一种双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器的制造方法

一种双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，包括交流电源、电池、控制板、第一电机、第二电机、第三电机以及机器人电动病床，所述的控制板采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的FPGA内部还设有伺服梯形发生器，由所述的FPGA经过伺服梯形发生器发出第一控制信号和、第二控制信号和第三控制信号，通过磁电编码器由所述的第一电机、第二电机和第三电机控制所述的机器人电动病床的前进、运行速度和运行方向。通过上述方式，本发明通过控制器改变其行走速度，通过两轮差速行驶方式改变其方向；当爬坡需要更多能量时，开启助力电机起到功率补偿作用，可以很好的通过电动助力减少护工或者护士人员的劳动量和劳动强度。
【专利说明】
一种双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种双核三轮驱动高速机器人电动病床自动控制系统，属于自动电动 病床领域。
【背景技术】
[0002] 医用病床系统是一种用于医院病房内提供承载患者的设备。目前发达国家医院中 使用的医用病床基本上全部自动化，家庭病床、社区医院病床也已经使用多功能电动床。部 分医用病床可以通过外力改变形状达到辅助调整患者体位的目的，其中有些附件具有促进 患者康复的效果;可控制电动病床是相对高级的自动化产品，具有省时省力的优点。由于电 控制的特点，控制键可以安装在任何允许病床接受到信号的范围内，提高了控制的自由度。 通过附件升级，还可以实现权限分配。电动驱动产品精度更高，便于流水线作业，已作为ICU 重症监护室、手术室、造影室等中使用的特种医用病床。
[0003] 我国在医用电动病床领域的研究开发相对滞后，整体水平不高，现国内各级医院 均是采用普通的机械病床：由床腿、床体和床面组成。为了移动方便移动，一般均在床腿上 设置机械滚动滑轮;为了方便病人坐起，均在床头部分设置机械手动摇起装置。对于这类型 病床，一般均需要护理人员帮助，很难独自完成，同时病床功能单一，实用性能不强。
[0004] 长时间运行发现存在着很多安全隐患和不便，即： (1) 现有的部分病床通过四个固定站脚与地面接触起到支撑作用，病人均被固定在某 一个封闭的环境中，随着病人长时间的住院，对病人的身心造成了极大的伤害； (2) 虽然部分病床把固定站脚改为了机械万向轮，可以通过医护人员移动病床到某个 空间，但是由于病床移动随意性较大，有时候会出现误操作，甚至有时候会伤害到病人； (3) 随着现代人类生活质量的增加，肥胖病人大量增加，而护士人员一般又都比较瘦 小，通过机械万向轮移动病人使得护士人员非常吃力，加重了劳动强度； (4) 随着老龄化的加重，大量的老人也加重了对病床的需求，现在的护工人员又比较 少，基于机械万向轮的病床加重了护工人员的劳动强度； (5) 所有的机械病床一般均固定在某个位置，一旦需要移动或者变换方向均需要外部 人员完成，加重了护工人员的劳动量； (6) 现在的机械病床即使可以通过外力通过病房门口被推到外部环境中，由于人为操 作的自动化程度比较低，通过病房门口都需要点时间调整病床的姿态才可以通过； (7) 现在的机械病床即使可以通过机械万向轮的支撑到达病房以外的环境，在调节了 病人身心的同时，也加大了护工人员的劳动量，特别是通过爬坡的地方时，对护工人员的体 力提出了更高的要求； (8) 虽然单轮驱动的电动病床可以很好的满足对病床速度和方向的解耦，但是单轮驱 动的行走电机功率较大，有时候会造成大马拉小车的现象出现； (9) 由于单轮驱动的电动病床动力与地面的接触点只有一个，造成人为很难精确控制 其移动的方向，轻微的一点干扰就能造成较大的方向改变； (10) 虽然双轮驱动可以削弱单轮驱动的部分缺点，但是机器人电动病床在爬坡的时候 如果通过电机过载来满足功率要求，长时间的运行会伤害电机的性能，造成系统的可靠性 大幅度降低； (11) 机器人电动病床在许多紧急状态下需要快速加速和以较高的速度运行，在这种条 件下系统需求的功率较大，满足正常行驶的两轮电机功率无法满足加速要求，系统无法满 足紧急状况下的功率要求； (12) 基于单核控制的机器人电动病床，由于既要处理多轴电机的伺服控制，又要处理 机器人病床的多种传感器采样数据，由于单核处理器处理的数据较多，运算速度不是很快， 不利于机器人高速运转，且有时候由于处理数据较多导致机器人病床失控； (13) 由于机器人电动病床在运行过程中频繁的刹车和启动，加重了单核控制器的工作 量，单核控制器无法满足机器人电动病床快速启动和停止的要求； (14) 由于受周围环境不稳定因素干扰，单核机器人电动病床控制器经常会出现异常， 引起机器人病床在行驶过程中失控，抗干扰能力较差； (15) 虽然基于专用伺服控制芯片可以生成多轴电机的PWM控制信号，但是需要主控制 器与专用芯片通讯后输入控制参数才可以实现，造成整体运算速度降低； (16) 受专用伺服控制芯片内部伺服程序的影响，一般情况下伺服控制PID参数不能实 时更改，满足不了电动病床实时快速伺服控制系统的要求。

【发明内容】

[0005] 本发明主要解决的技术问题是提供一种双核三轮驱动高速机器人电动病床控制 器，为克服普通医院病床不能满足病人实际要求，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主 研发了一款基于ARM(STM32F407)+FPGA(A3P250)的两轮差速行驶单轮助力的三轴驱动机器 人电动病床。此机器人控制系统以FPGA(A3P250)为处理核心，实现三轴直流无刷电机的同 步伺服控制，STM32F407实现多种传感器信号的数字信号实时处理，并实时相应各种中断保 护请求，并实现与FPGA(A3P250)数据通信。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种双核三轮驱动 高速机器人电动病床控制器，包括交流电源、电池、控制板、第一电机、第二电机、第三电机 以及机器人电动病床，所述的交流电源和电池提供电流驱动所述的控制板，所述的控制板 采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA进行通信连接，所述的FPGA内部还设有 伺服梯形发生器，所述的机器人电动病床上设有传感器，所述的FPGA接受传感器反馈的传 感器信号，由所述的FPGA经过伺服梯形发生器发出第一控制信号和、第二控制信号和第三 控制信号，所述的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号经驱动放大后驱动所述的 第一电机、第二电机和第三电机，所述的第一电机、第二电机和第三电机上均设置有磁电编 码器，通过磁电编码器由所述的第一电机、第二电机和第三电机控制所述的机器人电动病 床的前进、运行速度和运行方向。
[0007] 在本发明一个较佳实施例中，所述的电池采用锂离子电池。
[0008]在本发明一个较佳实施例中，所述的第一电机、第二电机和第三电机均米用高速 直流无刷伺服电机。
[0009] 在本发明一个较佳实施例中，所述的ARM采用STM32F407;所述的FPGA采用A3P250。
[0010] 在本发明一个较佳实施例中，所述的传感器包括加速度计和陀螺仪。
[0011] 在本发明一个较佳实施例中，所述的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信 号均为PffM波控制信号。
[0012] 在本发明一个较佳实施例中，所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器还 设置有人机界面程序和运动控制系统，所述的人机界面程序包括人机界面、路径规划以及 在线输出，所述的运动控制系统包括基于FPGA三轴直流无刷电机伺服控制、数据存储以及 I/O控制，其中，所述的基于FPGA三轴直流无刷电机伺服控制包括磁电编码器模块、加速度 计和陀螺仪加速度模块、基于磁电传感器速度模块以及基于磁电传感器位移模块。
[0013] 本发明的有益效果是:本发明的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，设计 了一款基于FPGA的双核三轮驱动高速机器人电动病床，这种病床在保证快速性、稳定性和 安全性的前提下，通过控制器改变其行走速度，通过两轮差速行驶方式改变其方向；当爬坡 需要更多能量时，开启助力电机起到功率补偿作用，可以很好的通过电动助力减少护工或 者护士人员的劳动量和劳动强度，机器人病床携带的多种传感器组合使得其具有多种功 能，可以满足不同条件下病人对病床的需求。
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它 的附图，其中： 图1为本发明基于ARM+ FPGA双核三轮驱动医用病床原理图； 图2为本发明基于ARM+ FPGA双核三轮驱动机器人电动病床程序框图； 图3为基于ARM+ FPGA双核三轮驱动机器人电动病床运动原理框图； 图4为基于ARM+ FPGA双核三轮驱动机器人电动病床通过病房门口自动导航原理图。
【具体实施方式】
[0015] 下面将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 例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0016] 如图1所示，本实施例包括： 一种双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，包括交流电源、电池、控制板、第一电 机、第二电机、第三电机以及机器人电动病床，所述的交流电源和电池提供电流驱动所述的 控制板，所述的控制板采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA进行通信连接， 所述的FPGA内部还设有伺服梯形发生器，所述的机器人电动病床上设有传感器，所述的 FPGA接受传感器反馈的传感器信号，由所述的FPGA经过伺服梯形发生器发出第一控制信号 和、第二控制信号和第三控制信号，所述的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号经 驱动放大后驱动所述的第一电机、第二电机和第三电机，所述的第一电机、第二电机和第三 电机上均设置有磁电编码器，通过磁电编码器由所述的第一电机、第二电机和第三电机控 制所述的机器人电动病床的前进、运行速度和运行方向。
[0017] 本实施例中，所述的电池采用锂离子电池;所述的第一电机、第二电机和第三电机 均采用高速直流无刷伺服电机。
[0018] 进一步的，所述的ARM采用STM32F407;所述的FPGA采用A3P250。
[0019] STM32F4系列除引脚和软件兼容高性能的F2系列外，F4的主频（168MHz)高于F2系 列（120MHz)，并支持单周期DSP指令和浮点单元、更大的SRAM容量（192 KB，F2为128 KB)、 512KB-1MB的嵌入式闪存以及影像、网络接口和数据加密等更先进的外设。STM32F4系列基 于最新的STM32F407 Cortex M4内核，在现有出色的STM32微控制器产品组合中新增了信 号处理功能，并提高了运行速度;STM32F405X集成了定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外 存接口、实时时钟、CRC计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设。STM32F407在 STM32F405产品基础上增加了多个先进外设。这些性能使得F4系列可以较容易满足控制和 信号处理功能混合的数字信号控制需求。高效的信号处理功能与C 〇rteX-M4处理器系列的 低能耗、低成本和易于使用的优点的组合，使得STM32F407性能远远优越于一般的DSP芯片， 并且STM32F407可以极大地简化外围电路设计，降低系统成本和系统复杂度，也大大提高了 数据的存储处理能力。
[0020] FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，FPGA使得用户 可以根据自己的设计需要，通过特定的布局布线工具对其内部进行重新组合连接，在最短 的时间内设计出自己的专用集成电路，这样就减小成本、缩短开发周期。由于FPGA采用软件 化的设计思想实现硬件电路的设计，这样就使得基于FPGA设计的系统具有良好的可复用和 修改性，这种全新的设计思想已经逐渐应用在高性能的交、直流驱动控制上，并快速发展。 它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不 足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系 统集成度、可靠性的最佳选择之一。综合本发明的需要，选用FPGA作为多轴直流无刷伺服电 机的伺服控制调节器，把STM32F407从复杂的多轴伺服控制算法中解脱出来。
[0021] 为了能够更好的移动机器人电动病床，本发明电动病床驱动部分采用轮式结构， 因为相对于步行、爬行或其它非轮式的移动机器人，轮式机器人具有行动快捷、工作效率 高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。
[0022] 由于本机器人电动病床既要考虑其运行速度，又要考虑其运行方向以及加速和爬 坡时功率需求，为了优化系统能源利用率且满足不同状况下的功率需求，本发明采用三个 电机来完成系统对功率的不同需求:通过两轴电机差速行驶来实现速度和方向的调控，并 且两轮差速行驶的两个电机功率大小相等，功率加起来可以满足正常行驶时的功率要求； 加速和爬坡需要电动助力时，系统开启助力电机满足爬坡功率满足。这样既不伤害两轮差 速电机，也可以进一步减少其功率。在正常行驶条件下，为了调整机器人电动病床的行驶方 向，通常改变两台电机的速度大小就可以随意实现方向的改变。由于直流电机在高速旋转 时偶尔会产生火花，而医院病房又是一个特殊的场合，任何火花都可能会对病人的氧气瓶 和吸氧装置产生潜在的危险，因此，本发明中负责机器人电动病床行走功能的两台差速行 驶电机和爬坡助力电机均采用直流无刷伺服电机，由于直流无刷伺服电机采用霍尔传感器 进行电子换向，高速旋转不会产生任何火花，有效消除了安全隐患。
[0023] 由于本发明中的机器人电动病床既要适应病房中相对干净的环境，又要适应病房 外相对灰尘较多的肮脏环境，为了减少灰尘对电机携带速度和位移传感器的影响，本发明 舍弃了传统系统中常用的光电编码器，而采用基于磁电传感器AS5040H的编码器，磁电编码 器可以有效测量出三轴直流无刷伺服电机运动时的速度和位移，为机器人电动病床三轴同 步三闭环伺服控制提供了可靠反馈。
[0024] 本实施例中，所述的传感器包括加速度计和陀螺仪;所述的第一控制信号、第二控 制信号和第三控制信号均为PWM波控制信号。
[0025] 加速度计传感器在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的 存在，而有一定误差。陀螺仪在较短时间内则比较准确，而较长时间则会随着漂移的存在而 产生一定误差，因此，需要加速度计和陀螺仪相互调整来确保航向的正确。为了提高机器人 电动病床在行走过程中导航的稳定性，实现姿态的自动精确调整以及计算加速爬坡时需要 的功率，本发明在机器人电动病床伺服硬件系统中加入了三轴加速度计和三轴陀螺仪。在 机器人电动病床行走期间全程开启加速度计和陀螺仪，加速度计和用来测量机器人病床三 个前进方向的加速度和速度，控制器根据测量值然后通过积分就可以得到其位移，为机器 人的三闭环控制提供可靠判据；当机器人病床的姿态发生变化时，控制器就可以得到其大 致倾斜角度，一方面根据角度改变其功率需求，另一方面当姿态发生较大变化时，控制器在 一个新的采样周期立即对其位置补偿，避免机器人电动病床在行走过程中因为倾斜过大而 发生危险，提高了其快速行走导航时的稳定性;如果对加速度计和陀螺仪的值进行连续积 分和匹配，且把它变换到导航坐标系中，机器人电动病床可以不依赖于任何外部信息就能 够得到其在医院导航坐标系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，所产生的导航信息连 续性好而且噪声非常低，可以和磁电编码器传感器相互匹配然后为多轴伺服控制提供加速 度、速度和位移反馈，极大增强了机器人病床的行走的安全性和准确性。
[0026] 本发明为克服普通医院病床不能满足病人实际要求，在吸收国外先进控制思想的 前提下，自主研发了一款基于ARM(STM32F407)+FPGA(A3P250)的两轮差速行驶单轮助力的 三轴驱动机器人电动病床。此机器人控制系统以FPGA(A3P250)为处理核心，实现三轴直流 无刷电机的同步伺服控制，STM32F407实现多种传感器信号的数字信号实时处理，并实时相 应各种中断保护请求，并实现与FPGA(A3P250)数据通信 如图2所示，所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器还设置有人机界面程序 和运动控制系统，所述的人机界面程序包括人机界面、路径规划以及在线输出，所述的运动 控制系统包括基于FPGA三轴直流无刷电机伺服控制、数据存储以及I/O控制，其中，所述的 基于FPGA三轴直流无刷电机伺服控制包括磁电编码器模块、加速度计和陀螺仪加速度模 块、基于磁电传感器速度模块以及基于磁电传感器位移模块。
[0027]为达上述目的，本发明采取以下技术方案，为了提高运算速度，保证医用机器人 电动病床控制系统的稳定性和可靠性，本发明采用32位高性能ARM(STM32F407 )和FPGA (A3P250)，舍弃了传统采用的单一单片机或单一 16位的DSP芯片，此控制器充分考虑蓄电池 在这个系统的作用，实现双核控制器同步控制三轴直流无刷伺服电机的功能。机器人电动 病床充分发挥FPGA(A3P250 )作为伺服处理器数据处理速度较快的特点，而由ARM (STM32F407)实现人机界面、I/O控制、路径导航、在线输出、数据采集与存储等功能，同时实 时相应各种中断。
[0028] 对于本文设计的基于ARM(STM32F407)+ FPGA(A3P250)双核机器人电动病床控制 器，在电源打开状态下，人机界面先工作，如果确实需要移动电动病床，护工人员、护士人员 输入各自的权限密码，ARM(STM32F407)使能FPGA(A3P250)机器人电动病床才可能在屋子里 移动，否则机器人电动病床就待在原地等待权限开启命令;如果机器人电动病床需要推出 病房，此时医院负责人需要开启自己的权限密码，否则机器人电动病床一旦移动到门口位 置被门口监控传感器探测到，检测系统会触发控制器上的传感器，FPGA(A3P250)锁死当前 的机器人电动病床并发出误操作警报。在正常运动状态下，机器人电动病床通过各种传感 器读取外部环境比反馈参数给FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)经内部伺服梯形发生器生成 两轴差速行驶的直流无刷伺服电机的同步控制PWM信号，PWM波信号经驱动放大后驱动直流 无刷电机X和直流无刷电机Y向前运动，其运动速度和位移被相对应的磁电编码器反馈给 FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)根据运行状态参数二次调整两轴同步PffM控制信号以满足 实际工作需求;在加速行驶或爬坡状态下，机器人电动病床通过各种传感器读取外部环境 比反馈参数给FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)经内部伺服梯形发生器生成三轴直流无刷伺 服电机的同步控制PWM信号，PWM波信号经驱动放大后驱动直流无刷电机X、直流无刷电机Y 和直流无刷伺服电机Z向前运动，其运动速度和位移被相对应的磁电编码器反馈给FPGA (A3P250)，由FPGA(A3P250)根据运行状态参数二次调整三轴同步HVM控制信号以满足实际 工作需求。机器人电动床在运行过程中，基于STM32F407的人机界面在线存储并输出当前状 态，使得处理比较直观。
[0029]参照图2,具体实施步骤是： 把医用电动床控制系统分为两部分:人机界面系统和运动控制系统。其中人机界面系 统完成人机界面、路径规划、在线输出等功能;基于FPGA(A3P250)运动控制系统完成电动病 床的多轴伺服控制，而ARM(STM32F407)实现数据存储、I/O控制等功能，系统充分发挥FPGA (A3P250)处理数据较快的优点，同时由ARM(STM32F407)实时处理各种中断信号和数据存 储。
[0030]参照图2、图3和图4,其具体的功能实现如下： 1) 在机器人电动病床未接到任何指令之前，它一般会和普通医用病床没有区别，被固 定在某一个区域，交流电源对系统中的蓄电池充电，保证机器人电动病床有足够的能源完 成任务； 2) -旦接到主控器发出的工作命令后，为了防止机器人电动病床的移动损害充电连接 线，STM32F407控制器会自动断开连接线与交流电源的连接，机器人电动病床转为蓄电池 供电状态； 3) 为了防止误操作，本发明采用三级启动权限，当确定需要移动机器人电动病床时，如 果只是在病房内部移动机器人电动病床，则需要护工人员和护士先后通过人机界面输入权 限密码开启屋内行走模式;如果是需要推动机器人电动病床走出病房，则需要护工人员、护 士和医院负责人先后通过人机界面输入权限密码开启屋外行走模式； 4) 当机器人电动病床开启行走模式后，一旦启动键SS按下，系统首先完成初始化并检 测电源电压，如果蓄电池电源不正常，将向ARM(STM32F407)和FPGA(A3P250)发出中断请 求，STM32F407和A3P250会对中断做第一时间响应，如果STM32F407和A3P250的中断响应 没有来得及处理，车体上的自锁装置将被触发，进而达到自锁的功能，防止误操作；如果电 源正常，电动床机器人将开始正常工作； 5) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS按下，FPGA(A3P250)控制器将检测侧向转 弯按钮SK是否被触发;如果侧向转弯按钮SK被触发，FPGA(A3P250)根据机器人运动部分需 要旋转角度没=M lt和其内部梯形发生器，把直流无刷伺服电机X和Y要运转的距离SX转化 为加速度、速度和位置参考指令值，然后FPGA(A3P250)再结合电机X和电机Y的磁电传感器 Ml、M2的反馈生成驱动直流无刷伺服电机X和电机Y的驱动信号，驱动信号经功率桥放大后 驱动直流无刷伺服电机X和电机Y以相反的方向运动，在运动过程Ml和M2实时反馈电机的运 行参数给FPGA(A3P250)，FPGA(A3P250)根据反馈参数二次微调电机X和电机Y的PffM控制信 号，使得旋转系统在规定时间内完成侧转90 n任务，由于在此过程中只是电机X和电机Y组成 的旋转部分旋转90度，并未改变电动病床的方向，提高了机器人电动病床在狭小空间的实 用性;在运动过程中，FPGA根据外界情况实时调整伺服控制程序的PID参数以满足实际需 要，ARM实时记录电动病床的运行参数并在人机界面显示； 6) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS按下，如果此时前进按钮SF被触发，系统会 对加速按键SA进行判断，如果系统确定加速按键SA已经触发，说明机器人电动病床需要加 速或者是爬坡，此时ARM控制器会根据需要对机器人所需要的功率进行优化分配，然后开启 三轴电机同步伺服控制模式;根据加速度和速度要求，FPGA(A3P250)结合直流无刷电机X、 电机Y和电机Z配备的磁电编码器M1、M2和M3的反馈经内部梯形发生器生成驱动三轴直流无 刷电机的PffM驱动信号，驱动信号经驱动器放大后驱动三轴电机向前运动，在此过程中磁电 编码器Ml、M2和M3实时向A3P250反馈其位移信号，FPGA(A3P250)把此位移信号转化为机器 人电动病床的实际运行距离;在运动过程中，机器人携带的前方防撞超声波传感器S9和SlO 将工作，并向FPGA(A3P250)控制器时刻反馈其与前方障碍物的距离;如果防撞超声波传感 器S9或者是SlO读取到前方有障碍物时，FPGA(A3P250)经内部伺服控制程序调整直流无刷 伺服电机X、电机Y、电机Z的PWM输出，控制机器人电动病床在安全范围内停车，控制器并开 启一个三秒的计时，如果三秒后控制器依旧读取到障碍物则通知人机界面改换行走轨迹； 如果三秒后障碍物信号消息，则机器人电动病床将按照当前路径继续启动前进;在机器人 电动病床运动过程中，磁电传感器Ml、M2和M3会时刻检测直流无刷伺服电机X、电机Y和电机 Z的运动速度和位移，并传送给FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)二次调整直流无刷电机X、电 机Y和电机Z的PffM波控制信号以满足实际需求；在运动过程中，FPGA根据外界情况实时调 整伺服控制程序的PID参数以满足实际需要，ARM实时记录电动病床的运行参数并在人机界 面显不； 7) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS按下，如果此时只有前进按钮SF被触发，加 速按键SA未被触发，机器人电动病床将开始向前按照正常速度运动：电机X和电机Y被启动， 电机Z被释放;在运动过程中，机器人携带的前方防撞超声波传感器S9和SlO将工作，并向 STM32F407控制器时刻反馈其与前方障碍物的距离；如果防撞超声波传感器S9或者是SlO 读取到前方有障碍物时，FPGA(A3P250)经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电 机Y的PffM输出，控制机器人电动病床在安全范围内停车，控制器并开启一个三秒的计时，如 果三秒后控制器依旧读取到障碍物则通知人机界面改换行走轨迹;如果三秒后障碍物信号 消息，则机器人电动病床将按照当前路径继续启动前进;在机器人电动病床运动过程中，磁 电传感器Ml、M2会时刻检测直流无刷伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并传送给FPGA (A3P250)，由FPGA(A3P250)二次调整直流无刷电机X和电机Y的P丽波控制信号以满足实际 需求；在运动过程中，FPGA根据外界情况实时调整伺服控制程序的PID参数以满足实际需 要，ARM实时记录电动病床的运行参数并在人机界面显示； 8) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS按下，如果此时后退按钮SB也被触发，无论 加速按键SA是否被触发，机器人电动病床都将以设定的正常速度开始后退运动，FPGA (A3P250)经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM输出，控制机器人电 动病床按照设定速度缓慢后退;在后退运动过程中，磁电传感器M1、M2会时刻检测直流无刷 伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并传送给FPGA(A3P250)，FPGA(A3P250)根据磁电 传感器Ml和M2的速度和位移反馈二次调整直流无刷伺服电机X和电机Y的P丽输出，保证机 器人电动病床在安全速度范围内运行，防止速度过快机器人电动病床推倒护工人员；在运 动过程中，FPGA根据外界情况实时调整伺服控制程序的PID参数以满足实际需要，ARM实时 记录电动病床的运行参数并在人机界面显示； 9) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS按下，如果此时转弯按钮SK和前进按钮SF被 触发，无论加速按键SA是否被触发，机器人电动病床都将以设定好的正常速度开始侧向右 移，在运动过程中，机器人携带的侧方防撞超声波传感器S6将工作，并向STM32F407控制器 时刻反馈其与前方障碍物的距离；如果防撞超声波传感器S6读取到右方有障碍物时，FPGA (A3P250)经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM输出，控制机器人电 动病床在安全范围内停车，控制器并开启一个三秒的计时，如果三秒后控制器依旧读取到 障碍物存在将向人机界面发出停车报警;如果三秒后障碍物信号消息，则机器人电动病床 将按照当前轨迹继续侧向右移;在机器人电动病床侧向右移过程中，磁电传感器Ml、M2会时 刻检测直流无刷伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并传送给FPGA(A3P250)，由FPGA (A3P250)二次调整电机X和电机Y的运动参数，保证系统满足行走要求；在运动过程中， FPGA根据外界情况实时调整伺服控制程序的PID参数以满足实际需要，ARM实时记录电动病 床的运行参数并在人机界面显示； 10) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS-旦按下，如果此时转弯按钮SK和前进按 钮SB被触发，无论加速按键SA是否被触发，机器人电动病床都将以设定好的正常速度开始 侧向左移；在运动过程中，机器人携带的侧方防撞超声波传感器S7将工作，并向FPGA (A3P250)控制器时刻反馈其与前方障碍物的距离;如果防撞超声波传感器S7读取到运动前 方有障碍物时，FPGA(A3P250)经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X和电机Y的PWM 输出，控制机器人电动病床在安全范围内停车，控制器并开启一个三秒的计时，如果三秒后 控制器依旧读取到障碍物存在将向人机界面发出停车报警;如果三秒后障碍物信号消息， 则机器人电动病床将按照当前轨迹继续侧向左移;在机器人电动病床侧向左移过程中，磁 电传感器Ml、M2会时刻检测直流无刷伺服电机X和电机Y的运动速度和位移，并传送给FPGA (A3P250)，由FPGA(A3P250)二次调整电机X和电机Y的运动参数，保证系统满足实际需求； 在运动过程中，FPGA根据外界情况实时调整伺服控制程序的PID参数以满足实际需要，ARM 实时记录电动病床的运行参数并在人机界面显示； 11) 当机器人电动病床需要移出病房时，先有医院负责人开启行走权限密码，可以有护 工人员推出房间，也可以有护工人员把机器人电动病床推到带有地面导航标志的位置，机 器人电动病床进入自动导航状态:其导航的光电传感器31、32、53、54、55将工作，地面标志 反射回来的光电信号反馈给FPGA(A3P250)，经FPGA(A3P250)判断处理后确定机器人偏移 导航轨道的偏差，FPGA(A3P250)经内部伺服控制程序把此偏差信号转化为电机X和电机Y 要运行的加速度、速度和位移指令，再结合磁电编码器Ml和M2的反馈生产驱动直流无刷伺 服电机X和电机Y的驱动信号，驱动信号放大后驱动直流无刷电机X和电机Y向前运动，快速 调整机器人电动病床迅速回到导航轨道中心；机器人电动病床沿着轨道行走过程，FPGA (A3P250)根据地面标志和磁电编码器Ml和M2的反馈微调电机X和电机Y的驱动信号，使机 器人沿着设定好的轨道顺利通过病房门口；当铺设的轨道消失后，机器人电动病床就停在 原地等待人为移动信号，防止误操作;在运动过程中，FPGA根据外界情况实时调整伺服控制 程序的PID参数以满足实际需要，ARM实时记录电动病床的运行参数并在人机界面显示； 12) 本机器人电动病床在运动过程为了防止护士的误操作以及遇到紧急状况停车，加 入了紧急停车自动锁车功能;如遇到紧急情况，当紧急按键ESWl按下后，控制器一旦检测到 紧急中断请求会发出原地停车指令，FPGA(A3P250)通过驱动器封锁直流无刷伺服电机X、电 机Y和电机Z的PffM波信号，即使电动病床多个万向轮都处于可以滑动状态，由于行走电机X、 电机Y和电机Z处于锁死状态，这样机器人电动病床也不会运动，保证了机器人在紧急状况 下的安全性； 13) 本发明在机器人电动病床上加入了湿度检测系统;此湿度检测系统由湿敏传感器、 测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能，这 样当病人大小便失控时，湿度检测系统会工作，将发出报警信号，护工人员通过人机界面输 出可以查出故障原因，然后更换床褥； 14) 本电动床装备了多种防障碍物报警系统，机器人障碍物探测系统可以在机器人病 床碰撞到障碍物之前自动探测到障碍物的存在并通过控制器协助自动停车，并根据障碍物 的性质确定二次启动或是一直待在原地不动，这样就保证了机器人病床在运动过程中对周 围环境的适应，减少了环境对其的干扰； 15) 在机器人电动病床行走过程中，直流无刷伺服电机经常会受到外界因素干扰，为了 减少电机的脉动转矩对机器人行走的影响，FPGA(A3P250)控制器在考虑电机特性的基础上 加入了对电机转矩的在线辨识，并利用电机力矩与电流的关系进行及时补偿，削弱了外界 环境对机器人运动的影响； 15)在机器人电动病床行走期间伺服控制器全程开启加速度计Al和陀螺仪Gl，加速度 计Al和陀螺仪Gl可以精确测量出机器人病床三个前进方向的加速度，根据测得的加速度和 速度控制器通过连续积分就可以得到其位移，为机器人的三闭环控制提供可靠判据；同时 当机器人病床的姿态发生变化时，控制器就可以得到其大致倾斜角度和加速度要求，控制 器根据倾斜角度和加速度需求就可以大致计算出功率需求，然后调整各台直流无刷伺服电 机的功率以满足爬坡和加速需要;控制器通过对加速度计Al和陀螺仪Gl进行连续积分，且 把它变换到医院导航坐标系中，机器人电动病床可以不依赖于任何外部信息就能够得到其 在医院导航坐标系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，控制器实时进行存储和显示。
[0031]本发明具有的有益效果是： 1:在控制过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于ARM(STM32F407)+ FPGA (A3P250)控制器时刻都在对机器人电动病床的运行状态和电源来源进行监测和运算，当交 流电源切断时，病床会借助自携带蓄电池电源自锁在固定位置，直至有移动病床的开关信 号输入，保证了病床的自然状态； 2:为了方便使用，减少外界对病床的干扰，护工人员、护士人员以及医院管理人员均需 要开启权限才可以启动机器人电动病床，减少了误操作的危险； 3:为了方便病人自理，减少对外界条件的依赖，本系统加入了人机界面功能，病人只要 通过电脑触摸屏就可以自动控制病床机器人，这样就可以不需要护理而自己解决部分简易 的日常生活； 4:由于此电动病床加入了基于蓄电池的动力助力装置，即使碰到病人身体肥胖或者护 理人员身体瘦弱时，病床本身在电源充足的条件下可以为护工人员和护士人员在屋子里移 动病床提供动力，减少了护士或者护工人员在屋子里移动病床的体力消耗和劳动强度； 5:由于此电动病床加入了基于直流无刷伺服电机的两轮差速驱动系统，使得病床可以 在屋子里实现自由移动，减少了病人在某一个固定位置的压抑感； 6:由于此电动病床加入了基于直流无刷伺服电机的两轮差速驱动系统，使得单台电机 的功率大大降低，并且动力与地面的接触点有两点，有利于提高电动病床行驶时的操控性； 7:由于此电动病床加入了基于直流无刷伺服电机的单轴加速助力系统，使得两台差速 行驶电机的功率可以进一步降低，并且动力与地面的接触点有三点，在需要加速或者爬坡 时可以通过开启助力电机满足功率要求，在正常行驶时可以释放加速电机，起到一个触点 的左右，有利于提尚电动病床彳丁驶时的操控性； 8:由于加入了基于直流无刷伺服电机的两轮差速驱动系统，在非常狭小的空间内可以 使病床机器人侧向移动，减少机器人旋转带来的负面问题； 9:当机器人电动病床遇到爬坡的时，由于自身携带的有动力能源，所以可以通过助力 电机很好的起到助力作用，并且三轮驱动的动力特性远远优越于双轮驱动，进一步减少了 对护工人员体力的要求； 10:由FPGA(A3P250)处理两轴电机差速行驶和助力直流无刷伺服电机的全数字伺服控 制，大大提高了运算速度，解决了单单片机运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序 可移植能力强； 11:本发明完全实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且还完全实现了多轴 电机控制信号的同步，有利于提高医用机器人电动病床的稳定性和动态性能； 12:由于本控制器采用FPGA(A3P250)处理三轴直流无刷伺服控制系统大量的控制数 据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，把ARM从复杂的计算中解脱出来，有效地防止了程 序的"跑飞"，抗干扰能力大大增强； 13:本机器人电动病床加入了自动锁车功能，当病床机器人在移动过程中，如遇到紧急 情况，FPGA(A3P250)控制器会发出原地停车指令，并锁死两轮差速行驶电机，即使多个万向 轮都处于可以滑动状态，但由于驱动轮处于锁死状态，这样机器人也不会运动； 14:为了能够使机器人病床能够自由移出病房门口，控制器加入了多种导航传感器，机 器人在移出病房过程中一旦读到地面标志就会自动导航，减少人工移动病床带来的误差； 15:本电动床机器人装备了多种报警系统，在碰撞到障碍物之前自动停车，这样就保证 了在运动过程中的安全性，减少了环境对其的干扰； 16:由于本机器人电动病床系统采用直流无刷伺服电机替代了直流电机，不仅进一步 提高了系统的安全性，也可以提高能源的利用率，增加了机器人电动病床在携带能源一定 的条件下一次移动的距离； 17:由于本机器人电动病床系统采用直流无刷伺服电机，当电机受到外界干扰产生脉 动转矩时，直流无刷伺服电机可以利用力矩与电流的关系迅速进行补偿，极大减少了外界 干扰对机器人电动病床的影响； 18:本机器人电动病床加入了湿度检测系统;此湿度检测系统由湿敏传感器、测量电路 和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能，这样当病人 大小便失控或者是床单潮湿时，湿度检测系统会工作，发出更换请求； 18:由于由FPGA(A3P250)直接生产多轴直流无刷电机驱动信号，不需要DSP向其输入任 何参数，使得系统的处理速度加快，有利于系统高速运行； 19:FPGA(A3P250)控制器根据外围环境实时调整伺服控制系统的PID参数，满足电动病 床不同状况下快速伺服控制系统调整的要求； 20:加速度计Al和陀螺仪Gl用来测量机器人病床三个前进方向的加速度和速度，根据 测量值控制器通过连续积分就可以得到其速度和位移，为机器人的三闭环控制提供可靠判 据； 21:加速度计Al和陀螺仪Gl可以提高机器人电动病床在行走过程中导航的稳定性，实 现姿态的自动精确调整、计算加速爬坡时需要的功率。
[0032]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领 域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，其特征在于，包括交流电源、电池、 控制板、第一电机、第二电机、第三电机以及机器人电动病床，所述的交流电源和电池提供 电流驱动所述的控制板，所述的控制板采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA 进行通信连接，所述的FPGA内部还设有伺服梯形发生器，所述的机器人电动病床上设有传 感器，所述的FPGA接受传感器反馈的传感器信号，由所述的FPGA经过伺服梯形发生器发出 第一控制信号和、第二控制信号和第三控制信号，所述的第一控制信号、第二控制信号和第 三控制信号经驱动放大后驱动所述的第一电机、第二电机和第三电机，所述的第一电机、第 二电机和第三电机上均设置有磁电编码器，通过磁电编码器由所述的第一电机、第二电机 和第三电机控制所述的机器人电动病床的前进、运行速度和运行方向。2. 根据权利要求1所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，其特征在于，所述 的电池采用锂离子电池。3. 根据权利要求1所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，其特征在于，所述 的第一电机、第二电机和第三电机均采用高速直流无刷伺服电机。4. 根据权利要求1所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，其特征在于，所述 的ARM采用STM32F407;所述的FPGA采用A3P250。5. 根据权利要求1所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，其特征在于，所述 的传感器包括加速度计和陀螺仪。6. 根据权利要求1所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，其特征在于，所述 的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号均为PWM波控制信号。7. 根据权利要求1所述的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器，其特征在于，所述 的双核三轮驱动高速机器人电动病床控制器还设置有人机界面程序和运动控制系统，所述 的人机界面程序包括人机界面、路径规划以及在线输出，所述的运动控制系统包括基于 FPGA三轴直流无刷电机伺服控制、数据存储以及I/O控制，其中，所述的基于FPGA三轴直流 无刷电机伺服控制包括磁电编码器模块、加速度计和陀螺仪加速度模块、基于磁电传感器 速度模块以及基于磁电传感器位移模块。
【文档编号】A61G7/018GK106074048SQ201610600791
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610600791.0, CN 106074048 A, CN 106074048A, CN 201610600791, CN-A-106074048, CN106074048 A, CN106074048A, CN201610600791, CN201610600791.0
【发明人】张好明
【申请人】江苏若博机器人科技有限公司