一種無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器的制造方法

一種無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、無線控制裝置、第一電機、第二電機以及機器人電動病床，所述的交流電源和電池提供電流驅動所述的控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括DSP和FPGA，所述的機器人電動病床上設有傳感器，所述的DSP接受傳感器反饋的傳感器信號并通過無線控制裝置與外部的護理總站相通訊。通過上述方式，本發明通過電動助力減少護工或者護士人員的勞動量和勞動強度，并且通過無線局域網隨時傳輸電動病床本體和病人信息給護理總站，由護理總站根據需求做出相應的響應，可以滿足不同條件下病人對病床的需求。
【專利說明】
一種無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于無線局域網雙核單輪驅動高速醫用機器人電動病床自動控 制系統，屬于自動電動病床領域。
【背景技術】
[0002] 醫用病床系統是一種用于醫院病房內提供承載患者的設備。目前發達國家醫院中 使用的醫用病床基本上全部自動化，家庭病床、社區醫院病床也已經使用多功能電動床。部 分醫用病床可以通過外力改變形狀達到輔助調整患者體位的目的，其中有些附件具有促進 患者康復的效果;可控制電動病床是相對高級的自動化產品，具有省時省力的優點。由于電 控制的特點，控制鍵可以安裝在任何允許病床接受到信號的范圍內，提高了控制的自由度。 通過附件升級，還可以實現權限分配。電動驅動產品精度更高，便于流水線作業，已作為ICU 重癥監護室、手術室、造影室等中使用的特種醫用病床。
[0003] 我國在醫用電動病床領域的研究開發相對滯后，整體水平不高，現國內各級醫院 均是采用普通的機械病床：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 設置機械滾動滑輪;為了方便病人坐起，均在床頭部分設置機械手動搖起裝置。對于這類型 病床，一般均需要護理人員幫助，很難獨自完成，同時病床功能單一，實用性能不強。
[0004] 長時間運行發現存在著很多安全隱患和不便，即： (1) 現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械萬向輪，可以通過醫護人員移動病床到某個 空間，但是由于病床移動隨意性較大，有時候會出現誤操作，甚至有時候會傷害到病人； (3) 隨著現代人類生活質量的增加，肥胖病人大量增加，而護士人員一般又都比較瘦 小，通過機械萬向輪移動病人使得護士人員非常吃力，加重了勞動強度； (4) 隨著老齡化的加重，大量的老人也加重了對病床的需求，現在的護工人員又比較 少，基于機械萬向輪的病床加重了護工人員的勞動強度； (5) 所有的機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，加重了護工人員的勞動量； (6) 現在的機械病床即使可以通過外力通過病房門口被推到外部環境中，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時間調整病床的姿態才可以通過； (7) 現在的機械病床即使可以通過機械萬向輪的支撐到達病房以外的環境，在調節了 病人身心的同時，也加大了護工人員的勞動量，特別是通過爬坡的地方時，對護工人員的體 力提出了更高的要求； (8) 基于單核控制的機器人電動病床，既要處理多軸電機的伺服控制，又要處理機器人 病床的多種傳感器采樣數據，由于單核處理器處理的數據較多，運算速度不是很快，不利于 機器人高速運轉，且有時候由于處理數據較多導致機器人病床失控； (9) 由于機器人電動病床在運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器人電動病床快速啟動和停止的要求； (10) 由于受周圍環境不穩定因素干擾，單核機器人電動病床控制器經常會出現異常， 引起機器人病床在行駛過程中失控，抗干擾能力較差； (11) 對于部分簡易的病床一旦加入電動助力部分可以很容易離開病房，一旦電動病床 離開病房即使電動病床本體出現問題和病人發生危險，醫護人員再也無法獲取其任何信 息； (12) 由于老齡化的加重，護工非常短缺，對于部分短時自己護理自己的病人來說，即使 在病房內發生危險也無法與醫護人員和護工及時溝通，有時候會造成一定的傷害； (13) 為了能夠保護電動病床不被誤操作，機器人病床都開啟了多種保護權限，這使得 醫護人員需要現場開啟這些權限才能啟動，加大了醫護人員的工作量，而且非常耗時； (14) 簡易電動病床移動過程中對于病床的參數監測大多數還處于現場監測現場存儲 的控制模式，一旦電動病床出現故障需要生產人員到現場查看與操控，不利于機器人電動 病床高度自動化的發展； (15) 雖然基于專用伺服控制芯片可以生成多軸電機的PWM控制信號，但是需要主控制 器與專用芯片通訊后輸入控制參數才可以實現，造成整體運算速度降低； (16) 受專用伺服控制芯片內部伺服程序的影響，一般情況下伺服控制PID參數不能實 時更改，滿足不了電動病床實時快速伺服控制系統的要求。

【發明內容】

[0005] 本發明主要解決的技術問題是提供一種無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床 控制器，為克服普通醫院病床不能滿足病人實際要求，在吸收國外先進控制思想的前提下， 自主研發了一款無線控制基于DSP(TMS320F2812)+ FPGA(A3P250)的全新雙核單輪驅動高 速機器人電動病床。此機器人控制系統以FPGA(A3P250)為處理核心，實現兩軸直流無刷電 機的同步伺服控制，DSP(TMS320F2812)實現多種傳感器信號的數字信號實時存儲，并實時 相應各種中斷保護請求，并實現與FPGA(A3P250)數據通信，為了實現機器人電動病床的遠 距離控制，本系統加入了基于局域網的無線控制裝置，實現機器人病床與護理總站之間的 數據通信。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供了一種無線雙核單輪 驅動高速機器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、無線控制裝置、第一電機、 第二電機以及機器人電動病床，所述的交流電源和電池提供電流驅動所述的控制板，所述 的控制板采用雙核控制器，包括DSP和FPGA，所述的DSP和FPGA進行通信連接，所述的機器人 電動病床上設有傳感器，所述的DSP接受傳感器反饋的傳感器信號并通過無線控制裝置與 外部的護理總站相通訊，由所述的FPGA發出第一驅動信號和第二驅動信號，所述的第一驅 動信號和第二驅動信號經驅動放大后驅動所述的第一電機和第二電機，所述的第一電機和 第二電機上設置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的第一電機和第二電機控制所述的 機器人電動病床的運行速度和運行方向。
[0007] 在本發明一個較佳實施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0008] 在本發明一個較佳實施例中，所述的第一電機和第二電機均采用高速直流無刷伺 服電機。
[0009] 在本發明一個較佳實施例中，所述的DSP采用TMS320F2812;所述的FPGA采用 A3P250。
[0010] 在本發明一個較佳實施例中，所述的傳感器包括加速度計和陀螺儀。
[0011] 在本發明一個較佳實施例中，所述的第一驅動信號和第二驅動信號均為PWM波控 制信號。
[0012] 在本發明一個較佳實施例中，所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制 器還設置有人機界面程序和運動控制系統，所述的人機界面程序包括人機界面、路徑規劃 以及無線輸出，所述的運動控制系統包括基于FPGA兩軸直流無刷單輪電機伺服控制、無線 數據存儲以及I/O控制，其中，所述的基于FPGA兩軸直流無刷單輪電機伺服控制包括DA模 塊、磁電編碼器模塊、加速度計和陀螺儀加速度模塊、基于磁電傳感器速度模塊以及基于磁 電傳感器位移模塊。
[0013] 本發明的有益效果是:本發明的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器， 設計一款無線控制基于FPGA(A3P250)的雙核單輪驅動的機器人電動病床，這種機器人病床 通過電動助力減少護工或者護士人員的勞動量和勞動強度，而且多種傳感器組合使得機器 人電動病床具有多種功能，并且通過無線局域網隨時傳輸電動病床本體和病人信息給護理 總站，由護理總站根據需求做出相應的響應，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明實施例中的技術方案，下面將對實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明的一些實施例，對于 本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它 的附圖，其中： 圖1為本發明基于DSP+ FPGA無線控制雙核單輪驅動醫用病床原理圖； 圖2為本發明基于DSP+ FPGA無線控制雙核單輪驅動機器人電動病床程序框圖； 圖3為基于DSP+ FPGA無線控制雙核單輪驅動機器人電動病床運動原理框圖； 圖4為無線控制雙核單輪驅動機器人電動病床通過病房門口自動導航原理圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范 圍。
[0016] 如圖1所示，本實施例包括： 一種無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、無 線控制裝置、第一電機、第二電機以及機器人電動病床，所述的交流電源和電池提供電流驅 動所述的控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括DSP和FPGA，所述的DSP和FPGA進行通 信連接，所述的機器人電動病床上設有傳感器，所述的DSP接受傳感器反饋的傳感器信號并 通過無線控制裝置與外部的護理總站相通訊，由所述的FPGA發出第一驅動信號和第二驅動 信號，所述的第一驅動信號和第二驅動信號經驅動放大后驅動所述的第一電機和第二電 機，所述的第一電機和第二電機上設置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的第一電機 和第二電機控制所述的機器人電動病床的運行速度和運行方向。。
[0017] 本實施例中，所述的電池采用鋰離子電池;所述的第一電機和第二電機均采用高 速直流無刷伺服電機。
[0018] 進一步的，所述的DSP采用TMS320F2812;所述的FPGA采用A3P250。
[0019] 隨著微電子技術和計算機集成芯片制造技術的不斷發展和成熟，數字信號處理芯 片DSP由于其快速的計算能力，不僅廣泛應用于通信與視頻信號處理，也逐漸應用在各種高 級的控制系統中。TMS320F2812是美國TI公司推出的C2000平臺上的定點32位DSP芯 片，運行時鐘也快可達150MHz，處理性能可達150MIPS，每條指令周期6.67n S(3TMS320F2812 的IO口非常豐富，具有兩個串口，具有12位的0~3.3v的AD轉換等，具有片內128k X 16位的片 內FLASH，18K X 16位的SRAM，一般的應用系統可以不要外擴存儲器，可以極大地簡化外圍 電路設計，降低系統成本和系統復雜度，也大大提高了數據的存儲處理能力。
[0020] FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，FPGA使得用戶 可以根據自己的設計需要，通過特定的布局布線工具對其內部進行重新組合連接，在最短 的時間內設計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發周期。由于FPGA采用軟件 化的設計思想實現硬件電路的設計，這樣就使得基于FPGA設計的系統具有良好的可復用和 修改性，這種全新的設計思想已經逐漸應用在高性能的交、直流驅動控制上，并快速發展。 它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，即解決了定制電路的不 足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點，可以說，FPGA芯片是小批量系統提高系 統集成度、可靠性的最佳選擇之一。綜合本發明的需要，選用FPGA作為多軸直流無刷伺服電 機的伺服控制調節器，把STM32F407從復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病床，發明的機器人電動病床驅動部分采用輪式結構，因為 相對于步行、爬行或其它非輪式的移動機器人，輪式機器人具有行動快捷、工作效率高、結 構簡單、可控性強、安全性好等優勢。
[0022] 由于本機器人電動病床既要考慮其運行速度，又要考慮其運行方向，只有二者之 間能夠實現解耦，就可以在病房內自由移動，因此，需要兩個電機來完成這個動作，單輪驅 動可以很好的實現速度大小和方向的解耦，因此單輪驅動是一個不錯的選擇。由于直流電 機在高速旋轉時偶爾會產生火花，而醫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生潛在的危險，因此，本發明中的行走驅動電機和負責轉向的 電機均采用直流無刷伺服電機，由于采用霍爾傳感器進行電子換向，有效消除了安全隱患。
[0023] 由于本發明中的機器人電動病床既要適應病房中相對干凈的環境，又要適應病房 外相對灰塵較多的骯臟環境，為了減少灰塵對電機攜帶速度和位移傳感器的影響，本發明 舍棄了傳統系統中常用的光電編碼器，而采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器Ml、M2,傳 感器Ml、M2可以有效測量出兩軸直流無刷伺服電機運動時的速度和位移，為機器人電動病 床兩軸三閉環伺服控制提供了可靠反饋。
[0024] 本實施例中，所述的傳感器包括加速度計和陀螺儀;所述的第一驅動信號和第二 驅動信號均為PWM波控制信號。
[0025] 加速度計傳感器在較長時間的測量值(確定管道機器人航向）是正確的，而在較短 時間內由于信號噪聲的存在，而有一定誤差。陀螺儀在較短時間內則比較準確，而較長時間 則會隨著漂移的存在而產生一定誤差，因此，需要加速度計和陀螺儀相互調整來確保航向 的正確。為了提高機器人電動病床在行走過程中導航的穩定性，實現姿態的自動精確調整 以及計算加速爬坡時需要的功率，本發明在機器人電動病床伺服硬件系統中加入了三軸加 速度計Al和三軸陀螺儀Gl。在機器人電動病床行走期間全程開啟加速度計Al和陀螺儀Gl， 加速度計Al和Gl用來測量機器人病床三個前進方向的加速度和速度，控制器根據測量值然 后通過積分就可以得到其位移，為機器人的三閉環控制提供可靠判據；當機器人病床的姿 態發生變化時，控制器就可以得到其大致傾斜角度，一方面根據角度改變其功率需求，另一 方面當姿態發生較大變化時，控制器在一個新的采樣周期立即對其位置補償，避免機器人 電動病床在行走過程中因為傾斜過大而發生危險，提高了其快速行走導航時的穩定性;如 果對加速度計Al和陀螺儀Gl的值進行連續積分和匹配，且把它變換到導航坐標系中，機器 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院導航坐標系中的加速度、速 度、偏航角和位置等信息，所產生的導航信息連續性好而且噪聲非常低，可以和磁電編碼器 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，極大增強了機器人病 床的行走的安全性和準確性。
[0026] 一旦機器人電動病床離開醫護人員的視線范圍后，為了能夠及時發現和處理機器 人病床出現的問題以及病人在危機時候的呼救請求，電動病床必須加入無線裝置，借助無 線局域網實時傳輸電動病床和病人的各種參數;遇到緊急情況，為了讓醫護人員能夠第一 時間了解現場情況，機器人電動病床必須加入基于CCD的圖像采集系統。無線機器人電動病 床監測和控制系統實時監測已經工作的機器人電動病床:TMS320F2812通過對各種傳感器 對電動病床的運動參數進行實時檢測和儲存，通過無線局域網實現TMS320F2812與護理總 站PC機之間的通信，護理總站可以通過PC機實現對機器人電動病床的實時監控功能。基于 無線局域網機器人電動病床監控和控制系統的使用，有利于科學管理和利用電動病床，可 有效節約能源，極大降低護工和護士的勞動量，對提升城市形象和美譽度將起到積極作用， 同時也會是城市文明史上的一大進步。
[0027] 本發明為克服普通醫院病床不能滿足病人實際要求，在吸收國外先進控制思想的 前提下，自主研發了一款無線控制基于DSP(TMS320F2812)+ FPGA(A3P250)的全新雙核單輪 驅動高速機器人電動病床。此機器人控制系統以FPGA(A3P250)為處理核心，實現兩軸直流 無刷電機的同步伺服控制，DSP(TMS320F2812)實現多種傳感器信號的數字信號實時存儲， 并實時相應各種中斷保護請求，并實現與FPGA(A3P250)數據通信，為了實現機器人電動病 床的遠距離控制，本系統加入了基于局域網的無線控制裝置，實現機器人病床與護理總站 之間的數據通信。
[0028] 如圖2所示，所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器還設置有人機 界面程序和運動控制系統，所述的人機界面程序包括人機界面、路徑規劃以及無線輸出，所 述的運動控制系統包括基于FPGA兩軸直流無刷單輪電機伺服控制、無線數據存儲以及I/O 控制，其中，所述的基于FPGA兩軸直流無刷單輪電機伺服控制包括DA模塊、磁電編碼器模 塊、加速度計和陀螺儀加速度模塊、基于磁電傳感器速度模塊以及基于磁電傳感器位移模 塊。
[0029]為達上述目的，本發明采取以下技術方案，為了提高運算速度，保證機器人電動 病床控制系統的穩定性和可靠性，本發明采用32位高性能DSP (TMS320F2812)和FPGA (A3P250)，舍棄了傳統采用的單一單片機或單一 16位的DSP芯片，此控制器充分考慮蓄電池 在這個系統的作用，實現單一控制器同步控制兩軸直流無刷伺服電機的功能。機器人電動 病床充分發揮FPGA(A3P250)數據處理速度較快的特點，而由TMS320F2812實現人機界面、1/ O控制、路徑導航、無線輸出、數據采集與存儲等功能，同時實時相應各種中斷，并借助無線 局域網實現機器人電動病床本體與護理總站之間的數據通訊，使得護理總站可以實時響應 電動病床的各種中斷。
[0030] 對于本文設計的基于DSP(TMS320F2812)+ FPGA(A3P250)機器人電動病床控制器， 在電源打開狀態下，人機界面先工作，如果確實需要移動電動病床，護工人員、護士人員現 場或者通過無線裝置輸入各自的權限密碼，DSP(TMS320F2812)使能FPGA(A3P250)機器人電 動病床才可能在屋子里移動，否則機器人電動病床就待在原地等待權限開啟命令;如果機 器人電動病床需要推出病房，此時醫院負責人需要現場或者是通過無線開啟自己的權限密 碼，否則機器人電動病床一旦移動到門口位置被門口監控傳感器探測到，檢測系統會觸發 控制器上的傳感器，FPGA(A3P250)鎖死當前的機器人電動病床并通過DSP(TMS320F2812)發 出誤操作警報，DSP(TMS320F2812)開啟圖像采集系統并通過無線網局域網傳輸給護理總 站，使得醫護人員了解機器人電動病床的現場狀況。在正常運動狀態下，機器人電動病床通 過各種傳感器讀取外部環境比反饋參數給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)生成兩軸直流無 刷伺服電機的同步控制P麗信號，P麗波信號經驅動放大后驅動直流無刷電機X和直流無刷 電機Y向前運動，其運動速度和位移被相對應的磁電編碼器Ml和M2反饋給FPGA(A3P250)，由 FPGA(A3P250)二次調整同步Pmi控制信號滿足實際工作需求。電動床在運行過程中，基于 TMS320F2812的人機界面在線存儲并輸出當前狀態，在需要時可以通過無線局域網輸出當 前狀態到護理總站，使得處理比較簡單。
[0031]參照圖2,具體實施步驟是： 把機器人電動床控制系統分為兩部分:人機界面系統和運動控制系統。其中人機界面 系統完成人機界面、路徑規劃、無線輸出等功能;基于FPGA(A3P250)運動控制系統完成電動 病床的多軸伺服控制，而DSP(TMS320F2812)實現數據存儲、I/O控制等功能，系統充分發揮 FPGA(A3P250)處理數據較快的優點，同時由DSP(TMS320F2812)實時處理各種數據的采集和 存儲，并借助無線局域網裝置實現機器人電動病床與護理總站之間的數據通訊。
[0032]參照圖2、圖3和圖4,其具體的功能實現如下： 1) 在機器人電動病床未接到任何指令之前，它一般會和普通醫用病床沒有區別，被固 定在某一個區域，交流電源對系統中的蓄電池充電，保證機器人電動病床有足夠的能源完 成任務； 2) -旦護理總站需要移動病人，通過無線局域網護理總站首先與機器人電動病床通 訊，接到總站發出的中斷后，為了防止機器人電動病床的移動損害充電連接線，DSP (TMS320F2812)控制器會自動斷開連接線與交流電源的連接，機器人電動病床轉為蓄電池 供電狀態； 3) 為了防止誤操作，本發明采用三級啟動權限，當確定需要移動機器人電動病床時，如 果只是在病房內部移動機器人電動病床，則需要護工人員和護士先后通過人機界面或者是 無線裝置輸入權限密碼開啟屋內行走模式;如果是需要推動機器人電動病床走出病房，則 需要護工人員、護士和醫院負責人先后通過人機界面或者無線裝置輸入權限密碼開啟屋外 行走模式； 4) 當機器人電動病床開啟行走模式后，一旦啟動鍵SS按下，系統首先完成DSP (TMS320F2812)和FPGA(A3P250)的初始化并檢測電源電壓，如果蓄電池電源不正常，將向 DSP (TMS320F2812)和FPGA( A3P250)發出中斷請求，DSP (TMS320F2812)和FPGA (A3P250)會對 中斷做第一時間響應，如果DSP(TMS320F2812)和FPGA(A3P250)的中斷響應沒有來得及處 理，車體上的自鎖裝置將被觸發，進而達到自鎖的功能，防止誤操作，然后DSP (TMS320F2812)通過無線裝置向護理總站發出故障中斷請求，由總站進一步檢修機器人電 動病床;如果電源正常，電動床機器人將開始正常工作； 5) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，TMS320F2812控制器將檢測側向轉彎 按鈕SK是否被觸發;如果側向轉彎按鈕SK被觸發，FPGA(A3P250)根據機器人運動部分需要 旋轉角度沒=SO is和其內部梯形發生器，把直流無刷伺服電機Y要運轉的距離SX轉化為加速 度、速度和位置參考指令值，然后再結合電機Y對應的磁電傳感器M2的反饋生成驅動直流無 刷伺服電機Y的驅動信號，驅動信號經功率橋放大后驅動直流無刷伺服電機Y運動，由于直 流無刷電機Y在旋轉過程中通過齒輪結構帶動直流無刷伺服電機X運動；當直流無刷伺服電 機Y完成這次伺服運動，直流無刷伺服電機X已經完成側轉90 1*的任務，由于在此過程中只是 電機Y驅動電機X旋轉90度，并為改變電動病床的方向，提高了機器人電動病床在狹小空間 的實用性;在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際 需要，DSP實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 6) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有前進按鈕SF被觸發，機 器人電動病床將開始向前運動，在運動過程中，機器人攜帶的前方防撞超聲波傳感器S9和 SlO將工作，并向FPGA(A3P250)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，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無 刷伺服電機X的PWM輸出，控制機器人電動病床在安全范圍內停車，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界面改換行走軌跡;如果三秒后 障礙物信號消息，則機器人電動病床將按照當前路徑繼續啟動前進;在機器人電動病床運 動過程中，磁電傳感器Ml、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機X和電機Y的運動速度和位移，并 反饋給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)根據位移、速度和加速度偏差信號二次調整電機X和 電機Y的控制信號；在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以 滿足實際需要，DSP實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 7) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有后退按鈕SB也被觸發， 機器人電動病床將開始后退運動，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷伺服電 機X和Y的ΠΜ輸出，控制機器人電動病床按照設定速度緩慢后退;在后退運動過程中，磁電 傳感器Ml、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機X和電機Y的運動速度和位移，并反饋給FPGA (A3P250)，由FPGA(A3P250)根據位移、速度和加速度偏差信號二次調整電機X和電機Y的控 制信號，保證機器人電動病床在安全速度范圍內運行，防止速度過快機器人電動病床推倒 護工人員；在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際 需要，DSP實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 8) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時轉彎按鈕SK和前進按鈕SF被 觸發，機器人電動病床將開始側向右移，在運動過程中，機器人攜帶的側方防撞超聲波傳感 器S6將工作，并向FPGA(A3P250)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，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷伺服電 機X的PffM輸出，控制機器人電動病床在安全范圍內停車，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界面發出停車報警;如果三秒后障礙物信 號消息，則機器人電動病床將按照當前軌跡繼續側向右移;在機器人電動病床側向右移過 程中，磁電傳感器M1、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機X和電機Y的運動速度和位移，并反饋 給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)根據位移、速度和加速度偏差信號二次調整電機X和電機 Y的控制信號；在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足 實際需要，DSP實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 9) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS-旦按下，如果此時轉彎按鈕SK和前進按鈕 SB被觸發，機器人電動病床將開始側向左移，在運動過程中，機器人攜帶的側方防撞超聲波 傳感器S7將工作，并向FPGA(A3P250)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讀取到左方有障礙物時，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷伺 服電機X的PWM輸出，控制機器人電動病床在安全范圍內停車，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界面發出停車報警;如果三秒后障 礙物信號消息，則機器人電動病床將按照當前軌跡繼續側向左移;在機器人電動病床側向 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X和電機Y的運動速度和位移， 并反饋給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)二次調整電機X和電機Y的運動參數;在運動過程 中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需要，DSP實時記錄電 動病床的運行參數并在人機界面顯示； 10) 當機器人電動病床需要移出病房時，現有醫院負責人通過無線裝置開啟行走權限 密碼，然后護工人員把機器人電動病床推到帶有地面標志的位置，機器人電動病床進入自 動導航狀態:其導航的光電傳感器31、52、53、54、55將工作，地面標志反射回來的光電信號 反饋給FPGA(A3P250)，FPGA(A3P250)確定機器人偏移導航軌道的偏差，FPGA(A3P250)結合 內部梯形發生器把此偏差信號轉化為電機X和電機Y要運行的加速度、速度和位移指令，再 結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生產驅動直流無刷伺服電機X和電機Y的驅動信號，驅動信號 放大后驅動直流無刷電機X和電機Y向前運動，快速調整機器人電動病床迅速回到導航軌道 中心;機器人電動病床沿著軌道行走過程，FPGA(A3P250)根據地面標志和磁電編碼器Ml和 M2的反饋微調電機X和電機Y的驅動信號，使機器人沿著設定好的軌道順利通過病房門口； 當鋪設的軌道消失后，機器人電動病床就停在原地等待人為推動信號，防止誤操作;在運動 過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需要，DSP實時記 錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 11) 一旦機器人電動病床被推出病房后，基于TMS320F2812將開啟無線傳輸模式，當機 器人電動病床開始移動，磁電傳感器Ml和M2會實時反饋直流無刷電機X和電機Y的速度和移 動位移，電機X和電機Y的參數通過無線傳輸給總站，一旦電機速度超越了設定值，總站會通 過無線裝置向機器人電動病床發出超速警報；一旦機器人病床或者是病人出現緊急問題 時，護工人員會觸發機器人電動病床報警按鍵，在按鍵按下的同時，基于CCD的圖像采集圖 像會開啟，然后通過無線傳輸向總站傳輸故障信息； 12) 當病人開始短時的自我護理出現緊急狀況時，病人自己觸發機器人電動病床報警 按鍵，在按鍵按下的同時，基于CCD的圖像采集圖像會開啟，然后通過無線傳輸裝置向總站 發出中斷請求并傳輸故障信息，總站護理人員會第一次處理故障信息； 13) 本機器人電動病床在運動過程為了防止護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，當緊急按鍵ESWl按下后，控制器一旦檢測到 緊急中斷請求會發出原地停車指令，FPGA(A3P250)通過驅動器鎖死行走電機X，即使電動病 床多個萬向輪都處于可以滑動狀態，由于行走電機X處于鎖死狀態，這樣機器人電動病床也 不會運動； 14) 本發明在機器人電動病床上加入了濕度檢測系統;此濕度檢測系統由濕敏傳感器、 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、轉換、顯示和處理等功能，這 樣當病人大小便失控時，濕度檢測系統會工作，將發出報警信號，護工人員通過人機界面輸 出可以查出故障原因，然后更換床褥； 15) 本電動床裝備了多種防障礙物報警系統，床載障礙探側系統可以在碰撞到障礙物 之前自動探測到障礙物的存在并自動停車，并根據障礙物的性質確定二次啟動或是一直待 在原地不動，這樣就保證了在運動過程中對周圍環境的適應，減少了環境對其的干擾。 [0033] 16)在機器人電動病床行走過程中，電機經常會收到外界因素干擾，為了減少電機 的脈動轉矩對機器人行走的影響，FPGA(A3P250)控制器在考慮電機特性的基礎上加入了對 電機轉矩的在線辨識，并利用電機力矩與電流的關系進行補償，削弱了外界環境對機器人 運動的影響； 17)在機器人電動病床行走期間伺服控制器全程開啟加速度計Al和陀螺儀Gl，加速度 計Al和陀螺儀Gl可以精確測量出機器人病床三個前進方向的加速度，根據測得的加速度和 速度控制器通過連續積分就可以得到其位移，為機器人的三閉環控制提供可靠判據；同時 當機器人病床的姿態發生變化時，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，然后調整各臺直流無刷伺服電 機的功率以滿足爬坡和加速需要;控制器通過對加速度計Al和陀螺儀Gl進行連續積分，且 把它變換到醫院導航坐標系中，機器人電動病床可以不依賴于任何外部信息就能夠得到其 在醫院導航坐標系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，控制器實時進行存儲和顯示。 [0034]本發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中的作用，基于DSP(TMS320F2812)+FPGA (A3P250)控制器時刻都在對機器人電動病床的運行狀態和電源來源進行監測和運算，當交 流電源切斷時，病床會自動借助自帶蓄電池電源自動鎖死在固定位置，直至有移動開關信 號輸入，保證了病床的自然狀態； 2:為了方便病人自理，減少對外界條件的依賴，本系統加入了人機界面功能，病人只要 通過電腦觸摸屏就可以自動控制病床機器人，這樣就可以不需要護理而自己解決部分簡易 的日常生活； 3: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 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工人員和護士人員在屋子里移 動病床提供動力，減少了護士或者護工人員在屋子里移動病床的體力消耗和勞動強度； 4:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機的單輪驅動系統，使得病床可以在屋 子里實現自由移動，減少了病人在某一個固定位置的壓抑感； 5:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機的單輪驅動系統，使得電動病床可以 在屋子里原地按照任意方向自由旋轉，減少了移動病床需要的空間，特別適合應用于空間 狹小的病房； 6:由于加入了基于直流無刷伺服電機的單輪驅動系統，在非常狹小的空間內可以使病 床機器人側向移動，減少機器人旋轉帶來的負面問題； 7:為了能夠使病床機器人能夠自由移出病房門口，控制器加入了多種導航傳感器，機 器人在移出病房過程中一旦讀到地面標志就會自動導航，減少人工移動病床帶來的誤差； 8:當機器人電動病床遇到爬坡的時，由于自身攜帶的有動力能源，所以可以很好的起 到助力作用，減少了對護工人員體力的要求； 9:由FPGA(A3P250)處理多軸直流無刷伺服電機的全數字伺服控制，大大提高了運算速 度，解決了單單片機運行較慢的瓶頸，縮短了開發周期短，并且程序可移植能力強； 10:本發明完全實現了單板控制，不僅節省了控制板占用空間，而且還完全實現了多軸 電機控制信號的同步，有利于提高醫用機器人電動病床的穩定性和動態性能； 11:由于本控制器采用FPGA(A3P250)處理大量的多軸伺服數據與算法，并充分考慮了 周圍的干擾源，把DSP (TMS3 20F2812)從復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； 12:本機器人電動病床加入了自動鎖車功能，當病床機器人在移動過程中，如遇到緊急 情況，控制器會發出原地停車指令，并鎖死主運動電機，即使多個萬向輪都處于可以滑動狀 態，但由于驅動輪處于鎖死狀態，這樣機器人也不會運動； 13:本發明在機器人電動病床系統中加入了多種開啟權限，防止了病床的誤操作； 14:本機器人電動病床加入了濕度檢測系統;此濕度檢測系統由濕敏傳感器、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、轉換、顯示和處理等功能，這樣當病人 大小便失控或者是床單潮濕時，濕度檢測系統會工作，發出更換請求； 15:本電動床機器人裝備了多種報警系統，在碰撞到障礙物之前自動停車，這樣就保證 了在運動過程中的安全性，減少了環境對其的干擾； 16:由于本機器人電動病床系統采用直流無刷伺服電機替代了直流電機，不僅進一步 提高了系統的安全性，也可以提高能源的利用率，增加了機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:由于本機器人電動病床系統采用直流無刷伺服電機，當電機受到外界干擾產生脈 動轉矩時，直流無刷伺服電機可以利用力矩與電流的關系迅速進行補償，極大減少了外界 干擾對機器人電動病床的影響； 18:由于機器人電動病床具有無線接收和發射功能，使得醫護人員可以根據需要遠距 離開啟機器人病床啟動的權限，減少了醫護人員的工作量； 19:由于機器人電動病床具有無線接收和發射功能，一旦自己短時護理自己的病人遇 到緊急狀況可以隨時與醫護人員溝通，保證了病人的安全； 20:由于機器人電動病床具有無線接收和發射功能，且配備了基于CCD的圖像采集系 統，使得醫護人員可以隨時監控離開病院的電動病床的及時狀況，一旦遇到緊急狀況可以 立即處理，保證了電動病床和病人的安全； 21:機器人電動病床更加安全可靠;無線機器人電動病床監控和控制系統是通過護理 總站系統中心來設置相關參數的，可以防止沒有被授權的人進行操作，這樣一來，就能保證 了監控的安全可靠； 22:通過無線機器人電動病床監控和控制系統實現電動病床和護理總站的實時通訊， 可以系統的檢測到故障所在，及時檢修； 23:無線機器人電動病床監控和控制系統在監控起來更加靈活;通過無線傳輸方式實 時監控區域內的機器人電動病床，使病人自己短暫護理自己的安全性大大增加，從而節約 資源，同時電動病床本體參數的監控有效保護了電動病床的各個部件，增加了使用壽命； 24:無線機器人電動病床管理起來更加便捷;無線機器人電動病床監控和控制系統每 天可以根據實際需要在護理總站自動開啟和斷開醫院負責人的操作權限，也可以對機器人 電動病床進行分區管理； 25:由于由FPGA直接生產多軸直流無刷電機驅動信號，不需要DSP向其輸入任何參數， 使得系統的處理速度加快，有利于系統高速運行； 26:FPGA控制器根據外圍環境實時調整伺服控制系統的PID參數，滿足電動病床不同狀 況下快速伺服控制系統調整的要求； 27:加速度計Al和陀螺儀Gl用來測量機器人病床三個前進方向的加速度和速度，根據 測量值控制器通過連續積分就可以得到其速度和位移，為機器人的三閉環控制提供可靠判 據； 28:加速度計Al和陀螺儀Gl可以提高機器人電動病床在行走過程中導航的穩定性，實 現姿態的自動精確調整、計算加速爬坡時需要的功率。
[0035]以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發 明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領 域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種無線雙核單輪驅動高速機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、無線控制裝置、第一電機、第二電機以及機器人電動病床，所述的交流電源和電 池提供電流驅動所述的控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括DSP和FPGA，所述的DSP 和FPGA進行通信連接，所述的機器人電動病床上設有傳感器，所述的DSP接受傳感器反饋的 傳感器信號并通過無線控制裝置與外部的護理總站相通訊，由所述的FPGA發出第一驅動信 號和第二驅動信號，所述的第一驅動信號和第二驅動信號經驅動放大后驅動所述的第一電 機和第二電機，所述的第一電機和第二電機上設置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述 的第一電機和第二電機控制所述的機器人電動病床的運行速度和運行方向。2. 根據權利要求1所述的無線雙核單輪驅動高速機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. 根據權利要求1所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的第一電機和第二電機均采用高速直流無刷伺服電機。4. 根據權利要求1所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的DSP采用TMS320F2812;所述的FPGA采用A3P250。5. 根據權利要求1所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的傳感器包括加速度計和陀螺儀。6. 根據權利要求1所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的第一驅動信號和第二驅動信號均為PWM波控制信號。7. 根據權利要求1所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于， 所述的無線雙核單輪驅動高速機器人電動病床控制器還設置有人機界面程序和運動控制 系統，所述的人機界面程序包括人機界面、路徑規劃以及無線輸出，所述的運動控制系統包 括基于FPGA兩軸直流無刷單輪電機伺服控制、無線數據存儲以及I/O控制，其中，所述的基 于FPGA兩軸直流無刷單輪電機伺服控制包括DA模塊、磁電編碼器模塊、加速度計和陀螺儀 加速度模塊、基于磁電傳感器速度模塊以及基于磁電傳感器位移模塊。
【文檔編號】A61G7/05GK106074044SQ201610600755
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610600755.4, CN 106074044 A, CN 106074044A, CN 201610600755, CN-A-106074044, CN106074044 A, CN106074044A, CN201610600755, CN201610600755.4
【發明人】張好明
【申請人】江蘇若博機器人科技有限公司