一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z以及電機(jī)R，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和MC2340，通過磁電編碼器由所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R控制所述的機(jī)器人電動(dòng)病床的前進(jìn)、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向和升降運(yùn)動(dòng)。通過上述方式，本發(fā)明既能通過控制器改變其行走速度，又可以通過兩輪差速行駛方式改變其方向，可以很好的通過電動(dòng)助力減少護(hù)工或者護(hù)士人員的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)在電動(dòng)病床的頭部和尾部均加入一軸電動(dòng)升降裝置，起到自由升降病人身體頭部、腰部和腿部的功能，可以滿足不同條件下病人對(duì)病床的需求。
【專利說明】
一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng)、可以自由升降的機(jī)器人電動(dòng)病床自動(dòng)控制系統(tǒng)， 屬于自動(dòng)電動(dòng)病床領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 醫(yī)用病床系統(tǒng)是一種用于醫(yī)院病房內(nèi)提供承載患者的設(shè)備。目前發(fā)達(dá)國家醫(yī)院中 使用的醫(yī)用病床基本上全部自動(dòng)化，家庭病床、社區(qū)醫(yī)院病床也已經(jīng)使用多功能電動(dòng)床。部 分醫(yī)用病床可以通過外力改變形狀達(dá)到輔助調(diào)整患者體位的目的，其中有些附件具有促進(jìn) 患者康復(fù)的效果;可控制電動(dòng)病床是相對(duì)高級(jí)的自動(dòng)化產(chǎn)品，具有省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。由于電 控制的特點(diǎn)，控制鍵可以安裝在任何允許病床接受到信號(hào)的范圍內(nèi)，提高了控制的自由度。 通過附件升級(jí)，還可以實(shí)現(xiàn)權(quán)限分配。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品精度更高，便于流水線作業(yè)，已作為ICU 重癥監(jiān)護(hù)室、手術(shù)室、造影室等中使用的特種醫(yī)用病床。
[0003] 我國在醫(yī)用電動(dòng)病床領(lǐng)域的研究開發(fā)相對(duì)滯后，整體水平不高，現(xiàn)國內(nèi)各級(jí)醫(yī)院 均是采用普通的機(jī)械病床：由床腿、床體和床面組成。為了移動(dòng)方便移動(dòng)，一般均在床腿上 設(shè)置機(jī)械滾動(dòng)滑輪;為了方便病人坐起，均在床頭部分設(shè)置機(jī)械手動(dòng)搖起裝置。對(duì)于這類型 病床，一般均需要護(hù)理人員幫助，很難獨(dú)自完成，同時(shí)病床功能單一，實(shí)用性能不強(qiáng)。
[0004] 長時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全隱患和不便，即： (1) 現(xiàn)有的部分病床通過四個(gè)固定站腳與地面接觸起到支撐作用，病人均被固定在某 一個(gè)封閉的環(huán)境中，隨著病人長時(shí)間的住院，對(duì)病人的身心造成了極大的傷害； (2) 雖然部分病床把固定站腳改為了機(jī)械萬向輪，可以通過醫(yī)護(hù)人員移動(dòng)病床到某個(gè) 空間，但是由于病床移動(dòng)隨意性較大，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)誤操作，甚至有時(shí)候會(huì)傷害到病人； (3) 隨著現(xiàn)代人類生活質(zhì)量的增加，肥胖病人大量增加，而護(hù)士人員一般又都比較瘦 小，通過機(jī)械萬向輪移動(dòng)病人使得護(hù)士人員非常吃力，加重了勞動(dòng)強(qiáng)度； (4) 隨著老齡化的加重，大量的老人也加重了對(duì)病床的需求，現(xiàn)在的護(hù)工人員又比較 少，基于機(jī)械萬向輪的病床加重了護(hù)工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度； (5) 所有的機(jī)械病床一般均固定在某個(gè)位置，一旦需要移動(dòng)或者變換方向均需要外部 人員完成，加重了護(hù)工人員的勞動(dòng)量； (6) 現(xiàn)在的機(jī)械病床即使可以通過外力通過病房門口被推到外部環(huán)境中，由于人為操 作的自動(dòng)化程度比較低，通過病房門口都需要點(diǎn)時(shí)間調(diào)整病床的姿態(tài)才可以通過； (7) 現(xiàn)在的機(jī)械病床即使可以通過機(jī)械萬向輪的支撐到達(dá)病房以外的環(huán)境，在調(diào)節(jié)了 病人身心的同時(shí)，也加大了護(hù)工人員的勞動(dòng)量，特別是通過爬坡的地方時(shí)，對(duì)護(hù)工人員的體 力提出了更高的要求； (8) 雖然單輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)病床可以很好的滿足對(duì)病床速度和方向的解耦，但是單輪驅(qū) 動(dòng)的行走電機(jī)功率較大，有時(shí)候會(huì)造成大馬拉小車的現(xiàn)象出現(xiàn)； (9) 由于單輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)病床動(dòng)力與地面的接觸點(diǎn)只有一個(gè)，造成人為很難精確控制 其移動(dòng)的方向，輕微的一點(diǎn)干擾就能造成較大的方向改變； (10) 現(xiàn)有的機(jī)械病床一般均在病床的頭部設(shè)置了一個(gè)搖動(dòng)杠杠，當(dāng)病人需要抬起頭部 或者是需要仰起上半身時(shí)，均有護(hù)理人員搖動(dòng)杠杠達(dá)到升起部分病床的目的，病床的自動(dòng) 化程度較低，而且加重了護(hù)理人員的勞動(dòng)量； (11) 現(xiàn)有的機(jī)械病床一般均沒有考慮病人腿部的要求，病人的腿部位置的病床機(jī)械部 分不能上下移動(dòng)，對(duì)于長時(shí)間臥床的病人來說造成腿部肌肉萎縮等狀況發(fā)生，不利于病人 的病情治療； (12) 現(xiàn)有的機(jī)械病床或簡易的電動(dòng)病床在推離病人離開病房時(shí)，不論病人的病情和狀 況如何，病人均是直直的躺在病床上，沒有人性化考慮，有時(shí)對(duì)病人的心理傷害非常嚴(yán)重； (13) 基于單核控制的機(jī)器人電動(dòng)病床，由于既要處理多軸電機(jī)的伺服控制，又要處理 機(jī)器人病床的多種傳感器采樣數(shù)據(jù)，由于單核處理器處理的數(shù)據(jù)較多，運(yùn)算速度不是很快， 不利于機(jī)器人高速運(yùn)轉(zhuǎn)，且有時(shí)候由于處理數(shù)據(jù)較多導(dǎo)致機(jī)器人病床失控； (14) 由于機(jī)器人電動(dòng)病床在運(yùn)行過程中頻繁的剎車和啟動(dòng)，加重了單核控制器的工作 量，單核控制器無法滿足機(jī)器人電動(dòng)病床快速啟動(dòng)和停止的要求； (15) 由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單核機(jī)器人電動(dòng)病床控制器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常， 引起機(jī)器人病床在行駛過程中失控，抗干擾能力較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床 控制器，為克服普通醫(yī)院病床不能滿足病人實(shí)際要求，在吸收國外先進(jìn)控制思想的前提下， 自主研發(fā)了一款基于ARM(STM32F407)+專用運(yùn)動(dòng)控制芯片MC2340的兩輪差速驅(qū)動(dòng)、兩軸自 由升降的四軸機(jī)器人電動(dòng)病床。此機(jī)器人控制系統(tǒng)以MC2340為處理核心，實(shí)現(xiàn)四軸直流無 刷電機(jī)的同步伺服控制，STM32F407實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號(hào)的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理，并實(shí)時(shí)相應(yīng) 各種中斷保護(hù)請(qǐng)求，并實(shí)現(xiàn)與MC2340數(shù)據(jù)通信。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供了一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng) 自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z以及電 機(jī)R，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控制板，所述的控制板采用雙核控制器， 包括ARM和MC2340，所述的ARM和MC2340進(jìn)行通信連接，由所述的MC2340發(fā)出第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、 第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后分別驅(qū)動(dòng)所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R，所述 的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、和電機(jī)R上設(shè)置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的電機(jī)X、電 機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R控制所述的機(jī)器人電動(dòng)病床的前進(jìn)、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向和升降運(yùn)動(dòng)。
[0007] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0008] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R均采用直流無刷 伺服電機(jī)。
[0009] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的ARM采用STM32F407。
[0010] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào) 和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為PffM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0011] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制 器還包括加速度計(jì)和陀螺儀，所述的加速度計(jì)和陀螺儀設(shè)置在機(jī)器人電動(dòng)病床上。
[0012] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制 器還設(shè)置有人機(jī)界面程序和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述的人機(jī)界面程序包括人機(jī)界面、區(qū)域規(guī)劃 以及在線輸出，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括基于MC2340四軸直流無刷電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)以及I/O控制，所述的基于MC2340四軸直流無刷電機(jī)伺服控制包括基于MC2340兩軸直流 無刷電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)伺服控制和基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)自由升降伺服控制，其中，基 于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)伺服控制和基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)自由升降 伺服控制均包括磁電編碼器模塊、基于磁電編碼器加速度模塊、基于磁電編碼器速度模塊 以及基于磁電編碼器位移模塊。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器， 設(shè)計(jì)了一款基于伺服專用控制芯片MC2340的雙核兩輪驅(qū)動(dòng)、兩軸自由升降病床的四軸機(jī)器 人電動(dòng)病床，這種病床既能通過控制器改變其行走速度，又可以通過兩輪差速行駛方式改 變其方向，可以很好的通過電動(dòng)助力減少護(hù)工或者護(hù)士人員的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)在 電動(dòng)病床的頭部和尾部均加入一軸電動(dòng)升降裝置，起到自由升降病人身體頭部、腰部和腿 部的功能；多種傳感器組合使得機(jī)器人電動(dòng)病床具有多種功能，可以滿足不同條件下病人 對(duì)病床的需求。
【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它 的附圖，其中： 圖1為本發(fā)明基于STM32F407+MC2340的雙輪驅(qū)動(dòng)、自由升降四軸醫(yī)用病床原理圖； 圖2為本發(fā)明基于雙核雙輪驅(qū)動(dòng)、自由升降四軸機(jī)器人電動(dòng)病床程序框圖； 圖3為雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降四軸機(jī)器人電動(dòng)病床運(yùn)動(dòng)原理框圖； 圖4為雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降四軸機(jī)器人電動(dòng)病床通過病房門口自動(dòng)導(dǎo)航原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范 圍。
[0016] 如圖1所示，本實(shí)施例包括： 一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、電 機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z以及電機(jī)R，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控制板，所述的 控制板采用雙核控制器，包括DSP和MC2340,所述的DSP和MC2340進(jìn)行通信連接，由所述的 MC2340發(fā)出第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述的第一驅(qū)動(dòng) 信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后分別驅(qū)動(dòng)所述的電機(jī)X、 電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R，所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、和電機(jī)R上設(shè)置有磁電編碼器，通過磁電 編碼器由所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R控制所述的機(jī)器人電動(dòng)病床的前進(jìn)、運(yùn)行速 度、運(yùn)行方向和升降運(yùn)動(dòng)。
[0017] 本實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池;所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R均 采用直流無刷伺服電機(jī)。
[0018] 進(jìn)一步的，所述的ARM采用STM32F407。
[0019] STM32F4系列除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F(xiàn)4的主頻（168MHz)高于F2系 列（120MHz)，并支持單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元、更大的SRAM容量（192 KB，F(xiàn)2為128 KB)、 512KB-1MB的嵌入式閃存以及影像、網(wǎng)絡(luò)接口和數(shù)據(jù)加密等更先進(jìn)的外設(shè)。STM32F4系列基 于最新的STM32F407 Cortex M4內(nèi)核，在現(xiàn)有出色的STM32微控制器產(chǎn)品組合中新增了信 號(hào)處理功能，并提高了運(yùn)行速度;STM32F405X集成了定時(shí)器、3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、串行接口、外 存接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、CRC計(jì)算單元和模擬真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進(jìn)外設(shè)。STM32F407在 STM32F405產(chǎn)品基礎(chǔ)上增加了多個(gè)先進(jìn)外設(shè)。這些性能使得F4系列可以較容易滿足控制和 信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制需求。高效的信號(hào)處理功能與C 〇rteX-M4處理器系列的 低能耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)的組合，使得STM32F407性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于一般的DSP芯片， 并且STM32F407可以極大地簡化外圍電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，也大大提高了 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理能力。
[0020] 美國PMD(Performance Motion Devices)運(yùn)動(dòng)控制芯片可以控制單軸和多軸無刷 直流電機(jī)，它由一個(gè)主機(jī)通過下列方式驅(qū)動(dòng):8或者16位并行總線，CAN總線2. OB，或者一個(gè) 異步串口。伺服環(huán)路補(bǔ)償采用全32位位置誤差、帶速度和加速度前饋的PID、集成限幅和一 對(duì)雙邊矩形濾波來對(duì)復(fù)雜負(fù)載做復(fù)雜控制。MC23XX系列運(yùn)動(dòng)控制芯片是PMD公司基于高性 能運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)的第三代伺服控制芯片，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、科學(xué)、自動(dòng)化控制和機(jī)器人 的應(yīng)用。MC23XX可以實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的位置、速度控制，同時(shí)芯片集成了過流保護(hù)，過壓/ 欠壓保護(hù)和過溫保護(hù)等，芯片提供了一個(gè)靈活的和強(qiáng)大的指令集來初始化和設(shè)置和控制運(yùn) 動(dòng)軸，并具有監(jiān)視性能，MC2310、MC2320、MC2340分別可以控制一軸、兩軸和四軸直流無刷電 機(jī)，MC2320、MC2340加入了各軸電機(jī)同步的功能，這一點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于LM629，MC23XX的這些特 性使其特別適合直流無刷電機(jī)的控制。綜合本發(fā)明的需要，選用MC2340作為伺服控制調(diào)節(jié) 器，并通過串行口與STM32F407進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)調(diào)用，把STM32F407從復(fù)雜的多軸伺服控制 算法中解脫出來。
[0021] 為了能夠更好的移動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床，本發(fā)明電動(dòng)病床驅(qū)動(dòng)部分采用輪式結(jié)構(gòu)， 因?yàn)橄鄬?duì)于步行、爬行或其它非輪式的移動(dòng)機(jī)器人，輪式機(jī)器人具有行動(dòng)快捷、工作效率 高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢(shì)。
[0022] 由于本機(jī)器人電動(dòng)病床既要考慮其運(yùn)行速度，又要考慮其運(yùn)行方向，因此，需要兩 個(gè)電機(jī)來完成這個(gè)動(dòng)作，通過兩輪差速行駛來實(shí)現(xiàn)速度和方向的調(diào)控是一種選擇，并且兩 輪差速行駛的兩個(gè)電機(jī)功率大小相等，而且功率加起來可以滿足正常行駛時(shí)的功率要求， 爬坡需要電動(dòng)助力時(shí)可以通過兩臺(tái)電機(jī)短暫的過載滿足。在正常行駛條件下，為了調(diào)整電 動(dòng)病床的行駛方向，通常改變兩臺(tái)電機(jī)的速度大小就可以隨意實(shí)現(xiàn)方向的改變。由于直流 電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)偶爾會(huì)產(chǎn)生火花，而醫(yī)院病房又是一個(gè)特殊的場合，任何火花都可能會(huì) 對(duì)病人的氧氣瓶和吸氧裝置產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)，因此，本發(fā)明中負(fù)責(zé)機(jī)器人行走功能的兩臺(tái) 差速行駛電機(jī)均采用直流無刷伺服電機(jī)，由于直流無刷伺服電機(jī)采用霍爾傳感器進(jìn)行電子 換向，高速旋轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生任何火花，有效消除了安全隱患。
[0023] 本發(fā)明為了能夠使得機(jī)器人病床自動(dòng)升降部分電動(dòng)病床機(jī)械床體，達(dá)到升降病人 的頭部和腿部的功能，舍棄了傳統(tǒng)機(jī)械病床采用人工搖動(dòng)杠杠的方式，當(dāng)病人需要抬起頭 部或者是需要仰起上半身時(shí)，基于單軸直流無刷伺服電機(jī)的頭部伺服控制部分工作自動(dòng)升 降床體的頭部；當(dāng)病人需要抬起或者是下放腿部時(shí)，基于單軸直流無刷的腿部伺服控制部 分工作自動(dòng)升降床體的尾部;二者也可以同時(shí)工作，達(dá)到一起升降電動(dòng)病床的功能；當(dāng)病人 需要休息時(shí)，只要按下恢復(fù)鍵，不論當(dāng)前電動(dòng)病床的姿態(tài)如何，床體均回到病床原始狀態(tài)， 滿足病床的最小基本功能。
[0024] 由于本發(fā)明中的機(jī)器人電動(dòng)病床既要適應(yīng)病房中相對(duì)干凈的環(huán)境，又要適應(yīng)病房 外相對(duì)灰塵較多的骯臟環(huán)境，為了減少灰塵對(duì)電機(jī)攜帶速度和位移傳感器的影響，本發(fā)明 舍棄了傳統(tǒng)系統(tǒng)中常用的光電編碼器，而采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器M1、M2、M3 和M4,傳感器Ml、M2、M3和M4可以有效測(cè)量出四軸直流無刷伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度和位移， 為機(jī)器人電動(dòng)病床四軸同步三閉環(huán)伺服控制提供了可靠反饋。
[0025] 本實(shí)施例中，所述的傳感器包括加速度計(jì)和陀螺儀;所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū) 動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0026] 為了提高機(jī)器人電動(dòng)病床在行走過程中導(dǎo)航的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)精確調(diào)整 以及計(jì)算加速爬坡時(shí)需要的功率，本發(fā)明在機(jī)器人電動(dòng)病床伺服硬件系統(tǒng)中加入了三軸加 速度計(jì)A1。在機(jī)器人電動(dòng)病床行走期間全程開啟加速度計(jì)Al，加速度計(jì)Al用來測(cè)量機(jī)器人 病床三個(gè)前進(jìn)方向的加速度，控制器根據(jù)測(cè)得的加速度通過連續(xù)積分就可以得到其速度和 位移，可以為機(jī)器人的三閉環(huán)控制提供可靠判據(jù)；當(dāng)機(jī)器人病床的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，控制器 就可以得到其大致傾斜角度，一方面根據(jù)角度改變其功率需求，另一方面當(dāng)姿態(tài)發(fā)生較大 變化時(shí)，控制器在一個(gè)新的采樣周期立即對(duì)其位置補(bǔ)償，避免機(jī)器人電動(dòng)病床在行走過程 中因?yàn)閮A斜過大而發(fā)生危險(xiǎn)，提高了其快速行走導(dǎo)航時(shí)的穩(wěn)定性;如果對(duì)加速度計(jì)Al進(jìn)行 連續(xù)積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，機(jī)器人電動(dòng)病床可以不依賴于任何外部信息就能 夠得到其在醫(yī)院導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連 續(xù)性好而且噪聲非常低，可以和磁電傳感器相互匹配然后為多軸伺服控制提供加速度、速 度和位移反饋，極大增強(qiáng)了機(jī)器人病床的行走的安全性和準(zhǔn)確性。
[0027] 本發(fā)明為克服普通醫(yī)院病床不能滿足病人實(shí)際要求，在吸收國外先進(jìn)控制思想的 前提下，自主研發(fā)了一款基于ARM(STM32F407)+專用運(yùn)動(dòng)控制芯片MC2340的兩輪差速驅(qū)動(dòng)、 兩軸自由升降的四軸機(jī)器人電動(dòng)病床。此機(jī)器人控制系統(tǒng)以MC2340為處理核心，實(shí)現(xiàn)四軸 直流無刷電機(jī)的同步伺服控制，STM32F407實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號(hào)的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理，并實(shí) 時(shí)相應(yīng)各種中斷保護(hù)請(qǐng)求，并實(shí)現(xiàn)與MC2340數(shù)據(jù)通信。
[0028] 如圖2所示，所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器還設(shè)置有人機(jī) 界面程序和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述的人機(jī)界面程序包括人機(jī)界面、區(qū)域規(guī)劃以及在線輸出，所 述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括基于MC2340四軸直流無刷電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及I/O控制，所 述的基于MC2340四軸直流無刷電機(jī)伺服控制包括基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng) 伺服控制和基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)自由升降伺服控制，其中，基于MC2340兩軸直流 無刷電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)伺服控制和基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)自由升降伺服控制均包括磁 電編碼器模塊、基于磁電編碼器加速度模塊、基于磁電編碼器速度模塊以及基于磁電編碼 器位移模塊。
[0029] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，為了提高運(yùn)算速度，保證醫(yī)用機(jī)器人 電動(dòng)病床控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明采用32位高性能ARM (STM32F407)和專用運(yùn) 動(dòng)控制芯片MC2340,舍棄了傳統(tǒng)采用的單一單片機(jī)或單一 16位的DSP芯片，此控制器充分考 慮蓄電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，實(shí)現(xiàn)單一控制器同步控制四軸直流無刷伺服電機(jī)的功能。機(jī) 器人電動(dòng)病床充分發(fā)揮專用運(yùn)動(dòng)控制芯片MC2340作為伺服處理器數(shù)據(jù)處理速度較快的特 點(diǎn)，而由STM32F407實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、I/O控制、路徑導(dǎo)航、在線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)等功能， 同時(shí)實(shí)時(shí)相應(yīng)各種中斷。
[0030] 對(duì)于本文設(shè)計(jì)的基于ARM(STM32F407 )+MC2340機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，在電源打 開狀態(tài)下，人機(jī)界面先工作，如果確實(shí)需要移動(dòng)電動(dòng)病床，護(hù)工人員、護(hù)士人員輸入各自的 權(quán)限密碼，ARM(STM32F407)使能MC2340機(jī)器人電動(dòng)病床才可能在屋子里移動(dòng)，否則機(jī)器人 電動(dòng)病床就待在原地等待權(quán)限開啟命令;如果機(jī)器人電動(dòng)病床需要推出病房，此時(shí)醫(yī)院負(fù) 責(zé)人需要開啟自己的權(quán)限密碼，否則機(jī)器人電動(dòng)病床一旦移動(dòng)到門口位置被門口監(jiān)控傳感 器探測(cè)到，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)控制器上的傳感器，MC2340鎖死當(dāng)前的機(jī)器人電動(dòng)病床并發(fā)出 誤操作警報(bào)。在正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)器人電動(dòng)病床通過各種傳感器讀取外部環(huán)境比反饋參 數(shù)給ARM(STM32F407 )，由ARM(STM32F407 )處理后與MC2340通訊，由MC2340生成四軸直流 無刷伺服電機(jī)的同步控制PWM信號(hào)，PWM波信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后通過直流無刷電機(jī)Z和R完成頭 部和腿部病床部分的升降，然后通過直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y兩輪差速控制驅(qū)動(dòng)病 床向前運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度和位移被相對(duì)應(yīng)的磁電編碼器、12、13、14反饋給4冊(cè)(3了132?407 )，由ARM(STM32F407 )處理后與MC2340通訊，由MC2340生成二次調(diào)整同步PffM控制信號(hào)滿足 實(shí)際工作需求。電動(dòng)床在運(yùn)行過程中，人機(jī)界面在線存儲(chǔ)并輸出當(dāng)前狀態(tài)，使得處理比較直 觀。
[0031]參照?qǐng)D2,具體實(shí)施步驟是： 把醫(yī)用電動(dòng)床控制系統(tǒng)分為兩部分:人機(jī)界面系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其中人機(jī)界面系 統(tǒng)完成人機(jī)界面、路徑規(guī)劃、在線輸出等功能;基于MC2340運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)完成電動(dòng)病床的多 軸伺服控制，而ARM(STM32F407 )實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、I/O控制等功能，系統(tǒng)充分發(fā)揮MC2340伺服 處理器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由STM32F407實(shí)時(shí)處理各種傳感器信號(hào)。
[0032]參照?qǐng)D2、圖3和圖4,其具體的功能實(shí)現(xiàn)如下： 1)在機(jī)器人電動(dòng)病床未接到任何指令之前，它一般會(huì)和普通醫(yī)用病床沒有區(qū)別，被固 定在某一個(gè)區(qū)域，交流電源對(duì)系統(tǒng)中的蓄電池充電，保證機(jī)器人電動(dòng)病床有足夠的能源完 成任務(wù)。
[0033] 2)-旦接到主控器發(fā)出的工作命令后，為了防止機(jī)器人電動(dòng)病床的移動(dòng)損害充電 連接線，STM32F407控制器會(huì)自動(dòng)斷開連接線與交流電源的連接，機(jī)器人電動(dòng)病床轉(zhuǎn)為蓄 電池供電狀態(tài)。
[0034] 3)為了防止誤操作，本發(fā)明采用三級(jí)啟動(dòng)權(quán)限，當(dāng)確定需要移動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床 時(shí)，如果只是在病房內(nèi)部移動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床，則需要護(hù)工人員和護(hù)士先后通過人機(jī)界面 輸入權(quán)限密碼開啟屋內(nèi)行走模式;如果是需要推動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床走出病房，則需要護(hù)工 人員、護(hù)士和醫(yī)院負(fù)責(zé)人先后通過人機(jī)界面輸入權(quán)限密碼開啟屋外行走模式。
[0035] 4)當(dāng)機(jī)器人電動(dòng)病床開啟行走模式后，一旦啟動(dòng)鍵SS按下，系統(tǒng)首先完成初始化 并檢測(cè)電源電壓，如果蓄電池電源不正常，將向STM32F407發(fā)出中斷請(qǐng)求，STM32F407會(huì)對(duì) 中斷做第一時(shí)間響應(yīng)，如果STM32F407的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，車體上的自鎖裝置將 被觸發(fā)，進(jìn)而達(dá)到自鎖的功能，防止誤操作;如果電源正常，電動(dòng)床機(jī)器人將開始正常工作。 [0036] 5)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)只有頭部上升按鈕SHF被觸 發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始做病床頭部上升部分的運(yùn)動(dòng)，STM32F407根據(jù)伺服控制器的要求 把按鍵每次需要運(yùn)行的距離S轉(zhuǎn)化為電機(jī)Z的加速度、速度和位置參考指令值，STM32F407將 于MC2340通訊，MC2340再結(jié)合電機(jī)Z對(duì)應(yīng)的磁電傳感器M3的速度和位移反饋生成驅(qū)動(dòng)直流 無刷伺服電機(jī)Z的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)Z正向運(yùn)動(dòng)， 機(jī)器人電動(dòng)病床開始緩緩升起，在運(yùn)動(dòng)過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動(dòng)鍵或者是 上升按鈕SHF，直流無刷伺服電機(jī)Z的伺服控制就結(jié)束，完成此次上升過程；當(dāng)病人的頭部需 要下降時(shí)，護(hù)理人員只要同時(shí)按下啟動(dòng)鍵SS和頭部下降按鈕SHB，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始做 病床頭部下降部分的運(yùn)動(dòng)，STM32F407根據(jù)伺服控制器的要求把按鍵每次需要運(yùn)行的距離S 轉(zhuǎn)化為電機(jī)Z的加速度、速度和位置參考指令值，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340再結(jié)合 電機(jī)Z對(duì)應(yīng)的磁電傳感器M3的速度和位移反饋生成驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)Z的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū) 動(dòng)信號(hào)經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)Z反向運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人電動(dòng)病床開始緩緩下降， 在運(yùn)動(dòng)過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動(dòng)鍵或者是上升按鈕SHB，直流無刷伺服電機(jī) Z的伺服控制就結(jié)束，完成此次下降過程。STM32F407伺服控制器記錄下當(dāng)前位置與水平位 置的位移SHS。
[0037] 6)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)只有腿部上升按鈕SLF被觸 發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始做病床腿部上升部分的運(yùn)動(dòng)，STM32F407根據(jù)伺服控制器的要求 把按鍵每次需要運(yùn)行的距離S轉(zhuǎn)化為電機(jī)R的加速度、速度和位置參考指令值，STM32F407將 于MC2340通訊，MC2340再結(jié)合電機(jī)R對(duì)應(yīng)的磁電傳感器M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動(dòng)直流 無刷伺服電機(jī)R的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)R正向運(yùn)動(dòng)， 機(jī)器人電動(dòng)病床開始緩緩升起，在運(yùn)動(dòng)過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動(dòng)鍵或者是 上升按鈕SLF，直流無刷伺服電機(jī)R的伺服控制就結(jié)束，完成此次上升過程；當(dāng)病人的腿部需 要下降時(shí)，護(hù)理人員只要同時(shí)按下啟動(dòng)鍵SS和頭部下降按鈕SLB，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始做 病床腿部下降部分的運(yùn)動(dòng)，STM32F407根據(jù)伺服控制器的要求把按鍵每次需要運(yùn)行的距離S 轉(zhuǎn)化為電機(jī)R的加速度、速度和位置參考指令值，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340再結(jié)合 電機(jī)R對(duì)應(yīng)的磁電傳感器M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)R的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū) 動(dòng)信號(hào)經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)R反向運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人電動(dòng)病床開始緩緩下降， 在運(yùn)動(dòng)過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動(dòng)鍵或者是上升按鈕SLB，直流無刷伺服電機(jī) R的伺服控制就結(jié)束，完成此次下降過程。STM32F407伺服控制器記錄下當(dāng)前位置與水平位 置的位移SLS。
[0038] 7)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)恢復(fù)按鈕SFF被觸發(fā)，機(jī)器 人電動(dòng)病床根據(jù)STM32F407伺服控制器的速度和加速度要求，把位移SLS和SHS轉(zhuǎn)化為電機(jī)Z 和電機(jī)R的加速度、速度和位置參考指令值，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340再結(jié)合電機(jī) Z和電機(jī)R對(duì)應(yīng)的磁電傳感器M3、M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)Z和電機(jī)R 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)Z和電機(jī)R運(yùn)動(dòng)，床體被恢復(fù) 到自然狀態(tài)。
[0039] 8)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，STM32F407控制器將檢測(cè)側(cè)向轉(zhuǎn)彎 按鈕SK是否被觸發(fā)。如果側(cè)向轉(zhuǎn)彎按鈕SK被觸發(fā)，STM32F407根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分需要旋 轉(zhuǎn)角度設(shè)=90?和其內(nèi)部梯形發(fā)生器，把直流無刷伺服電機(jī)X和Y要運(yùn)轉(zhuǎn)的距離SX轉(zhuǎn)化為加 速度、速度和位置參考指令值，STM32F407將于MC2340通訊，然后MC2340再結(jié)合電機(jī)X和電機(jī) Y的磁電傳感器Ml、M2的反饋生成驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng) 功率橋放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y以相反的方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程Ml和M2實(shí)時(shí) 反饋電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)給STM32F407，STM32F407轉(zhuǎn)化處理后與MC2340通訊，MC2340根據(jù)反饋 參數(shù)二次微調(diào)電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM控制信號(hào)，使得旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成側(cè)轉(zhuǎn)900任 務(wù)，由于在此過程中只是電機(jī)X和電機(jī)Y組成的旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)90度，并未改變電動(dòng)病床的方 向，提高了機(jī)器人電動(dòng)病床在狹小空間的實(shí)用性。
[0040] 9)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)只有前進(jìn)按鈕SF被觸發(fā)， 機(jī)器人電動(dòng)病床將開始向前運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人攜帶的前方防撞超聲波傳感器S9 和SlO將工作，并向STM32F407控制器時(shí)刻反饋其與前方障礙物的距離。如果防撞超聲波傳 感器S9或者是SlO讀取到前方有障礙物時(shí)，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340經(jīng)內(nèi)部伺服 控制程序調(diào)整直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床在安全范圍內(nèi) 停車，控制器并開啟一個(gè)三秒的計(jì)時(shí)，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物則通知人機(jī)界 面改換行走軌跡;如果三秒后障礙物信號(hào)消息，則機(jī)器人電動(dòng)病床將按照當(dāng)前路徑繼續(xù)啟 動(dòng)前進(jìn)。在機(jī)器人電動(dòng)病床運(yùn)動(dòng)過程中，磁電傳感器Ml、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X 和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)速度和位移，并反饋給STM32F407,由STM32F407處理轉(zhuǎn)化后將于MC2340通 訊，MC2340二次調(diào)整直流無刷電機(jī)X和電機(jī)Y的PffM波控制信號(hào)以滿足實(shí)際需求。
[0041 ] 10)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)只有后退按鈕SB也被觸 發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始后退運(yùn)動(dòng)，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340經(jīng)內(nèi)部伺服控制 程序調(diào)整直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床按照設(shè)定速度緩慢 后退;在后退運(yùn)動(dòng)過程中，磁電傳感器M1、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng) 速度和位移，并反饋給STM32F407，STM32F407根據(jù)磁電傳感器Ml和M2的速度和位移反饋 二次處理后將于MC2340通訊，MC2340二次調(diào)整直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的PffM輸出，保證 機(jī)器人電動(dòng)病床在安全速度范圍內(nèi)運(yùn)行，防止速度過快機(jī)器人電動(dòng)病床推倒護(hù)工人員。 [0042] 11)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn)按鈕 SF被觸發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始側(cè)向右移，在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人攜帶的側(cè)方防撞超聲波 傳感器S6將工作，并向STM32F407控制器時(shí)刻反饋其與前方障礙物的距離。如果防撞超聲 波傳感器S6讀取到右方有障礙物時(shí)，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340經(jīng)內(nèi)部伺服控制 程序調(diào)整直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床在安全范圍內(nèi)停車， 控制器并開啟一個(gè)三秒的計(jì)時(shí)，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物存在將向人機(jī)界面發(fā) 出停車報(bào)警;如果三秒后障礙物信號(hào)消息，則機(jī)器人電動(dòng)病床將按照當(dāng)前軌跡繼續(xù)側(cè)向右 移。在機(jī)器人電動(dòng)病床側(cè)向右移過程中，磁電傳感器Ml、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X 和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)速度和位移，并反饋給STM32F407，由STM32F407二次處理轉(zhuǎn)化后將于 MC2340通訊，MC2340二次調(diào)整電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，保證系統(tǒng)滿足行走要求。
[0043] 12)當(dāng)STM32F407控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS-旦按下，如果此時(shí)轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn) 按鈕SB被觸發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始側(cè)向左移，在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人攜帶的側(cè)方防撞超 聲波傳感器S7將工作，并向STM32F407控制器時(shí)刻反饋其與前方障礙物的距離。如果防撞 超聲波傳感器S7讀取到運(yùn)動(dòng)前方有障礙物時(shí)，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340經(jīng)內(nèi)部 伺服控制程序調(diào)整直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床在安全范 圍內(nèi)停車，控制器并開啟一個(gè)三秒的計(jì)時(shí)，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物存在將向 人機(jī)界面發(fā)出停車報(bào)警;如果三秒后障礙物信號(hào)消息，則機(jī)器人電動(dòng)病床將按照當(dāng)前軌跡 繼續(xù)側(cè)向左移。在機(jī)器人電動(dòng)病床側(cè)向左移過程中，磁電傳感器Ml、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷 伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)速度和位移，并反饋給STM32F407，由STM32F407二次轉(zhuǎn)化處理后 將于MC2340通訊，MC2340二次調(diào)整電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，保證系統(tǒng)滿足實(shí)際需求。
[0044] 13)當(dāng)機(jī)器人電動(dòng)病床需要移出病房時(shí)，先有醫(yī)院負(fù)責(zé)人開啟行走權(quán)限密碼，可以 有護(hù)工人員推出房間，也可以有護(hù)工人員把機(jī)器人電動(dòng)病床推到帶有地面導(dǎo)航標(biāo)志的位 置，機(jī)器人電動(dòng)病床進(jìn)入自動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài):其導(dǎo)航的光電傳感器SI、S2、S3、S4、S5將工作，地面 標(biāo)志反射回來的光電信號(hào)反饋給STM32F407，經(jīng)STM32F407判斷處理后確定機(jī)器人偏移導(dǎo) 航軌道的偏差，STM32F407把此偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)X和電機(jī)Y要運(yùn)行的加速度、速度和位 移指令，STM32F407將于MC2340通訊，MC2340再結(jié)合磁電編碼器Ml和M2的反饋生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)直流 無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)X和電機(jī)Y向前運(yùn) 動(dòng)，快速調(diào)整機(jī)器人電動(dòng)病床迅速回到導(dǎo)航軌道中心。機(jī)器人電動(dòng)病床沿著軌道行走過程， MC2340根據(jù)地面標(biāo)志和磁電編碼器Ml和M2的反饋微調(diào)電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使機(jī)器人 沿著設(shè)定好的軌道順利通過病房門口。當(dāng)鋪設(shè)的軌道消失后，機(jī)器人電動(dòng)病床就停在原地 等待人為移動(dòng)信號(hào)，防止誤操作。
[0045] 14)本機(jī)器人電動(dòng)病床在運(yùn)動(dòng)過程為了防止護(hù)士的誤操作以及遇到緊急狀況停 車，加入了緊急停車自動(dòng)鎖車功能。如遇到緊急情況，當(dāng)緊急按鍵ESWl按下后，控制器一旦 檢測(cè)到緊急中斷請(qǐng)求會(huì)發(fā)出原地停車指令，MC2340通過驅(qū)動(dòng)器封鎖直流無刷伺服電機(jī)X和 電機(jī)Y的PffM波信號(hào)，即使電動(dòng)病床多個(gè)萬向輪都處于可以滑動(dòng)狀態(tài)，由于行走電機(jī)X和電機(jī) Y處于鎖死狀態(tài)，這樣機(jī)器人電動(dòng)病床也不會(huì)運(yùn)動(dòng)，保證了機(jī)器人在緊急狀況下的安全性。
[0046] 15)本發(fā)明在機(jī)器人電動(dòng)病床上加入了濕度檢測(cè)系統(tǒng)。此濕度檢測(cè)系統(tǒng)由濕敏傳 感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功 能，這樣當(dāng)病人大小便失控時(shí)，濕度檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)工作，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，護(hù)工人員通過人機(jī) 界面輸出可以查出故障原因，然后更換床褥。
[0047] 16)本電動(dòng)床裝備了多種防障礙物報(bào)警系統(tǒng)，機(jī)器人障礙物探測(cè)系統(tǒng)可以在機(jī)器 人病床碰撞到障礙物之前自動(dòng)探測(cè)到障礙物的存在并通過控制器協(xié)助自動(dòng)停車，并根據(jù)障 礙物的性質(zhì)確定二次啟動(dòng)或是一直待在原地不動(dòng)，這樣就保證了機(jī)器人病床在運(yùn)動(dòng)過程中 對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對(duì)其的干擾。
[0048] 17)在機(jī)器人電動(dòng)病床行走過程中，直流無刷伺服電機(jī)經(jīng)常會(huì)受到外界因素干擾， 為了減少電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)器人行走的影響，控制器在考慮電機(jī)特性的基礎(chǔ)上加入了對(duì) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的在線辨識(shí)，并利用電機(jī)力矩與電流的關(guān)系進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償，削弱了外界環(huán)境對(duì)機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)的影響。
[0049] 18)在機(jī)器人電動(dòng)病床行走期間伺服控制器全程開啟加速度計(jì)Al，加速度計(jì)Al可 以測(cè)量機(jī)器人病床三個(gè)前進(jìn)方向的加速度，控制器根據(jù)測(cè)得的加速度通過連續(xù)積分就可以 得到其速度和位移，為機(jī)器人的三閉環(huán)控制提供可靠判據(jù)；同時(shí)當(dāng)機(jī)器人病床的姿態(tài)發(fā)生 變化時(shí)，控制器就可以得到其大致傾斜角度和加速度要求，控制器根據(jù)傾斜角度和加速度 需求就可以大致計(jì)算出功率需求，然后調(diào)整各臺(tái)直流無刷伺服電機(jī)的功率以滿足爬坡和加 速需要;控制器通過對(duì)加速度計(jì)Al進(jìn)行連續(xù)積分，且把它變換到醫(yī)院導(dǎo)航坐標(biāo)系中，機(jī)器人 電動(dòng)病床可以不依賴于任何外部信息就能夠得到其在醫(yī)院導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度、速度、 偏航角和位置等信息，控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。
[0050] 本發(fā)明具有的有益效果是： 1:在控制過程中，充分考慮了電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于ARM(STM32F407)+MC2340 控制器時(shí)刻都在對(duì)機(jī)器人電動(dòng)病床的運(yùn)行狀態(tài)和電源來源進(jìn)行監(jiān)測(cè)和運(yùn)算，當(dāng)交流電源切 斷時(shí)，病床會(huì)借助自攜帶蓄電池電源自鎖在固定位置，直至有移動(dòng)病床的開關(guān)信號(hào)輸入，保 證了病床的自然狀態(tài)。
[0051] 2:為了方便使用，減少外界對(duì)病床的干擾，護(hù)工人員、護(hù)士人員以及醫(yī)院管理人員 均需要開啟權(quán)限才可以啟動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床，減少了誤操作的危險(xiǎn)。
[0052] 3:為了方便病人自理，減少對(duì)外界條件的依賴，本系統(tǒng)加入了人機(jī)界面功能，病人 只要通過電腦觸摸屏就可以自動(dòng)控制病床機(jī)器人，這樣就可以不需要護(hù)理而自己解決部分 簡易的日常生活。
[0053] 4:由于此電動(dòng)病床加入了基于蓄電池的動(dòng)力助力裝置，即使碰到病人身體肥胖或 者護(hù)理人員身體瘦弱時(shí)，病床本身在電源充足的條件下可以為護(hù)工人員和護(hù)士人員在屋子 里移動(dòng)病床提供動(dòng)力，減少了護(hù)士或者護(hù)工人員在屋子里移動(dòng)病床的體力消耗和勞動(dòng)強(qiáng) 度。
[0054] 5:由于此電動(dòng)病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得病床 可以在屋子里實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，減少了病人在某一個(gè)固定位置的壓抑感。
[0055] 6:由于此電動(dòng)病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得單臺(tái) 電機(jī)的功率大大降低，并且動(dòng)力與地面的接觸點(diǎn)有兩點(diǎn)，有利于提高電動(dòng)病床行駛時(shí)的操 控性。
[0056] 7:由于加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在非常狹小的空間內(nèi) 可以使病床機(jī)器人側(cè)向移動(dòng)，減少機(jī)器人旋轉(zhuǎn)帶來的負(fù)面問題。
[0057] 8:為了能夠使機(jī)器人病床能夠自由移出病房門口，控制器加入了多種導(dǎo)航傳感 器，機(jī)器人在移出病房過程中一旦讀到地面標(biāo)志就會(huì)自動(dòng)導(dǎo)航，減少人工移動(dòng)病床帶來的 誤差。
[0058] 9:當(dāng)機(jī)器人電動(dòng)病床遇到爬坡的時(shí)，由于自身攜帶的有動(dòng)力能源，所以可以很好 的起到助力作用，并且雙輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于單輪驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步減少了對(duì)護(hù)工人 員體力的要求。
[0059] 10:由MC2340處理兩軸電機(jī)差速行駛、兩軸自由升降電機(jī)的全數(shù)字伺服控制，大大 提高了運(yùn)算速度，解決了單單片機(jī)運(yùn)行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能 力強(qiáng)。
[0060] 11:本發(fā)明完全實(shí)現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且還完全實(shí)現(xiàn)了 多軸電機(jī)控制信號(hào)的同步，有利于提高醫(yī)用機(jī)器人電動(dòng)病床的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。
[0061] 12:由于本控制器采用MC2340處理大量的多軸伺服數(shù)據(jù)與算法，并充分考慮了周 圍的干擾源，把STM32F407從復(fù)雜的計(jì)算中解脫出來，有效地防止了程序的"跑飛"，抗干擾 能力大大增強(qiáng)。
[0062] 13:本機(jī)器人電動(dòng)病床加入了自動(dòng)鎖車功能，當(dāng)病床機(jī)器人在移動(dòng)過程中，如遇到 緊急情況，控制器會(huì)發(fā)出原地停車指令，并鎖死兩輪差速行駛電機(jī)，即使多個(gè)萬向輪都處于 可以滑動(dòng)狀態(tài)，但由于驅(qū)動(dòng)輪處于鎖死狀態(tài)，這樣機(jī)器人也不會(huì)運(yùn)動(dòng)。
[0063] 14:本機(jī)器人電動(dòng)病床加入了濕度檢測(cè)系統(tǒng)。此濕度檢測(cè)系統(tǒng)由濕敏傳感器、測(cè)量 電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能，這樣當(dāng) 病人大小便失控或者是床單潮濕時(shí)，濕度檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)工作，發(fā)出更換請(qǐng)求。
[0064] 15:本電動(dòng)床機(jī)器人裝備了多種報(bào)警系統(tǒng)，在碰撞到障礙物之前自動(dòng)停車，這樣就 保證了在運(yùn)動(dòng)過程中的安全性，減少了環(huán)境對(duì)其的干擾。
[0065] 16:由于本機(jī)器人電動(dòng)病床系統(tǒng)采用直流無刷伺服電機(jī)替代了直流電機(jī)，不僅進(jìn) 一步提高了系統(tǒng)的安全性，也可以提高能源的利用率，增加了機(jī)器人電動(dòng)病床在攜帶能源 一定的條件下一次移動(dòng)的距離。
[0066] 17:由于本機(jī)器人電動(dòng)病床系統(tǒng)采用直流無刷伺服電機(jī)，當(dāng)電機(jī)受到外界干擾產(chǎn) 生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，直流無刷伺服電機(jī)可以利用力矩與電流的關(guān)系迅速進(jìn)行補(bǔ)償，極大減少了 外界干擾對(duì)機(jī)器人電動(dòng)病床的影響。
[0067] 18:基于單軸直流無刷伺服電機(jī)的頭部伺服控制部分可以很好的滿足病人需要抬 起頭部或者是仰起上半身的活動(dòng)，護(hù)理人員可以通過按鍵達(dá)到升起病床前部，病床的自動(dòng) 化程度進(jìn)一步得到提升，減少了護(hù)理人員的勞動(dòng)量。
[0068] 19:基于單軸直流無刷伺服電機(jī)的腿部伺服控制部分可以很好的滿足病人需要腿 部或者下半身的活動(dòng)，護(hù)理人員可以通過按鍵達(dá)到升起或降低病床后部，病床的自動(dòng)化程 度進(jìn)一步得到提升，減少了護(hù)理人員的勞動(dòng)量。
[0069] 20:基于前后兩軸直流無刷伺服升降裝置組合使得機(jī)器人電動(dòng)病床具有各種機(jī)械 組合，在推離病人離開病房時(shí)，可以根據(jù)病人的病情自由調(diào)節(jié)病床的姿勢(shì)，滿足了不同病人 的心理要求。
[0070] 21:加速度計(jì)Al用來測(cè)量機(jī)器人病床三個(gè)前進(jìn)方向的加速度，控制器根據(jù)測(cè)得的 加速度通過連續(xù)積分就可以得到其速度和位移，可以為機(jī)器人的三閉環(huán)控制提供可靠判 據(jù)； 22:加速度計(jì)Al可以提高機(jī)器人電動(dòng)病床在行走過程中導(dǎo)航的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自 動(dòng)精確調(diào)整、計(jì)算加速爬坡時(shí)需要的功率。
[0071] 以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng) 域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，其特征在于，包括交流電源、電 池、控制板、電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z以及電機(jī)R，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控 制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和MC2340,所述的ARM和MC2340進(jìn)行通信連 接，由所述的MC2340發(fā)出第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所 述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后分別驅(qū)動(dòng) 所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R，所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、和電機(jī)R上設(shè)置有磁電編 碼器，通過磁電編碼器由所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R控制所述的機(jī)器人電動(dòng)病床的 前進(jìn)、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向和升降運(yùn)動(dòng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，其特征在于， 所述的電池采用鋰離子電池。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，其特征在于， 所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z和電機(jī)R均采用直流無刷伺服電機(jī)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，其特征在于， 所述的ARM采用STM32F407。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，其特征在于， 所述的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第三驅(qū)動(dòng)信號(hào)和第四驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，其特征在于， 所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器還包括加速度計(jì)和陀螺儀，所述的加 速度計(jì)和陀螺儀設(shè)置在機(jī)器人電動(dòng)病床上。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，其特征在于， 所述的雙核雙輪驅(qū)動(dòng)自由升降機(jī)器人電動(dòng)病床控制器還設(shè)置有人機(jī)界面程序和運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)，所述的人機(jī)界面程序包括人機(jī)界面、區(qū)域規(guī)劃以及在線輸出，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包 括基于MC2340四軸直流無刷電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及I/O控制，所述的基于MC2340四軸 直流無刷電機(jī)伺服控制包括基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)伺服控制和基于 MC2340兩軸直流無刷電機(jī)自由升降伺服控制，其中，基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)雙輪驅(qū) 動(dòng)伺服控制和基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)自由升降伺服控制均包括磁電編碼器模塊、基 于磁電編碼器加速度模塊、基于磁電編碼器速度模塊以及基于磁電編碼器位移模塊。
【文檔編號(hào)】A61G7/018GK106074045SQ201610600759
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月28日 公開號(hào)201610600759.2, CN 106074045 A, CN 106074045A, CN 201610600759, CN-A-106074045, CN106074045 A, CN106074045A, CN201610600759, CN201610600759.2
【發(fā)明人】張好明
【申請(qǐng)人】江蘇若博機(jī)器人科技有限公司