基于柔性压力传感器进行压力反馈控制的电动吸乳器

摘要

本发明涉及一种基于柔性压力传感器进行压力反馈控制的电动吸乳器，包括吸乳护罩、主体、吸气管、真空泵及控制主机，吸乳护罩与主体连接，主体通过吸气管与真空泵连接，真空泵设置在控制主机内，主体下端用于连接接收容器，还设置有压电薄膜传感器与反馈单元，压电薄膜传感器设置在吸乳护罩的内侧，反馈单元设置在控制主机内部，压电薄膜传感器与反馈单元连接，压电薄膜传感器检测乳房体表组织所承受的负压，并传递给反馈单元，反馈单元根据反馈信息控制真空泵的吸力大小。与现有技术相比，本发明电动吸乳器可以实时监控吸乳器使用者的乳房所承受的压力，动态调节吸乳器真空吸力，避免真空吸力过大导致的乳房损伤，保护使用者乳房健康。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电动吸乳器，尤其是涉及一种基于柔性压力传感器进行压力 反馈控制的电动吸乳器。

背景技术

母乳喂养是一种国际公认的健康哺乳方式，而孕期妇女一般都是职业女性， 哺乳时间有限，当决定母乳喂养之后便需要借助专业设备挤出母乳并储藏。目前国 际知名的吸乳器厂商有美德乐、飞利浦等，它们生产的吸乳器分为电动型与手动型。 针对电动吸乳器，均使用开环控制，在刺激泌乳阶段，利用微控制器控制高频率 PWM波，使得真空泵的负压变化频率高，幅度小；在吸乳阶段，利用控制器控制 低频率PWM波，使得真空泵的负压变化频率低，幅度大。

然而电动吸乳器开环设计的明显缺陷是在电压突变、电机故障或者误操作按 键的情况下导致吸乳真空力度的突然变化超出用户乳房组织承受的压力，造成用户 乳腺及乳房组织受到伤害；此外部分用户由于对痛觉不敏感，因在使用吸乳器时， 较长期使用不合适的吸乳压力，也导致乳房的乳腺或乳房组织受伤。

中国专利CN103182103A公布了一种具有负压调节机构的电动吸乳器，其包 括机体、机罩、负压生成机构、负压调节机构和压力显示机构，以及通过软管与负 压生成机构相连的吸乳集乳机构。负压生成机构包括步进电机和气缸。负压调节机 构包括负压调节橡皮圈、指令器和接收器，负压调节橡皮圈活动套装在气缸上可径 向转动，指令器的外端固定套装在负压调节橡皮圈上可带动负压调节橡皮圈转动， 接收器嵌套在指令器的内与气缸之间并与气缸固定连接。通过选用步进电机，设置 负压调节机构，能够生成稳定负压，通过步进电机控制活塞频率，更加贴近婴儿吮 吸频率，提高吸乳时的舒适度；压力显示机构能够让使用者更加直观的调节负压的 大小，但是上述反馈装置采用步进气缸来调节气缸吸力大小，导致反应不够灵敏， 准确性较差，此外，该专利电动吸乳器结构设置较为复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于柔性压 力传感器进行压力反馈控制的电动吸乳器。

根据人体的体表组织受外力产生的形变变化可由胡克定律近似表示的假设，设 所检测的体表组织受压时产生的形变量X＝S*h(S为所检测的体表组织受压部分的 表面积，h为体表组织受压产生的形变位移)与所产生的形变压力P之间的关系可 以近似为P＝K*X，其中K为体表组织的形变系数，设K₀为乳房组织的形变系数 值，该值可以通过实验测得。因此，在对应的形变位移区间h中，总会对应一个形 变压力P，由于乳房组织的体积和形变位移h是有限的，当吸乳器施加的压力P过 大，使得K＝P/(S*h)增大到大于乳房组织的形变系数值K₀时便有可能对乳腺造成 伤害。

为了克服现有电动吸乳器开环设计可能造成的乳腺伤害，本发明引入柔性压力 传感器，通过该柔性压力传感器对乳房体表组织所承受的负压进行实时检测反馈， 并对吸乳器的负压实时进行闭环控制，防止开环控制存在的由于装置故障或电压波 动造成压力失控进而给乳腺造成伤害的问题，将吸乳器的最大真空负压控制在安全 的范围内，确保用户乳腺的安全。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于柔性压力传感器进行压力反馈控制的电动吸乳器，包括吸乳护罩、主 体、吸气管、真空泵及控制主机，所述的吸乳护罩与主体连接，所述的主体通过吸 气管与真空泵连接，所述的真空泵设置在控制主机内，所述的主体下端用于连接接 收容器，还设置有压电薄膜传感器与反馈单元，所述的压电薄膜传感器设置在吸乳 护罩的内侧，所述的反馈单元设置在控制主机内部，所述的压电薄膜传感器与反馈 单元连接，所述的压电薄膜传感器检测乳房体表组织所承受的负压，并传递给反馈 单元，反馈单元根据反馈信息控制真空泵的吸力大小。

所述的反馈单元包括电荷放大器、低通滤波器、比例放大器及微控制器，所述 的压电薄膜传感器两个电极通过导线依次与电荷放大器、低通滤波器、比例放大器 及微控制器连接，所述的微控制器还与真空泵连接，所述的真空泵产生负压，压电 薄膜传感器检测乳房体表组织所承受的负压，并产生电压输出，电信号顺序传输给 电荷放大器、低通滤波器、比例放大器及微控制器，电荷放大器对信号进行放大， 由于吸乳操作的频率接近1Hz，因此采用低通滤波器对信号进行低通滤波，然后比 例放大器对信号进行比例放大后，输送给微控制器，微控制器对信号进行非线性标 定校正后，将真空泵产生的负压与压电薄膜传感器输出的电压对应成比例关系，根 据压电薄膜传感器输出的电压即可判断真空泵产生的负压是否超过阈值，据此动态 调节输出电压占空比，从而自动调节真空泵产生的负压大小。在吸乳过程中，微控 制器实时监控乳房与吸乳护罩之间的压力变化，当压力过大时，微控制器降低占空 比，动态减小真空泵的真空吸力，使其不会超过乳房承受压力的最大阈值。

其中导线与吸气管绑定在一起。

1)乳房承受压力动态模型的在线辨识：

所述的微控制器内装有相应的乳房受压变化动态数学模型，即P(u)(k)＝Σ a_iP(u)(k-i)+Σb_ju(k-j)，

其中u为微控制器给出的控制电压信号，量纲为伏特，k为采样时间，单位为 毫秒，P为乳房承受的压力，量纲为帕斯卡，P可由柔性压力传感器实时测得，Σ 表示求和运算，a_i和b_j为加权系数，i和j分别是加权系数a_i和b_j的序号指标。

在开始吸乳时，由微控制器控制真空泵发出一组随机试探控制电压，使得乳房 承受随机变化的负压压力，其峰值压力P_m<P₀，P₀即经过大量统计试验获得的使 乳房产生形变的安全压力的平均值，根据这组测得的压力和控制电压，微控制器采 用递推最小二乘法辨识出动态数学模型中的加权系数a_i和b_j。

2)乳房吸乳负压给定曲线的自动生成

所述的微控制器内装有多种吸乳负压变化的波形模式，包括正弦波、变幅正弦 波、变频正弦波、变频和变幅正弦波，用户根据P₀压力上限的约束，可选择任一 种波形模式，P₀即经过大量统计试验获得的使乳房产生形变的安全压力的平均值， 微控制器根据客户选择的波形模式而生成吸乳负压变化给定曲线，并控制真空泵按 照吸乳负压变化给定曲线提供负压。

3)自动吸乳负压反馈控制

所述的微控制器根据压电薄膜传感器实时测量到的乳房承受压力P与吸乳负 压变化给定曲线不同时刻的给定负压P_r，按下式实时计算出微控制器的输出电压值 u(k)，其中α>0，α为调节控制稳定度的系数：

u(k)＝(P_r(k+1)-Σa_iP(u)(k-i+1)+Σ_j≠1b_ju(k-j+1))b₁/(b₁²+α)

其中u为微控制器给出的控制电压信号，量纲为伏特，k为采样时间，单位为 毫秒，P为乳房承受的压力，量纲为帕斯卡，Σ表示求和运算，a_i和b_j为加权系数， i和j分别是加权系数a_i和b_j的序号指标。

4)特殊情况和故障自动处理

在吸乳时，微控制器实时监控乳房与吸乳护罩之间的压力变化，当压力过大时， 即P>P₀或P＝P₀时，微控制器会降低PWM波的占空比，动态减小真空吸力，使其 不会超过乳房承受压力的阈值P₀；如果乳房与吸乳器护罩之间松落，此时压力会 低于正常吸乳的阈值P_s，处于低效率吸乳模式，微控制器会报警提示使用者重新 固定吸乳器。当真空泵发生故障导致负压压力超过阈值P₀而微控制器的控制无效 时，微控制器将自动切断真空泵电源，以保护用户的乳腺不受伤害。

所述的压电薄膜传感器外侧紧贴在吸乳护罩内侧，所述的压电薄膜传感器内侧 设有用于与乳房体表接触的硅胶，通过设置硅胶以对乳房进行保护。

所述的压电薄膜传感器为PVDF压电薄膜传感器，其是一种柔性的传感器， 能够实时监控吸乳护罩与使用者乳房之间的压力变化。

所述的主体上用于连接接收容器处设有防逆流组件，作用是防止由于失误导致 乳汁逆回流主机，导致电机或微控制器损毁。

所述的控制主机上设有用于对真空泵吸力进行手动调节的手动调节按键。当自 动调节失效或需要紧急手动调节使，通过手动调节按键来调节真空泵的吸力大小。

所述的控制主机上还设有报警器，当压电薄膜传感器检测的压力小于设定压力 值，即低于最小阈值时，乳房与吸乳器护罩之间松落，此时处于低效率吸乳模式， 报警器报警提示使用者进行调节。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明采用柔性压力传感器安装在吸乳器与乳房相贴部分，对乳房的乳腺 在吸乳过程所承受的负压大小进行实时检测，并根据测量的压力值，对吸乳压力进 行实时反馈控制，确保乳腺和乳房组织所能承受的压力在安全阈值范围内，如果一 旦出现因吸乳器装置故障、电压波动等因素引起压力增大，达到安全阈值，便自动 进行泄压操作，确保用户的乳腺和乳房组织不受伤害。

2、本发明装置在微控制器中安装有多种波形模式，用户可以根据需要自行选 择。

3、控制主机上设置有手动调节按键，可以通过手动调节按键来调节真空泵的 吸力大小，手动调节按键的设置为本发明装置提供了双重安全保障。

4、本电动吸乳器可以实时监控吸乳器使用者的乳房所承受的压力，动态调节 吸乳器真空吸力，避免真空吸力过大导致的乳房损伤，保护使用者乳房健康。

5、本发明装置结构简单，易于实现，防止由于吸乳器使用过程中的故障导致 的对使用者乳房的伤害。

附图说明

图1为本发明电动吸乳器结构示意图；

图2为反馈单元的结构原理图。

图中，1为压电薄膜传感器，2为硅胶，3为吸乳护罩，4为主体，5为接收容 器，6为吸气管，7为导线，8为真空泵，9为控制主机，10为手动调节按键，11 为防逆流组件，12为电荷放大器，13为低通滤波器，14为比例放大器，15为微控 制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于柔性压力传感器进行压力反馈控制的电动吸乳器，包括 吸乳护罩3、主体4、吸气管6、真空泵8及控制主机9，吸乳护罩3与主体4连接， 主体4通过吸气管6与真空泵8连接，真空泵8设置在控制主机9内，主体4下端 用于连接接收容器5，还设置有压电薄膜传感器1与反馈单元，压电薄膜传感器1 设置在吸乳护罩3的内侧，反馈单元设置在控制主机9内部，压电薄膜传感器1 与反馈单元连接，压电薄膜传感器1检测乳房体表组织所承受的负压，并传递给反 馈单元，反馈单元根据反馈信息控制真空泵8的吸力大小。

压电薄膜传感器1外侧紧贴在吸乳护罩3内侧，压电薄膜传感器1内侧设有用 于与乳房体表接触的硅胶2，通过设置硅胶2以对乳房进行保护。

压电薄膜传感器1为PVDF压电薄膜传感器，其是一种柔性的传感器，能够 实时监控吸乳护罩与使用者乳房之间的压力变化。

主体4上用于连接接收容器5处设有防逆流组件11，作用是防止由于失误导 致乳汁逆回流主机，导致电机或微控制器损毁。

控制主机9上设有用于对真空泵8吸力进行手动调节的手动调节按键10。当 自动调节失效或需要紧急手动调节使，通过手动调节按键10来调节真空泵8的吸 力大小。

控制主机9上还设有报警器，当压电薄膜传感器1检测的压力小于设定压力值， 即低于最小阈值时，乳房与吸乳器护罩之间松落，此时处于低效率吸乳模式，报警 器报警提示使用者进行调节。

参考图2，反馈单元包括电荷放大器12、低通滤波器13、比例放大器14及微 控制器15，压电薄膜传感器1两个电极通过导线7依次与电荷放大器12、低通滤 波器13、比例放大器14及微控制器15连接，微控制器15还与真空泵8连接，真 空泵8产生负压，压电薄膜传感器1检测乳房体表组织所承受的负压，并产生电压 输出，电信号顺序传输给电荷放大器12、低通滤波器13、比例放大器14及微控制 器15，电荷放大器12对信号进行放大，由于吸乳操作的频率接近1Hz，因此采用 低通滤波器13对信号进行低通滤波，然后比例放大器14对信号进行比例放大后， 输送给微控制器15，微控制器15对信号进行非线性标定校正后，将真空泵8产生 的负压与压电薄膜传感器1输出的电压对应成比例关系，根据压电薄膜传感器1 输出的电压即可判断真空泵8产生的负压是否超过阈值，据此动态调节输出电压占 空比，从而自动调节真空泵8产生的负压大小。在吸乳过程中，微控制器15实时 监控乳房与吸乳护罩之间的压力变化，当压力过大时，微控制器降低占空比，动态 减小真空泵8的真空吸力，使其不会超过乳房承受压力的最大阈值。

本实施例中，导线7与吸气管6绑定在一起。

本实施例中的吸乳器具备以下功能：

1、乳房承受压力动态模型的在线辨识：

微控制器15内装有相应的乳房受压变化动态数学模型，即P(u)(k)＝Σ a_iP(u)(k-i)+Σb_ju(k-j)，

其中u为微控制器给出的控制电压信号，量纲为伏特，k为采样时间，单位为 毫秒，P为乳房承受的压力，量纲为帕斯卡，P可由柔性压力传感器实时测得，Σ 表示求和运算，a_i和b_j为加权系数，i和j分别是加权系数a_i和b_j的序号指标。

在开始吸乳时，由微控制器15控制真空泵8发出一组随机试探控制电压，使 得乳房承受随机变化的负压压力，其峰值压力P_m<P₀，P₀即经过大量统计试验获 得的使乳房产生形变的安全压力的平均值，根据这组测得的压力和控制电压，微控 制器15采用递推最小二乘法辨识出动态数学模型中的参数a_i和b_j。

2、乳房吸乳负压给定曲线的自动生成

微控制器15内装有多种吸乳负压变化的波形模式，包括正弦波、变幅正弦波、 变频正弦波、变频和变幅正弦波，用户根据P₀压力上限的约束，可选择任一种波 形模式，P₀即经过大量统计试验获得的使乳房产生形变的安全压力的平均值，微 控制器15根据客户选择的波形模式而生成吸乳负压变化给定曲线，并控制真空泵 8按照吸乳负压变化给定曲线提供负压。

3、自动吸乳负压反馈控制

微控制器15根据压电薄膜传感器1实时测量到的乳房承受压力P与吸乳负压 变化给定曲线不同时刻的给定负压P_r，按下式实时计算出微控制器(15)的输出电压 值u(k)，其中α>0，α为调节控制稳定度的系数：

u(k)＝(P_r(k+1)-Σa_iP(u)(k-i+1)+Σ_j≠1b_ju(k-j+1))b₁/(b₁²+α)

其中u为微控制器给出的控制电压信号，量纲为伏特，k为采样时间，单位为 毫秒，P为乳房承受的压力，量纲为帕斯卡，Σ表示求和运算，a_i和b_j为加权系数， i和j分别是加权系数a_i和b_j的序号指标。

4、特殊情况和故障自动处理

在吸乳时，微控制器15实时监控乳房与吸乳护罩之间的压力变化，当压力过 大时，即P>P₀或P＝P₀时，微控制器会降低PWM波的占空比，动态减小真空吸力， 使其不会超过乳房承受压力的阈值P₀；如果乳房与吸乳器护罩之间松落，此时压 力会低于正常吸乳的阈值P_s，处于低效率吸乳模式，微控制器会报警提示使用者 重新固定吸乳器。当真空泵发生故障导致负压压力超过阈值P₀而微控制器的控制 无效时，微控制器将自动切断真空泵电源，以保护用户的乳腺不受伤害。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此 说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限 于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改 进和修改都应该在本发明的保护范围之内。