CN112043919B - 一种胰岛素泵高精度智能控制方法 - Google Patents

一种胰岛素泵高精度智能控制方法 Download PDF

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Abstract

一种胰岛素泵高精度智能控制方法，包括以下步骤：(1)两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵吸入规定量的胰岛素药液：操控按键控制区，智能控制模块控制动力系统启动，动力系统驱动一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构收缩，将预制式的针剂装入到注射机构内；(2)操控两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵推出药液；(3)重复步骤(1)和(2)进行下一次药液泵送。本发明采用两段式驱动杆结构的设计思路，在增加一次药液量的前提下，使得胰岛素泵体积变得更精巧，便于携带；注射泵步进机构的分级精度提高；药液推出量的精度提升，并减少关键部件在运动转换状态时候的冲击和磨损，提升使用寿命。

Description

一种胰岛素泵高精度智能控制方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种胰岛素药液高精度智能注射控制方法。
背景技术
糖尿病是一种危害社会人类健康的慢性疾病，其危害程度在所有疾病中目前已位列第三位，并且在继续提高。控制血糖的波动范围可以防止各种严重并发症的产生，现在公认注射胰岛素是控制血糖最为有效的方式。传统的注射方式为人工注射。目前，开发出一种便携式的医疗设备，代替人胰腺中胰岛素的分泌，从而使血糖达到类似生理状态下的理想调控水平是医生和患者共同的期盼。在科学共同体的长期努力下，目前国内外已经有多家公司研制出了便携式的胰岛素泵，并投入应用。这种胰岛素泵是由注射泵、储药器和与之相连的输液管组成，它基本用途是按照人体需要的剂量将胰岛素注射到使用者的皮下，保持全天血糖稳定，以达到控制糖尿病的目的。但是每次胰岛素的注射量都非常小，如何高精度控制胰岛素的注射量，并同时要求注射泵的体积小巧、方便操作，这是一个急需要解决的难题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、体积小、操作方便、易于控制注射量的胰岛素药液高精度智能注射控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种胰岛素药液高精度智能注射控制方法，采用两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵进行操作；两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵包括壳体，壳体内设有两段式注射驱动系统、动力系统和智能控制模块，动力系统和智能控制模块位于两段式注射驱动系统右侧，动力系统位于智能控制模块上方，壳体外部右侧设有与智能控制模块连接的按键控制区；两段式注射驱动系统包括均沿垂直方向设置的一级伸缩传动机构、二级伸缩传动机构和注射机构，动力系统与一级伸缩传动机构传动连接，二级伸缩传动机构安装在一级伸缩传动机构内部并与一级伸缩传动机构传动连接，注射机构设置在二级伸缩传动机构的上端部，传感器组件设置在二级伸缩传动机构下端与壳体底部之间，传感器组件通过信号线与智能控制模块连接；
所述的注射控制方法包括以下步骤：
(1)两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵吸入规定量的胰岛素药液：操控按键控制区，智能控制模块控制动力系统启动，动力系统驱动一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构收缩，将预制式的针剂装入到注射机构内；
(2)操控两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵注入到人体皮下：操控按键控制区，智能控制模块控制动力系统启动，动力系统驱动一级伸缩传动机构先伸长，一级伸缩传动机构伸长到极限时，传感器组件将信号传输给智能控制模块，智能控制模块控制动力系统的转速降低，以减轻一级伸缩传动机构与二级伸缩传动机构之间的冲击力度，接着二级伸缩传动机构开始伸长，直到二级伸缩传动机构伸长到最大极限位置后智能控制模块控制动力系统关闭；在动一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构伸长的过程中，注射机构内针剂的药液被推出，胰岛素药液被注射到人体的皮下；
(3)重复步骤(1)和(2)进行下一次注射。
壳体包括扣合为一体的底盖和上壳，底盖内左侧设有设置有固定座，固定座上设有顶部敞口的定位孔，固定座上表面设有下定位环，上壳内壁左侧设有位于下定位环正上方的上定位环，上定位环、下定位环和定位孔的中心线重合。
动力系统包括马达组件和马达齿轮，马达齿轮安装在马达组件的动力输出轴上；
一级伸缩传动机构包括驱动齿圈、一级驱动杆、一级丝杆和一级固定杆，一级固定杆下端固定设置在定位孔内，一级驱动杆和一级丝杆均为圆筒体结构，一级驱动杆的上端和下端分别转动连接在上定位环和下定位环内，驱动齿圈同轴安装在一级驱动杆的外圆上部，驱动齿圈的右侧与马达齿轮啮合，一级驱动杆的内圆上部设有一节一级梯形内螺纹，一级丝杆的外圆设有与一级梯形内螺纹螺纹连接的一级梯形外螺纹，一级丝杆的内圆上部设有一节二级梯形内螺纹。
二级伸缩传动机构包括二级丝杆、二级固定杆和丝杆塞，二级丝杆和二级固定杆均为圆筒体结构，二级丝杆的外圆设有与二级梯形内螺纹螺纹连接的二级梯形外螺纹，二级固定杆内圆滑动套设在一级固定杆的外部，二级固定杆的内壁沿轴向开设有一条第一导槽，第一导槽的上端与二级固定杆上端齐平，一级固定杆的上端外圆一体设有滑动连接在第一导槽内的第一导向键，二级丝杆内圆滑动套设在二级固定杆的外部，二级丝杆的内壁沿轴向开设有一条第二导槽，第二导槽的上端与二级丝杆上端齐平，二级固定杆的上端外圆一体设有滑动连接在第二导槽内的第二导向键；丝杆塞固定设置在二级丝杆的上端部。
注射机构包括注射笔芯、笔芯活塞和输注管路，注射笔芯沿竖向设置在上壳内左侧上部，笔芯活塞滑动密封在注射笔芯的内壁，输注管路设置在注射笔芯上端并伸出上壳，丝杆塞上端与笔芯活塞底面固定连接，所述的针头安装在输注管路上。
传感器组件包括触点接触传感器、连接导线、弹性导体、半球形轴瓦、导电滚珠和环形导线，触点接触传感器设有四个，导电滚珠、弹性导体和半球形轴瓦均设有八个，四个触点接触传感器设置在一级驱动杆的内圆上部的一级梯形内螺纹的下侧面，四个触点接触传感器沿一级梯形内螺纹的旋向间隔90°依次间隔布置，一级驱动杆内部沿轴线方向开设有八条穿线孔，每两条穿线孔均对应邻近一个触点接触传感器，穿线孔下端同轴设有直径大于穿线孔的安装孔，安装孔下端与一级驱动杆下端齐平，连接导向弹性导体设置在安装孔内，每条穿线孔内均穿设有一根所述的连接导线，每两根连接导线的上端均与一个触点接触传感器连接，弹性导体和半球形轴瓦均设置在安装孔内，连接导线下端与弹性导体连接，半球形轴瓦的开口朝下，半球形轴瓦顶部与弹性导体下端固定连接，导电滚珠设置在半球形轴瓦内，导电滚珠下端部向下凸出于安装孔下端口，环形导线设有八条，八条环形导线布置在固定座上表面，八条环形导线的中心线与一级驱动杆的中心线重合，相邻两条环形导线间隔1.5倍导电滚珠的直径，导电滚珠的直径为0.05～0.2mm，导电滚珠下部支撑并滚动连接在固定座上表面，每个导电滚珠下部均与一条环形导线接触，八条环形导线分别通过一根穿过固定座的导线向右与智能控制模块连接。
智能控制模块内置有二级伸缩传动机构的软限位，其软限位参数，由一级丝杆和二级丝杆的螺距、总长度、工作长度几何参数确定；因而在二级丝杆内壁的第二导槽下端部的挡块被二级固定杆上部外侧的第二导向键拉住时以及二级丝杆的底端向下移动即将与固定座上表面接触时，智能控制模块立刻控制马达组件停止转动。
步骤(1)的具体过程为：智能控制模块控制马达组件反转，马达组件带动马达齿轮反向旋转，与马达齿轮啮合的驱动齿圈也反转，驱动齿圈反向旋转带着一级驱动杆反转，然后与一级驱动杆内圆的一级梯形内螺纹啮合的一级丝杆带着二级丝杆、二级固定杆、丝杆塞和笔芯活塞沿着一级固定杆向下移动，当一级丝杆向下移动到极限位置时(如图4所示)，即一级丝杆和二级固定杆的下端与固定座上表面顶压接触时，一级丝杆与一级驱动杆传动连接为一体，一级丝杆的运动方式由竖直方向的向下移动改为反向旋转；
随着一级丝杆的反向旋转，与一级丝杆内圆的二级梯形内螺纹啮合的二级丝杆沿着二级固定杆向下移动，当二级丝杆的底端移动与固定座上表面即将接触时，一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构达到缩回的极限，智能控制模块控制马达组件停止转动，自此完成胰岛素充液作业。
步骤(2)的具体过程为：操作者操作按键控制区，智能控制模块控制马达组件正转，马达组件带动马达齿轮旋转，从而带动与马达齿轮啮合的驱动齿圈旋转，驱动齿圈再带动一级驱动杆转动，与一级驱动杆内圆上部的一级梯形内螺纹啮合的一级丝杆和二级伸缩传动机构一同沿一级固定杆向上移动，二级固定杆内壁的第一导槽沿着一级固定杆上端外圆一体设置的第一导向键向上滑动，当一级丝杆上的一级梯形外螺纹最下部一段与一级驱动杆外部上侧的一级梯形内螺纹接触时，由于一级丝杆上的一级梯形外螺纹最下部一段的螺距自上而下逐渐减小，一级丝杆上的一级梯形外螺纹沿螺旋方向依次挤压设置在一级驱动杆内圆上部的一级梯形内螺纹的下侧面的四个触点接触传感器，四个触点接触传感器逐个将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件改变转动力矩和速度，减轻一级丝杆和一级驱动杆之间的冲击力度，并避免一级丝杆与一级驱动杆之间卡死(便于一级驱动杆反转时相互脱离)，直到四个触点接触传感器全部将信号传输给智能控制模块时，一级丝杆与一级驱动杆传动连接为一体并一起旋转，二级丝杆在一级丝杆的驱动下向上移动，一级固定杆上端外圆处的第一导向键与二级固定杆内壁的第一导槽下端顶压接触，即第一导向键拉住二级固定杆向上移动，二级丝杆内圆开设的第二导槽沿二级固定杆上端外圆的第二导向键向上滑动；在一级丝杆和二级丝杆向上移动过程中，二级丝杆上端设置的丝杆塞驱动笔芯活塞沿注射笔芯内壁向上移动，从而使笔芯内针剂的药液注射到人体皮肤组织内部；当二级固定杆上端外圆一体设置的第二导向键与二级丝杆内壁的第二导槽下端顶压接触，即第二导向键拉住二级丝杆向上移动时，智能控制模块控制马达组件停止转动，一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构达到伸长的极限，整个胰岛素的注射过程即便完成；此时，如果马达组件继续转动，二级丝杆、一级丝杆、一级驱动杆和笔芯活塞一起同步转动，笔芯活塞不再向上运动，保护注射用药剂量的安全和胰岛素泵的核心部件不被损坏。
智能控制模块控制马达组件改变转动力矩和速度动作流程如下：
由于四个触点接触传感器沿一级梯形内螺纹的螺旋方向设置，因此四个触点接触传感器不在同一高度上；
A)当第一个触点接触传感器(最低的一个触点接触传感器)与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态，一级丝杆向上移动开始接近其极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态(50mA)的125％，提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度降低到标准状态(200rpm/Sec)的80％；
B)一级驱动杆继续正向旋转，当第二个触点接触传感器与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个触点接触传感器已处在关闭状态，一级丝杆向上移动进一步接近其极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态的150％，进一步提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度进一步降低到标准状态的60％；
C)一级驱动杆继续正向旋转，当第三个触点接触传感器与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个、第二个触点接触传感器已处在关闭状态，一级丝杆向上移动进一步接近其极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态的200％，快速提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度快速降低到标准状态的20％，减少所述一级丝杆和一级驱动杆的冲击力度；
D)一级驱动杆进一步正向旋转，当第四个触点接触传感器与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个、第二个、第三个触点接触传感器已处在关闭状态，一级丝杆向上移动极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态的300％，大幅度提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度大幅度降低到标准状态的5％，进一步减少一级丝杆和一级驱动杆的冲击力度。
采用上述技术方案，一级固定杆下端插设在固定座上的定位孔内与固定座固定连接，既不发生相对滑动也不发生相对转动。
四个触点接触传感器布置在一级驱动杆内圆上部的一级梯形内螺纹下侧面，为一级伸缩传动机构的运动的智能控制方法提供感知输入。
智能控制模块采用模糊控制算法，减少部件在运动转换状态时候的冲击和磨损，提升关键部件(一级驱动杆、一级丝杆、二级驱动杆和二级丝杆)的使用寿命。一级驱动杆内圆上部的一级梯形内螺纹、一级丝杆的一级梯形外螺纹以及二级梯形内螺纹、二级丝杆的二级梯形内螺纹均为梯形螺纹结构，且螺距均保持一致，其中一级丝杆的一级梯形外螺纹最下部一段的螺距自上而下逐渐减小，小于一级梯形内螺纹的螺距。马达组件驱使一级驱动杆转动(正向或者反向)一个圆周，可精确驱使所述一级丝杆或者二级丝杆升高或降低一个螺距，即胰岛素注射泵可通过控制马达组件的转动方向和当量，来实现推进笔芯活塞的伸缩，从而完成药物的精确输注及笔芯活塞的收缩复位。
一级固定杆、二级固定杆、一级丝杆、二级丝杆和一级驱动杆的同轴线安装，使得整个所述一级伸缩传动机构和所述二级伸缩传动机构运动平稳，有支撑刚度。
一级驱动杆的上部内圆的一级梯形内螺纹的下侧面沿圆周方向依次间隔90°安装四个触点接触传感器，每个触点接触传感器均通过两根连接导线连接，连接导线外面有绝缘层，安装在一级驱动杆内部沿母线方向开设的穿线孔内；弹性导体(可采用弹簧)上端与连接导线下端相连接，弹性导体下端连接半球形轴瓦，导电滚珠转动连接在半球形轴瓦内部，八个导电滚珠与布置在固定座上表面的八根环形导线通过弹性导体的压力，实现一一对应接触，安装完成后，导电滚珠露出一级驱动杆下端面0.1～0.3倍自身直径高度；八个导电滚珠一方面起到导电作用，另外一方面也是减少所述一级驱动杆在转动时与固定座之间的摩擦力；之后，环形导线再通过信号线再穿过固定座下表面后与智能控制模块相连接，智能控制模块采集导电滚珠在固定座上表面运动位置信号并进行相应的处理，即智能控制模块控制马达组件改变转动力矩和速度。
胰岛素注射完成后，一级丝杆和一级驱动杆进行分离时，也需要对马达组件的转动力矩和速度进行智能控制，其智能控制策略采用模糊控制技术，其控制策略内置与智能控制模块内部，智能控制模块的第一输入变量为统计当前触点接触传感器尝试恢复打开状态的次数，其第二输入变量为四个触点接触传感器的当前状态。
综上所述，本发明的有益效果如下：
1)针对单级驱动杆长度过长的难题，本发明采用两段式驱动杆结构(一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构)的设计思路，在增加一次注射量的前提下，使得胰岛素泵体积变得更精巧，便于携带；
2)针对胰岛素注射精度不高的难题，采用两段式驱动杆结构的设计方法，使得驱动杆的总伸缩长度要比单段式驱动杆要长，从而可提升注射泵步进机构的分级精度(马达组件旋转圈数变多)；
3)另外，两段式驱动杆结构的运动采用传感器组件以及智能控制模块进行智能控制的方法，不仅可以提升注射量的精度，而且可以减少关键部件在运动转换状态时候的冲击和磨损，提升其使用寿命。
附图说明
图1是本发明在充入胰岛素药液后准备注射的初始状态的示意图(一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构均收缩在最短的状态)；
图2是本发明在注射过程中一个中间状态示意图(一级伸缩传动机构伸长到极限位置)；
图3是本发明在药液注射完成后的示意图(一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构均伸长到极限位置)；
图4是本发明在充入药液过程中一个中间状态的示意图(一级伸缩传动机构收缩复位，同时二级伸缩传动机构均伸长到极限位置)；
图5是四个触点接触传感器在一级梯形内螺纹上的安装布局示意图；
图6是环形导线在固定座上表面的布置图；
图7是连接导线、导电滚珠和触点接触传感器的立面示意图；
图8是图3中A处的放大图；
图9是图7中B处的放大图
图10是本发明中的一级丝杆和一级驱动杆分离的模糊控制算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、
“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是电气线路或者信号的相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要
性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1-图8所示，本发明的一种胰岛素药液高精度智能注射控制方法，采用两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵进行操作；两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵包括壳体，壳体内设有两段式注射驱动系统、动力系统和智能控制模块17，动力系统和智能控制模块17位于两段式注射驱动系统右侧，动力系统位于智能控制模块17上方，壳体外部右侧设有与智能控制模块17连接的按键控制区14；两段式注射驱动系统包括均沿垂直方向设置的一级伸缩传动机构、二级伸缩传动机构和注射机构，动力系统与一级伸缩传动机构传动连接，二级伸缩传动机构安装在一级伸缩传动机构内部并与一级伸缩传动机构传动连接，注射机构设置在二级伸缩传动机构的上端部，传感器组件设置在二级伸缩传动机构下端与壳体底部之间，传感器组件通过信号线与智能控制模块17连接。
所述的注射控制方法包括以下步骤：
(1)两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵吸入规定量的胰岛素药液：操控按键控制区14，智能控制模块17控制动力系统启动，动力系统驱动一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构收缩，将预制式的针剂装入到注射机构内；
(2)操控两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵注入到人体皮下：操控按键控制区14，智能控制模块17控制动力系统启动，动力系统驱动一级伸缩传动机构先伸长，一级伸缩传动机构伸长到极限时，传感器组件将信号传输给智能控制模块17，智能控制模块17控制动力系统的转速降低，以减轻一级伸缩传动机构与二级伸缩传动机构之间的冲击力度，接着二级伸缩传动机构开始伸长，直到二级伸缩传动机构伸长到最大极限位置后智能控制模块17控制动力系统关闭；在动一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构伸长的过程中，注射机构内针剂的药液被推出，胰岛素药液被注射到人体的皮下；
(3)重复步骤(1)和(2)进行下一次注射。
壳体包括扣合为一体的底盖1和上壳3，底盖1内左侧设有设置有固定座2，固定座2上设有顶部敞口的定位孔31，固定座2上表面设有下定位环32，上壳3内壁左侧设有位于下定位环32正上方的上定位环33，上定位环33、下定位环32和定位孔31的中心线重合。
动力系统包括马达组件15和马达齿轮16，马达齿轮16安装在马达组件15的动力输出轴上；
一级伸缩传动机构包括驱动齿圈6、一级驱动杆4、一级丝杆8和一级固定杆5，一级固定杆5下端固定设置在定位孔31内，一级驱动杆4和一级丝杆8均为圆筒体结构，一级驱动杆4的上端和下端分别转动连接在上定位环33和下定位环32内，驱动齿圈6同轴安装在一级驱动杆4的外圆上部，驱动齿圈6的右侧与马达齿轮16啮合，一级驱动杆4的内圆上部设有一节一级梯形内螺纹34，一级丝杆8的外圆设有与一级梯形内螺纹34螺纹连接的一级梯形外螺纹35，一级丝杆8的内圆上部设有一节二级梯形内螺纹36。
二级伸缩传动机构包括二级丝杆10、二级固定杆7和丝杆塞11，二级丝杆10和二级固定杆7均为圆筒体结构，二级丝杆10的外圆设有与二级梯形内螺纹36螺纹连接的二级梯形外螺纹37，二级固定杆7内圆滑动套设在一级固定杆5的外部，二级固定杆7的内壁沿轴向开设有一条第一导槽38，第一导槽38的上端与二级固定杆7上端齐平，一级固定杆5的上端外圆一体设有滑动连接在第一导槽38内的第一导向键39，二级丝杆10内圆滑动套设在二级固定杆7的外部，二级丝杆10的内壁沿轴向开设有一条第二导槽40，第二导槽40的上端与二级丝杆10上端齐平，二级固定杆7的上端外圆一体设有滑动连接在第二导槽40内的第二导向键41；丝杆塞11固定设置在二级丝杆10的上端部。
注射机构包括注射笔芯9、笔芯活塞12和输注管路13，注射笔芯9沿竖向设置在上壳3内左侧上部，笔芯活塞12滑动密封在注射笔芯9的内壁，输注管路13设置在注射笔芯9上端并伸出上壳3，丝杆塞11上端与笔芯活塞12底面固定连接，所述的针头安装在输注管路13上。
传感器组件包括触点接触传感器21、连接导线22、弹性导体23、半球形轴瓦42、导电滚珠24和环形导线25，触点接触传感器21设有四个，导电滚珠24、弹性导体23和半球形轴瓦42均设有八个，四个触点接触传感器21设置在一级驱动杆4的内圆上部的一级梯形内螺纹34的下侧面，四个触点接触传感器21沿一级梯形内螺纹34的旋向间隔90°依次间隔布置，一级驱动杆4内部沿轴线方向开设有八条穿线孔43，每两条穿线孔43均对应邻近一个触点接触传感器21，穿线孔43下端同轴设有直径大于穿线孔43的安装孔44，安装孔44下端与一级驱动杆4下端齐平，连接导向弹性导体23设置在安装孔44内，每条穿线孔43内均穿设有一根所述的连接导线22，每两根连接导线22的上端均与一个触点接触传感器21连接，弹性导体23和半球形轴瓦42均设置在安装孔44内，连接导线22下端与弹性导体23连接，半球形轴瓦42的开口朝下，半球形轴瓦42顶部与弹性导体23下端固定连接，导电滚珠24设置在半球形轴瓦42内，导电滚珠24下端部向下凸出于安装孔44下端口，环形导线25设有八条，八条环形导线25布置在固定座2上表面，八条环形导线25的中心线与一级驱动杆4的中心线重合，相邻两条环形导线25间隔1.5倍导电滚珠24的直径，导电滚珠24的直径为0.05～0.2mm，导电滚珠24下部支撑并滚动连接在固定座2上表面，每个导电滚珠24下部均与一条环形导线25接触，八条环形导线25分别通过一根穿过固定座2的导线向右与智能控制模块17连接。
智能控制模块17内置有二级伸缩传动机构的软限位，其软限位参数，由一级丝杆8和二级丝杆10的螺距、总长度、工作长度几何参数确定；因而在二级丝杆10内壁的第二导槽40下端部的挡块被二级固定杆7上部外侧的第二导向键41拉住时以及二级丝杆10的底端向下移动即将与固定座2上表面接触时，智能控制模块17立刻控制马达组件15停止转动。
步骤(1)的具体过程为：智能控制模块17控制马达组件15反转，马达组件15带动马达齿轮16反向旋转，与马达齿轮16啮合的驱动齿圈也反转，驱动齿圈反向旋转带着一级驱动杆4反转，然后与一级驱动杆4内圆的一级梯形内螺纹34啮合的一级丝杆8带着二级丝杆10、二级固定杆7、丝杆塞11和笔芯活塞12沿着一级固定杆5向下移动，当一级丝杆8向下移动到极限位置时(如图4所示)，即一级丝杆8和二级固定杆7的下端与固定座2上表面顶压接触时，一级丝杆8与一级驱动杆4传动连接为一体，一级丝杆8的运动方式由竖直方向的向下移动改为反向旋转；
随着一级丝杆8的反向旋转，与一级丝杆8内圆的二级梯形内螺纹36啮合的二级丝杆10会沿着二级固定杆7向下移动，当二级丝杆10的底端移动与固定座2上表面即将接触时，一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构达到缩回的极限，智能控制模块17控制马达组件15停止转动，自此完成胰岛素充液作业(如图1所示)
步骤(2)的具体过程为：操作者操作按键控制区14，胰岛素泵开始工作；智能控制模块17使马达组件15正转，马达组件15带动马达齿轮16旋转，从而带动与马达齿轮16啮合的驱动齿圈6旋转，驱动齿圈6再带动一级驱动杆4转动，与一级驱动杆4内圆上部的一级梯形内螺纹34啮合的一级丝杆8和二级伸缩传动机构一同沿一级固定杆5向上移动，二级固定杆7内壁的第一导槽38沿着一级固定杆5上端外圆一体设置的第一导向键39向上滑动，当一级丝杆8上的一级梯形外螺纹35最下部一段与一级驱动杆4外部上侧的一级梯形内螺纹34接触时，由于一级丝杆8上的一级梯形外螺纹35最下部一段的螺距自上而下逐渐减小，一级丝杆8上的一级梯形外螺纹35沿螺旋方向依次挤压设置在一级驱动杆4内圆上部的一级梯形内螺纹34的下侧面的四个触点接触传感器21，四个触点接触传感器21逐个将信号传输到智能控制模块17，智能控制模块17控制马达组件15改变转动力矩和速度，减轻一级丝杆8和一级驱动杆4之间的冲击力度，并避免一级丝杆8与一级驱动杆4之间卡死(便于一级驱动杆4反转时相互脱离)，直到四个触点接触传感器21全部将信号传输给智能控制模块17时，一级丝杆8与一级驱动杆4传动连接为一体并一起旋转，二级丝杆10在一级丝杆8的驱动下向上移动，一级固定杆5上端外圆处的第一导向键39与二级固定杆7内壁的第一导槽38下端顶压接触，即第一导向键39拉住二级固定杆7向上移动，二级丝杆10内圆开设的第二导槽40沿二级固定杆7上端外圆的第二导向键41向上滑动。在一级丝杆8和二级丝杆10向上移动过程中，二级丝杆10上端设置的丝杆塞11驱动笔芯活塞12沿注射笔芯9内壁向上移动，从而使笔芯内内针剂的药液注射到人体皮肤组织内部；当二级固定杆7上端外圆一体设置的第二导向键41与二级丝杆10内壁的第二导槽40下端顶压接触，即第二导向键41拉住二级丝杆10向上移动时，智能控制模块17控制马达组件15停止转动，一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构达到伸长的极限，整个胰岛素的注射过程即便完成。此时，如果马达组件15继续转动，二级丝杆10、一级丝杆8、一级驱动杆4和笔芯活塞12一起同步转动，笔芯活塞12不再向上运动，保护注射用药剂量的安全和胰岛素泵的核心部件不被损坏。
智能控制模块17控制马达组件15改变转动力矩和速度动作流程如下：
由于四个触点接触传感器21沿一级梯形内螺纹34的螺旋方向设置，因此四个触点接触传感器21不再同一高度上。
A)当第一个触点接触传感器21(最低的一个触点接触传感器21)与一级丝杆8的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器21由断开状态转变为关闭状态，一级丝杆8向上移动开始接近其极限位置状态，该触点接触传感器21将信号传输到智能控制模块17，智能控制模块17控制马达组件15的驱动电流提升到标准状态(50mA)的125％，提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度降低到标准状态(200rpm/Sec)的80％；
B)一级驱动杆4继续正向旋转，当第二个触点接触传感器21与一级丝杆8的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器21由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个触点接触传感器21已处在关闭状态，一级丝杆8向上移动进一步接近其极限位置状态，该触点接触传感器21将信号传输到智能控制模块17，智能控制模块17控制马达组件15的驱动电流提升到标准状态的150％，进一步提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度进一步降低到标准状态的60％；
C)一级驱动杆4继续正向旋转，当第三个触点接触传感器21与一级丝杆8的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器21由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个、第二个触点接触传感器21已处在关闭状态，一级丝杆8向上移动进一步接近其极限位置状态，该触点接触传感器21将信号传输到智能控制模块17，智能控制模块17控制马达组件15的驱动电流提升到标准状态的200％，快速提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度快速降低到标准状态的20％，减少所述一级丝杆8和一级驱动杆4的冲击力度；
D)一级驱动杆4进一步正向旋转，当第四个触点接触传感器21与一级丝杆8的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器21由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个、第二个、第三个触点接触传感器21已处在关闭状态，一级丝杆8向上移动极限位置状态，该触点接触传感器21将信号传输到智能控制模块17，智能控制模块17控制马达组件15的驱动电流提升到标准状态的300％，大幅度提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度大幅度降低到标准状态的5％，进一步减少一级丝杆8和一级驱动杆4的冲击力度。
一级固定杆5下端插设在固定座2上的定位孔31内与固定座2固定连接，既不发生相对滑动也不发生相对转动。
四个触点接触传感器21布置在一级驱动杆4内圆上部的一级梯形内螺纹34下侧面，为一级伸缩传动机构的运动的智能控制方法提供感知输入。
智能控制模块17采用模糊控制算法，减少部件在运动转换状态时候的冲击和磨损，提升关键部件(一级驱动杆4、一级丝杆8、二级驱动杆和二级丝杆10)的使用寿命。一级驱动杆4内圆上部的一级梯形内螺纹34、一级丝杆8的一级梯形外螺纹35以及二级梯形内螺纹36、二级丝杆10的二级梯形内螺纹均为梯形螺纹结构，且螺距均保持一致，其中一级丝杆8的一级梯形外螺纹35最下部一段的螺距自上而下逐渐减小，小于一级梯形内螺纹34的螺距。马达组件15驱使一级驱动杆4转动(正向或者反向)一个圆周，可精确驱使所述一级丝杆8或者二级丝杆10升高或降低一个螺距，即胰岛素注射泵可通过控制马达组件15的转动方向和当量，来实现推进笔芯活塞12的伸缩，从而完成药物的精确输注及笔芯活塞12的收缩复位。
一级固定杆5、二级固定杆7、一级丝杆8、二级丝杆10和一级驱动杆4的同轴线安装，使得整个所述一级伸缩传动机构和所述二级伸缩传动机构运动平稳，有支撑刚度。
一级驱动杆4的上部内圆的一级梯形内螺纹34的下侧面沿圆周方向依次间隔90°安装四个触点接触传感器21(如图5所示)，每个触点接触传感器21均通过两根连接导线22连接，连接导线22外面有绝缘层，安装在一级驱动杆4内部沿母线方向开设的穿线孔43内；弹性导体23(可采用弹簧)上端与连接导线22下端相连接，弹性导体23下端连接半球形轴瓦42，导电滚珠24转动连接在半球形轴瓦42内部，八个导电滚珠24与布置在固定座2上表面的八根环形导线25通过弹性导体23的压力，实现一一对应接触，安装完成后，导电滚珠24露出一级驱动杆4下端面0.1～0.3倍自身直径高度；八个导电滚珠24一方面起到导电作用，另外一方面也是减少所述一级驱动杆4在转动时与固定座2之间的摩擦力；之后，环形导线25再通过信号线再穿过固定座2下表面后与智能控制模块17相连接，智能控制模块17采集导电滚珠24在固定座2上表面运动位置信号并进行相应的处理，即智能控制模块17控制马达组件15改变转动力矩和速度。
另外，在胰岛素注射完成后，一级丝杆8和一级驱动杆4进行分离时，需要对所述马达组件15的转动力矩和速度进行智能控制，其智能控制策略采用模糊控制技术，其控制策略内置与智能控制模块17内部，智能控制模块17的第一输入变量为统计当前触点接触传感器21尝试恢复打开状态的次数，其第二输入变量为四个触点接触传感器21的当前状态，表1给出了所述一级丝杆8和一级驱动杆4分离控制的马达组件15力矩模糊推理规则表，表2给出一级丝杆8和一级驱动杆4分离控制的马达组件15速度模糊推理规则表，其工作流程如图10所示。
表1一级丝杆8和一级驱动杆4分离控制的马达组件力矩授糊推理规则表
Figure BDF0000016881410000151
表2一级丝杆8和一级驱动杆4分离控制的马达组件速度模糊推理规则表
Figure BDF0000016881410000161
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种胰岛素泵高精度智能控制方法，其特征在于：采用两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵进行操作；两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵包括壳体，壳体内设有两段式注射驱动系统、动力系统和智能控制模块，动力系统和智能控制模块位于两段式注射驱动系统右侧，动力系统位于智能控制模块上方，壳体外部右侧设有与智能控制模块连接的按键控制区；两段式注射驱动系统包括均沿垂直方向设置的一级伸缩传动机构、二级伸缩传动机构和注射机构，动力系统与一级伸缩传动机构传动连接，二级伸缩传动机构安装在一级伸缩传动机构内部并与一级伸缩传动机构传动连接，注射机构设置在二级伸缩传动机构的上端部，传感器组件设置在二级伸缩传动机构下端与壳体底部之间，传感器组件通过信号线与智能控制模块连接；
所述的胰岛素泵高精度智能控制方法包括以下步骤：
（1）两段驱动杆同轴伸缩式胰岛素泵吸入规定量的胰岛素药液：操控按键控制区，智能控制模块控制动力系统启动，动力系统驱动一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构收缩，将预制式的针剂装入到注射机构内；
（2）操控按键控制区，智能控制模块控制动力系统启动，动力系统驱动一级伸缩传动机构先伸长，一级伸缩传动机构伸长到极限时，传感器组件将信号传输给智能控制模块，智能控制模块控制动力系统的转速降低，以减轻一级伸缩传动机构与二级伸缩传动机构之间的冲击力度，接着二级伸缩传动机构开始伸长，直到二级伸缩传动机构伸长到最大极限位置后智能控制模块控制动力系统关闭；
（3）重复步骤（1）和（2）；
壳体包括扣合为一体的底盖和上壳，底盖内左侧设有设置有固定座，固定座上设有顶部敞口的定位孔，固定座上表面设有下定位环，上壳内壁左侧设有位于下定位环正上方的上定位环，上定位环、下定位环和定位孔的中心线重合；
动力系统包括马达组件和马达齿轮，马达齿轮安装在马达组件的动力输出轴上；
一级伸缩传动机构包括驱动齿圈、一级驱动杆、一级丝杆和一级固定杆，一级固定杆下端固定设置在定位孔内，一级驱动杆和一级丝杆均为圆筒体结构，一级驱动杆的上端和下端分别转动连接在上定位环和下定位环内，驱动齿圈同轴安装在一级驱动杆的外圆上部，驱动齿圈的右侧与马达齿轮啮合，一级驱动杆的内圆上部设有一节一级梯形内螺纹，一级丝杆的外圆设有与一级梯形内螺纹螺纹连接的一级梯形外螺纹，一级丝杆的内圆上部设有一节二级梯形内螺纹；
二级伸缩传动机构包括二级丝杆、二级固定杆和丝杆塞，二级丝杆和二级固定杆均为圆筒体结构，二级丝杆的外圆设有与二级梯形内螺纹螺纹连接的二级梯形外螺纹，二级固定杆内圆滑动套设在一级固定杆的外部，二级固定杆的内壁沿轴向开设有一条第一导槽，第一导槽的上端与二级固定杆上端齐平，一级固定杆的上端外圆一体设有滑动连接在第一导槽内的第一导向键，二级丝杆内圆滑动套设在二级固定杆的外部，二级丝杆的内壁沿轴向开设有一条第二导槽，第二导槽的上端与二级丝杆上端齐平，二级固定杆的上端外圆一体设有滑动连接在第二导槽内的第二导向键；丝杆塞固定设置在二级丝杆的上端部；
传感器组件包括触点接触传感器、连接导线、弹性导体、半球形轴瓦、导电滚珠和环形导线，触点接触传感器设有四个，导电滚珠、弹性导体和半球形轴瓦均设有八个，四个触点接触传感器设置在一级驱动杆的内圆上部的一级梯形内螺纹的下侧面，四个触点接触传感器沿一级梯形内螺纹的旋向间隔90°依次间隔布置，一级驱动杆内部沿轴线方向开设有八条穿线孔，每两条穿线孔均对应邻近一个触点接触传感器，穿线孔下端同轴设有直径大于穿线孔的安装孔，安装孔下端与一级驱动杆下端齐平，连接导向弹性导体设置在安装孔内，每条穿线孔内均穿设有一根所述的连接导线，每两根连接导线的上端均与一个触点接触传感器连接，弹性导体和半球形轴瓦均设置在安装孔内，连接导线下端与弹性导体连接，半球形轴瓦的开口朝下，半球形轴瓦顶部与弹性导体下端固定连接，导电滚珠设置在半球形轴瓦内，导电滚珠下端部向下凸出于安装孔下端口，环形导线设有八条，八条环形导线布置在固定座上表面，八条环形导线的中心线与一级驱动杆的中心线重合，相邻两条环形导线间隔1.5倍导电滚珠的直径，导电滚珠的直径为0.05~0.2mm，导电滚珠下部支撑并滚动连接在固定座上表面，每个导电滚珠下部均与一条环形导线接触，八条环形导线分别通过一根穿过固定座的导线向右与智能控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种胰岛素泵高精度智能控制方法，其特征在于：注射机构包括注射笔芯、笔芯活塞和输注管路，注射笔芯沿竖向设置在上壳内左侧上部，笔芯活塞滑动密封在注射笔芯的内壁，输注管路设置在注射笔芯上端并伸出上壳，丝杆塞上端与笔芯活塞底面固定连接，针头安装在输注管路上。
3.根据权利要求2所述的一种胰岛素泵高精度智能控制方法，其特征在于：智能控制模块内置有二级伸缩传动机构的软限位，其软限位参数，由一级丝杆和二级丝杆的螺距、总长度、工作长度几何参数确定；因而在二级丝杆内壁的第二导槽下端部的挡块被二级固定杆上部外侧的第二导向键拉住时以及二级丝杆的底端向下移动即将与固定座上表面接触时，智能控制模块立刻控制马达组件停止转动。
4.根据权利要求3所述的一种胰岛素泵高精度智能控制方法，其特征在于：步骤（1）的具体过程为：智能控制模块控制马达组件反转，马达组件带动马达齿轮反向旋转，与马达齿轮啮合的驱动齿圈也反转，驱动齿圈反向旋转带着一级驱动杆在上定位环和下定位环之间反转，一级驱动杆下端通过导电滚珠在固定座上转动，然后与一级驱动杆内圆的一级梯形内螺纹啮合的一级丝杆带着二级丝杆、二级固定杆、丝杆塞和笔芯活塞沿着一级固定杆向下移动，当一级丝杆向下移动到极限位置时，即一级丝杆和二级固定杆的下端与固定座上表面顶压接触时，一级丝杆与一级驱动杆传动连接为一体，一级丝杆的运动方式由竖直方向的向下移动改为反向旋转；
随着一级丝杆的反向旋转，与一级丝杆内圆的二级梯形内螺纹啮合的二级丝杆沿着二级固定杆向下移动，当二级丝杆的底端移动与固定座上表面即将接触时，一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构达到缩回的极限，智能控制模块控制马达组件停止转动，自此完成胰岛素充液作业。
5.根据权利要求3或4所述的一种胰岛素泵高精度智能控制方法，其特征在于：步骤（2）的具体过程为：操作者操作按键控制区，智能控制模块控制马达组件正转，马达组件带动马达齿轮旋转，从而带动与马达齿轮啮合的驱动齿圈旋转，驱动齿圈再带动一级驱动杆转动，与一级驱动杆内圆上部的一级梯形内螺纹啮合的一级丝杆和二级伸缩传动机构一同沿一级固定杆向上移动，二级固定杆内壁的第一导槽沿着一级固定杆上端外圆一体设置的第一导向键向上滑动，当一级丝杆上的一级梯形外螺纹最下部一段与一级驱动杆外部上侧的一级梯形内螺纹接触时，由于一级丝杆上的一级梯形外螺纹最下部一段的螺距自上而下逐渐减小，一级丝杆上的一级梯形外螺纹沿螺旋方向依次挤压设置在一级驱动杆内圆上部的一级梯形内螺纹的下侧面的四个触点接触传感器，四个触点接触传感器逐个将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件改变转动力矩和速度，减轻一级丝杆和一级驱动杆之间的冲击力度，直到四个触点接触传感器全部将信号传输给智能控制模块时，一级丝杆与一级驱动杆传动连接为一体并一起旋转，二级丝杆在一级丝杆的驱动下向上移动，一级固定杆上端外圆处的第一导向键与二级固定杆内壁的第一导槽下端顶压接触，即第一导向键拉住二级固定杆向上移动，二级丝杆内圆开设的第二导槽沿二级固定杆上端外圆的第二导向键向上滑动；在一级丝杆和二级丝杆向上移动过程中，二级丝杆上端设置的丝杆塞驱动笔芯活塞沿注射笔芯内壁向上移动；当二级固定杆上端外圆一体设置的第二导向键与二级丝杆内壁的第二导槽下端顶压接触，即第二导向键拉住二级丝杆向上移动时，智能控制模块控制马达组件停止转动，一级伸缩传动机构和二级伸缩传动机构达到伸长的极限；此时，如果马达组件继续转动，二级丝杆、一级丝杆、一级驱动杆和笔芯活塞一起同步转动，笔芯活塞不再向上运动，保护胰岛素泵的核心部件不被损坏。
6.根据权利要求5所述的一种胰岛素泵高精度智能控制方法，其特征在于：智能控制模块控制马达组件改变转动力矩和速度动作流程如下：
由于四个触点接触传感器沿一级梯形内螺纹的螺旋方向设置，因此四个触点接触传感器不在同一高度上；
A）当第一个触点接触传感器与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态，一级丝杆向上移动开始接近其极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态的125%，提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度降低到标准状态的80%；第一个触点接触传感器为最低的一个触点接触 传感器；驱动电流的标准状态为50mA，速度的标准状态为200rpm/Sec；
B）一级驱动杆继续正向旋转，当第二个触点接触传感器与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个触点接触传感器已处在关闭状态，一级丝杆向上移动进一步接近其极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态的150%，进一步提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度进一步降低到标准状态的60%；
C）一级驱动杆继续正向旋转，当第三个触点接触传感器与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个、第二个触点接触传感器已处在关闭状态，一级丝杆向上移动进一步接近其极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态的200%，快速提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度快速降低到标准状态的20%，减少所述一级丝杆和一级驱动杆的冲击力度；
D）一级驱动杆进一步正向旋转，当第四个触点接触传感器与一级丝杆的外螺纹最下部一段相挤压时，该触点接触传感器由断开状态转变为关闭状态时，此时第一个、第二个、第三个触点接触传感器已处在关闭状态，一级丝杆向上移动极限位置状态，该触点接触传感器将信号传输到智能控制模块，智能控制模块控制马达组件的驱动电流提升到标准状态的300%，大幅度提升转动力矩，并通过PWM调速，将速度大幅度降低到标准状态的5%，进一步减少一级丝杆和一级驱动杆的冲击力度。
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