一种双核单轮驱动机器人电动病床控制系统的制作方法

本发明涉及一种双核单轮驱动医用机器人电动病床自动控制系统，属于自动电动病床技术领域。

背景技术：

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。

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。

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）基于单核控制的机器人电动病床，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，而且有时候由于处理数据较多导致机器人病床失控；

（9）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车的要求；

（10）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。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种双核单轮驱动机器人电动病床控制系统，该双核单轮驱动机器人电动病床控制系统计算速度快，操作方便，安全稳定，运动控制精确，可以减轻护工或者护士人员的劳动量和劳动强度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种双核单轮驱动机器人电动病床控制系统，包括控制装置、运动控制系统和使电动病床沿不同方向移动的直流无刷伺服电机X、直流无刷伺服电机Y，所述运动控制系统包括DSP芯片控制器和运动控制芯片，所述DSP芯片控制器和运动控制芯片均与所述控制装置通信连接，所述DSP芯片控制器与运动控制芯片之间通信连接，所述直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y均与所述DSP芯片控制器通信连接，所述电动病床上设置有导航光电传感器、启动按钮SS、侧向转弯按钮SK、后退按钮SB和加速度传感器，所述导航光电传感器、启动按钮SS、侧向转弯按钮SK、后退按钮SB和加速度传感器均同时与所述DSP芯片控制器通信连接。

在本发明一个较佳实施例中，还包括为所述运动控制系统和电动病床提供电源的电池电源和交流电源，所述运动控制系统和电动病电动病床均与所述电池电源和/或交流电源电性连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述直流无刷伺服电机X上设置有磁电传感器M1，所述直流无刷伺服电机Y上设置有磁电传感器M2，所述磁电传感器M1和磁电传感器M2均与所述DSP芯片控制器电性连接。

在本发明一个较佳实施例中，还包括报警系统，所述报警系统与所述DSP芯片控制器电性连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述电动病床上设置有防撞超声波传感器S9和防撞超声波传感器S10。

在本发明一个较佳实施例中，还包括湿度检测系统，所述湿度检测系统包括湿敏传感器、测量电路和显示记录装置，所述湿度检测系统与所述DSP芯片控制器电性连接。

本发明的有益效果是：本发明的双核单轮驱动机器人电动病床控制系统在保证电动病床稳定性和安全性的前提下，通过电动助力不仅可以减少护工或者护士人员的劳动量和劳动强度，而且多种传感器组合使得机器人电动病床具有移动和导航等多种功能，可以满足不同条件下病人对病床的需求，操作方便，运动控制精确，计算速度快。

附图说明

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+ MC2320双核单轮驱动机器人电动病床原理图;

图2为本发明基于 DSP+ MC2320双核单轮驱动机器人电动病床程序框图;

图3为基于 DSP+ MC2320双核单轮驱动机器人电动病床运动原理框图;

图4为基于 DSP+ MC2320双核单轮驱动机器人电动病床通过病房自动导航原理图；

图5为本发明的双核单轮驱动机器人电动病床控制系统结构示意图。

附图中各部件的标记如下：1、控制装置，2、运动控制系统，3、DSP芯片控制器，4、运动控制芯片，5、电池电源，6、交流电源，7、直流无刷伺服电机X，8、直流无刷伺服电机Y，9、湿度检测系统，10、磁电传感器M1，11、磁电传感器M2，12、导航光电传感器，13、启动按钮SS，14、侧向转弯按钮SK，15、后退按钮SB，16、报警系统，17、加速度传感器，18、防撞超声波传感器S9，19、防撞超声波传感器S10，20、湿敏传感器，21、测量电路，22、显示记录装置。

具体实施方式

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。

请参阅图1至图5，本发明实施例包括：一种双核单轮驱动机器人电动病床控制系统，包括控制装置1、运动控制系统2和使电动病床沿不同方向移动的直流无刷伺服电机X7、直流无刷伺服电机Y8，所述运动控制系统2包括DSP芯片控制器3和运动控制芯片4，所述DSP芯片控制器3和运动控制芯片4均与所述控制装置1通信连接，所述DSP芯片控制器3与运动控制芯片4之间通信连接，所述直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8均与所述DSP芯片控制器3通信连接，所述电动病床上设置有导航光电传感器12、启动按钮SS13、侧向转弯按钮SK14、后退按钮SB15和加速度传感器17，所述导航光电传感器12、启动按钮SS13、侧向转弯按钮SK14、后退按钮SB15和加速度传感器17均同时与所述DSP芯片控制器3通信连接。

优选地，本发明的双核单轮驱动机器人电动病床控制系统还包括为所述运动控制系统2和电动病床提供电源的电池电源5和交流电源6，所述运动控制系统2和电动病床均与所述电池电源5和交流电源6电性连接。

优选地，所述直流无刷伺服电机X7上设置有磁电传感器M1 10，所述直流无刷伺服电机Y8上设置有磁电传感器M2 11，所述磁电传感器M1 10和磁电传感器M2 11均与所述DSP芯片控制器3电性连接。

优选地，还包括报警系统16，所述报警系统16与所述DSP芯片控制器3电性连接。在电动病床出现运动故障时发出报警。

优选地，所述电动病床上设置有防撞超声波传感器S9 18和防撞超声波传感器S10 19。

优选地，还包括湿度检测系统9，所述湿度检测系统9包括湿敏传感器20、测量电路21和显示记录装置22，所述湿度检测系统9与所述DSP芯片控制器3电性连接。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9会工作，发出床单更换请求。

本发明采用DSP芯片控制器3（芯片型号TMS320F2812）+运动控制芯片4（芯片型号MC2320）双核控制器进行电动病床的控制，在电源打开状态下，控制装置1即计算机人机界面先工作，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，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，MC2320会锁死当前的机器人电动病床并通过TMS320F2812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并反馈参数给DSP芯片控制器3，由DSP芯片控制器3处理后转化后与MC2320通讯，由MC2320生成两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X7和直流无刷电机Y8向前运动，其运动速度和位移被相对应的磁电传感器M1 10和磁电传感器M2 11反馈给MC2320，由MC2320二次调整同步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。

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：人机界面系统即控制装置1和运动控制系统2。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MC2320运动控制系统完成电动病床的多轴伺服控制，而DSP芯片控制器3（TMS320F2812）实现数据存储、I/O控制等功能，系统充分发挥MC2320快速伺服处理器的优点，同时由TMS320F2812实时处理各种传感器信号。

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6对系统中的电池电源5即蓄电池充电，保证机器人电动病床有足够的能源完成任务。

2）一旦接到控制装置1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，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，一旦启动按钮SS13按下，系统首先完成DSP芯片控制器3和MC2320的初始化并检测电源电压，如果蓄电池电源不正常，将向TMS320F2812发出中断请求，TMS320F2812会对中断做第一时间响应，如果TMS320F2812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TMS320F2812控制器检测到启动按钮SS13按下，TMS320F2812控制器将检测侧向转弯按钮SK14是否被触发。如果侧向转弯按钮SK14被触发， TMS320F2812根据机器人运动部分需要旋转角度θ=90°和其内部梯形发生器，把直流无刷伺服电机Y8要运转的距离SX转化为加速度、速度和位置参考指令值，TMS320F2812将于MC2320通讯，MC2320然后再结合直流无刷伺服电机Y8对应的磁电传感器M2 11的反馈生成驱动直流无刷伺服电机Y8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Y8运动，由于直流无刷电机Y8在旋转过程中通过齿轮结构带动直流无刷伺服电机X7运动。当直流无刷伺服电机Y8完成这次伺服运动，直流无刷伺服电机X7已经完成侧转90°的任务，由于在此过程中只是直流无刷伺服电机Y8驱动直流无刷伺服电机X7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。

6）当TMS320F2812控制器检测到启动按钮SS13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 18和防撞超声波传感器S10 19将工作，并向TMS320F2812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 18或者是防撞超声波传感器S10 19读取到前方有障碍物时，TMS320F2812将与MC2320通讯，MC2320经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X7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M1 10和磁电传感器M2 11会时刻检测直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8的运动速度和位移，并通过TMS320F2812反馈给MC2320，由MC2320根据位移、速度和加速度偏差信号二次调整直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8的控制信号。

7）当TMS320F2812控制器检测到启动按钮SS13按下，如果此时只有后退按钮SB15被触发，机器人电动病床将开始后退运动，TMS320F2812将于MC2320通讯，MC2320经内部伺服控制程序调整直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8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 10和磁电传感器M2 11会时刻检测直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8的运动速度和位移，并通过TMS320F2812反馈给MC2320，由MC2320根据位移、速度和加速度偏差信号二次调整直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8的控制信号，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。

8）当TMS320F2812控制器检测到启动按钮SS13按下，如果此时转弯按钮SK14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TMS320F2812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，TMS320F2812将于MC2320通讯，MC2320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右移。在机器人电动病床侧向右移过程中，磁电传感器M1 10、磁电传感器M2 11会时刻检测直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8的运动速度和位移，并通过TMS320F2812反馈给MC2320，由MC2320根据位移、速度和加速度偏差信号二次调整电机X7和直流无刷伺服电机Y8的控制信号。

9）当TMS320F2812控制器检测到启动按钮SS13一旦按下，如果此时侧向转弯按钮SK14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TMS320F2812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，TMS320F2812将于MC2320通讯，MC2320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M1 10、磁电传感器M2 11会时刻检测直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8的运动速度和位移，并通过TMS320F2812反馈给MC2320，由MC2320二次调整电机X和电机Y的运动参数。

10）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：导航光电传感器12（包括导航光电传感器S1、S2、S3、S4、S5 、S6、S7、S8）将工作，地面标志反射回来的光电信号反馈给TMS320F2812，经TMS320F2812判断处理后TMS320F2812将于MC2320通讯，MC2320确定机器人偏移导航轨道的偏差，MC2320结合内部梯形发生器把此偏差信号转化为直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8要运行的加速度、速度和位移指令，MC2320再结合磁电传感器M1 10、磁电传感器M2 11的反馈生产驱动直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8的驱动信号，驱动信号放大后驱动直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8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，MC2320根据地面标志和磁电传感器M1 10、磁电传感器M2 11的反馈微调直流无刷伺服电机X7和直流无刷伺服电机Y8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。

11）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ESW1按下后，运动控制芯片4一旦检测到紧急中断请求会发出原地停车指令，MC2320通过驱动器锁死行走直流无刷伺服电机X7，即使电动病床多个万向轮都处于可以滑动状态，由于行走直流无刷伺服电机X7处于锁死状态，这样机器人电动病床也不会运动。

12）本发明在机器人电动病床上加入了湿度检测系统9。此湿度检测系统9由湿敏传感器20、测量电路21和显示记录装置22等几部分组成，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。

13）本电动床装备了多种防障碍物报警系统16，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。

14）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。

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传感器17，加速度传感器17可以测量机器人病床三个前进方向的加速度，控制系统根据测得的加速度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；同时当机器人病床的姿态发生变化时，控制系统就可以得到其大致倾斜角度和加速度要求，控制系统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；控制系统通过对加速度传感器进行连续积分，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。

通过上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

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）+MC2320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MC2320处理多轴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。

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直流无刷伺服电机控制信号的同步，有利于提高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MC2320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。

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。