CN110584911A

CN110584911A - 基于卧姿识别的智能护理床

Info

Publication number: CN110584911A
Application number: CN201910890755.6A
Authority: CN
Inventors: 孟宪宇; 贾冰; 郭德龙; 陈益瑜
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明公开了一种基于卧姿识别的智能护理床，包括床架、床板、运动机构及控制系统；所述床板包括依次铰接的背部板、臀部板、大腿板、小腿板；所述背部板由背部左支板、背部中间板及背部右支板依次铰接组成；所述臀部板由臀部左支板、臀部中间板及臀部右支板依次铰接组成，所述大腿板由大腿左支板、大腿中间板、大腿右支板依次铰接组成；所述小腿板由小腿左支板、小腿中间板及小腿右支板依次铰接组成；所述运动机构包括侧翻机构、抬背机构、曲腿机构，侧翻机构连接在背部板与床架之间，抬背机构连接在背部板、臀部板与床架之间，曲腿机构连接在大腿板与床架之间；控制系统包括控制模块、Kinect传感器、薄膜压力传感器。

Description

基于卧姿识别的智能护理床

技术领域

本发明属于护理设备领域，具体涉及一种基于卧姿识别的智能护理床，尤其适用于长期卧床的老年人、残疾人的护理。

背景技术

护理床行业起步于欧美等发达国家，他们掌控着护理床的核心技术，致力于产品功能的升级完善，并产生了一批以日本库巴拉、八乐梦，美国Metrocare、 Hill-room和德国弗尔克等公司为代表等国际知名医疗护理公司。

目前护理床主要存在的问题是，使用者长期躺卧在护理床上，由于不便变更姿态，容易产生褥疮或压疮。

日本松下公司在2009年率先发布的一款可以自由转换成轮椅的护理床 “RoboticBed”，该护理床由电动床体和轮椅组成，轮椅嵌在床体内，可以自动弹出或收起。轮椅收缩为坐起姿态时，可与床体分离；轮椅展开可与床体嵌合，恢复为床面。这种护理床设计理念新颖，使用简单，操作方便，使患者基本能够生活自理。

美国Metrocare公司最早开发了一种护理床，虽然仅有动支背、曲腿功能，但在当时的多功能护理床研发背景下是具有开创性的，其大大改变了护理人员的工作方式。

新加坡理工学院的K.S.Jaichandara等人设计了一种基于FPGA的在临床环境中预防褥疮产生的低成本护理床，在床面温度超过预定的阈值后会报警提示护理人员帮助患者翻身，能够有效减少褥疮的形成。

但现有技术都无法根据使用者的姿态对护理床形态进行自动化调节。

发明内容

为了解决功能障碍人群因为长期卧床引起压疮的问题，本发明提供一种防压疮、舒适、护理功能齐全、性价比高的基于卧姿识别的智能护理床。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于卧姿识别的智能护理床，包括床架、床板、运动机构及控制系统；所述床板包括依次铰接的背部板、臀部板、大腿板、小腿板；所述背部板由背部左支板、背部中间板及背部右支板依次铰接组成；所述臀部板由臀部左支板、臀部中间板及臀部右支板依次铰接组成，所述大腿板由大腿左支板、大腿中间板、大腿右支板依次铰接组成；所述小腿板由小腿左支板、小腿中间板及小腿右支板依次铰接组成；所述运动机构包括侧翻机构、抬背机构、曲腿机构，侧翻机构连接在背部板与床架之间，抬背机构连接在背部板、臀部板与床架之间，曲腿机构连接在大腿板与床架之间。

进一步地，所述侧翻机构包括左侧翻机构及右侧翻机构；左侧翻机构包括左侧翻电机、左侧翻推杆、左侧翻连杆构件，左侧翻电机安装在床架上，左侧翻电机驱动轴与左侧翻推杆连接，左侧翻推杆另一端连接左侧翻连杆构件，左侧翻连杆构件通过左侧滚子连接背部左支板；右侧翻机构包括右侧翻电机、右侧翻推杆、右侧翻连杆构件，右侧翻电机驱动轴与右侧翻推杆连接，右侧翻推杆另一端连接右侧翻连杆构件，右侧翻连杆构件通过右侧滚子连接背部右支板。

进一步地，所述抬背机构包括抬背电机、抬背推杆、臀部滚子、背部滚子、转动抱死器及转动摆杆；抬背电机固定在床架上，抬背电机驱动轴连接抬背推杆，抬背推杆连接转动摆杆，抬背推杆与转动摆杆间还设有转动抱死器，转动摆杆分别通过臀部滚子及背部滚子连接臀部板及背部板。

进一步地，所述曲腿机构包括曲腿电机、曲腿推杆、曲腿连杆、曲腿连杆架、平行四边形杆组、曲腿连架杆、曲线连杆；曲腿电机固定在床架上，曲腿电机连接曲腿推杆，曲腿推杆与曲腿连杆架一端铰接，曲腿连杆架与曲腿连杆铰接，曲腿连杆与平行四边形杆组铰接；平行四边形杆组内设有曲腿连架杆，曲腿连架杆一端与平行四边形杆组铰接，另一端与平行四边形杆组通过滑块连接；平行四边形杆组的两端分别铰接床架，另一端与腿部板铰接，曲线连杆两端分别与平行四边形杆组上部杆的两端进行铰接，且平行四边形杆组与曲线连杆之间设有顶杆。

进一步地，所述控制系统包括姿势识别模块、压力识别模块、控制模块，控制模块分别与姿势识别模块、压力识别模块以及运动机构信号连接。

进一步地，所述姿势识别模块为Kinect传感器，Kinect传感器安装在护理床正上方，用于识别使用者在床上的姿势。

进一步地，所述压力识别模块为薄膜压力传感器，薄膜压力传感器分布于护理床床面上。

进一步地，所述控制模块包括STM323F103RCT6单片机，以及由继电器及外围电路组成的驱动器，用于驱动运动机构。

本发明具有以下有益效果：

利用kinect传感器识别人体睡姿,利用薄膜分布式传感器完成病人的压力分布数据进行采集,通过kinect数据和压力传感器数据进行拟合,实时准确地判断出病人在护理床上的睡姿及监控睡姿持续的时间，通过STM323F103RCT6单片机控制继电器以控制电机，当时间和压力达到阚值时及时提醒病人并且自动辅助病人完成翻身动作，以缓解身体某部位所受的压力，防止压疮的产生。

附图说明

图1为本发明轴测结构示意图；

图2为本发明轴测结构示意图；

图3为本发明侧翻状态示意图；

图4为本发明曲腿状态示意图；

图5为本发明主视结构示意图；

图6为本发明侧视结构示意图；

图7为本发明抬背机构结构原理简图；

图8为本发明侧翻机构结构原理简图；

图9为本发明曲腿机构结构原理简图；

图10为Kinect传感器人体骨骼识别示例图。

图中：1-背部板；2-床架；3-运动机构；5-臀部板；6-大腿板；7-小腿板； 8-床头板；9-右侧板；10-左侧板；11-床尾板；411-左侧翻电机；412-左侧翻推杆；413-左侧翻连杆构件；414-左侧滚子；421-右侧翻电机；422-右侧翻推杆；423-右侧翻连杆构件；424-右侧滚子；431-抬背电机；432-抬背推杆；433-臀部滚子；434-背部滚子；435-转动抱死器；436-转动摆杆；441-曲腿电机；442-曲腿推杆；443-曲腿连杆；444-曲腿连杆架；445-曲线连杆

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案及工作原理：

如图1至图6所示，一种基于卧姿识别的智能护理床，包括床架2、床板、运动机构3及控制系统。床板包括背部板1、臀部板5、大腿板6、小腿板7、床头板8、右侧板9、左侧板10以及床尾板11，右侧板9与左侧板10分别固定在床架两侧框体上，背部板1、臀部板5、大腿板6及小腿板7依次铰接，床头板8固定在背部板1顶端，床尾板11固定在小腿板尾端。背部板1由背部左支板、背部中间板及背部右支板依次铰接组成，床头板8与背部中间板连接，臀部板5由臀部左支板、臀部中间板及臀部右支板依次铰接组成，大腿板6由大腿左支板、大腿中间板、大腿右支板依次铰接组成，小腿板7由小腿左支板、小腿中间板及小腿右支板依次铰接组成。

运动机构包括侧翻机构、抬背机构、曲腿机构，侧翻机构连接在背部板与床架之间，抬背机构连接在背部板、臀部板与床架之间，曲腿机构连接在大腿板与床架之间。

侧翻机构包括左侧翻机构及右侧翻机构。左侧翻机构包括左侧翻电机411、左侧翻推杆412、左侧翻连杆构件，左侧翻电机安装在床架上，左侧翻电机驱动轴与左侧翻推杆连接，左侧翻推杆另一端连接左侧翻连杆构件，左侧翻连杆构件通过左侧滚子连接背部左支板。右侧翻机构包括右侧翻电机421、右侧翻推杆 422、右侧翻连杆构件，右侧翻电机驱动轴与右侧翻推杆连接，右侧翻推杆另一端连接右侧翻连杆构件，右侧翻连杆构件通过右侧滚子连接背部右支板。

侧翻机构可使左、右侧翻床板连续侧翻45°，并可通过遥控装置使得使用者可在感到舒适的任意位置停止。侧翻机构有效的利用并开发了床上空间。

抬背机构包括抬背电机、抬背推杆、臀部滚子、背部滚子、转动抱死器和转动摆杆。抬背电机固定在床架上，抬背电机驱动轴连接抬背推杆，抬背推杆连接转动摆杆，抬背推杆与转动摆杆间还设有转动抱死器，转动摆杆分别通过臀部滚子及背部滚子连接臀部板即背部板。抬背推杆推杆运动通过转动摆杆使背部板绕着铰接轴产生摆转运动，实现了抬背的功能；与此同时，由于转动摆杆的转动，臀部滚子沿着摆杆向下滚动，使得臀部板绕着铰接轴转动，实现了落臀的功能；当摆杆继续摆动，背部板被继续抬高而臀部滚子脱离摆杆，臀部板接触到床架上的臀部挡板，臀部板搭于臀部挡板上方，完成了整个抬背动作；当反向运动至床板水平状况时，摆杆接触于床架上的转动抱死器，由于单向抱死摆杆，使得在反转到水平位置时，转动抱死器仍能发生转动，从而起到了保护抬背电机的效果，实现了在平常的状态下不受力。

曲腿机构包括曲腿电机、曲腿推杆、曲腿连杆、曲腿连杆架、平行四边形杆组、曲腿连架杆、曲线连杆，曲腿电机固定在床架上，曲腿电机连接曲腿推杆，曲腿推杆与曲腿连杆架一端铰接，曲腿连杆架与曲腿连杆铰接，曲腿连杆与平行四边形杆组铰接，平行四边形杆组内设有曲腿连架杆，曲腿连架杆一端与平行四边形杆组铰接，另一端与平行四边形杆组通过滑块连接，平行四边形杆组的两端分别铰接于床架，另一端与大腿板铰接，曲线连杆自身具有弹性伸缩功能，其两端分别与平行四边形杆组上部杆的两端进行铰接，且平行四边形杆组与曲线连杆之间设有顶杆。当推杆缩短时，平行四边形机构往上运动，使得曲腿连架杆从滑块中伸出，推动顶杆往上摆动，带动曲线连杆的弯曲动作，达到上曲腿功能。当推杆伸长时，平行四边形机构往下运动，曲腿连架杆从滑块中缩回，对曲线连杆不作用，实现下曲腿的功能。曲腿运动是大腿板和小腿板间的向上和向下弯曲，在向上弯曲的时候，腿部床板要求有一个圆弧；在向下弯曲的时候，小腿板始终保持水平。大腿板可以向上抬腿35°，并且可在使用者感到舒适的任意位置停止。

控制系统主要由姿势识别模块、压力识别模块、控制模块组成，控制模块分别与姿势识别模块、压力识别模块以及运动机构信号连接。

姿势识别模块使用Kinect传感器，Kinect传感器安装在护理床正上方，用于识别使用者在床上的姿势信息，并将姿势信息传递给控制模块，控制模块通过整合处理，发出指令，做出翻身的动作。

Kinect传感器主要用于研究人体骨骼结构、骨骼关节点位置信息以及人体动作所具有的骨骼角度特征，它可以深度传感器提取人体骨骼信息的动作识别方法。利用Kinect深度传感器，实时准确地捕获人体骨骼三维数据，并根据坐标系变换构建人体骨骼拓扑结构。然后提取人体动作所感兴趣的骨骼关节点，定义骨骼向量，并获取每段骨骼向量的方向余弦特征，最后通过多类支持向量机训练以及动作识别分类。

Kinect传感器最重要的特点是提供第三维景深数据。与传统的彩色摄像头不同，Kinect传感器能同时提供RGB图像数据、深度图像数据和骨骼数据，并且支持实时的人体骨骼追踪。Kinect传感器从左到右依次为红外线发射器、 RGB彩色摄像头、红外线摄像头。开启Kinect骨骼数据流后，当有人出现在 Kinect有效视野范围内时，Kinect将迅速检测出人体并实时跟踪人体骨骼。

凭借Kinect传感器强大的功能，我们可以准确的得到病床上病人的位置姿态，判断护理床曲腿、抬背、翻身的功能实现的效果。同时能够配合压力传感器的压力数据，加深对人体位置、压力信息的掌握。经过数据处理之后实现护理床的自动调节，达到使接触处压力大于9.33KPa的接触时间缩短，甚至避免产生大于9.33KPa的压力，从而的大避免压疮的目的。

压力识别模块采用薄膜压力传感器，薄膜压力传感器分布于护理床床面上。使用薄膜压力传感器电阻电压信号转换模块检测薄膜压力传感器的电阻值是否达到预设阀值，模块在薄膜压力传感器未受压力或者小于启动压力时，DO口输出高电平，当压力超过设定值时，模块DO口输出低电平；小板数字量输出DO 直接与单片机相连，通过AD转换，可以获得更精准的传感器输出电阻数值。将薄膜压力传感器受到的压力值通过转换模块传给单片机，根据受压情况和受压时间进行汇总智能判断，自动完成各项缓解压力的动作，包括抬背、左翻、右翻、曲腿等。

智能护理床的控制模块采用STM323F103RCT6单片机作为核心控制单元，继电器及外围的电路组成驱动器，分别驱动4个电机，带动护理床床体体位的运动，例如抬背、曲腿、左右翻身等动作。智能化护理床的控制方式是一种贴合当今AI发展主题的设计，使护理床更加智能化的控制方式。通过薄膜压力传感器及Knienct传感器相配合，达到识别人体某部位所受压力的目的，当压力超过某一阀值时，单片机处理数值，发送信号控制继电器，从而完成翻身、起背等动作。

机器人的多轴协调控制技术应用于护理床,可对机器人化护理床进行有效控制。它可以实现多个位姿的调整。另外,由于主控制模块采用了单片机，使得系统操作灵活可靠,成本低廉。

下面介绍智能护理床的控制过程：

首先位于护理床正上方的Kinect传感器采集人体骨骼点数据，构建人体骨骼点坐标。同时分布于护理床床面上的薄膜压力传感器采集相应部位的压力值，薄膜压力传感器分布在使用者与护理床接触的床面上，分布位置可以根据不同使用者进行调整。将上述两路数据汇总到计算机，通过计算机中的程序进行数据整合。比如，通过Kinect传感器识别出使用者处于平躺的状态，薄膜压力传感器反馈的数据表明此时人体背部接触部位的压力最大，并且达到8.33千帕。此压力持续30分钟以上就会对人体造成不可逆损伤。因此程序会在30分钟之内进行抬背动作，缓解使用者的背部压力。程序输出的指令通过STM323F103RCT6单片机实现对电机的控制，从而实现各种动作。

Claims

1.一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，包括床架、床板、运动机构及控制系统；所述床板包括依次铰接的背部板、臀部板、大腿板、小腿板；所述背部板由背部左支板、背部中间板及背部右支板依次铰接组成；所述臀部板由臀部左支板、臀部中间板及臀部右支板依次铰接组成，所述大腿板由大腿左支板、大腿中间板、大腿右支板依次铰接组成；所述小腿板由小腿左支板、小腿中间板及小腿右支板依次铰接组成；所述运动机构包括侧翻机构、抬背机构、曲腿机构，侧翻机构连接在背部板与床架之间，抬背机构连接在背部板、臀部板与床架之间，曲腿机构连接在大腿板与床架之间。

2.如权利要求1所述的一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，所述侧翻机构包括左侧翻机构及右侧翻机构；左侧翻机构包括左侧翻电机、左侧翻推杆、左侧翻连杆构件，左侧翻电机安装在床架上，左侧翻电机驱动轴与左侧翻推杆连接，左侧翻推杆另一端连接左侧翻连杆构件，左侧翻连杆构件通过左侧滚子连接背部左支板；右侧翻机构包括右侧翻电机、右侧翻推杆、右侧翻连杆构件，右侧翻电机驱动轴与右侧翻推杆连接，右侧翻推杆另一端连接右侧翻连杆构件，右侧翻连杆构件通过右侧滚子连接背部右支板。

3.如权利要求1所述的一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，所述抬背机构包括抬背电机、抬背推杆、臀部滚子、背部滚子、转动抱死器及转动摆杆；抬背电机固定在床架上，抬背电机驱动轴连接抬背推杆，抬背推杆连接转动摆杆，抬背推杆与转动摆杆间还设有转动抱死器，转动摆杆分别通过臀部滚子及背部滚子连接臀部板及背部板。

4.如权利要求1所述的一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，所述曲腿机构包括曲腿电机、曲腿推杆、曲腿连杆、曲腿连杆架、平行四边形杆组、曲腿连架杆、曲线连杆；曲腿电机固定在床架上，曲腿电机连接曲腿推杆，曲腿推杆与曲腿连杆架一端铰接，曲腿连杆架与曲腿连杆铰接，曲腿连杆与平行四边形杆组铰接；平行四边形杆组内设有曲腿连架杆，曲腿连架杆一端与平行四边形杆组铰接，另一端与平行四边形杆组通过滑块连接；平行四边形杆组的两端分别铰接床架，另一端与腿部板铰接，曲线连杆两端分别与平行四边形杆组上部杆的两端进行铰接，且平行四边形杆组与曲线连杆之间设有顶杆。

5.如权利要求1所述的一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，所述控制系统包括姿势识别模块、压力识别模块、控制模块，控制模块分别与姿势识别模块、压力识别模块以及运动机构信号连接。

6.如权利要求5所述的一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，所述姿势识别模块为Kinect传感器，Kinect传感器安装在护理床正上方，用于识别使用者在床上的姿势。

7.如权利要求5所述的一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，所述压力识别模块为薄膜压力传感器，薄膜压力传感器分布于护理床床面上。

8.如权利要求5所述的一种基于卧姿识别的智能护理床，其特征在于，所述控制模块包括STM323F103RCT6单片机，以及由继电器及外围电路组成的驱动器，用于驱动运动机构。