴壶内药液滴速vl的模糊控制表
模糊控制器的输入患者心率Bb以及输液瓶或输液袋内液面高度Hb，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出输液管滴壶内药液滴速vl，输液管滴壶内药液滴速vl利用重心法解模糊化。
步骤2、根据输液管滴壶内药液滴速vl，控制动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离满足：
其中，d为动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离，r为输液管的半径，vl为输液管滴壶内的药液滴速，vl,max为输液管滴壶内的最大药液滴速，π为圆周率。
步骤3、模糊PID控制器
将第i个检测过程的输液管滴壶内药液的实际滴速和输出滴速的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理；在无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为5；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为1.5；PID的比例系数Kp模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1。PID的比例积分系数Ki模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；PID的微分系数Kd模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图10-14。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大Kp，Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二PID的比例系数Kp的模糊控制表
表三PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表四PID的微分系数Kd的模糊控制表
输入第i个检测过程的对输液管滴壶内药液的实际滴速和输出滴速的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离d的误差补偿控制，其控制算式为：
经实验反复确定，模糊PID控制器对动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离d进行精确控制，动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离d为步骤2确定的距离和PID控制器的距离误差补偿值的加和，以便精确控制动力机构输出端外端面与凹槽底面的距离d，使输液管滴壶内的滴速的偏差小于0.1％。
步骤4、对温度调节柱的温度进行控制：
其中，Ts为温度调节柱的温度，l为螺旋凹槽的槽深，R为温度调节柱的半径，L为温度调节柱的轴向长度，δpi为温度调节柱的导热效率，n为输液管在温度调节柱上的缠绕圈数，r为输液管的半径，vl为输液管滴壶内的药液滴速，vl,max为输液管滴壶内的最大药液滴速，π为圆周率，Te为室内温度，e为自然对数的底数，T0为药液的初始温度，T0＝2℃。
本发明设计开发的智能点滴控制仪的控制方法，能够基于模糊控制方法确定滴壶内的药液滴速，进而控制动力机构动作，实现输液速度的自动调节。本发明还能对温度调节柱的温度进行控制，进行控制输液温度，提高输液舒适性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
