一種三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R以及電機(jī)W，所述的控制板采用三核控制器，包括ARM、MC2340和MC2320，通過磁電編碼器由所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)W控制所述的機(jī)器人電動病床的前進(jìn)、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向和升降運(yùn)動。通過上述方式，本發(fā)明當(dāng)爬坡需要更多能量時，開啟助力電機(jī)起到功率補(bǔ)償作用，可以很好的通過電動助力減少護(hù)工或者護(hù)士人員的勞動量和勞動強(qiáng)度，同時在電動病床的頭部和尾部均加入一軸電動升降裝置，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病床的需求。
【專利說明】
一種三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種三核三輪驅(qū)動、可以自動升降機(jī)器人電動病床自動控制系統(tǒng)，屬 于自動電動病床領(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化，家庭病床、社區(qū)醫(yī)院病床也已經(jīng)使用多功能電動床。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;可控制電動病床是相對高級的自動化產(chǎn)品，具有省時省力的優(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的范圍內(nèi)，提高了控制的自由度。 通過附件升級，還可以實(shí)現(xiàn)權(quán)限分配。電動驅(qū)動產(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)用電動病床領(lǐng)域的研究開發(fā)相對滯后，整體水平不高，現(xiàn)國內(nèi)各級醫(yī)院 均是采用普通的機(jī)械病床：由床腿、床體和床面組成。為了移動方便移動，一般均在床腿上 設(shè)置機(jī)械滾動滑輪;為了方便病人坐起，均在床頭部分設(shè)置機(jī)械手動搖起裝置。對于這類型 病床，一般均需要護(hù)理人員幫助，很難獨(dú)自完成，同時病床功能單一，實(shí)用性能不強(qiáng)。
[0004] 長時間運(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 一個封閉的環(huán)境中，隨著病人長時間的住院，對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)人員移動病床到某個 空間，但是由于病床移動隨意性較大，有時候會出現(xiàn)誤操作，甚至有時候會傷害到病人； (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)械萬向輪移動病人使得護(hù)士人員非常吃力，加重了勞動強(qiáng)度； (4) 隨著老齡化的加重，大量的老人也加重了對病床的需求，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)工人員的勞動強(qiáng)度； (5) 所有的機(jī)械病床一般均固定在某個位置，一旦需要移動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 作的自動化程度比較低，通過病房門口都需要點(diǎn)時間調(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，也加大了護(hù)工人員的勞動量，特別是通過爬坡的地方時，對護(hù)工人員的體 力提出了更高的要求； (8) 雖然單輪驅(qū)動的電動病床可以很好的滿足對病床速度和方向的解耦，但是單輪驅(qū) 動的行走電機(jī)功率較大，有時候會造成大馬拉小車的現(xiàn)象出現(xiàn)； (9) 由于單輪驅(qū)動的電動病床動力與地面的接觸點(diǎn)只有一個，造成人為很難精確控制 其移動的方向，輕微的一點(diǎn)干擾就能造成較大的方向改變； (10) 雖然雙輪驅(qū)動可以削弱單輪驅(qū)動的部分缺點(diǎn)，但是機(jī)器人電動病床在爬坡的時候 如果通過電機(jī)過載來滿足功率要求，長時間的運(yùn)行會傷害電機(jī)的性能，造成系統(tǒng)的可靠性 大幅度降低； (11) 機(jī)器人電動病床在許多緊急狀態(tài)下需要快速加速和以較高的速度運(yùn)行，在這種條 件下系統(tǒng)需求的功率較大，滿足正常行駛的兩輪電機(jī)功率無法滿足加速要求，系統(tǒng)無法滿 足緊急狀況下的功率要求； (12) 現(xiàn)有的機(jī)械病床一般均在病床的頭部設(shè)置了一個搖動杠杠，當(dāng)病人需要抬起頭部 或者是需要仰起上半身時，均有護(hù)理人員搖動杠杠達(dá)到升起部分病床的目的，病床的自動 化程度較低，而且加重了護(hù)理人員的勞動量； (13) 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，對于長時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； (14) 現(xiàn)有的機(jī)械病床或簡易的電動病床在推離病人離開病房時，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，有時對病人的心理傷害非常嚴(yán)重； (15) 基于單核控制的機(jī)器人電動病床，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)，且有時候由于處理數(shù)據(jù)較多導(dǎo)致機(jī)器人病床失控； (16) 由于機(jī)器人電動病床在運(yùn)行過程中頻繁的剎車和啟動，加重了單核控制器的工作 量，單核控制器無法滿足機(jī)器人電動病床快速啟動和停止的要求； (17) 由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單核機(jī)器人電動病床控制器經(jīng)常會出現(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)問題是提供一種三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床 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)+MC2340+MC2320的基于兩輪差速和單輪助力的三軸 驅(qū)動、兩軸自由升降五軸機(jī)器人電動病床。此機(jī)器人控制系統(tǒng)以MC2340和MC2320為處理核 心，實(shí)現(xiàn)五軸直流無刷伺服電機(jī)的同步伺服控制，STM32F407實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號的數(shù)字信 號實(shí)時處理，并實(shí)時相應(yīng)各種中斷保護(hù)請求，并實(shí)現(xiàn)與MC2340和MC2320數(shù)據(jù)通信。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供了一種三核三輪驅(qū)動 自由升降機(jī)器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R 以及電機(jī)W，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動所述的控制板，所述的控制板采用三核控 制器，包括ARM、MC2340和MC2320,所述的ARM、MC2340和MC2320進(jìn)行通信連接，由所述的 MC2340和MC2320發(fā)出第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號和第五驅(qū) 動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信 號經(jīng)驅(qū)動放大后分別驅(qū)動所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)W，所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、 電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)W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、 電機(jī)R和電機(jī)W控制所述的機(jī)器人電動病床的前進(jìn)、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向和升降運(yùn)動。
[0007] 在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0008]在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)W均米用直 流無刷伺服電機(jī)。
[0009] 在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的ARM采用STM32F407。
[0010] 在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信 號、第四驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信號均為PWM波驅(qū)動信號。
[0011]在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制 器還包括加速度計和陀螺儀，所述的加速度計和陀螺儀設(shè)置在機(jī)器人電動病床上。
[0012] 在本發(fā)明一個較佳實(shí)施例中，所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制 器還設(shè)置有人機(jī)界面程序和運(yùn)動控制系統(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)動控制系統(tǒng)包括基于MC23XX五軸直流無刷電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存 儲以及I/O控制，所述的基于MC23XX五軸直流無刷電機(jī)伺服控制包括基于MC2340兩軸直流 無刷電機(jī)雙輪差速行駛單輪助力驅(qū)動伺服控制和基于MC2320兩軸直流無刷電機(jī)升降伺服 控制，其中，基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)雙輪差速行駛單輪助力驅(qū)動伺服控制和基于 MC2320兩軸直流無刷電機(jī)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)明的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器， 設(shè)計了一款基于伺服專用控制芯片MC2340和MC2320的三核三輪驅(qū)動、兩軸自由升降病床的 五軸機(jī)器人電動病床，這種病床在保證控制器穩(wěn)定性的前提下，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，當(dāng)爬坡需要更多能量時，開啟助力電機(jī) 起到功率補(bǔ)償作用，可以很好的通過電動助力減少護(hù)工或者護(hù)士人員的勞動量和勞動強(qiáng) 度，同時在電動病床的頭部和尾部均加入一軸電動升降裝置，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)器人電動病床具有多種功能，可以滿足不同條 件下病人對病床的需求。
【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，對于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，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+MC2320的五軸自由升降機(jī)器人電動病床原理圖； 圖2為本發(fā)明三核三輪驅(qū)動、自由升降五軸機(jī)器人電動病床程序框圖； 圖3為三核三輪驅(qū)動、自由升降五軸機(jī)器人電動病床運(yùn)動原理框圖； 圖4為三核三輪驅(qū)動、自由升降五軸機(jī)器人電動病床通過病房門口自動導(dǎo)航原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面將對本發(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： 一種三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、電 機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R以及電機(jī)W，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動所述的控制板， 所述的控制板采用三核控制器，包括ARM、MC2340和MC2320,所述的ARM、MC2340和MC2320進(jìn) 行通信連接，由所述的MC2340和MC2320發(fā)出第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、 第四驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四 驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動放大后分別驅(qū)動所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī) W，所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)W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、電機(jī)R和電機(jī)W控制所述的機(jī)器人電動病床的前進(jìn)、運(yùn)行速度、運(yùn)行 方向和升降運(yùn)動。
[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)γ、電機(jī)z、電機(jī)R和電 機(jī)W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 號處理功能，并提高了運(yùn)行速度;STM32F405X集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外 存接口、實(shí)時時鐘、CRC計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 信號處理功能混合的數(shù)字信號控制需求。高效的信號處理功能與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，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)的存儲處理能力。
[0020] 美國PMD(Performance Motion Devices)運(yùn)動控制芯片可以控制單軸和多軸無刷 直流電機(jī)，它由一個主機(jī)通過下列方式驅(qū)動:8或者16位并行總線，CAN總線2. OB，或者一個 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 對雙邊矩形濾波來對復(fù)雜負(fù)載做復(fù)雜控制。MC23XX系列運(yùn)動控制芯片是PMD公司基于高性 能運(yùn)動控制開發(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機(jī)器人電動病床，本發(fā)明電動病床驅(qū)動部分采用輪式結(jié)構(gòu)， 因為相對于步行、爬行或其它非輪式的移動機(jī)器人，輪式機(jī)器人具有行動快捷、工作效率 高、結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢。
[0022] 由于本機(jī)器人電動病床既要考慮其運(yùn)行速度，又要考慮其運(yùn)行方向以及加速和爬 坡時功率需求，為了優(yōu)化系統(tǒng)能源利用率且滿足不同狀況下的功率需求，本發(fā)明采用三個 電機(jī)來完成系統(tǒng)對功率的不同需求:通過兩軸電機(jī)差速行駛來實(shí)現(xiàn)速度和方向的調(diào)控，并 且兩輪差速行駛的兩個電機(jī)功率大小相等，功率加起來可以滿足正常行駛時的功率要求； 加速和爬坡需要電動助力時，系統(tǒng)開啟助力電機(jī)滿足爬坡功率滿足。這樣既不傷害兩輪差 速電機(jī)，也可以進(jìn)一步減少其功率。在正常行駛條件下，為了調(diào)整電動病床的行駛方向，通 常改變兩臺電機(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)時偶爾 會產(chǎn)生火花，而醫(yī)院病房又是一個特殊的場合，任何火花都可能會對病人的氧氣瓶和吸氧 裝置產(chǎn)生潛在的危險，因此，本發(fā)明中負(fù)責(zé)機(jī)器人行走功能的兩臺差速行駛電機(jī)和爬坡助 力電機(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)器人病床自動升降部分電動病床機(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，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升 降床體的頭部；當(dāng)病人需要抬起或者是下放腿部時，基于單軸直流無刷伺服電機(jī)的腿部伺 服控制部分工作自動升降床體的尾部;二者也可以同時工作，達(dá)到一起升降電動病床的功 能；當(dāng)病人需要休息時，只要按下恢復(fù)鍵，不論當(dāng)前電動病床的姿態(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)器人電動病床既要適應(yīng)病房中相對干凈的環(huán)境，又要適應(yīng)病房 外相對灰塵較多的骯臟環(huán)境，為了減少灰塵對電機(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、 M4和M5,傳感器[、12、13、14和15可以有效測量出五軸直流無刷伺服電機(jī)運(yùn)動時的速度和 位移，為機(jī)器人電動病床五軸同步三閉環(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和陀螺儀;所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū) 動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信號均為PWM波驅(qū)動信號。
[0026] 為了提高機(jī)器人電動病床在行走過程中導(dǎo)航的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動精確調(diào)整 以及計算加速爬坡時需要的功率，本發(fā)明在機(jī)器人電動病床伺服硬件系統(tǒng)中加入了三軸加 速度計A1。在機(jī)器人電動病床行走期間全程開啟加速度計Al，加速度計Al用來測量機(jī)器人 病床三個前進(jìn)方向的加速度，根據(jù)測得的加速度控制器通過連續(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，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，控制器在一個新的采樣周期立即對其位置補(bǔ)償，避免機(jī)器人電動病床在行走過程 中因為傾斜過大而發(fā)生危險，提高了其快速行走導(dǎo)航時的穩(wěn)定性;如果對加速度計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 )+MC2340+MC2320的基于兩輪差速和單輪助力 的三軸驅(qū)動、兩軸自由升降五軸機(jī)器人電動病床。此機(jī)器人控制系統(tǒng)以MC2340和MC2320為 處理核心，實(shí)現(xiàn)五軸直流無刷伺服電機(jī)的同步伺服控制，STM32F407實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號的 數(shù)字信號實(shí)時處理，并實(shí)時相應(yīng)各種中斷保護(hù)請求，并實(shí)現(xiàn)與MC2340和MC2320數(shù)據(jù)通信。 [0028]如圖2所示，所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器還設(shè)置有人機(jī) 界面程序和運(yùn)動控制系統(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)動控制系統(tǒng)包括基于MC23XX五軸直流無刷電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲以及I/O控制，所 述的基于MC23XX五軸直流無刷電機(jī)伺服控制包括基于MC2340兩軸直流無刷電機(jī)雙輪差速 行駛單輪助力驅(qū)動伺服控制和基于MC2320兩軸直流無刷電機(jī)升降伺服控制，其中，基于 MC2340兩軸直流無刷電機(jī)雙輪差速行駛單輪助力驅(qū)動伺服控制和基于MC2320兩軸直流無 刷電機(jī)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)、專用運(yùn)動 控制芯片MC2340和MC2320,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系統(tǒng)的作用，實(shí)現(xiàn)單一控制器同步控制五軸直流無刷伺服電機(jī)的功 能。機(jī)器人電動病床充分發(fā)揮專用運(yùn)動控制芯片MC23XX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)采集與存儲等功 能，同時實(shí)時相應(yīng)各種中斷。
[0030] 對于本文設(shè)計的基于ARM(STM32F407 )+MC2340+MC2320三核機(jī)器人電動病床控制 器，在電源打開狀態(tài)下，人機(jī)界面先工作，如果確實(shí)需要移動電動病床，護(hù)工人員、護(hù)士人員 輸入各自的權(quán)限密碼，ARM(STM32F407)使能MC23XX機(jī)器人電動病床才可能在屋子里移動， 否則機(jī)器人電動病床就待在原地等待權(quán)限開啟命令;如果機(jī)器人電動病床需要推出病房， 此時醫(yī)院負(fù)責(zé)人需要開啟自己的權(quán)限密碼，否則機(jī)器人電動病床一旦移動到門口位置被門 口監(jiān)控傳感器探測到，檢測系統(tǒng)會觸發(fā)控制器上的傳感器，MC23XX伺服控制器鎖死當(dāng)前的 機(jī)器人電動病床并通過STM32F407發(fā)出誤操作警報。在正常運(yùn)動狀態(tài)下，機(jī)器人電動病床通 過各種傳感器讀取外部環(huán)境比反饋參數(shù)給STM32F407，由ARM(STM32F407 )處理后與MC23XX 通訊，由MC23XX生成兩軸自由升降、兩軸差速行駛和單軸助力的直流無刷伺服電機(jī)的五軸 同步控制PffM信號，PffM波信號經(jīng)驅(qū)動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，PWM波信號經(jīng)驅(qū)動放大后驅(qū)動直流無刷電機(jī)X和直流無刷電機(jī)Y向前運(yùn)動，其運(yùn)動 速度和位移被相對應(yīng)的磁電編碼器Ml和M2反饋給STM32F407,由STM32F407轉(zhuǎn)化后與MC23XX 通訊，由MC23XX二次調(diào)整兩軸同步PffM控制信號以滿足實(shí)際工作需求;在加速行駛或爬坡狀 態(tài)下，機(jī)器人電動病床通過各種傳感器讀取外部環(huán)境比反饋參數(shù)給STM32F407,由 STM32F407處理后轉(zhuǎn)化后與MC23XX通訊，由MC23XX生成三軸直流無刷伺服電機(jī)的同步控制 PWM信號，PWM波信號經(jīng)驅(qū)動放大后驅(qū)動直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y和直流無刷伺服電 機(jī)W向前運(yùn)動，其運(yùn)動速度和位移被相對應(yīng)的磁電編碼器Ml、M2和M3反饋給STM32F407，由 STM32F407處理后與MC23XX通訊，由MC23XX二次調(diào)整三軸同步PffM控制信號以滿足實(shí)際工作 需求。機(jī)器人電動床在運(yùn)行過程中，人機(jī)界面在線存儲并輸出當(dāng)前狀態(tài)，使得處理比較直 觀。
[0031]參照圖2,具體實(shí)施步驟是： 把醫(yī)用電動床控制系統(tǒng)分為兩部分:人機(jī)界面系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(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MC23XX運(yùn)動控制系統(tǒng)完成電動病床的多 軸伺服控制，而ARM(STM32F407 )實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、I/O控制等功能，系統(tǒng)充分發(fā)揮MC23XX伺服 處理器的優(yōu)點(diǎn)，同時由STM32F407實(shí)時處理各種傳感器信號。
[0032]參照圖2、圖3和圖4,其具體的功能實(shí)現(xiàn)如下： 1) 在機(jī)器人電動病床未接到任何指令之前，它一般會和普通醫(yī)用病床沒有區(qū)別，被固 定在某一個區(qū)域，交流電源對系統(tǒng)中的蓄電池充電，保證機(jī)器人電動病床有足夠的能源完 成任務(wù)； 2) -旦接到主控器發(fā)出的工作命令后，為了防止機(jī)器人電動病床的移動損害充電連接 線，STM32F407控制器會自動斷開連接線與交流電源的連接，機(jī)器人電動病床轉(zhuǎn)為蓄電池 供電狀態(tài)； 3) 為了防止誤操作，本發(fā)明采用三級啟動權(quán)限，當(dāng)確定需要移動機(jī)器人電動病床時，如 果只是在病房內(nèi)部移動機(jī)器人電動病床，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;如果是需要推動機(jī)器人電動病床走出病房，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； 4) 當(dāng)機(jī)器人電動病床開啟行走模式后，一旦啟動鍵SS按下，系統(tǒng)首先完成初始化并檢 測電源電壓，如果蓄電池電源不正常，將向STM32F407發(fā)出中斷請求，STM32F407會對中斷 做第一時間響應(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，電動床機(jī)器人將開始正常工作； 5) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有頭部上升按鈕SHF被觸發(fā)， 機(jī)器人電動病床將開始做病床頭部上升部分的運(yùn)動，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 MC2320通訊，MC2320再結(jié)合電機(jī)Z對應(yīng)的磁電傳感器M3的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無 刷伺服電機(jī)Z的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)Z正向運(yùn)動，機(jī) 器人電動病床開始緩緩升起，在運(yùn)動過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上 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，護(hù)理人員只要同時按下啟動鍵SS和頭部下降按鈕SHB，機(jī)器人電動病床將開始做病 床頭部下降部分的運(yùn)動，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MC2320通訊，MC2320再結(jié)合電 機(jī)Z對應(yīng)的磁電傳感器M3的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)Z的驅(qū)動信號，驅(qū)動 信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)Z反向運(yùn)動，機(jī)器人電動病床開始緩緩下降，在 運(yùn)動過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上升按鈕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; 6)當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有腿部上升按鈕SLF被觸發(fā)， 機(jī)器人電動病床將開始做病床腿部上升部分的運(yùn)動，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 MC2320通訊，MC2320再結(jié)合電機(jī)R對應(yīng)的磁電傳感器M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無 刷伺服電機(jī)R的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)R正向運(yùn)動，機(jī) 器人電動病床開始緩緩升起，在運(yùn)動過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上 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，護(hù)理人員只要同時按下啟動鍵SS和頭部下降按鈕SLB，機(jī)器人電動病床將開始做病 床腿部下降部分的運(yùn)動，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MC2320通訊，MC2320再結(jié)合電 機(jī)R對應(yīng)的磁電傳感器M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)R的驅(qū)動信號，驅(qū)動 信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)R反向運(yùn)動，機(jī)器人電動病床開始緩緩下降，在 運(yùn)動過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上升按鈕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; 7) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時恢復(fù)按鈕SFF被觸發(fā)，機(jī)器人電 動病床根據(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MC2320通訊，MC2320再結(jié)合電機(jī)Z和 電機(jī)R對應(yīng)的磁電傳感器M3、M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)Z和電機(jī)R的 驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)Z和電機(jī)R運(yùn)動，床體被恢復(fù)到 自然狀態(tài)； 8) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，STM32F407控制器將檢測側(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)動部分需要旋轉(zhuǎn)角 度沒=SOe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M1、M2的反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率 橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y以相反的方向運(yùn)動，在運(yùn)動過程Ml和M2實(shí)時反饋 電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)給STM32F407，STM32F407轉(zhuǎn)化后于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，使得旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)完成側(cè)轉(zhuǎn)!JOli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，并未改變電動病床的方向，提高了 機(jī)器人電動病床在狹小空間的實(shí)用性； 9) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時前進(jìn)按鈕SF被觸發(fā)，系統(tǒng)會對 加速按鍵SA進(jìn)行判斷，如果系統(tǒng)確定加速按鍵SA已經(jīng)觸發(fā)，說明機(jī)器人電動病床需要加速 或者是爬坡，此時控制器會根據(jù)需要對機(jī)器人所需要的功率進(jìn)行優(yōu)化分配，然后開啟三軸 電機(jī)同步伺服控制模式;根據(jù)加速度和速度要求，STM32F407結(jié)合直流無刷電機(jī)X、電機(jī)Y和 電機(jī)W配備的磁電編碼器Ml、M2和M3的反饋于MC2340通訊，MC2340生成驅(qū)動三軸直流無刷電 機(jī)的PffM驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動器放大后驅(qū)動三軸電機(jī)向前運(yùn)動，在此過程中磁電編碼 器Ml、M2和M3實(shí)時向STM32F407反饋其位移信號，STM32F407把此位移信號轉(zhuǎn)化為機(jī)器人電 動病床的實(shí)際運(yùn)行距離;在運(yùn)動過程中，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，STM32F407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、電機(jī)Y、電機(jī)W的PWM輸出，控制機(jī)器人電動病床在安全范圍內(nèi)停車， 控制器并開啟一個三秒的計時，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消息，則機(jī)器人電動病床將按照當(dāng)前路徑繼續(xù)啟動前進(jìn)； 在機(jī)器人電動病床運(yùn)動過程中，磁電傳感器Ml、M2和M3會時刻檢測直流無刷伺服電機(jī)X、電 機(jī)Y和電機(jī)W的運(yùn)動速度和位移，并反饋給STM32F407,由STM32F407轉(zhuǎn)化后于MC2340通訊， MC2340二次調(diào)整直流無刷電機(jī)X、電機(jī)Y和電機(jī)W的PffM波控制信號以滿足實(shí)際需求； 10) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有前進(jìn)按鈕SF被觸發(fā)，加速 按鍵SA未被觸發(fā)，機(jī)器人電動病床將開始向前按照正常速度運(yùn)動：電機(jī)X和電機(jī)Y被啟動，電 機(jī)W被釋放；在運(yùn)動過程中，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，STM32F407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)器人電動病床在安全范圍內(nèi)停車，控制器并開啟一 個三秒的計時，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 三秒后障礙物信號消息，則機(jī)器人電動病床將按照當(dāng)前路徑繼續(xù)啟動前進(jìn);在機(jī)器人電動 病床運(yùn)動過程中，磁電傳感器Ml、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動速度和 位移，并反饋給STM32F407，由STM32F407處理后于MC2340通訊，MC2340二次調(diào)整直流無刷電 機(jī)X和電機(jī)Y的PWM波控制信號以滿足實(shí)際需求； 11) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時后退按鈕SB也被觸發(fā)，無論加 速按鍵SA是否被觸發(fā)，機(jī)器人電動病床都將以設(shè)定的正常速度開始后退運(yùn)動，STM32F407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PffM輸出，控 制機(jī)器人電動病床按照設(shè)定速度緩慢后退;在后退運(yùn)動過程中，磁電傳感器M1、M2會時刻檢 測直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動速度和位移，并反饋給STM32F407，STM32F407根據(jù) 磁電傳感器Ml和M2的速度和位移反饋處理后于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PWM輸出，保證機(jī)器人電動病床在安全速度范圍內(nèi)運(yùn)行，防止速度過快機(jī)器 人電動病床推倒護(hù)工人員； 12) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn)按鈕SF被 觸發(fā)，無論加速按鍵SA是否被觸發(fā)，機(jī)器人電動病床都將以設(shè)定好的正常速度開始側(cè)向右 移，在運(yùn)動過程中，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， STM32F407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 P麗輸出，控制機(jī)器人電動病床在安全范圍內(nèi)停車，控制器并開啟一個三秒的計時，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)出停車報警;如果三秒后障礙物信號消 息，則機(jī)器人電動病床將按照當(dāng)前軌跡繼續(xù)側(cè)向右移;在機(jī)器人電動病床側(cè)向右移過程中， 磁電傳感器Ml、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動速度和位移，并反饋給 STM32F407，由STM32F407處理后于MC2340通訊，MC2340二次調(diào)整電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動參 數(shù)，保證系統(tǒng)滿足行走要求； 13) 當(dāng)STM32F407控制器檢測到啟動鍵SS-旦按下，如果此時轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn)按鈕 SB被觸發(fā)，無論加速按鍵SA是否被觸發(fā)，機(jī)器人電動病床都將以設(shè)定好的正常速度開始側(cè) 向左移;在運(yùn)動過程中，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)動前方有障礙物 時，STM32F407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PffM輸出，控制機(jī)器人電動病床在安全范圍內(nèi)停車，控制器并開啟一個三秒的計時，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)出停車報警;如果三秒后障礙物信號 消息，則機(jī)器人電動病床將按照當(dāng)前軌跡繼續(xù)側(cè)向左移;在機(jī)器人電動病床側(cè)向左移過程 中，磁電傳感器Ml、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動速度和位移，并反饋給 STM32F407，由STM32F407處理后于MC2340通訊，MC2340二次調(diào)整電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動參 數(shù)，保證系統(tǒng)滿足實(shí)際需求； 14) 當(dāng)機(jī)器人電動病床需要移出病房時，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)器人電動病床推到帶有地面導(dǎo)航標(biāo)志的位置，機(jī) 器人電動病床進(jìn)入自動導(dǎo)航狀態(tài):其導(dǎo)航的光電傳感器31、32、53、54、55將工作，地面標(biāo)志 反射回來的光電信號反饋給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)動直流無刷 伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號放大后驅(qū)動直流無刷電機(jī)X和電機(jī)Y向前運(yùn)動，快 速調(diào)整機(jī)器人電動病床迅速回到導(dǎo)航軌道中心；機(jī)器人電動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)動信號，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)器人電動病床就停在原 地等待人為移動信號，防止誤操作； 15) 本機(jī)器人電動病床在運(yùn)動過程為了防止護(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，控制器一旦檢測到 緊急中斷請求會發(fā)出原地停車指令，MC2340伺服驅(qū)動器封鎖直流無刷伺服電機(jī)X、電機(jī)Y和 電機(jī)W的PffM波信號，即使電動病床多個萬向輪都處于可以滑動狀態(tài)，由于行走電機(jī)X、電機(jī)Y 和電機(jī)W處于鎖死狀態(tài)，這樣機(jī)器人電動病床也不會運(yùn)動，保證了機(jī)器人在緊急狀況下的安 全性； 16) 本發(fā)明在機(jī)器人電動病床上加入了濕度檢測系統(tǒng);此濕度檢測系統(tǒng)由濕敏傳感器、 測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，濕度檢測系統(tǒng)會工作，將發(fā)出報警信號，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； 17) 本電動床裝備了多種防障礙物報警系統(tǒng)，機(jī)器人障礙物探測系統(tǒng)可以在機(jī)器人病 床碰撞到障礙物之前自動探測到障礙物的存在并通過控制器協(xié)助自動停車，并根據(jù)障礙物 的性質(zhì)確定二次啟動或是一直待在原地不動，這樣就保證了機(jī)器人病床在運(yùn)動過程中對周 圍環(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對其的干擾； 18) 在機(jī)器人電動病床行走過程中，直流無刷伺服電機(jī)經(jīng)常會受到外界因素干擾，為了 減少電機(jī)的脈動轉(zhuǎn)矩對機(jī)器人行走的影響，控制器在考慮電機(jī)特性的基礎(chǔ)上加入了對電機(jī) 轉(zhuǎn)矩的在線辨識，并利用電機(jī)力矩與電流的關(guān)系進(jìn)行及時補(bǔ)償，削弱了外界環(huán)境對機(jī)器人 運(yùn)動的影響； 19) 在機(jī)器人電動病床行走期間伺服控制器全程開啟加速度計Al，加速度計Al可以測 量機(jī)器人病床三個前進(jìn)方向的加速度，控制器根據(jù)測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)；同時當(dāng)機(jī)器人病床的姿態(tài)發(fā)生變化 時，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 就可以大致計算出功率需求，然后調(diào)整各臺直流無刷伺服電機(jī)的功率以滿足爬坡和加速需 要;控制器通過對加速度計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 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)時進(jìn)行存儲和顯示。
[0033]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系統(tǒng)中的作用，基于ARM(STM32F407)+MC23XX 控制器時刻都在對機(jī)器人電動病床的運(yùn)行狀態(tài)和電源來源進(jìn)行監(jiān)測和運(yùn)算，當(dāng)交流電源切 斷時，病床會借助自攜帶蓄電池電源自鎖在固定位置，直至有移動病床的開關(guān)信號輸入，保 證了病床的自然狀態(tài)； 2:為了方便使用，減少外界對病床的干擾，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)限才可以啟動機(jī)器人電動病床，減少了誤操作的危險； 3:為了方便病人自理，減少對外界條件的依賴，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； 4:由于此電動病床加入了基于蓄電池的動力助力裝置，即使碰到病人身體肥胖或者護(hù) 理人員身體瘦弱時，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 動病床提供動力，減少了護(hù)士或者護(hù)工人員在屋子里移動病床的體力消耗和勞動強(qiáng)度； 5:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動系統(tǒng)，使得病床可以 在屋子里實(shí)現(xiàn)自由移動，減少了病人在某一個固定位置的壓抑感； 6:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動系統(tǒng)，使得單臺電機(jī) 的功率大大降低，并且動力與地面的接觸點(diǎn)有兩點(diǎn)，有利于提高電動病床行駛時的操控性； 7:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的單軸加速助力系統(tǒng)，使得兩臺差速 行駛電機(jī)的功率可以進(jìn)一步降低，并且動力與地面的接觸點(diǎn)有三點(diǎn)，在需要加速或者爬坡 時可以通過開啟助力電機(jī)滿足功率要求，在正常行駛時可以釋放加速電機(jī)，起到一個觸點(diǎn) 的左右，有利于提尚電動病床彳丁駛時的操控性； 8:由于加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動系統(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，減少機(jī)器人旋轉(zhuǎn)帶來的負(fù)面問題； 9:當(dāng)機(jī)器人電動病床遇到爬坡的時，由于自身攜帶的有動力能源，所以可以通過助力 電機(jī)很好的起到助力作用，并且三輪驅(qū)動的動力特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于雙輪驅(qū)動，進(jìn)一步減少了 對護(hù)工人員體力的要求； 10:由MC23XX處理兩軸差速行駛、單軸助力和兩軸升降五軸電機(jī)的全數(shù)字伺服控制，大 大提高了運(yùn)算速度，解決了單核控制器運(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)； 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)控制信號的同步，有利于提高醫(yī)用機(jī)器人電動病床的穩(wěn)定性和動態(tài)性能； 12:由于本控制器采用MC23XX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)； 13:本機(jī)器人電動病床加入了自動鎖車功能，當(dāng)病床機(jī)器人在移動過程中，如遇到緊急 情況，控制器會發(fā)出原地停車指令，并鎖死兩輪差速行駛電機(jī)，即使多個萬向輪都處于可以 滑動狀態(tài)，但由于驅(qū)動輪處于鎖死狀態(tài)，這樣機(jī)器人也不會運(yùn)動； 14: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)志就會自動導(dǎo)航，減少人工移動病床帶來的誤差； 15:本電動床機(jī)器人裝備了多種報警系統(tǒng)，在碰撞到障礙物之前自動停車，這樣就保證 了在運(yùn)動過程中的安全性，減少了環(huán)境對其的干擾； 16:由于本機(jī)器人電動病床系統(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)器人電動病床在攜帶能源一定 的條件下一次移動的距離； 17:由于本機(jī)器人電動病床系統(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 動轉(zhuǎn)矩時，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 干擾對機(jī)器人電動病床的影響； 18:本機(jī)器人電動病床加入了濕度檢測系統(tǒng);此濕度檢測系統(tǒng)由濕敏傳感器、測量電路 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，濕度檢測系統(tǒng)會工作，發(fā)出更換請求； 19: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，護(hù)理人員可以通過按鍵達(dá)到升起病床前部，病床的自動化程 度進(jìn)一步得到提升，減少了護(hù)理人員的勞動量； 20: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，護(hù)理人員可以通過按鍵達(dá)到升起或降低病床后部，病床的自動化程度進(jìn) 一步得到提升，減少了護(hù)理人員的勞動量； 21:基于前后兩軸直流無刷伺服升降裝置組合使得機(jī)器人電動病床具有各種機(jī)械組 合，在推離病人離開病房時，可以根據(jù)病人的病情自由調(diào)節(jié)病床的姿勢，滿足了不同病人的 心理要求； 22:加速度計Al用來測量機(jī)器人病床三個前進(jìn)方向的加速度，控制器根據(jù)測得的加速 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)； 23:加速度計Al可以提高機(jī)器人電動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 動精確調(diào)整、計算加速爬坡時需要的功率。
[0034]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】
1. 一種三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，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、電機(jī)R以及電機(jī)W，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動所 述的控制板，所述的控制板采用三核控制器，包括ARM、MC2340和MC2320,所述的ARM、MC2340 和MC2320進(jìn)行通信連接，由所述的MC2340和MC2320發(fā)出第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三 驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動 信號、第四驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動放大后分別驅(qū)動所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電 機(jī)R和電機(jī)W，所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)W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、電機(jī)R和電機(jī)W控制所述的機(jī)器人電動病床的前進(jìn)、運(yùn)行 速度、運(yùn)行方向和升降運(yùn)動。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，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所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的電機(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z、電機(jī)R和電機(jī)W均采用直流無刷伺服電機(jī)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的ARM采用STM32F407。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號、第四驅(qū)動信號和第五驅(qū)動信號均為 PWM波驅(qū)動信號。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器還包括加速度計和陀螺儀，所述的加 速度計和陀螺儀設(shè)置在機(jī)器人電動病床上。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的三核三輪驅(qū)動自由升降機(jī)器人電動病床控制器還設(shè)置有人機(jī)界面程序和運(yùn)動控制 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)動控制系統(tǒng)包 括基于MC23XX五軸直流無刷電機(jī)伺服控制、數(shù)據(jù)存儲以及I/O控制，所述的基于MC23XX五軸 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)雙輪差速行駛單輪助力驅(qū)動伺 服控制和基于MC2320兩軸直流無刷電機(jī)升降伺服控制，其中，基于MC2340兩軸直流無刷電 機(jī)雙輪差速行駛單輪助力驅(qū)動伺服控制和基于MC2320兩軸直流無刷電機(jī)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】G05B19/042GK106074046SQ201610600760
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610600760.5, CN 106074046 A, CN 106074046A, CN 201610600760, CN-A-106074046, CN106074046 A, CN106074046A, CN201610600760, CN201610600760.5
【發(fā)明人】張好明
【申請人】江蘇若博機(jī)器人科技有限公司