人员转运车的智能辅助控制系统的制作方法

本发明涉及一种人员转运车的智能辅助控制系统，主要用于救治病患的医疗转运车的控制。

背景技术：

在现有的人员转运车中，用于救治病患的医疗转运车是主要组成。医疗转运车在避免病患的二次伤害、应对失能病患和减轻医务工作者的工作强度方面有着积极作用。

以医疗转运车为例，现有转运车主要由升降立柱、能够移动的动作板、传送带组成，能够实现对一些不便人工搬运或者失能病患在不同医疗区域的转运。现有的人员转运车通过升降立柱调整转运车的板面的高度，使其与各种床面对齐，进而采用直流电机或者无刷直流减速电机带动传送带和出入板运动，通过伸出板和传送带卷出动作将人员从转运车送出至另一床面，或者通过缩回板和传送带卷入动作将人员从另一床面接回至转运车，从而完成人员在病床、转运车、ct检查床等床面之间的转移。

在接人和送人过程中，现有转运车主要通过三个环节辅助人员转运来节省人力、提高效率。一是转运车板面由高承受力的升降立柱支撑，通过电动升降替代传统人力搬运中的上下做功；二是通过转运车伸出板和传送带完成人员在不同床面间的平移，减少人员的二次伤害；三是借助电动助力系统来减少人员转移过程中的推车所消耗的人力，提升转运速度。这三个环节均由操作人员手动发出指令来完成。

近年来，随着人力成本逐渐升高，人员转运车的社会需求量将很快增长，医疗转运车在医疗领域的应用日益重要起来。现有人员转运车只是实现了基本的电动助力功能，仍存在关键的难点尚未解决，阻碍了人员转运车的应用，没有最大化它的社会价值。也就是说，现有人员转运车基本解决了动力问题，但控制系统的智能化水平偏低。

现有人员转运车控制系统的主要缺点在于以下方面：

1、转运车在使用过程中需要频繁对齐各种不同高度的床面，例如常见的医用病床、手术台、家庭护理床等等，现有人员转运车控制系统不具备自动床面对齐功能或者仅能对齐预置的固定高度，无法在不改变现有环境条件的情况下自动的适应各种床面高度。这个缺点使得现有转运车在工作中只能依赖操作人员的眼睛来判断两个床面间的高度差，通过手控盒反复调整，效率低下。容易出现转运车伸出板与目标床面相对高度不合适的情况。若转运车高度过高，则在接人时，伸出板直接顶到人体，不仅难以完成转运，而且人的体验很差；而在送人时，容易让人产生掉落感。若转运车高度过低，则在接送人过程中，出现伸出板与床面过多摩擦而带来的负载问题。

2、传统转运车的电动助力系统存在助力效率较低、操作不便的缺点。现有转运车电动助力系统仅使用一个常规助力轮，这使得助力轮仅能在沿车身直线方向上提供助力作用，转运车的转向动作仍需操作人员出力完成。此外，助力轮的启停大多由旋转把手操控，这使得操作人员需要手握把手来推动助力车或拉停转运车，而人在推动或拉动转运车时，对旋转把手的操控并不稳定，很容易引起助力轮的速度波动，进而给转运车上的人员带来较大影响。这一缺点给操作人员带来较高的劳动强度和心理压力，不利于转运车的运行实施。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种人员转运车的智能辅助控制系统，以解决现有技术存在的不能自动对齐各种不同高度的床面，助力效率较低，以及操作不便的问题。

本发明的技术方案是：一种人员转运车的智能辅助控制系统，包括控制器以及由其控制的转运系统，该转运系统用于控制床板的伸出、收回和升降，以及驱动卷布的移动，实现将病人在转运车与病床或手术台之间的转运；通过人机交互装置向控制器输入接人或送人的指令，完成床板移动和卷布的动作；该床板的伸出和收回由板限位检测装置通过该控制器定位控制；床板的升降由定高对接检测装置通过该控制器定位控制；以及由控制器控制的行走助力系统，用于控制转运车的助力轮的升降和行走；人机交互装置并配备有电源部分供给整个控制系统的电源，其特征在于，所述的定高对接检测装置通过安装在不同高度的两个漫反射光电开关来实现，由于转运车板面最终要略高于目标床面，则将两个漫反射光电开关在垂直方向上安装于转运车床板之下，高度控制方法为：

当转运车床面的初始高度低于目标床面时为a状态，操作人员按下上升按键来启动定高过程，若两个光电开关均断开，则处于a状态，控制器测得转运车板低于目标床面，此时控制器将控制升降立柱抬升；

当两个光电开关均接通时为b状态，控制器感知到转运车床面接近但未达到目标高度，控制升降立柱继续抬升，直至进入c状态；

上层光电开关断开且下层光电开关接通时为c状态，当进入床板的升降立柱转为下降，当再次进入b状态时，升降立柱停止，定高过程结束。

还包括rgb-d视觉处理系统，包括：rgb-d相机、微型主机、rfid读卡器和无源rfid标签，通过设置rfid读卡器和无源rfid标签来完成转运车和特定操作人员之间的绑定，rfid读卡器和rgb-d相机的输出端分别与微型主机的输入接口连接，微型主机与所述的控制器之间建立通信连接；转运车在两地点间行进时有两种运行模式，一种是操作人员手动推行的普通模式，另一种是操作人员引导的跟随模式；在转运车使用前，微型主机通过rfid读卡器读取操作人员随身携带的无源rfid标签，与微型主机内储存的数据匹配后，并通过rgb-d摄像机取得操作人员的外观特征，完成一对一绑定；微型主机通过识别操作人员的手势来判断运行模式，伸掌表示进入跟踪模式，握拳表示进入普通模式；

进入跟踪模式后，操作人员在前方引路，微型主机通过rgb-d相机采集被绑定的操作人员的彩色图像和深度图像，通过预先标定的彩色相机和深度相机内参数和外参数确定彩色图像和深度图像之间的像素对应关系，利用相机驱动软件直接获得操作人员的骨骼-关节数据，并将相机视野中的其他人员去除；根据操作人员关节数据计算其躯干平面中心在摄像机坐标系中的位置和躯干平面的法线方向，进而根据由差速驱动移动机器人运动学方程和目标的点运动方程所建立的系统状态方程、由相机模型所建立的观测方程，采用容积卡尔曼滤波算法估计被跟踪目标点在深度摄像机坐标系下的位置和速度；以被跟踪目标点到深度图像平面的投影点在该平面中线上、被跟踪目标点到图像平面距离为60cm为期望值，采用具有滚动优化特征的预测控制算法规划转运车两个助力轮的转速，进而引导转运车完成对操作员的跟随；预测控制算法的目标函数中包含了被跟踪目标点与深度图像平面之间的相对位置与期望相对位置之间的偏差、相机运动方向和被跟踪目标点运动方向间的偏差以及考虑避障任务的势能函数。其中势能函数作为目标函数中的罚函数，函数定义考虑了转运车车身尺寸，车距离障碍物越近则该函数值越大；通过寻找目标函数最小值，即令车体尽可能远离障碍物而且令被跟踪目标点尽可能趋近期望目标点，来计算出最佳的期望运动轨迹，同时满足设定的转运车前进速度和转向速度的限幅；微型主机通过串口将助力轮的期望转速发送给控制器，由控制器完成助力轮的运动控制；若有运行空间过于狭窄或操作人员做出握拳手势时，转运车退出跟随模式，由操作人员通过按键抬起助力轮并手动推行。

所述的板限位检测装置由安装在床板下面的一对伸出定位传感器(光电开关1、2)和一对收回定位传感器(光电开关3、4)组成，分别检测床板的伸出和收回的两个位置，并将信号传送到所述的控制器，后者控制出板电机的运转或停止；一对伸出定位传感器分别安装在床架伸出床板一侧的靠近床头和床尾的位置，一对收回定位传感器分别安装在床架的另一侧。

所述的行走助力系统采用转运车的助力系统采用双助力轮助力系统，每一助力轮均设有轮毂电机，引入差速驱动移动机器人技术，依靠两个轮毂电机的差速来完成转运车在直线和转向两个方面运动时的助力；助力轮的升降由电动的升降推杆驱动，控制升降的指令由操作人员通过在人机交互装置输入完成。

在由转运车到目标床面的送人操作中，先通过伸出板将病人运出至目标床板上方，进而通过传送布外卷将人体外侧手臂部分送至床面，再利用收回板并延时外卷传送布的方式将人员转移到目标床面。

所述的人机交互装置包括手控盒或操作按键，操作按键安装在转运车床头扶手上。

还包括塑料扶手检测装置，该塑料扶手检测装置采用一个安装在伸出板一侧床架上的光电开关，检测出板侧的扶手是否已放下；若出板侧的扶手没有放下，则不能令转运车的板面伸出；以此方式避免误操作，消除意外情况的发生，保证人员和设备安全。

所述的控制器采用单片机或plc，所述的微型主机采用微处理器；或所述的控制器和微型主机合并采用单片机或工控机。

本发明的优点是：能够实现在不同医疗区域之间对病患的快速高效转运，转运车上的光电开关辅助完成对转运车的高度设定，以准确配合在不同高度的床具间病患的转移；在遥控器的控制下，转运车的动作板在传送带的辅助下自动完成病患的接入和送出，并且可以通过遥控器对部分动作进行微调以顺利完成病人的接送过程。搭载rgb-d相机和动力部分，转运车可以在保证病患舒适性的前提下自主完成对特定医护人员的跟随，高效智能自动完成病患的转运。

附图说明

图1是应用本发明控制系统的人员转运车一个侧面的体外形结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是上述人员转运车的床板伸出状态的结构示意图(对应图2的一侧)；

图4是图3中床板收回状态的结构示意图；

图5是上述人员转运车的助力轮的结构示意图；

图6是本发明控制系统的一个实施例的整体构成框图；

图7是本发明转运车高度定位传感器低于床具板面的状态(简称a状态)示意图；

图8是本发明转运车高度定位传感器位于床具板面平齐的状态(简称b状态)示意图；

图9是本发明转运车高度定位传感器高于床具板面的状态(简称c状态)示意图。

附图标记说明：a、车身机构，a1、床板，a2、床架，a3、传动机构，b、移动机构，11、助力轮，12、万向轮，13、刹车杆，14、升降立柱，15、轮毂电机，16、滑槽板，25、滚轮，27、轮子，28、凸轮连杆，29、升降推杆，30、减震器，31、助力轮连杆，32、卡子，33、扶手，34、导轨，35、滑块，38车架，44齿条，46橡胶垫，47头部护板，48尾部护板，49防静电拖链。

具体实施方式

参见图1-图5，本发明一种人员转运车的智能辅助控制系统所控制的人员转运车的构造包括：车身机构a和移动机构b，车身机构a安装在移动机构b的上端，在车身机构a的两侧设有扶手33(能够上下翻转)，作用是防止病人跌落。

所述的移动机构b由升降机构和平移机构(用于床板的伸出和收回)两部分组成，升降功能由两根升降立柱14完成，升降立柱14的顶端通过连接法兰与车身机构a连接，通过手控盒操纵升降立柱14上下移动，从而带动车身机构a升降，从而适应不同高度的床位；平移机构包括车架38、助力轮11、万向轮12和刹车杆13，三根升降立柱14设在车架38的上端，在车架38的前端和后端的两侧各装有一个万向轮12，在车架38下面的中部装有双轮助力轮11。在所述的移动机构b的下面连接有防静电拖链49。

所述的车身机构a由床板a1、床架a2和传动机构a3三部分组成，床板a1连接在传动机构a3的上面，并随着传动机构a3在床架a2两端的滑槽板16内侧的凹槽内横向移动。在所述的床架a2的两端分别设有头部护板47和尾部护板48，在该头部护板47上有扩音器，在该头部护板47或尾部护板48上安装具有自动跟踪功能的rgb-d相机。

参见图5，所述的双轮助力轮11为现有产品，运动原理为由升降推杆29带动凸轮连杆28带动卡子32摆动，从而卡住助力轮连杆31，助力轮连杆31和两个助力轮27连接，在每个助力轮27的轴心装有轮毂电机15，通过卡子32推动助力轮连杆31摆动从而使轮子27上升，使助力轮停止工作。同理，升降推杆29运动带动凸轮连杆28再次转动，带动卡子32松开助力轮连杆31，助力轮27在减震器30作用下压住地面，使助力轮27开始运动。病床有自动跟随功能，可以跟随医护人员到达需要达到地点，助力轮27采用双轮结构可以使病床移动时更方便转弯。助力轮27为外购件，通过减震器30的弹簧作用压紧地面，通过电驱动可以转动，从而对病床的移动起辅助作用。

本发明一种人员转运车的智能辅助控制系统如图6所示，主要包括电源部分、转运系统、助力系统、板限位检测装置、塑料扶手检测装置、定高对接检测装置、控制器、人机交互装置和rgb-d视觉处理系统。

所述的转运系统中的接人和送人操作主要依靠出板电机(用于驱动床板的伸出和收回)、卷布电机(用于驱动围绕在床板表面的卷布的移动)、板限位检测装置、控制器和手控盒完成。出板电机和卷布电机均采用小尺寸、低噪音的带有行星减速器的无刷直流电机。

所述的板限位检测装置由安装在床板下面的一对伸出定位传感器(光电开关1、2)和一对收回定位传感器(光电开关3、4)组成，分别检测床板的伸出和收回的两个位置，并将信号传送到所述的控制器，后者控制出板电机的运转或停止；一对伸出定位传感器分别安装在床架伸出床板一侧的靠近床头和床尾的位置，一对收回定位传感器分别安装在床架相对的另一侧。板限位检测装置采用npn型光电对射开关检测转运车床板是否到位，控制器通过无刷直流电机驱动器控制出板电机和卷布电机的启停。转运车接人或送人时，出于安全考虑，由操作人员通过手控盒发出接人或送人的指令，操作过程中需要长按按键，一旦病患有意外情况，可以立即停止。接人时，操作人员按下出板按键，控制器控制出板电机正转，让床板伸出，插入病患身下，当光电开关1、2触发时，自动控制电机停止；再按下卷入按键，控制器控制卷布电机正转，将病患拉上转运车床面；再按下回板按键，控制器令出板电机反转，让床板缩回，直到光电开关3、4触发，电机停止，完成接人动作。送人时，操作人员按下出板按键，控制器控制出板电机正转，让床板完全伸出；再按下卷出按键，控制器控制卷布电机反转，将人员手臂部分送出至目标床面；再按下退回按键，出板电机先反转令床板回收，延时启动卷布电机反转，边回收床板边外卷传送布，将病患留在目标床面。控制器在出板和回板过程中，通过速度规划算法，设定梯形速度曲线，再通过一阶惯性环节将梯形速度曲线转变为s型速度曲线，实现运行过程中加减速的柔顺化，最大速度、最大加速度、减速点的设定根据转运车床板宽度和出板电机参数确定。

以上送人和接人控制流程，可适应各种床面的摩擦情况，最大程度上减少被接送人员的不舒适感，克服现有转运车在各种床面转运过程中出现的板面戳人、挤人的弊端，削弱转运板启停对人体带来的冲击，而且节约了控制节拍，避免在转运过程中反复出入板，提高运行效率。

所述的转运系统中的升降立柱14主要实现转运车与目标床(病床、护理床、ct检查台、手术台等等不同床面或台面)的高度对齐。目前转运车完全依靠人眼观察，手动操作来调节高度，通常需要反复操作，而且有较大的高度误差。本系统实现了一个低成本的自动高度对齐方案，通过安装在不同高度的两个漫反射光电开关(图6中的光电开关6、7)来实现。由于转运车板面最终要略高于目标床面，则将两个漫反射光电开关在垂直方向上安装于转运车板面之下。在图7-图9中，分别表示了转运车的床板在高度调整过程中与目标床面的三种相对状态，即a状态、b状态和c状态，分别说明如下：

当转运车床面的初始高度低于目标床面时(为a状态)，操作人员按下上升按键来启动定高过程，若两个光电开关均断开，则处于a状态(图7所示)，控制器测得转运车板低于目标床面，此时控制器将控制升降立柱14抬升；当两个光电开关6和7均接通，即处于b状态时(图8所示)，控制器感知到转运车床面接近但未达到目标高度，控制升降立柱14继续抬升；直至进入c状态(图9所示)，即上层光电开关6断开且下层光电开关7接通时，升降立柱转为下降；当再次进入b状态时，升降立柱14停止，定高过程结束。因为目标床板或台面有厚度，且厚度不同，所以转运车在自下而上对齐目标板面的过程中需要2次进入b状态，即将上层光电开关6刚好对齐目标床体的上表面作为目标状态。而转运车床面的初始高度高于目标床面时，操作人员按下下降按键来启动定高过程，升降立柱下降，系统先进入c状态，继续下降进入b状态时，升降立柱14停止，定高过程结束。以上时序逻辑保证了转运车能够适应各种高度的目标床体，既不需要改动目标床体，又无需确定绝对的距地高度，仅靠开关逻辑即可完成床面对齐，成本低且可靠性强。自动定高，一键操作，极大提升了转运车的工作效率。

本发明转运车的助力系统突破了现有医用转运车的单助力轮的配置，将差速驱动移动机器人技术引入转运车，依靠两个轮毂电机15的差速来完成转运车在直线和转向两个方面运动时的助力。

转运车通过安装在车身一端的rgb-d相机完成对操作人员的检测。但不同于其他采用rgb-d相机做人员跟随的方案，在控制系统组成上增加了rfid读卡器和无源rfid标签来完成转运车和特定操作人员之间的绑定，这是为了避免环境中的人员拥挤和光照条件变化所导致的误判，提升视觉系统的稳定性。转运车在两地点间行进时有两种运行模式，一种是操作人员手动推行的普通模式，另一种是操作人员引导的跟随模式。在转运车使用前，微型主机通过rfid读卡器读取操作人员随身携带的无源rfid标签，与微型主机内数据匹配后，并通过rgb-d摄像机取得操作人员的外观特征，完成一对一绑定。微型主机通过识别操作人员的手势来判断运行模式，伸掌表示进入跟踪模式，握拳表示进入普通模式。进入跟踪模式后，操作人员在前方引路，微型主机通过rgb-d相机采集被绑定的操作人员的彩色图像和深度图像，通过预先标定的彩色相机和深度相机内参数和外参数确定彩色图像和深度图像之间的像素对应关系，利用相机驱动软件直接获得操作人员的骨骼-关节数据，并将相机视野中的其他人员去除。根据操作人员关节数据计算其躯干平面中心在摄像机坐标系中的位置和躯干平面的法线方向，进而根据由差速驱动移动机器人运动学方程和目标的点运动方程所建立的系统状态方程、由相机模型所建立的观测方程，采用容积卡尔曼滤波算法估计被跟踪目标点在深度摄像机坐标系下的位置和速度。以被跟踪目标点到深度图像平面的投影点在该平面中线上、被跟踪目标点到图像平面距离为60cm为期望值，采用具有滚动优化特征的预测控制算法规划转运车两个助力轮的转速，进而引导转运车完成对操作员的跟随。预测控制算法的目标函数中包含了被跟踪目标点与深度图像平面之间的相对位置与期望相对位置之间的偏差、相机运动方向和被跟踪目标点运动方向间的偏差以及考虑避障任务的势能函数。其中势能函数作为目标函数中的罚函数，函数定义考虑了转运车车身尺寸，车距离障碍物越近则该函数值越大。通过寻找目标函数最小值，即令车体尽可能远离障碍物而且令被跟踪目标点尽可能趋近期望目标点，来计算出最佳的期望运动轨迹，同时满足设定的转运车前进速度和转向速度的限幅。微型主机通过串口将助力轮的期望转速发送给控制器，由控制器完成助力轮的运动控制。通过以上方法实现转运车对操作人员的自动跟随，进一步减轻操作人员劳动强度。若有特殊情况，例如运行空间过于狭窄时或操作人员做出握拳手势时，转运车停止运行，退出跟随模式，由操作人员通过按键抬起助力轮并手动推行。