一種雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器，包括電池、控制板、電機X、電機Y、電機Z、電機R以及機器人電動病床，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(jìn)行通信連接，通過磁電編碼器由所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R控制所述的機器人電動病床的前進(jìn)、運行速度、運行方向和升降運動。通過上述方式，本發(fā)明可以減少護(hù)工或者護(hù)士人員的勞動量和勞動強度；同時在機器人電動病床的頭部和尾部各加入一軸電動升降裝置，起到自由升降病人身體頭部、腰部和腿部的功能；多種傳感器組合使得機器人電動病床具有多種功能，可以滿足不同條件下病人對病床的需求。
【專利說明】
一種雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙核單輪驅(qū)動、自由升降醫(yī)用高速機器人電動病床自動控制系 統(tǒng)，屬于自動電動病床領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 醫(yī)用病床系統(tǒng)是一種用于醫(yī)院病房內(nèi)提供承載患者的設(shè)備。目前發(fā)達(dá)國家醫(yī)院中 使用的醫(yī)用病床基本上全部自動化，家庭病床、社區(qū)醫(yī)院病床也已經(jīng)使用多功能電動床。部 分醫(yī)用病床可以通過外力改變形狀達(dá)到輔助調(diào)整患者體位的目的，其中有些附件具有促進(jìn) 患者康復(fù)的效果;可控制電動病床是相對高級的自動化產(chǎn)品，具有省時省力的優(yōu)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(nèi)，提高了控制的自由度。 通過附件升級，還可以實現(xiàn)權(quán)限分配。電動驅(qū)動產(chǎn)品精度更高，便于流水線作業(yè)，已作為ICU 重癥監(jiān)護(hù)室、手術(shù)室、造影室等中使用的特種醫(yī)用病床。
[0003] 我國在醫(yī)用電動病床領(lǐng)域的研究開發(fā)相對滯后，整體水平不高，現(xiàn)國內(nèi)各級醫(yī)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(shè)置機械滾動滑輪;為了方便病人坐起，均在床頭部分設(shè)置機械手動搖起裝置。對于這類型 病床，一般均需要護(hù)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(fā)現(xiàn)存在著很多安全隱患和不便，即： (1) 現(xiàn)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(huán)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(yī)護(hù)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(xiàn)誤操作，甚至有時候會傷害到病人； (3) 隨著現(xiàn)代人類生活質(zhì)量的增加，肥胖病人大量增加，而護(hù)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(hù)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(xiàn)在的護(hù)工人員又比較 少，基于機械萬向輪的病床加重了護(hù)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(hù)工人員的勞動量； (6) 現(xiàn)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(huán)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(diào)整病床的姿態(tài)才可以通過； (7) 現(xiàn)在的機械病床即使可以通過機械萬向輪的支撐到達(dá)病房以外的環(huán)境，在調(diào)節(jié)了 病人身心的同時，也加大了護(hù)工人員的勞動量，特別是通過爬坡的地方時，對護(hù)工人員的體 力提出了更高的要求； (8) 現(xiàn)有的機械病床一般均在病床的頭部設(shè)置了一個搖動杠杠，當(dāng)病人需要抬起頭部 或者是需要仰起上半身時，均有護(hù)理人員搖動杠杠達(dá)到升起部分病床的目的，病床的自動 化程度較低，而且加重了護(hù)理人員的勞動量； (9) 現(xiàn)有的機械病床一般均沒有考慮病人腿部的要求，病人的腿部位置的病床機械部 分不能上下移動，對于長時間臥床的病人來說造成腿部肌肉萎縮等狀況發(fā)生，不利于病人 的病情治療； (10) 現(xiàn)有的機械病床或簡易的電動病床在推離病人離開病房時，不論病人的病情和狀 況如何，病人均是直直的躺在病床上，沒有人性化考慮，有時對病人的心理傷害非常嚴(yán)重； (11) 基于單核控制的機器人電動病床，由于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(shù)據(jù)，由于單核處理器處理的數(shù)據(jù)較多，運算速度不是很快， 不利于機器人高速運轉(zhuǎn)，且有時候由于處理數(shù)據(jù)較多導(dǎo)致機器人病床失控； (12) 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； (13) 由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單核機器人電動病床控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常， 引起機器人病床在行駛過程中失控，抗干擾能力較差； (14) 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(shù)才可以實現(xiàn)，造成整體運算速度降低； (15) 受專用伺服控制芯片內(nèi)部伺服程序的影響，一般情況下伺服控制PID參數(shù)不能實 時更改，滿足不了電動病床實時快速伺服控制系統(tǒng)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動 病床控制器，為克服普通醫(yī)院病床不能滿足病人實際要求，在吸收國外先進(jìn)控制思想的前 提下，自主研發(fā)了一款基于DSP(TMS320F2812))+ FPGA(A3P250)的全新雙核單輪驅(qū)動、可以 自由升降部分床體的四軸機器人電動病床。此機器人控制系統(tǒng)以FPGA(A3P250)為處理核 心，實現(xiàn)四軸直流無刷電機的同步伺服控制，TMS320F2812實現(xiàn)多種傳感器信號的數(shù)字信號 實時處理和存儲，實時相應(yīng)各種中斷保護(hù)請求，并實現(xiàn)與FPGA(A3P250)數(shù)據(jù)通信。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是：提供了一種雙核單輪驅(qū)動 自由升降高速機器人電動病床控制器，包括電池、控制板、電機X、電機Y、電機Z、電機R以及 機器人電動病床，所述的電池單獨提供電流驅(qū)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(jìn)行通信連接，所述的機器人電動病床上設(shè)有傳感 器，所述的FPGA接受傳感器反饋的傳感器信號，由所述的FPGA發(fā)出第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動 信號、第三驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號 和第四驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動放大后分別驅(qū)動所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R，所述的電機X、 電機Y、電機Z和電機R上設(shè)置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的電機X、電機Y、電機Z 和電機R控制所述的機器人電動病床的前進(jìn)、運行速度、運行方向和升降運動。
[0007] 在本發(fā)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(fā)明一個較佳實施例中，所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R均采用直流無刷 伺服電機。
[0009] 在本發(fā)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(fā)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(fā)明一個較佳實施例中，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號 和第四驅(qū)動信號均為PWM波驅(qū)動信號。
[0012] 在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床 控制器還設(shè)置有人機界面程序和運動控制系統(tǒng)，所述的人機界面程序包括人機界面、區(qū)域 規(guī)劃以及在線輸出，所述的運動控制系統(tǒng)包括基于FPGA四軸直流無刷電機伺服控制、數(shù)據(jù) 存儲以及I/O控制，所述的基于FPGA四軸直流無刷電機伺服控制包括基于FPGA兩軸直流無 刷電機單輪驅(qū)動伺服控制和基于FPGA兩軸直流無刷電機升降伺服控制，其中，所述的基于 FPGA兩軸直流無刷電機單輪驅(qū)動伺服控制和基于FPGA兩軸直流無刷電機升降伺服控制均 包括磁電編碼器模塊、加速度計和陀螺儀加速度模塊、基于磁電編碼器速度模塊以及基于 磁電編碼器位移模塊。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制 器，設(shè)計了一款基于FPGA(A3P250)的雙核單輪驅(qū)動、兩軸自由升降病床的四軸高速機器人 電動病床，這種雙核機器人在滿足病床高速性、穩(wěn)定性和安全性的前提下，通過單輪驅(qū)動病 床行駛，起到電動助力的作用，可以減少護(hù)工或者護(hù)士人員的勞動量和勞動強度；同時在電 動病床的頭部和尾部各加入一軸電動升降裝置，起到自由升降病人身體頭部、腰部和腿部 的功能；多種傳感器組合使得機器人電動病床具有多種功能，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(fā)明實施例中的技術(shù)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(fā)明的一些實施例，對于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它 的附圖，其中： 圖1為本發(fā)明基于DSP+ FPGA雙核單輪驅(qū)動自由升降高速病床原理圖； 圖2為本發(fā)明基于DSP+ FPGA雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床程序框圖； 圖3為基于DSP+ FPGA雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床運動原理框圖； 圖4為雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床通過病房門口自動導(dǎo)航原理圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范 圍。
[0016] 如圖1所示，本實施例包括： 一種雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器，包括電池、控制板、電機X、電 機Y、電機Z、電機R以及機器人電動病床，所述的電池單獨提供電流驅(qū)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(jìn)行通信連接，所述的機器人 電動病床上設(shè)有傳感器，所述的FPGA接受傳感器反饋的傳感器信號，由所述的FPGA發(fā)出第 一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū) 動信號、第三驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動放大后分別驅(qū)動所述的電機X、電機Y、電機Z 和電機R，所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R上設(shè)置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述 的電機X、電機Y、電機Z和電機R控制所述的機器人電動病床的前進(jìn)、運行速度、運行方向和 升降運動。
[0017] 本實施例中，所述的電池采用鋰離子電池;所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R均 采用直流無刷伺服電機。
[0018] 進(jìn)一步的，所述的DSP采用TMS320F2812;所述的FPGA采用Α3Ρ250。
[0019] 隨著微電子技術(shù)和計算機集成芯片制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，數(shù)字信號處理芯 片DSP由于其快速的計算能力，不僅廣泛應(yīng)用于通信與視頻信號處理，也逐漸應(yīng)用在各種高 級的控制系統(tǒng)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(dá)150MHz，處理性能可達(dá)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(zhuǎn)換等，具有片內(nèi)128k X 16位的片 內(nèi)FLASH，18K X 16位的SRAM，一般的應(yīng)用系統(tǒng)可以不要外擴存儲器，可以極大地簡化外圍 電路設(shè)計，降低系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，也大大提高了數(shù)據(jù)的存儲處理能力。
[0020] FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，F(xiàn)PGA使得用戶 可以根據(jù)自己的設(shè)計需要，通過特定的布局布線工具對其內(nèi)部進(jìn)行重新組合連接，在最短 的時間內(nèi)設(shè)計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發(fā)周期。由于FPGA采用軟件 化的設(shè)計思想實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計，這樣就使得基于FPGA設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的可復(fù)用和 修改性，這種全新的設(shè)計思想已經(jīng)逐漸應(yīng)用在高性能的交、直流驅(qū)動控制上，并快速發(fā)展。 它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點，可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系 統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。綜合本發(fā)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(diào)節(jié)器，把TMS320F2812從復(fù)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(fā)明的機器人電動病床驅(qū)動部分采用輪式結(jié)構(gòu)，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(jié) 構(gòu)簡單、可控性強、安全性好等優(yōu)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?qū)崿F(xiàn)解耦，就可以在病房內(nèi)自由移動，因此，需要兩個電機來完成這個動作，單輪驅(qū) 動可以很好的實現(xiàn)速度大小和方向的解耦，因此單輪驅(qū)動是一個不錯的選擇。由于直流電 機在高速旋轉(zhuǎn)時偶爾會產(chǎn)生火花，而醫(yī)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(chǎn)生潛在的危險，因此，本發(fā)明中的行走驅(qū)動電機和負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)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(jìn)行電子換向，有效消除了安全隱患。
[0023] 本發(fā)明為了能夠使得機器人病床自動升降部分電動病床機械床體，達(dá)到升降病人 的頭部和腿部的功能，舍棄了傳統(tǒng)機械病床采用人工搖動杠杠的方式，當(dāng)病人需要抬起頭 部或者是需要仰起上半身時，基于單軸直流無刷伺服電機的頭部伺服控制部分工作自動升 降床體的頭部；當(dāng)病人需要抬起或者是下放腿部時，基于單軸直流無刷伺服電機的腿部伺 服控制部分工作自動升降床體的尾部;二者也可以同時工作，達(dá)到一起升降電動病床的功 能；當(dāng)病人需要休息時，只要按下恢復(fù)鍵，不論當(dāng)前電動病床的姿態(tài)如何，床體均回到病床 原始狀態(tài)，滿足病床的最小基本功能。
[0024] 由于本發(fā)明中的機器人電動病床既要適應(yīng)病房中相對干凈的環(huán)境，又要適應(yīng)病房 外相對灰塵較多的骯臟環(huán)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(fā)明 舍棄了傳統(tǒng)系統(tǒng)中常用的光電編碼器，而采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器M1、M2、M3 和M4,傳感器Ml、M2、M3和M4可以有效測量出四軸直流無刷伺服電機運動時的速度和位移， 為機器人電動病床四軸三閉環(huán)伺服控制提供了可靠反饋。
[0025] 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(qū)動信號、第二驅(qū) 動信號、第三驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號均為PWM波驅(qū)動信號。
[0026] 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(nèi)由于信號噪聲的存在，而有一定誤差。陀螺儀在較短時間內(nèi)則比較準(zhǔn)確，而較長時間 則會隨著漂移的存在而產(chǎn)生一定誤差，因此，需要加速度計和陀螺儀相互調(diào)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(dǎo)航的穩(wěn)定性，實現(xiàn)姿態(tài)的自動精確調(diào)整 以及計算加速爬坡時需要的功率，本發(fā)明在機器人電動病床伺服硬件系統(tǒng)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(jìn)方向的加速度和速度，控制器根據(jù)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(huán)控制提供可靠判據(jù)；當(dāng)機器人病床的姿 態(tài)發(fā)生變化時，控制器就可以得到其大致傾斜角度，一方面根據(jù)角度改變其功率需求，另一 方面當(dāng)姿態(tài)發(fā)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(fā)生危險，提高了其快速行走導(dǎo)航時的穩(wěn)定性;如 果對加速度計Al和陀螺儀Gl的值進(jìn)行連續(xù)積分和匹配，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)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(yī)院導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度、速 度、偏航角和位置等信息，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)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(zhǔn)確性。
[0027] 本發(fā)明為克服普通醫(yī)院病床不能滿足病人實際要求，在吸收國外先進(jìn)控制思想的 前提下，自主研發(fā)了一款基于DSP( TMS320F2812) )+ FPGA( A3P250)的全新雙核單輪驅(qū)動、可 以自由升降部分床體的四軸機器人電動病床。此機器人控制系統(tǒng)以FPGA(A3P250)為處理核 心，實現(xiàn)四軸直流無刷電機的同步伺服控制，TMS320F2812實現(xiàn)多種傳感器信號的數(shù)字信號 實時處理和存儲，實時相應(yīng)各種中斷保護(hù)請求，并實現(xiàn)與FPGA(A3P250)數(shù)據(jù)通信。
[0028] 如圖2所示，所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器還設(shè)置有 人機界面程序和運動控制系統(tǒng)，所述的人機界面程序包括人機界面、區(qū)域規(guī)劃以及在線輸 出，所述的運動控制系統(tǒng)包括基于FPGA四軸直流無刷電機伺服控制、數(shù)據(jù)存儲以及I/O控 制，所述的基于FPGA四軸直流無刷電機伺服控制包括基于FPGA兩軸直流無刷電機單輪驅(qū)動 伺服控制和基于FPGA兩軸直流無刷電機升降伺服控制，其中，所述的基于FPGA兩軸直流無 刷電機單輪驅(qū)動伺服控制和基于FPGA兩軸直流無刷電機升降伺服控制均包括磁電編碼器 模塊、加速度計和陀螺儀加速度模塊、基于磁電編碼器速度模塊以及基于磁電編碼器位移 模塊。
[0029]為達(dá)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，為了提高運算速度，保證醫(yī)用機器人 電動病床控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明采用32位高性能DSP (TMS320F2812)和FPGA (A3P250)，舍棄了傳統(tǒng)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(tǒng)的作用，實現(xiàn)單一控制器同步控制四軸直流無刷伺服電機的功能。機器人電動 病床充分發(fā)揮FPGA(A3P250)作為伺服處理器數(shù)據(jù)處理速度較快的特點，而由TMS320F2812 實現(xiàn)人機界面、I/O控制、路徑導(dǎo)航、在線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲等功能，同時實時相應(yīng)各種 中斷。
[0030] 對于本文設(shè)計的基于DSP(TMS320F2812)+FPGA(A3P250)雙核機器人電動病床控制 器，在電源打開狀態(tài)下，人機界面先工作，如果確實需要移動電動病床，護(hù)工人員、護(hù)士人員 輸入各自的權(quán)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(quán)限開啟命令;如果機器人電動病床需要推 出病房，此時醫(yī)院負(fù)責(zé)人需要開啟自己的權(quán)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(jiān)控傳感器探測到，檢測系統(tǒng)會觸發(fā)控制器上的傳感器，F(xiàn)PGA(A3P250)鎖死當(dāng) 前的機器人電動病床并通過DSP發(fā)出誤操作警報。在正常運動狀態(tài)下，機器人電動病床通過 各種傳感器讀取外部環(huán)境比反饋參數(shù)給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)生成四軸直流無刷 伺服電機的同步控制PWM信號，PWM波信號經(jīng)驅(qū)動放大后通過直流無刷電機Z和R完成頭部和 腿部病床部分的升降，然后通過直流無刷電機X、直流無刷電機Y驅(qū)動病床向前運動，其運動 速度和位移被相對應(yīng)的磁電編碼器組、12、13、14反饋給??64以3?250)，由？?6六以3?250)生 成二次調(diào)整同步PWM控制信號滿足實際工作需求。電動床在運行過程中，人機界面在線存儲 并輸出當(dāng)前狀態(tài)，使得處理比較直觀。
[0031]參照圖2,具體實施步驟是： 把醫(yī)用電動床控制系統(tǒng)分為兩部分:人機界面系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。其中人機界面系 統(tǒng)完成人機界面、路徑規(guī)劃、在線輸出等功能;基于FPGA(A3P250)運動控制系統(tǒng)完成電動病 床的多軸伺服控制，而DSP(TMS320F2812)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、I/O控制等功能，系統(tǒng)充分發(fā)揮 FPGA(A3P250)處理數(shù)據(jù)較快的優(yōu)點，同時由DSP(TMS320F2812)實時處理各種傳感器信號采 集和存儲。
[0032]參照圖2、圖3和圖4,其具體的功能實現(xiàn)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(yī)用病床沒有區(qū)別，被固 定在某一個區(qū)域，交流電源對系統(tǒng)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(wù)； 2) -旦接到主控器發(fā)出的工作命令后，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(zhuǎn)為 蓄電池供電狀態(tài)； 3) 為了防止誤操作，本發(fā)明采用三級啟動權(quán)限，當(dāng)確定需要移動機器人電動病床時，如 果只是在病房內(nèi)部移動機器人電動病床，則需要護(hù)工人員和護(hù)士先后通過人機界面輸入權(quán) 限密碼開啟屋內(nèi)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(hù)工人員、護(hù) 士和醫(yī)院負(fù)責(zé)人先后通過人機界面輸入權(quán)限密碼開啟屋外行走模式； 4) 當(dāng)機器人電動病床開啟行走模式后，一旦啟動鍵SS按下，系統(tǒng)首先完成初始化并檢 測電源電壓，如果蓄電池電源不正常，將向DSP(TMS320F2812)和FPGA(A3P250)發(fā)出中斷請 求，DSP(TMS320F2812)和 FPGA(A3P250)會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果 DSP(TMS320F2812) 和FPGA(A3P250)的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，車體上的自鎖裝置將被觸發(fā)，進(jìn)而達(dá)到自鎖 的功能，防止誤操作;如果電源正常，電動床機器人將開始正常工作； 5) 當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有頭部上升按鈕SHF被觸 發(fā)，機器人電動病床將開始做病床頭部上升部分的運動，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)伺服控制器的 要求把按鍵每次需要運行的距離S轉(zhuǎn)化為電機Z的加速度、速度和位置參考指令值，F(xiàn)PGA (A3P250)再結(jié)合電機Z對應(yīng)的磁電傳感器M3的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機 Z的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機Z正向運動，機器人電動病 床開始緩緩升起，在運動過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上升按鈕SHF， 直流無刷伺服電機Z的伺服控制就結(jié)束，完成此次上升過程；當(dāng)病人的頭部需要下降時，護(hù) 理人員只要同時按下啟動鍵SS和頭部下降按鈕SHB，機器人電動病床將開始做病床頭部下 降部分的運動，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)伺服控制器的要求把按鍵每次需要運行的距離S轉(zhuǎn)化為 電機Z的加速度、速度和位置參考指令值，F(xiàn)PGA(A3P250)再結(jié)合電機Z對應(yīng)的磁電傳感器M3 的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機Z的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū) 動直流無刷伺服電機Z反向運動，機器人電動病床開始緩緩下降，在運動過程中，一旦護(hù)理 人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上升按鈕SHB，直流無刷伺服電機Z的伺服控制就結(jié)束，完 成此次下降過程;FPGA(A3P250)伺服控制器記錄下當(dāng)前位置與水平位置的位移SHS; 6) 當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有腿部上升按鈕SLF被觸 發(fā)，機器人電動病床將開始做病床腿部上升部分的運動，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)伺服控制器的 要求把按鍵每次需要運行的距離S轉(zhuǎn)化為電機R的加速度、速度和位置參考指令值，F(xiàn)PGA (A3P250)再結(jié)合電機R對應(yīng)的磁電傳感器M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機 R的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機R正向運動，機器人電動病 床開始緩緩升起，在運動過程中，一旦護(hù)理人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上升按鈕SLF， 直流無刷伺服電機R的伺服控制就結(jié)束，完成此次上升過程；當(dāng)病人的腿部需要下降時，護(hù) 理人員只要同時按下啟動鍵SS和頭部下降按鈕SLB，機器人電動病床將開始做病床腿部下 降部分的運動，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)伺服控制器的要求把按鍵每次需要運行的距離S轉(zhuǎn)化為 電機R的加速度、速度和位置參考指令值，F(xiàn)PGA(A3P250)再結(jié)合電機R對應(yīng)的磁電傳感器M4 的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機R的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū) 動直流無刷伺服電機R反向運動，機器人電動病床開始緩緩下降，在運動過程中，一旦護(hù)理 人員的手不在觸發(fā)啟動鍵或者是上升按鈕SLB，直流無刷伺服電機R的伺服控制就結(jié)束，完 成此次下降過程;FPGA(A3P250)伺服控制器記錄下當(dāng)前位置與水平位置的位移SLS; 7) 當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時恢復(fù)按鈕SFF被觸發(fā)，機器人 電動病床根據(jù)FPGA(A3P250)伺服控制器的速度和加速度要求，把位移SLS和SHS轉(zhuǎn)化為電機 Z和電機R的加速度、速度和位置參考指令值，F(xiàn)PGA(A3P250)再結(jié)合電機Z和電機R對應(yīng)的磁 電傳感器M3、M4的速度和位移反饋生成驅(qū)動直流無刷伺服電機Z和電機R的驅(qū)動信號，驅(qū)動 信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機Z和電機R運動，床體被恢復(fù)到自然狀態(tài)； 8) 當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，F(xiàn)PGA(A3P250)控制器將檢測側(cè)向轉(zhuǎn)彎 按鈕SK是否被觸發(fā);如果側(cè)向轉(zhuǎn)彎按鈕SK被觸發(fā)，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)機器人運動部分需要 旋轉(zhuǎn)角度和其內(nèi)部梯形發(fā)生器，把直流無刷伺服電機Y要運轉(zhuǎn)的距離SX轉(zhuǎn)化為加速 度、速度和位置參考指令值，然后FPGA(A3P250)再結(jié)合電機Y對應(yīng)的磁電傳感器M2的反饋生 成驅(qū)動直流無刷伺服電機Y的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動直流無刷伺服電機Y 運動，由于直流無刷電機Y在旋轉(zhuǎn)過程中通過齒輪結(jié)構(gòu)帶動直流無刷伺服電機X運動；當(dāng)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(jīng)完成側(cè)轉(zhuǎn)9〇 ?的任務(wù)，由于在 此過程中只是電機Y驅(qū)動電機X旋轉(zhuǎn)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，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實時調(diào)整伺服控制程序的PID參 數(shù)以滿足實際需要，DSP實時記錄電動病床的運行參數(shù)并在人機界面顯示； 9) 當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有前進(jìn)按鈕SF被觸發(fā)，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，F(xiàn)PGA(A3P250)經(jīng)內(nèi)部伺服控制程序調(diào)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(nèi)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(dāng)前路徑繼續(xù)啟動前進(jìn);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);在運動過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實時調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù) 以滿足實際需要，DSP實時記錄電動病床的運行參數(shù)并在人機界面顯示； 10) 當(dāng)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(fā)， 機器人電動病床將開始后退運動，F(xiàn)PGA(A3P250)經(jīng)內(nèi)部伺服控制程序調(diào)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(shè)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)，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)磁電傳感器Ml和M2的速度和位移反饋二次調(diào)整直流無刷伺服 電機X和電機Y的PWM輸出，保證機器人電動病床在安全速度范圍內(nèi)運行，防止速度過快機器 人電動病床推倒護(hù)工人員；在運動過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實時調(diào)整伺服控制程序的PID 參數(shù)以滿足實際需要，DSP實時記錄電動病床的運行參數(shù)并在人機界面顯示； 11) 當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn)按鈕SF 被觸發(fā)，機器人電動病床將開始側(cè)向右移，在運動過程中，機器人攜帶的側(cè)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，F(xiàn)PGA(A3P250)經(jīng)內(nèi)部伺服控制程序調(diào)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(nèi)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(fā)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(dāng)前軌跡繼續(xù)側(cè)向右移;在機器人電動病床側(cè)向右移 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)，F(xiàn)PGA (A3P250)二次調(diào)整電機X和電機Y的運動參數(shù);在運動過程中，F(xiàn)PGA 根據(jù)外界情況實時調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實際需要，DSP實時記錄電動病床的 運行參數(shù)并在人機界面顯示； 12) 當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS-旦按下，如果此時轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn)按 鈕SB被觸發(fā)，機器人電動病床將開始側(cè)向左移，在運動過程中，機器人攜帶的側(cè)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，F(xiàn)PGA(A3P250)經(jīng)內(nèi)部伺服控制程序調(diào)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(nèi)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(fā)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(dāng)前軌跡繼續(xù)側(cè)向左移;在機器人電動病床側(cè) 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)，F(xiàn)PGA(A3P250)二次調(diào)整電機X和電機Y的運動參數(shù);在運動過程 中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實時調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實際需要，DSP實時記錄電 動病床的運行參數(shù)并在人機界面顯示； 13) 當(dāng)機器人電動病床需要移出病房時，現(xiàn)有醫(yī)院負(fù)責(zé)人開啟行走權(quán)限密碼，然后護(hù)工 人員把機器人電動病床推到帶有地面標(biāo)志的位置，機器人電動病床進(jìn)入自動導(dǎo)航狀態(tài):其 導(dǎo)航的光電傳感器SI、S2、S3、S4、S5將工作，地面標(biāo)志反射回來的光電信號反饋給FPGA (A3P250)，經(jīng)FPGA(A3P250)判斷處理后確定機器人偏移導(dǎo)航軌道的偏差，F(xiàn)PGA(A3P250)把 此偏差信號轉(zhuǎn)化為電機X和電機Y要運行的加速度、速度和位移指令，F(xiàn)PGA(A3P250)再結(jié)合 磁電編碼器Ml和M2的反饋生產(chǎn)驅(qū)動直流無刷伺服電機X和電機Y的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號放大 后驅(qū)動直流無刷電機X和電機Y向前運動，快速調(diào)整機器人電動病床迅速回到導(dǎo)航軌道中 心;機器人電動病床沿著軌道行走過程，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)地面標(biāo)志和磁電編碼器Ml和M2 的反饋微調(diào)電機X和電機Y的驅(qū)動信號，使機器人沿著設(shè)定好的軌道順利通過病房門口；當(dāng) 鋪設(shè)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，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實時調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實際需要，DSP實時記錄 電動病床的運行參數(shù)并在人機界面顯示； 14) 本機器人電動病床在運動過程為了防止護(hù)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(dāng)緊急按鍵ESWl按下后，控制器一旦檢測到 緊急中斷請求會發(fā)出原地停車指令，F(xiàn)PGA(A3P250)通過驅(qū)動器鎖死行走電機X，即使電動病 床多個萬向輪W都處于可以滑動狀態(tài)，由于行走電機X處于鎖死狀態(tài)，這樣機器人電動病床 也不會運動； 15) 本發(fā)明在機器人電動病床上加入了濕度檢測系統(tǒng);此濕度檢測系統(tǒng)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(zhuǎn)換、顯示和處理等功能，這 樣當(dāng)病人大小便失控時，濕度檢測系統(tǒng)會工作，將發(fā)出報警信號，護(hù)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； 16) 本電動床裝備了多種防障礙物報警系統(tǒng)，床載障礙探側(cè)系統(tǒng)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(jù)障礙物的性質(zhì)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(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對其的干擾； 17) 在機器人電動病床行走過程中，電機經(jīng)常會收到外界因素干擾，為了減少電機的脈 動轉(zhuǎn)矩對機器人行走的影響，控制器在考慮電機特性的基礎(chǔ)上加入了對電機轉(zhuǎn)矩的在線辨 識，并利用電機力矩與電流的關(guān)系進(jìn)行補償，削弱了外界環(huán)境對機器人運動的影響； 18) 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(jìn)方向的加速度，根據(jù)測得的加速度和 速度控制器通過連續(xù)積分就可以得到其位移，為機器人的三閉環(huán)控制提供可靠判據(jù)；同時 當(dāng)機器人病床的姿態(tài)發(fā)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(jù)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(diào)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(jìn)行連續(xù)積分，且 把它變換到醫(yī)院導(dǎo)航坐標(biāo)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(yī)院導(dǎo)航坐標(biāo)系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，控制器實時進(jìn)行存儲和顯示。
[0033]本發(fā)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(tǒng)中的作用，基于DSP(TMS320F2812)+FPGA (A3P250)雙核控制器時刻都在對機器人電動病床的運行狀態(tài)和電源來源進(jìn)行監(jiān)測和運算， 當(dāng)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(guān)信號輸入，保證了病床的自然狀態(tài)； 2:為了方便病人自理，減少對外界條件的依賴，本系統(tǒng)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(hù)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(hù) 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(hù)工人員和護(hù)士人員在屋子里移 動病床提供動力，減少了護(hù)士或者護(hù)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(qū)動系統(tǒng)，使得病床可以在屋 子里實現(xiàn)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(qū)動系統(tǒng)，使得電動病床可以 在屋子里原地按照任意方向自由旋轉(zhuǎn)，減少了移動病床需要的空間，特別適合應(yīng)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(qū)動系統(tǒng)，在非常狹小的空間內(nèi)可以使病 床機器人側(cè)向移動，減少機器人旋轉(zhuǎn)帶來的負(fù)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(dǎo)航傳感器，機 器人在移出病房過程中一旦讀到地面標(biāo)志就會自動導(dǎo)航，減少人工移動病床帶來的誤差； 8:當(dāng)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(hù)工人員體力的要求； 9:由FPGA(A3P250)處理多軸電機的全數(shù)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(fā)周期短，并且程序可移植能力強； 10:本發(fā)明完全實現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且還完全實現(xiàn)了多軸 電機控制信號的同步，有利于提高醫(yī)用機器人電動病床的穩(wěn)定性和動態(tài)性能； 11:由于本控制器采用FPGA(A3P250)處理大量的多軸伺服數(shù)據(jù)與算法，并充分考慮了 周圍的干擾源，把TMS320F2812從復(fù)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(dāng)病床機器人在移動過程中，如遇到緊急 情況，控制器會發(fā)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(tài)，但由于驅(qū)動輪處于鎖死狀態(tài)，這樣機器人也不會運動； 13:本發(fā)明在機器人電動病床系統(tǒng)中加入了多種開啟權(quán)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(tǒng);此濕度檢測系統(tǒng)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(zhuǎn)換、顯示和處理等功能，這樣當(dāng)病人 大小便失控或者是床單潮濕時，濕度檢測系統(tǒng)會工作，發(fā)出更換請求； 15:本電動床機器人裝備了多種報警系統(tǒng)，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(huán)境對其的干擾； 16:由于本機器人電動病床系統(tǒng)采用直流無刷伺服電機替代了直流電機，不僅進(jìn)一步 提高了系統(tǒng)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(tǒng)采用直流無刷伺服電機，當(dāng)電機受到外界干擾產(chǎn)生脈 動轉(zhuǎn)矩時，直流無刷伺服電機可以利用力矩與電流的關(guān)系迅速進(jìn)行補償，極大減少了外界 干擾對機器人電動病床的影響； 18:基于單軸直流無刷伺服電機的頭部伺服控制部分可以很好的滿足病人需要抬起頭 部或者是仰起上半身的活動，護(hù)理人員可以通過按鍵達(dá)到升起病床前部，病床的自動化程 度進(jìn)一步得到提升，減少了護(hù)理人員的勞動量； 19:基于單軸直流無刷伺服電機的腿部伺服控制部分可以很好的滿足病人需要腿部或 者下半身的活動，護(hù)理人員可以通過按鍵達(dá)到升起或降低病床后部，病床的自動化程度進(jìn) 一步得到提升，減少了護(hù)理人員的勞動量； 20:基于前后兩軸直流無刷伺服升降裝置組合使得機器人電動病床具有各種機械組 合，在推離病人離開病房時，可以根據(jù)病人的病情自由調(diào)節(jié)病床的姿勢，滿足了不同病人的 心理要求； 21:由于由FPGA直接生產(chǎn)多軸直流無刷電機驅(qū)動信號，不需要DSP向其輸入任何參數(shù)， 使得系統(tǒng)的處理速度加快，有利于系統(tǒng)高速運行； 22:FPGA控制器根據(jù)外圍環(huán)境實時調(diào)整伺服控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，滿足電動病床不同狀 況下快速伺服控制系統(tǒng)調(diào)整的要求； 23:加速度計Al和陀螺儀Gl用來測量機器人病床三個前進(jìn)方向的加速度和速度，根據(jù) 測量值控制器通過連續(xù)積分就可以得到其速度和位移，為機器人的三閉環(huán)控制提供可靠判 據(jù)； 24: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(dǎo)航的穩(wěn)定性，實 現(xiàn)姿態(tài)的自動精確調(diào)整、計算加速爬坡時需要的功率。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng) 域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器，其特征在于，包括電池、控 制板、電機X、電機Y、電機Z、電機R以及機器人電動病床，所述的電池單獨提供電流驅(qū)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(jìn)行通信連 接，所述的機器人電動病床上設(shè)有傳感器，所述的FPGA接受傳感器反饋的傳感器信號，由所 述的FPGA發(fā)出第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號，所述的第一驅(qū) 動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動放大后分別驅(qū)動所述的電機 X、電機Y、電機Z和電機R，所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R上設(shè)置有磁電編碼器，通過磁 電編碼器由所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R控制所述的機器人電動病床的前進(jìn)、運行速 度、運行方向和升降運動。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降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(jù)權(quán)利要求1所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器，其特征 在于，所述的電機X、電機Y、電機Z和電機R均采用直流無刷伺服電機。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降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(jù)權(quán)利要求1所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降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(jù)權(quán)利要求1所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器，其特征 在于，所述的第一驅(qū)動信號、第二驅(qū)動信號、第三驅(qū)動信號和第四驅(qū)動信號均為PWM波驅(qū)動 信號。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器，其特征 在于，所述的雙核單輪驅(qū)動自由升降高速機器人電動病床控制器還設(shè)置有人機界面程序和 運動控制系統(tǒng)，所述的人機界面程序包括人機界面、區(qū)域規(guī)劃以及在線輸出，所述的運動控 制系統(tǒng)包括基于FPGA四軸直流無刷電機伺服控制、數(shù)據(jù)存儲以及I/O控制，所述的基于FPGA 四軸直流無刷電機伺服控制包括基于FPGA兩軸直流無刷電機單輪驅(qū)動伺服控制和基于 FPGA兩軸直流無刷電機升降伺服控制，其中，所述的基于FPGA兩軸直流無刷電機單輪驅(qū)動 伺服控制和基于FPGA兩軸直流無刷電機升降伺服控制均包括磁電編碼器模塊、加速度計和 陀螺儀加速度模塊、基于磁電編碼器速度模塊以及基于磁電編碼器位移模塊。
【文檔編號】A61G7/018GK106074049SQ201610600792
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610600792.5, CN 106074049 A, CN 106074049A, CN 201610600792, CN-A-106074049, CN106074049 A, CN106074049A, CN201610600792, CN201610600792.5
【發(fā)明人】張好明
【申請人】江蘇若博機器人科技有限公司