一种双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器的制造方法

一种双核单轮驱动自由升降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单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器，包括电池、控制板、电机X、电机Y、电机Z、电机R以及机器人电动病床，所述的控制板采用双核控制器，包括DSP和FPGA，所述的DSP和FPGA进行通信连接，通过磁电编码器由所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R控制所述的机器人电动病床的前进、运行速度、运行方向和升降运动。通过上述方式，本发明可以减少护工或者护士人员的劳动量和劳动强度；同时在机器人电动病床的头部和尾部各加入一轴电动升降装置，起到自由升降病人身体头部、腰部和腿部的功能；多种传感器组合使得机器人电动病床具有多种功能，可以满足不同条件下病人对病床的需求。
【专利说明】
一种双核单轮驱动自由升降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单轮驱动、自由升降医用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) 现有的机械病床一般均在病床的头部设置了一个摇动杠杠，当病人需要抬起头部 或者是需要仰起上半身时，均有护理人员摇动杠杠达到升起部分病床的目的，病床的自动 化程度较低，而且加重了护理人员的劳动量； (9) 现有的机械病床一般均没有考虑病人腿部的要求，病人的腿部位置的病床机械部 分不能上下移动，对于长时间卧床的病人来说造成腿部肌肉萎缩等状况发生，不利于病人 的病情治疗； (10) 现有的机械病床或简易的电动病床在推离病人离开病房时，不论病人的病情和状 况如何，病人均是直直的躺在病床上，没有人性化考虑，有时对病人的心理伤害非常严重； (11) 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； (12) 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； (13) 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； (14) 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； (15) 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单轮驱动自由升降高速机器人电动 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DSP(TMS320F2812))+ FPGA(A3P250)的全新双核单轮驱动、可以 自由升降部分床体的四轴机器人电动病床。此机器人控制系统以FPGA(A3P250)为处理核 心，实现四轴直流无刷电机的同步伺服控制，TMS320F2812实现多种传感器信号的数字信号 实时处理和存储，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：提供了一种双核单轮驱动 自由升降高速机器人电动病床控制器，包括电池、控制板、电机X、电机Y、电机Z、电机R以及 机器人电动病床，所述的电池单独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DSP和FPGA，所述的DSP和FPGA进行通信连接，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发出第一驱动信号、第二驱动 信号、第三驱动信号和第四驱动信号，所述的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号 和第四驱动信号经驱动放大后分别驱动所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R，所述的电机X、 电机Y、电机Z和电机R上设置有磁电编码器，通过磁电编码器由所述的电机X、电机Y、电机Z 和电机R控制所述的机器人电动病床的前进、运行速度、运行方向和升降运动。
[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，所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R均采用直流无刷 伺服电机。
[0009] 在本发明一个较佳实施例中，所述的DSP采用TMS320F2812;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，所述的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号 和第四驱动信号均为PWM波驱动信号。
[0012] 在本发明一个较佳实施例中，所述的双核单轮驱动自由升降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、区域 规划以及在线输出，所述的运动控制系统包括基于FPGA四轴直流无刷电机伺服控制、数据 存储以及I/O控制，所述的基于FPGA四轴直流无刷电机伺服控制包括基于FPGA两轴直流无 刷电机单轮驱动伺服控制和基于FPGA两轴直流无刷电机升降伺服控制，其中，所述的基于 FPGA两轴直流无刷电机单轮驱动伺服控制和基于FPGA两轴直流无刷电机升降伺服控制均 包括磁电编码器模块、加速度计和陀螺仪加速度模块、基于磁电编码器速度模块以及基于 磁电编码器位移模块。
[0013] 本发明的有益效果是:本发明的双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制 器，设计了一款基于FPGA(A3P250)的双核单轮驱动、两轴自由升降病床的四轴高速机器人 电动病床，这种双核机器人在满足病床高速性、稳定性和安全性的前提下，通过单轮驱动病 床行驶，起到电动助力的作用，可以减少护工或者护士人员的劳动量和劳动强度；同时在电 动病床的头部和尾部各加入一轴电动升降装置，起到自由升降病人身体头部、腰部和腿部 的功能；多种传感器组合使得机器人电动病床具有多种功能，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DSP+ FPGA双核单轮驱动自由升降高速病床原理图； 图2为本发明基于DSP+ FPGA双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床程序框图； 图3为基于DSP+ FPGA双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床运动原理框图； 图4为双核单轮驱动自由升降高速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： 一种双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器，包括电池、控制板、电机X、电 机Y、电机Z、电机R以及机器人电动病床，所述的电池单独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DSP和FPGA，所述的DSP和FPGA进行通信连接，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发出第 一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号，所述的第一驱动信号、第二驱 动信号、第三驱动信号和第四驱动信号经驱动放大后分别驱动所述的电机X、电机Y、电机Z 和电机R，所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R上设置有磁电编码器，通过磁电编码器由所述 的电机X、电机Y、电机Z和电机R控制所述的机器人电动病床的前进、运行速度、运行方向和 升降运动。
[0017] 本实施例中，所述的电池采用锂离子电池;所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R均 采用直流无刷伺服电机。
[0018] 进一步的，所述的DSP采用TMS320F2812;所述的FPGA采用Α3Ρ250。
[0019] 随着微电子技术和计算机集成芯片制造技术的不断发展和成熟，数字信号处理芯 片DSP由于其快速的计算能力，不仅广泛应用于通信与视频信号处理，也逐渐应用在各种高 级的控制系统中。TMS320F2812是美国TI公司推出的C2000平台上的定点32位DSP芯 片，运行时钟也快可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67n S(3TMS320F2812 的IO口非常丰富，具有两个串口，具有12位的0~3.3v的AD转换等，具有片内128k X 16位的片 内FLASH，18K X 16位的SRAM，一般的应用系统可以不要外扩存储器，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TMS320F2812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病床，发明的机器人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，只有二者之 间能够实现解耦，就可以在病房内自由移动，因此，需要两个电机来完成这个动作，单轮驱 动可以很好的实现速度大小和方向的解耦，因此单轮驱动是一个不错的选择。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，本发明中的行走驱动电机和负责转向的 电机均采用直流无刷伺服电机，由于采用霍尔传感器进行电子换向，有效消除了安全隐患。
[0023] 本发明为了能够使得机器人病床自动升降部分电动病床机械床体，达到升降病人 的头部和腿部的功能，舍弃了传统机械病床采用人工摇动杠杠的方式，当病人需要抬起头 部或者是需要仰起上半身时，基于单轴直流无刷伺服电机的头部伺服控制部分工作自动升 降床体的头部；当病人需要抬起或者是下放腿部时，基于单轴直流无刷伺服电机的腿部伺 服控制部分工作自动升降床体的尾部;二者也可以同时工作，达到一起升降电动病床的功 能；当病人需要休息时，只要按下恢复键，不论当前电动病床的姿态如何，床体均回到病床 原始状态，满足病床的最小基本功能。
[0024] 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M1、M2、M3 和M4,传感器Ml、M2、M3和M4可以有效测量出四轴直流无刷伺服电机运动时的速度和位移， 为机器人电动病床四轴三闭环伺服控制提供了可靠反馈。
[0025] 本实施例中，所述的传感器包括加速度计和陀螺仪;所述的第一驱动信号、第二驱 动信号、第三驱动信号和第四驱动信号均为PWM波驱动信号。
[0026] 加速度计传感器在较长时间的测量值(确定管道机器人航向）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Al和三轴陀螺仪Gl。在机器人电动病床行走期间全程开启加速度计Al和陀螺仪Gl， 加速度计Al和Gl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Al和陀螺仪Gl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。
[0027] 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DSP( TMS320F2812) )+ FPGA( A3P250)的全新双核单轮驱动、可 以自由升降部分床体的四轴机器人电动病床。此机器人控制系统以FPGA(A3P250)为处理核 心，实现四轴直流无刷电机的同步伺服控制，TMS320F2812实现多种传感器信号的数字信号 实时处理和存储，实时相应各种中断保护请求，并实现与FPGA(A3P250)数据通信。
[0028] 如图2所示，所述的双核单轮驱动自由升降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、区域规划以及在线输 出，所述的运动控制系统包括基于FPGA四轴直流无刷电机伺服控制、数据存储以及I/O控 制，所述的基于FPGA四轴直流无刷电机伺服控制包括基于FPGA两轴直流无刷电机单轮驱动 伺服控制和基于FPGA两轴直流无刷电机升降伺服控制，其中，所述的基于FPGA两轴直流无 刷电机单轮驱动伺服控制和基于FPGA两轴直流无刷电机升降伺服控制均包括磁电编码器 模块、加速度计和陀螺仪加速度模块、基于磁电编码器速度模块以及基于磁电编码器位移 模块。
[0029]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DSP (TMS320F2812)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，实现单一控制器同步控制四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TMS320F2812 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。
[0030] 对于本文设计的基于DSP(TMS320F2812)+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，DSP(TMS320F2812)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通过DSP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)生成四轴直流无刷 伺服电机的同步控制PWM信号，PWM波信号经驱动放大后通过直流无刷电机Z和R完成头部和 腿部病床部分的升降，然后通过直流无刷电机X、直流无刷电机Y驱动病床向前运动，其运动 速度和位移被相对应的磁电编码器組、12、13、14反馈给??64以3?250)，由？?6六以3?250)生 成二次调整同步PWM控制信号满足实际工作需求。电动床在运行过程中，人机界面在线存储 并输出当前状态，使得处理比较直观。
[0031]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DSP(TMS320F2812)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DSP(TMS320F2812)实时处理各种传感器信号采 集和存储。
[0032]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，DSP(TMS320F2812)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DSP(TMS320F2812)和FPGA(A3P250)发出中断请 求，DSP(TMS320F2812)和 FPGA(A3P250)会对中断做第一时间响应，如果 DSP(TMS320F2812) 和FPGA(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，如果此时只有头部上升按钮SHF被触 发，机器人电动病床将开始做病床头部上升部分的运动，FPGA(A3P250)根据伺服控制器的 要求把按键每次需要运行的距离S转化为电机Z的加速度、速度和位置参考指令值，FPGA (A3P250)再结合电机Z对应的磁电传感器M3的速度和位移反馈生成驱动直流无刷伺服电机 Z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Z正向运动，机器人电动病 床开始缓缓升起，在运动过程中，一旦护理人员的手不在触发启动键或者是上升按钮SHF， 直流无刷伺服电机Z的伺服控制就结束，完成此次上升过程；当病人的头部需要下降时，护 理人员只要同时按下启动键SS和头部下降按钮SHB，机器人电动病床将开始做病床头部下 降部分的运动，FPGA(A3P250)根据伺服控制器的要求把按键每次需要运行的距离S转化为 电机Z的加速度、速度和位置参考指令值，FPGA(A3P250)再结合电机Z对应的磁电传感器M3 的速度和位移反馈生成驱动直流无刷伺服电机Z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Z反向运动，机器人电动病床开始缓缓下降，在运动过程中，一旦护理 人员的手不在触发启动键或者是上升按钮SHB，直流无刷伺服电机Z的伺服控制就结束，完 成此次下降过程;FPGA(A3P250)伺服控制器记录下当前位置与水平位置的位移SHS; 6) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS按下，如果此时只有腿部上升按钮SLF被触 发，机器人电动病床将开始做病床腿部上升部分的运动，FPGA(A3P250)根据伺服控制器的 要求把按键每次需要运行的距离S转化为电机R的加速度、速度和位置参考指令值，FPGA (A3P250)再结合电机R对应的磁电传感器M4的速度和位移反馈生成驱动直流无刷伺服电机 R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R正向运动，机器人电动病 床开始缓缓升起，在运动过程中，一旦护理人员的手不在触发启动键或者是上升按钮SLF， 直流无刷伺服电机R的伺服控制就结束，完成此次上升过程；当病人的腿部需要下降时，护 理人员只要同时按下启动键SS和头部下降按钮SLB，机器人电动病床将开始做病床腿部下 降部分的运动，FPGA(A3P250)根据伺服控制器的要求把按键每次需要运行的距离S转化为 电机R的加速度、速度和位置参考指令值，FPGA(A3P250)再结合电机R对应的磁电传感器M4 的速度和位移反馈生成驱动直流无刷伺服电机R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R反向运动，机器人电动病床开始缓缓下降，在运动过程中，一旦护理 人员的手不在触发启动键或者是上升按钮SLB，直流无刷伺服电机R的伺服控制就结束，完 成此次下降过程;FPGA(A3P250)伺服控制器记录下当前位置与水平位置的位移SLS; 7) 当FPGA(A3P250)控制器检测到启动键SS按下，如果此时恢复按钮SFF被触发，机器人 电动病床根据FPGA(A3P250)伺服控制器的速度和加速度要求，把位移SLS和SHS转化为电机 Z和电机R的加速度、速度和位置参考指令值，FPGA(A3P250)再结合电机Z和电机R对应的磁 电传感器M3、M4的速度和位移反馈生成驱动直流无刷伺服电机Z和电机R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Z和电机R运动，床体被恢复到自然状态； 8) 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 旋转角度和其内部梯形发生器，把直流无刷伺服电机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Y对应的磁电传感器M2的反馈生 成驱动直流无刷伺服电机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Y 运动，由于直流无刷电机Y在旋转过程中通过齿轮结构带动直流无刷伺服电机X运动；当直 流无刷伺服电机Y完成这次伺服运动，直流无刷伺服电机X已经完成侧转9〇 ?的任务，由于在 此过程中只是电机Y驱动电机X旋转90度，并为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，DSP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，如果此时只有前进按钮SF被触发，机 器人电动病床将开始向前运动，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 反馈给FPGA(A3P250);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，DSP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按下，如果此时只有后退按钮SB也被触发， 机器人电动病床将开始后退运动，FPGA(A3P250)经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电 机X和Y的ΠΜ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反馈给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PWM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，DSP实时记录电动病床的运行参数并在人机界面显示； 11) 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，机器人电动病床将开始侧向右移，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反 馈给FPGA (A3P250)，FPGA (A3P250)二次调整电机X和电机Y的运动参数;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，DSP实时记录电动病床的 运行参数并在人机界面显示； 12) 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，机器人电动病床将开始侧向左移，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读取到左方有障碍物时，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，并反馈给FPGA(A3P250)，FPGA(A3P250)二次调整电机X和电机Y的运动参数;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，DSP实时记录电 动病床的运行参数并在人机界面显示； 13) 当机器人电动病床需要移出病房时，现有医院负责人开启行走权限密码，然后护工 人员把机器人电动病床推到带有地面标志的位置，机器人电动病床进入自动导航状态:其 导航的光电传感器SI、S2、S3、S4、S5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)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，FPGA(A3P250)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推动信号，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，DSP实时记录 电动病床的运行参数并在人机界面显示； 14) 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)通过驱动器锁死行走电机X，即使电动病 床多个万向轮W都处于可以滑动状态，由于行走电机X处于锁死状态，这样机器人电动病床 也不会运动； 15) 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； 16) 本电动床装备了多种防障碍物报警系统，床载障碍探侧系统可以在碰撞到障碍物 之前自动探测到障碍物的存在并自动停车，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，这样就保证了在运动过程中对周围环境的适应，减少了环境对其的干扰； 17) 在机器人电动病床行走过程中，电机经常会收到外界因素干扰，为了减少电机的脉 动转矩对机器人行走的影响，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补偿，削弱了外界环境对机器人运动的影响； 18) 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。
[0033]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DSP(TMS320F2812)+FPGA (A3P250)双核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，病床会自动借助自带蓄电池电源自动锁死在固定位置，直至有移动开 关信号输入，保证了病床的自然状态； 2: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； 3: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； 4:由于此电动病床加入了基于直流无刷伺服电机的单轮驱动系统，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； 5:由于此电动病床加入了基于直流无刷伺服电机的单轮驱动系统，使得电动病床可以 在屋子里原地按照任意方向自由旋转，减少了移动病床需要的空间，特别适合应用于空间 狭小的病房； 6:由于加入了基于直流无刷伺服电机的单轮驱动系统，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； 7:为了能够使病床机器人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； 8: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，所以可以很好的起 到助力作用，减少了对护工人员体力的要求； 9:由FPGA(A3P250)处理多轴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； 10: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； 11:由于本控制器采用FPGA(A3P250)处理大量的多轴伺服数据与算法，并充分考虑了 周围的干扰源，把TMS320F2812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； 12: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，控制器会发出原地停车指令，并锁死主运动电机，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； 13:本发明在机器人电动病床系统中加入了多种开启权限，防止了病床的误操作； 14: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； 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:基于单轴直流无刷伺服电机的头部伺服控制部分可以很好的满足病人需要抬起头 部或者是仰起上半身的活动，护理人员可以通过按键达到升起病床前部，病床的自动化程 度进一步得到提升，减少了护理人员的劳动量； 19:基于单轴直流无刷伺服电机的腿部伺服控制部分可以很好的满足病人需要腿部或 者下半身的活动，护理人员可以通过按键达到升起或降低病床后部，病床的自动化程度进 一步得到提升，减少了护理人员的劳动量； 20:基于前后两轴直流无刷伺服升降装置组合使得机器人电动病床具有各种机械组 合，在推离病人离开病房时，可以根据病人的病情自由调节病床的姿势，满足了不同病人的 心理要求； 21:由于由FPGA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； 22:FPGA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； 23: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； 24: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。
[0034]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. 一种双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器，其特征在于，包括电池、控 制板、电机X、电机Y、电机Z、电机R以及机器人电动病床，所述的电池单独提供电流驱动所述 的控制板，所述的控制板采用双核控制器，包括DSP和FPGA，所述的DSP和FPGA进行通信连 接，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发出第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号，所述的第一驱 动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号经驱动放大后分别驱动所述的电机 X、电机Y、电机Z和电机R，所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R上设置有磁电编码器，通过磁 电编码器由所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R控制所述的机器人电动病床的前进、运行速 度、运行方向和升降运动。2. 根据权利要求1所述的双核单轮驱动自由升降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所述的双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器，其特征 在于，所述的电机X、电机Y、电机Z和电机R均采用直流无刷伺服电机。4. 根据权利要求1所述的双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器，其特征 在于，所述的DSP采用TMS320F2812;所述的FPGA采用A3P250。5. 根据权利要求1所述的双核单轮驱动自由升降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所述的双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器，其特征 在于，所述的第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号和第四驱动信号均为PWM波驱动 信号。7. 根据权利要求1所述的双核单轮驱动自由升降高速机器人电动病床控制器，其特征 在于，所述的双核单轮驱动自由升降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、区域规划以及在线输出，所述的运动控 制系统包括基于FPGA四轴直流无刷电机伺服控制、数据存储以及I/O控制，所述的基于FPGA 四轴直流无刷电机伺服控制包括基于FPGA两轴直流无刷电机单轮驱动伺服控制和基于 FPGA两轴直流无刷电机升降伺服控制，其中，所述的基于FPGA两轴直流无刷电机单轮驱动 伺服控制和基于FPGA两轴直流无刷电机升降伺服控制均包括磁电编码器模块、加速度计和 陀螺仪加速度模块、基于磁电编码器速度模块以及基于磁电编码器位移模块。
【文档编号】A61G7/018GK106074049SQ201610600792
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610600792.5, CN 106074049 A, CN 106074049A, CN 201610600792, CN-A-106074049, CN106074049 A, CN106074049A, CN201610600792, CN201610600792.5
【发明人】张好明
【申请人】江苏若博机器人科技有限公司