本發(fā)明涉及一種基于無線控制雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床自動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于自動(dòng)電動(dòng)病床領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

醫(yī)用病床系統(tǒng)是一種用于醫(yī)院病房?jī)?nèi)提供承載患者的設(shè)備。目前發(fā)達(dá)國(guó)家醫(yī)院中使用的醫(yī)用病床基本上全部自動(dòng)化，家庭病床、社區(qū)醫(yī)院病床也已經(jīng)使用多功能電動(dòng)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(dòng)病床是相對(duì)高級(jí)的自動(dòng)化產(chǎn)品，具有省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。由于電控制的特點(diǎn)，控制鍵可以安裝在任何允許病床接受到信號(hào)的范圍內(nèi)，提高了控制的自由度。通過附件升級(jí)，還可以實(shí)現(xiàn)權(quán)限分配。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)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。

我國(guó)在醫(yī)用電動(dòng)病床領(lǐng)域的研究開發(fā)相對(duì)滯后，整體水平不高，現(xiàn)國(guó)內(nèi)各級(jí)醫(yī)院均是采用普通的機(jī)械病床：由床腿、床體和床面組成。為了移動(dòng)方便移動(dòng)，一般均在床腿上設(shè)置機(jī)械滾動(dòng)滑輪；為了方便病人坐起，均在床頭部分設(shè)置機(jī)械手動(dòng)搖起裝置。對(duì)于這類型病床，一般均需要護(hù)理人員幫助，很難獨(dú)自完成，同時(shí)病床功能單一，實(shí)用性能不強(qiáng)。

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(gè)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(gè)封閉的環(huán)境中，隨著病人長(zhǎng)時(shí)間的住院，對(duì)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(jī)械萬向輪，可以通過醫(yī)護(hù)人員移動(dòng)病床到某個(gè)空間，但是由于病床移動(dòng)隨意性較大，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)誤操作，甚至有時(shí)候會(huì)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(jī)械萬向輪移動(dòng)病人使得護(hù)士人員非常吃力，加重了勞動(dòng)強(qiáng)度；

（4）隨著老齡化的加重，大量的老人也加重了對(duì)病床的需求，現(xiàn)在的護(hù)工人員又比較少，基于機(jī)械萬向輪的病床加重了護(hù)工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；

（5）所有的機(jī)械病床一般均固定在某個(gè)位置，一旦需要移動(dòng)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(dòng)量；

（6）現(xiàn)在的機(jī)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(dòng)化程度比較低，通過病房門口都需要點(diǎn)時(shí)間調(diào)整病床的姿態(tài)才可以通過；

（7）現(xiàn)在的機(jī)械病床即使可以通過機(jī)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(shí)，也加大了護(hù)工人員的勞動(dòng)量，特別是通過爬坡的地方時(shí)，對(duì)護(hù)工人員的體力提出了更高的要求；

（8）雖然單輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)病床可以很好的滿足對(duì)病床速度和方向的解耦，但是單輪驅(qū)動(dòng)的行走電機(jī)功率較大，有時(shí)候會(huì)造成大馬拉小車的現(xiàn)象出現(xiàn)；

（9）由于單輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)病床動(dòng)力與地面的接觸點(diǎn)只有一個(gè)，造成人為很難精確控制其移動(dòng)的方向，輕微的一點(diǎn)干擾就能造成較大的方向改變；

（10）雖然雙輪驅(qū)動(dòng)可以削弱單輪驅(qū)動(dòng)的部分缺點(diǎn)，但是機(jī)器人電動(dòng)病床在爬坡的時(shí)候如果通過電機(jī)過載來滿足功率要求，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行會(huì)傷害電機(jī)的性能，造成系統(tǒng)的可靠性大幅度降低；

（11）機(jī)器人電動(dòng)病床在許多緊急狀態(tài)下需要快速加速和以較高的速度運(yùn)行，在這種條件下系統(tǒng)需求的功率較大，滿足正常行駛的兩輪電機(jī)功率無法滿足加速要求，系統(tǒng)無法滿足緊急狀況下的功率要求；

（12）基于單核控制的機(jī)器人電動(dòng)病床，由于既要處理多軸電機(jī)的伺服控制，又要處理機(jī)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(yùn)算速度不是很快，不利于機(jī)器人高速運(yùn)轉(zhuǎn)，且有時(shí)候由于處理數(shù)據(jù)較多導(dǎo)致機(jī)器人病床失控；

（13）由于機(jī)器人電動(dòng)病床在運(yùn)行過程中頻繁的剎車和啟動(dòng)，加重了單核控制器的工作量，單核控制器無法滿足機(jī)器人電動(dòng)病床快速啟動(dòng)和停止的要求；

（14）由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單核機(jī)器人電動(dòng)病床控制器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常，引起機(jī)器人病床在行駛過程中失控，抗干擾能力較差；

（15）對(duì)于部分簡(jiǎn)易的病床一旦加入電動(dòng)助力部分可以很容易離開病房，一旦電動(dòng)病床離開病房即使電動(dòng)病床本體出現(xiàn)問題和病人發(fā)生危險(xiǎn)，醫(yī)護(hù)人員再也無法獲取其任何信息；

（16）由于老齡化的加重，護(hù)工非常短缺，對(duì)于部分短時(shí)自己護(hù)理自己的病人來說，即使在病房?jī)?nèi)發(fā)生危險(xiǎn)也無法與醫(yī)護(hù)人員和護(hù)工及時(shí)溝通，有時(shí)候會(huì)造成一定的傷害；

（17）為了能夠保護(hù)電動(dòng)病床不被誤操作，機(jī)器人病床都開啟了多種保護(hù)權(quán)限，這使得醫(yī)護(hù)人員需要現(xiàn)場(chǎng)開啟這些權(quán)限才能啟動(dòng)，加大了醫(yī)護(hù)人員的工作量，而且非常耗時(shí)；

（18）簡(jiǎn)易電動(dòng)病床移動(dòng)過程中對(duì)于病床的參數(shù)監(jiān)測(cè)大多數(shù)還處于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)的控制模式，一旦電動(dòng)病床出現(xiàn)故障需要生產(chǎn)人員到現(xiàn)場(chǎng)查看與操控，不利于機(jī)器人電動(dòng)病床高度自動(dòng)化的發(fā)展；

（19）雖然基于專用伺服控制芯片可以生成多軸電機(jī)的PWM控制信號(hào)，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(shí)現(xiàn)，造成整體運(yùn)算速度降低；

（20）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(shí)時(shí)更改，滿足不了電動(dòng)病床實(shí)時(shí)快速伺服控制系統(tǒng)的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，為克服普通醫(yī)院病床不能滿足病人實(shí)際要求，在吸收國(guó)外先進(jìn)控制思想的前提下，自主研發(fā)了一款基于ARM（STM32F407）+ FPGA(A3P250)的兩輪差速行駛單輪助力的三軸驅(qū)動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床。此機(jī)器人控制系統(tǒng)以FPGA(A3P250)為處理核心，實(shí)現(xiàn)三軸直流無刷電機(jī)的同步伺服控制，STM32F407實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號(hào)的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)相應(yīng)各種中斷保護(hù)請(qǐng)求，并實(shí)現(xiàn)與FPGA(A3P250)數(shù)據(jù)通信，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電動(dòng)病床的遠(yuǎn)距離控制，本系統(tǒng)加入了基于局域網(wǎng)的無線控制裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人病床與護(hù)理總站之間的數(shù)據(jù)通信。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供了一種無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、無線控制裝置、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)以及機(jī)器人電動(dòng)病床，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA進(jìn)行通信連接，所述的ARM通過無線控制裝置與外部的護(hù)理總站相通訊，所述的FPGA內(nèi)部還設(shè)有伺服梯形發(fā)生器，所述的機(jī)器人電動(dòng)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(hào)，由所述的FPGA經(jīng)過伺服梯形發(fā)生器發(fā)出第一控制信號(hào)和、第二控制信號(hào)和第三控制信號(hào)，所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)和第三控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后驅(qū)動(dòng)所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)，所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)上均設(shè)置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)控制所述的機(jī)器人電動(dòng)病床的前進(jìn)、運(yùn)行速度和運(yùn)行方向。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)均采用高速直流無刷伺服電機(jī)。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的ARM采用STM32F407；所述的FPGA采用A3P250。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的傳感器包括加速度計(jì)和陀螺儀。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)和第三控制信號(hào)均為PWM波控制信號(hào)。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床控制器還設(shè)置有人機(jī)界面程序和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述的人機(jī)界面程序包括人機(jī)界面、路徑規(guī)劃以及無線輸出，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括基于FPGA三軸直流無刷電機(jī)伺服控制、無線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸以及I/O控制，其中，所述的基于FPGA三軸直流無刷電機(jī)伺服控制包括磁電編碼器模塊、加速度計(jì)和陀螺儀加速度模塊、基于磁電傳感器速度模塊以及基于磁電傳感器位移模塊。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，設(shè)計(jì)了一款無線控制基于FPGA(A3P250)的雙核三輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人電動(dòng)病床，這種病床在保證安全性、穩(wěn)定性和快速性的前提下，既能通過控制器改變其行走速度，又可以通過兩輪差速行駛方式改變其方向，當(dāng)爬坡需要更多能量時(shí)，開啟助力電機(jī)起到功率補(bǔ)償作用，可以很好的通過電動(dòng)助力減少護(hù)工或者護(hù)士人員的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，機(jī)器人病床攜帶的多種傳感器組合使得其具有多種功能，可以滿足不同條件下病人對(duì)病床的需求，并且通過無線局域網(wǎng)隨時(shí)傳輸電動(dòng)病床本體和病人信息給護(hù)理總站，由護(hù)理總站根據(jù)需求做出相應(yīng)的響應(yīng)，可以滿足不同條件下病人對(duì)病床的需求。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)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(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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ARM+ FPGA無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速醫(yī)用病床原理圖；

圖2為本發(fā)明基于ARM+ FPGA無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床程序框圖；

圖3為基于ARM+ FPGA無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床運(yùn)動(dòng)原理框圖；

圖4為無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床通過病房門口自動(dòng)導(dǎo)航原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)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(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本實(shí)施例包括：

一種無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床控制器包括交流電源、電池、控制板、無線控制裝置、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)以及機(jī)器人電動(dòng)病床，所述的交流電源和電池提供電流驅(qū)動(dòng)所述的控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA進(jìn)行通信連接，所述的ARM通過無線控制裝置與外部的護(hù)理總站相通訊，所述的FPGA內(nèi)部還設(shè)有伺服梯形發(fā)生器，所述的機(jī)器人電動(dòng)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(hào)，由所述的FPGA經(jīng)過伺服梯形發(fā)生器發(fā)出第一控制信號(hào)和、第二控制信號(hào)和第三控制信號(hào)，所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)和第三控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后驅(qū)動(dòng)所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)，所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)上均設(shè)置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)控制所述的機(jī)器人電動(dòng)病床的前進(jìn)、運(yùn)行速度和運(yùn)行方向。

本實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池；所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)均采用高速直流無刷伺服電機(jī)。

進(jìn)一步的，所述的ARM采用STM32F407；所述的FPGA采用A3P250。

STM32F4系列除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F(xiàn)4的主頻(168MHz)高于F2系列(120MHz)，并支持單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元、更大的SRAM容量(192 KB，F(xiàn)2為128 KB)、512KB-1MB的嵌入式閃存以及影像、網(wǎng)絡(luò)接口和數(shù)據(jù)加密等更先進(jìn)的外設(shè)。STM32F4系列基于最新的STM32F407 Cortex M4內(nèi)核， 在現(xiàn)有出色的STM32微控制器產(chǎn)品組合中新增了信號(hào)處理功能，并提高了運(yùn)行速度；STM32F405x集成了定時(shí)器、3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、串行接口、外存接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、CRC計(jì)算單元和模擬真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進(jìn)外設(shè)。STM32F407在STM32F405產(chǎn)品基礎(chǔ)上增加了多個(gè)先進(jìn)外設(shè)。這些性能使得F4系列可以較容易滿足控制和信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制需求。高效的信號(hào)處理功能與Cortex-M4處理器系列的低能耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)的組合，使得STM32F407性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于一般的DSP芯片，并且STM32F407可以極大地簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，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(chǔ)處理能力。

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(jì)需要，通過特定的布局布線工具對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行重新組合連接，在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)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(jì)思想實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)，這樣就使得基于FPGA設(shè)計(jì)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(jì)思想已經(jīng)逐漸應(yīng)用在高性能的交、直流驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(jī)的伺服控制調(diào)節(jié)器，把STM32F407從復(fù)雜的多軸伺服控制算法中解脫出來。

為了能夠更好的移動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床，本發(fā)明電動(dòng)病床驅(qū)動(dòng)部分采用輪式結(jié)構(gòu)，因?yàn)橄鄬?duì)于步行、爬行或其它非輪式的移動(dòng)機(jī)器人，輪式機(jī)器人具有行動(dòng)快捷、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、安全性好等優(yōu)勢(shì)。

由于本機(jī)器人電動(dòng)病床既要考慮其運(yùn)行速度，又要考慮其運(yùn)行方向以及加速和爬坡時(shí)功率需求，為了優(yōu)化系統(tǒng)能源利用率且滿足不同狀況下的功率需求，本發(fā)明采用三個(gè)電機(jī)來完成系統(tǒng)對(duì)功率的不同需求：通過兩軸電機(jī)差速行駛來實(shí)現(xiàn)速度和方向的調(diào)控，并且兩輪差速行駛的兩個(gè)電機(jī)功率大小相等，功率加起來可以滿足正常行駛時(shí)的功率要求；加速和爬坡需要電動(dòng)助力時(shí)，系統(tǒng)開啟助力電機(jī)滿足爬坡功率滿足。這樣既不傷害兩輪差速電機(jī)，也可以進(jìn)一步減少其功率。在正常行駛條件下，為了調(diào)整電動(dòng)病床的行駛方向，通常改變兩臺(tái)電機(jī)的速度大小就可以隨意實(shí)現(xiàn)方向的改變。由于直流電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)偶爾會(huì)產(chǎn)生火花，而醫(yī)院病房又是一個(gè)特殊的場(chǎng)合，任何火花都可能會(huì)對(duì)病人的氧氣瓶和吸氧裝置產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)，因此，本發(fā)明中負(fù)責(zé)機(jī)器人行走功能的兩臺(tái)差速行駛電機(jī)和爬坡助力電機(jī)均采用直流無刷伺服電機(jī)，由于直流無刷伺服電機(jī)采用霍爾傳感器進(jìn)行電子換向，高速旋轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生任何火花，有效消除了安全隱患。

由于本發(fā)明中的機(jī)器人電動(dòng)病床既要適應(yīng)病房中相對(duì)干凈的環(huán)境，又要適應(yīng)病房外相對(duì)灰塵較多的骯臟環(huán)境，為了減少灰塵對(duì)電機(jī)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和M3，磁電編碼器M1、M2和M3可以有效測(cè)量出三軸直流無刷伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度和位移，為機(jī)器人電動(dòng)病床三軸同步三閉環(huán)伺服控制提供了可靠反饋。

本實(shí)施例中，所述的傳感器包括加速度計(jì)和陀螺儀；所述的第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)和第三控制信號(hào)均為PWM波控制信號(hào)。

加速度計(jì)傳感器在較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量值（確定管道機(jī)器人航向）是正確的，而在較短時(shí)間內(nèi)由于信號(hào)噪聲的存在，而有一定誤差。陀螺儀在較短時(shí)間內(nèi)則比較準(zhǔn)確，而較長(zhǎng)時(shí)間則會(huì)隨著漂移的存在而產(chǎn)生一定誤差，因此，需要加速度計(jì)和陀螺儀相互調(diào)整來確保航向的正確。為了提高機(jī)器人電動(dòng)病床在行走過程中導(dǎo)航的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)精確調(diào)整以及計(jì)算加速爬坡時(shí)需要的功率，本發(fā)明在機(jī)器人電動(dòng)病床伺服硬件系統(tǒng)中加入了三軸加速度計(jì)A1和三軸陀螺儀G1。在機(jī)器人電動(dòng)病床行走期間全程開啟加速度計(jì)A1和陀螺儀G1，加速度計(jì)A1和G1用來測(cè)量機(jī)器人病床三個(gè)前進(jìn)方向的加速度和速度，控制器根據(jù)測(cè)量值然后通過積分就可以得到其位移，為機(jī)器人的三閉環(huán)控制提供可靠判據(jù)；當(dāng)機(jī)器人病床的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，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(shí)，控制器在一個(gè)新的采樣周期立即對(duì)其位置補(bǔ)償，避免機(jī)器人電動(dòng)病床在行走過程中因?yàn)閮A斜過大而發(fā)生危險(xiǎn)，提高了其快速行走導(dǎo)航時(shí)的穩(wěn)定性；如果對(duì)加速度計(jì)A1和陀螺儀G1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(jī)器人電動(dòng)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(qiáng)了機(jī)器人病床的行走的安全性和準(zhǔn)確性。

一旦機(jī)器人電動(dòng)病床離開醫(yī)護(hù)人員的視線范圍后，為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)器人病床出現(xiàn)的問題以及病人在危機(jī)時(shí)候的呼救請(qǐng)求，電動(dòng)病床必須加入無線裝置，借助無線局域網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸電動(dòng)病床和病人的各種參數(shù)；遇到緊急情況，為了讓醫(yī)護(hù)人員能夠第一時(shí)間了解現(xiàn)場(chǎng)情況，機(jī)器人電動(dòng)病床必須加入基于CCD的圖像采集系統(tǒng)。無線機(jī)器人電動(dòng)病床監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)工作的機(jī)器人電動(dòng)病床：STM32F407通過對(duì)各種傳感器對(duì)電動(dòng)病床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和儲(chǔ)存，通過無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)STM32F407與護(hù)理總站PC 機(jī)之間的通信，護(hù)理總站可以通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人電動(dòng)病床的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。基于無線局域網(wǎng)機(jī)器人電動(dòng)病床監(jiān)控和控制系統(tǒng)的使用，有利于科學(xué)管理和利用電動(dòng)病床，可有效節(jié)約能源，極大降低護(hù)工和護(hù)士的勞動(dòng)量，對(duì)提升城市形象和美譽(yù)度將起到積極作用，同時(shí)也會(huì)是城市文明史上的一大進(jìn)步。

本發(fā)明為克服普通醫(yī)院病床不能滿足病人實(shí)際要求，在吸收國(guó)外先進(jìn)控制思想的前提下，自主研發(fā)了一款基于ARM（STM32F407）+ FPGA(A3P250)的兩輪差速行駛單輪助力的三軸驅(qū)動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床。此機(jī)器人控制系統(tǒng)以FPGA(A3P250)為處理核心，實(shí)現(xiàn)三軸直流無刷電機(jī)的同步伺服控制，STM32F407實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號(hào)的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)相應(yīng)各種中斷保護(hù)請(qǐng)求，并實(shí)現(xiàn)與FPGA(A3P250)數(shù)據(jù)通信，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電動(dòng)病床的遠(yuǎn)距離控制，本系統(tǒng)加入了基于局域網(wǎng)的無線控制裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人病床與護(hù)理總站之間的數(shù)據(jù)通信。

如圖2所示，所述的無線雙核三輪驅(qū)動(dòng)高速機(jī)器人電動(dòng)病床控制器還設(shè)置有人機(jī)界面程序和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述的人機(jī)界面程序包括人機(jī)界面、路徑規(guī)劃以及無線輸出，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括基于FPGA三軸直流無刷電機(jī)伺服控制、無線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸以及I/O控制，其中，所述的基于FPGA三軸直流無刷電機(jī)伺服控制包括磁電編碼器模塊、加速度計(jì)和陀螺儀加速度模塊、基于磁電傳感器速度模塊以及基于磁電傳感器位移模塊。

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(yùn)算速度，保證醫(yī)用機(jī)器人電動(dòng)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ARM（STM32F407）和專用運(yùn)動(dòng)控制芯片F(xiàn)PGA(A3P250)，舍棄了傳統(tǒng)采用的單一單片機(jī)或單一16位的DSP芯片，此控制器充分考慮蓄電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，實(shí)現(xiàn)雙核控制器同步控制三軸直流無刷伺服電機(jī)的功能。機(jī)器人電動(dòng)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(diǎn)，而由ARM（STM32F407）實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、I/O控制、路徑導(dǎo)航、無線輸出、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)等功能，同時(shí)實(shí)時(shí)相應(yīng)各種中斷，并借助無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電動(dòng)病床本體與護(hù)理總站之間的數(shù)據(jù)通訊，使得護(hù)理總站可以實(shí)時(shí)響應(yīng)電動(dòng)病床的各種中斷。

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的基于ARM（STM32F407）+ FPGA(A3P250)雙核機(jī)器人電動(dòng)病床控制器，在電源打開狀態(tài)下，人機(jī)界面先工作，如果確實(shí)需要移動(dòng)電動(dòng)病床，護(hù)工人員、護(hù)士人員通過人機(jī)界面或是無線輸入裝置輸入各自的權(quán)限密碼，ARM（STM32F407）使能FPGA(A3P250)機(jī)器人電動(dòng)病床才可能在屋子里移動(dòng)，否則機(jī)器人電動(dòng)病床就待在原地等待權(quán)限開啟命令；如果機(jī)器人電動(dòng)病床需要推出病房，此時(shí)醫(yī)院負(fù)責(zé)人通過人機(jī)界面或是無線輸入裝置開啟自己的權(quán)限密碼，否則機(jī)器人電動(dòng)病床一旦移動(dòng)到門口位置被門口監(jiān)控傳感器探測(cè)到，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)控制器上的傳感器，F(xiàn)PGA(A3P250)鎖死當(dāng)前的機(jī)器人電動(dòng)病床并通過ARM(STM32F407)發(fā)出誤操作警報(bào)，STM32F407開啟圖像采集系統(tǒng)通過無線網(wǎng)局域網(wǎng)傳輸給護(hù)理總站，使醫(yī)護(hù)人員了解機(jī)器人電動(dòng)病床的現(xiàn)場(chǎng)狀況。在正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)器人電動(dòng)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)，F(xiàn)PGA(A3P250)經(jīng)內(nèi)部伺服梯形發(fā)生器生成兩軸差速行駛的直流無刷伺服電機(jī)的同步控制PWM信號(hào)，PWM波信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)X和直流無刷電機(jī)Y向前運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度和位移被相對(duì)應(yīng)的磁電編碼器M1和M2反饋給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)二次調(diào)整兩軸同步PWM控制信號(hào)以滿足實(shí)際工作需求；在加速行駛或爬坡狀態(tài)下，機(jī)器人電動(dòng)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)經(jīng)內(nèi)部伺服梯形發(fā)生器生成三軸直流無刷伺服電機(jī)的同步控制PWM信號(hào)，PWM波信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y和直流無刷伺服電機(jī)Z向前運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度和位移被相對(duì)應(yīng)的磁電編碼器M1、M2和M3反饋給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)二次調(diào)整三軸同步PWM控制信號(hào)以滿足實(shí)際工作需求。機(jī)器人電動(dòng)床在運(yùn)行過程中，人機(jī)界面在線存儲(chǔ)并輸出當(dāng)前狀態(tài)，使得處理比較直觀，在需要時(shí)可以通過無線局域網(wǎng)輸出當(dāng)前狀態(tài)到護(hù)理總站，使得處理比較簡(jiǎn)單。

參照?qǐng)D2，具體實(shí)施步驟是：

把醫(yī)用電動(dòng)床控制系統(tǒng)分為兩部分：人機(jī)界面系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其中人機(jī)界面系統(tǒng)完成人機(jī)界面、路徑規(guī)劃、在線輸出等功能；基于FPGA(A3P250)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)完成電動(dòng)病床的多軸伺服控制，而ARM(STM32F407)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(diǎn)，同時(shí)由ARM(STM32F407)實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)各種傳感器信號(hào)數(shù)值，并借助無線局域網(wǎng)裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人電動(dòng)病床與護(hù)理總站之間的數(shù)據(jù)通訊。

參照?qǐng)D2、圖3和圖4，其具體的功能實(shí)現(xiàn)如下：

1）在機(jī)器人電動(dòng)病床未接到任何指令之前，它一般會(huì)和普通醫(yī)用病床沒有區(qū)別，被固定在某一個(gè)區(qū)域，交流電源對(duì)系統(tǒng)中的蓄電池充電，保證機(jī)器人電動(dòng)病床有足夠的能源完成任務(wù)；

2）一旦護(hù)理總站需要移動(dòng)病人，通過無線局域網(wǎng)護(hù)理總站首先與機(jī)器人電動(dòng)病床通訊，接到總站發(fā)出的中斷后，為了防止機(jī)器人電動(dòng)病床的移動(dòng)損害充電連接線，ARM(STM32F407) 控制器會(huì)自動(dòng)斷開連接線與交流電源的連接，機(jī)器人電動(dòng)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(jí)啟動(dòng)權(quán)限，當(dāng)確定需要移動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床時(shí)，如果只是在病房?jī)?nèi)部移動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床，則需要護(hù)工人員和護(hù)士先后通過人機(jī)界面或者無線輸入裝置輸入權(quán)限密碼開啟屋內(nèi)行走模式；如果是需要推動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)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(jī)界面或者是無線輸入裝置輸入權(quán)限密碼開啟屋外行走模式；

4）當(dāng)機(jī)器人電動(dòng)病床開啟行走模式后，一旦啟動(dòng)鍵SS按下，系統(tǒng)首先完成初始化并檢測(cè)電源電壓，如果蓄電池電源不正常，將向ARM(STM32F407)和FPGA(A3P250) 發(fā)出中斷請(qǐng)求，ARM(STM32F407)和FPGA(A3P250) 會(huì)對(duì)中斷做第一時(shí)間響應(yīng)，如果ARM(STM32F407)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，ARM(STM32F407)發(fā)出誤操作警報(bào)并開啟圖像采集系統(tǒng)通過無線網(wǎng)局域網(wǎng)傳輸給護(hù)理總站，使醫(yī)護(hù)人員了解機(jī)器人電動(dòng)病床的現(xiàn)場(chǎng)狀況；如果電源正常，電動(dòng)床機(jī)器人將開始正常工作；

5）當(dāng)FPGA(A3P250)控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，F(xiàn)PGA(A3P250)控制器將檢測(cè)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)， FPGA(A3P250)根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)X和Y要運(yùn)轉(zhuǎn)的距離SX轉(zhuǎn)化為加速度、速度和位置參考指令值，F(xiàn)PGA(A3P250)再結(jié)合電機(jī)X和電機(jī)Y的磁電傳感器M1、M2的反饋生成驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)功率橋放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y以相反的方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程M1和M2實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)傳輸給FPGA(A3P250)，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)反饋參數(shù)二次微調(diào)電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM控制信號(hào)，使得旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成側(cè)轉(zhuǎn)任務(wù)，由于在此過程中只是電機(jī)X和電機(jī)Y組成的旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)90度，并未改變電動(dòng)病床的方向，提高了機(jī)器人電動(dòng)病床在狹小空間的實(shí)用性；在運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實(shí)際需要，ARM實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)病床的運(yùn)行參數(shù)并在人機(jī)界面顯示；

6）當(dāng)STM32F407 控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)前進(jìn)按鈕SF被觸發(fā)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)加速按鍵SA進(jìn)行判斷，如果系統(tǒng)確定加速按鍵SA已經(jīng)觸發(fā)，說明機(jī)器人電動(dòng)病床需要加速或者是爬坡，此時(shí)ARM控制器會(huì)根據(jù)需要對(duì)機(jī)器人所需要的功率進(jìn)行優(yōu)化分配，然后開啟三軸電機(jī)同步伺服控制模式；根據(jù)加速度和速度要求，F(xiàn)PGA(A3P250)結(jié)合直流無刷電機(jī)X、電機(jī)Y和電機(jī)Z配備的磁電編碼器M1、M2和M3的反饋經(jīng)內(nèi)部梯形發(fā)生器生成驅(qū)動(dòng)三軸直流無刷電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)三軸電機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，在此過程中磁電編碼器M1、M2和M3實(shí)時(shí)向FPGA(A3P250)反饋其位移信號(hào)，F(xiàn)PGA(A3P250)把此位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人電動(dòng)病床的實(shí)際運(yùn)行距離；在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人攜帶的前方防撞超聲波傳感器S9和S10將工作，并向FPGA(A3P250) 控制器時(shí)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S10讀取到前方有障礙物時(shí)，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(jī)X、電機(jī)Y、電機(jī)Z的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床在安全范圍內(nèi)停車，控制器并開啟一個(gè)三秒的計(jì)時(shí)，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物則通知人機(jī)界面改換行走軌跡；如果三秒后障礙物信號(hào)消息，則機(jī)器人電動(dòng)病床將按照當(dāng)前路徑繼續(xù)啟動(dòng)前進(jìn)；在機(jī)器人電動(dòng)病床運(yùn)動(dòng)過程中，磁電傳感器M1、M2和M3會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X、電機(jī)Y和電機(jī)Z的運(yùn)動(dòng)速度和位移并反饋給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)二次調(diào)整直流無刷電機(jī)X、電機(jī)Y和電機(jī)Z的PWM波控制信號(hào)以滿足實(shí)際需求 ；在運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實(shí)際需要，ARM實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)病床的運(yùn)行參數(shù)并在人機(jī)界面顯示；

7）當(dāng)FPGA(A3P250) 控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)只有前進(jìn)按鈕SF被觸發(fā)，加速按鍵SA未被觸發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床將開始向前按照正常速度運(yùn)動(dòng)：電機(jī)X和電機(jī)Y被啟動(dòng)，電機(jī)Z被釋放；在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人攜帶的前方防撞超聲波傳感器S9和S10將工作，并向FPGA(A3P250) 控制器時(shí)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S10讀取到前方有障礙物時(shí)，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(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床在安全范圍內(nèi)停車，控制器并開啟一個(gè)三秒的計(jì)時(shí)，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物則通知人機(jī)界面改換行走軌跡；如果三秒后障礙物信號(hào)消息，則機(jī)器人電動(dòng)病床將按照當(dāng)前路徑繼續(xù)啟動(dòng)前進(jìn)；在機(jī)器人電動(dòng)病床運(yùn)動(dòng)過程中，磁電傳感器M1、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)速度和位移并反饋給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)二次調(diào)整直流無刷電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM波控制信號(hào)以滿足實(shí)際需求 ；在運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實(shí)際需要，ARM實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)病床的運(yùn)行參數(shù)并在人機(jī)界面顯示；

8）當(dāng)FPGA(A3P250) 控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)后退按鈕SB也被觸發(fā)，無論加速按鍵SA是否被觸發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床都將以設(shè)定的正常速度開始后退運(yùn)動(dòng)，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(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床按照設(shè)定速度緩慢后退；在后退運(yùn)動(dòng)過程中，磁電傳感器M1、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)速度和位移并反饋給FPGA(A3P250)， FPGA(A3P250) 根據(jù)磁電傳感器M1和M2的速度和位移反饋二次調(diào)整直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，保證機(jī)器人電動(dòng)病床在安全速度范圍內(nèi)運(yùn)行，防止速度過快機(jī)器人電動(dòng)病床推倒護(hù)工人員；在運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實(shí)際需要，ARM實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)病床的運(yùn)行參數(shù)并在人機(jī)界面顯示；

9）當(dāng)FPGA(A3P250) 控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS按下，如果此時(shí)轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn)按鈕SF被觸發(fā)，無論加速按鍵SA是否被觸發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床都將以設(shè)定好的正常速度開始側(cè)向右移，在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)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(shí)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(shí)，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(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床在安全范圍內(nèi)停車，控制器并開啟一個(gè)三秒的計(jì)時(shí)，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物存在將向人機(jī)界面發(fā)出停車報(bào)警；如果三秒后障礙物信號(hào)消息，則機(jī)器人電動(dòng)病床將按照當(dāng)前軌跡繼續(xù)側(cè)向右移；在機(jī)器人電動(dòng)病床側(cè)向右移過程中，磁電傳感器M1、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)速度和位移并反饋給FPGA(A3P250) ，由FPGA(A3P250) 二次調(diào)整電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，保證系統(tǒng)滿足行走要求；在運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實(shí)際需要，ARM實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)病床的運(yùn)行參數(shù)并在人機(jī)界面顯示；

10）當(dāng)FPGA(A3P250) 控制器檢測(cè)到啟動(dòng)鍵SS一旦按下，如果此時(shí)轉(zhuǎn)彎按鈕SK和前進(jìn)按鈕SB被觸發(fā)，無論加速按鍵SA是否被觸發(fā)，機(jī)器人電動(dòng)病床都將以設(shè)定好的正常速度開始側(cè)向左移；在運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)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(shí)刻反饋其與前方障礙物的距離；如果防撞超聲波傳感器S7讀取到運(yùn)動(dòng)前方有障礙物時(shí)，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(jī)X和電機(jī)Y的PWM輸出，控制機(jī)器人電動(dòng)病床在安全范圍內(nèi)停車，控制器并開啟一個(gè)三秒的計(jì)時(shí)，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物存在將向人機(jī)界面發(fā)出停車報(bào)警；如果三秒后障礙物信號(hào)消息，則機(jī)器人電動(dòng)病床將按照當(dāng)前軌跡繼續(xù)側(cè)向左移；在機(jī)器人電動(dòng)病床側(cè)向左移過程中，磁電傳感器M1、M2會(huì)時(shí)刻檢測(cè)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)速度和位移并反饋給FPGA(A3P250) ，由FPGA(A3P250) 二次調(diào)整電機(jī)X和電機(jī)Y的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，保證系統(tǒng)滿足實(shí)際需求；在運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實(shí)際需要，ARM實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)病床的運(yùn)行參數(shù)并在人機(jī)界面顯示；

11）當(dāng)機(jī)器人電動(dòng)病床需要移出病房時(shí)，先有醫(yī)院負(fù)責(zé)人開啟行走權(quán)限密碼，可以有護(hù)工人員推出房間，也可以有護(hù)工人員把機(jī)器人電動(dòng)病床推到帶有地面導(dǎo)航標(biāo)志的位置，機(jī)器人電動(dòng)病床進(jìn)入自動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài)：其導(dǎo)航的光電傳感器S1、S2、S3、S4、S5將工作，地面標(biāo)志反射回來的光電信號(hào)反饋給FPGA(A3P250) ，經(jīng)FPGA(A3P250) 判斷處理后確定機(jī)器人偏移導(dǎo)航軌道的偏差， FPGA(A3P250)把偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)X和電機(jī)Y要運(yùn)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M1和M2的反饋生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)直流無刷伺服電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)X和電機(jī)Y向前運(yùn)動(dòng)，快速調(diào)整機(jī)器人電動(dòng)病床迅速回到導(dǎo)航軌道中心；機(jī)器人電動(dòng)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M1和M2的反饋微調(diào)電機(jī)X和電機(jī)Y的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使機(jī)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(jī)器人電動(dòng)病床就停在原地等待人為移動(dòng)信號(hào)，防止誤操作；在運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)PGA根據(jù)外界情況實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制程序的PID參數(shù)以滿足實(shí)際需要，ARM實(shí)時(shí)記錄電動(dòng)病床的運(yùn)行參數(shù)并在人機(jī)界面顯示；

12）本機(jī)器人電動(dòng)病床在運(yùn)動(dòng)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(dòng)鎖車功能；如遇到緊急情況，當(dāng)緊急按鍵ESW1按下后，控制器一旦檢測(cè)到緊急中斷請(qǐng)求會(huì)發(fā)出原地停車指令，F(xiàn)PGA(A3P250)通過驅(qū)動(dòng)器封鎖直流無刷伺服電機(jī)X、電機(jī)Y和電機(jī)Z的PWM波信號(hào)，即使電動(dòng)病床多個(gè)萬向輪都處于可以滑動(dòng)狀態(tài)，由于行走電機(jī)X、電機(jī)Y和電機(jī)Z處于鎖死狀態(tài)，這樣機(jī)器人電動(dòng)病床也不會(huì)運(yùn)動(dòng)，保證了機(jī)器人在緊急狀況下的安全性；

13）本發(fā)明在機(jī)器人電動(dòng)病床上加入了濕度檢測(cè)系統(tǒng)；此濕度檢測(cè)系統(tǒng)由濕敏傳感器、測(cè)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(shí)，濕度檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)工作，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，護(hù)工人員通過人機(jī)界面輸出可以查出故障原因，然后更換床褥；

14）本電動(dòng)床裝備了多種防障礙物報(bào)警系統(tǒng)，機(jī)器人障礙物探測(cè)系統(tǒng)可以在機(jī)器人病床碰撞到障礙物之前自動(dòng)探測(cè)到障礙物的存在并通過控制器協(xié)助自動(dòng)停車，并根據(jù)障礙物的性質(zhì)確定二次啟動(dòng)或是一直待在原地不動(dòng)，這樣就保證了機(jī)器人病床在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)，減少了環(huán)境對(duì)其的干擾；

15）在機(jī)器人電動(dòng)病床行走過程中，直流無刷伺服電機(jī)經(jīng)常會(huì)受到外界因素干擾，為了減少電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)器人行走的影響，ARM控制器在考慮電機(jī)特性的基礎(chǔ)上加入了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的在線辨識(shí)，并利用電機(jī)力矩與電流的關(guān)系進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償，削弱了外界環(huán)境對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響；

16）在機(jī)器人電動(dòng)病床行走期間伺服控制器全程開啟加速度計(jì)A1和陀螺儀G1，加速度計(jì)A1和陀螺儀G1可以精確測(cè)量出機(jī)器人病床三個(gè)前進(jìn)方向的加速度，根據(jù)測(cè)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(jī)器人的三閉環(huán)控制提供可靠判據(jù)；同時(shí)當(dāng)機(jī)器人病床的姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，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(jì)算出功率需求，然后調(diào)整各臺(tái)直流無刷伺服電機(jī)的功率以滿足爬坡和加速需要；控制器通過對(duì)加速度計(jì)A1和陀螺儀G1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(jī)器人電動(dòng)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(shí)時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

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(gè)系統(tǒng)中的作用，基于ARM（STM32F407）+FPGA(A3P250)控制器時(shí)刻都在對(duì)機(jī)器人電動(dòng)病床的運(yùn)行狀態(tài)和電源來源進(jìn)行監(jiān)測(cè)和運(yùn)算，當(dāng)交流電源切斷時(shí)，病床會(huì)借助自攜帶蓄電池電源自鎖在固定位置，直至有移動(dòng)病床的開關(guān)信號(hào)輸入，保證了病床的自然狀態(tài)；

2：為了方便使用，減少外界對(duì)病床的干擾，護(hù)工人員、護(hù)士人員以及醫(yī)院管理人員均需要開啟權(quán)限才可以啟動(dòng)機(jī)器人電動(dòng)病床，減少了誤操作的危險(xiǎn)；

3：為了方便病人自理，減少對(duì)外界條件的依賴，本系統(tǒng)加入了人機(jī)界面功能，病人只要通過電腦觸摸屏就可以自動(dòng)控制病床機(jī)器人，這樣就可以不需要護(hù)理而自己解決部分簡(jiǎn)易的日常生活；

4：由于此電動(dòng)病床加入了基于蓄電池的動(dòng)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(shí)，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(dòng)病床提供動(dòng)力，減少了護(hù)士或者護(hù)工人員在屋子里移動(dòng)病床的體力消耗和勞動(dòng)強(qiáng)度；

5：由于此電動(dòng)病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得病床可以在屋子里實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，減少了病人在某一個(gè)固定位置的壓抑感；

6：由于此電動(dòng)病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得單臺(tái)電機(jī)的功率大大降低，并且動(dòng)力與地面的接觸點(diǎn)有兩點(diǎn)，有利于提高電動(dòng)病床行駛時(shí)的操控性；

7：由于此電動(dòng)病床加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的單軸加速助力系統(tǒng)，使得兩臺(tái)差速行駛電機(jī)的功率可以進(jìn)一步降低，并且動(dòng)力與地面的接觸點(diǎn)有三點(diǎn)，在需要加速或者爬坡時(shí)可以通過開啟助力電機(jī)滿足功率要求，在正常行駛時(shí)可以釋放加速電機(jī)，起到一個(gè)觸點(diǎn)的左右，有利于提高電動(dòng)病床行駛時(shí)的操控性；

8：由于加入了基于直流無刷伺服電機(jī)的兩輪差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在非常狹小的空間內(nèi)可以使病床機(jī)器人側(cè)向移動(dòng)，減少機(jī)器人旋轉(zhuǎn)帶來的負(fù)面問題；

9：當(dāng)機(jī)器人電動(dòng)病床遇到爬坡的時(shí)，由于自身攜帶的有動(dòng)力能源，所以可以通過助力電機(jī)很好的起到助力作用，并且三輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于雙輪驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步減少了對(duì)護(hù)工人員體力的要求；

10：由FPGA(A3P250)處理兩軸電機(jī)差速行駛和助力電機(jī)的全數(shù)字伺服控制，大大提高了運(yùn)算速度，解決了單單片機(jī)運(yùn)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(qiáng)；

11：本發(fā)明完全實(shí)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(shí)現(xiàn)了多軸電機(jī)控制信號(hào)的同步，有利于提高醫(yī)用機(jī)器人電動(dòng)病床的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能；

12：由于本控制器采用FPGA(A3P250) 處理三軸伺服控制系統(tǒng)大量的控制數(shù)據(jù)與算法，并充分考慮了周圍的干擾源，把ARM從復(fù)雜的計(jì)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(qiáng)；

13：本機(jī)器人電動(dòng)病床加入了自動(dòng)鎖車功能，當(dāng)病床機(jī)器人在移動(dòng)過程中，如遇到緊急情況，F(xiàn)PGA(A3P250)控制器會(huì)發(fā)出原地停車指令，并鎖死兩輪差速行駛電機(jī)，即使多個(gè)萬向輪都處于可以滑動(dòng)狀態(tài)，但由于驅(qū)動(dòng)輪處于鎖死狀態(tài)，這樣機(jī)器人也不會(huì)運(yùn)動(dòng)；

14：為了能夠使機(jī)器人病床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(jī)器人在移出病房過程中一旦讀到地面標(biāo)志就會(huì)自動(dòng)導(dǎo)航，減少人工移動(dòng)病床帶來的誤差；

15：本電動(dòng)床機(jī)器人裝備了多種報(bào)警系統(tǒng)，在碰撞到障礙物之前自動(dòng)停車，這樣就保證了在運(yùn)動(dòng)過程中的安全性，減少了環(huán)境對(duì)其的干擾；

16：由于本機(jī)器人電動(dòng)病床系統(tǒng)采用直流無刷伺服電機(jī)替代了直流電機(jī)，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(jī)器人電動(dòng)病床在攜帶能源一定的條件下一次移動(dòng)的距離；

17：由于本機(jī)器人電動(dòng)病床系統(tǒng)采用直流無刷伺服電機(jī)，當(dāng)電機(jī)受到外界干擾產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，直流無刷伺服電機(jī)可以利用力矩與電流的關(guān)系迅速進(jìn)行補(bǔ)償，極大減少了外界干擾對(duì)機(jī)器人電動(dòng)病床的影響；

18：由于機(jī)器人電動(dòng)病床具有無線接收和發(fā)射功能，使得醫(yī)護(hù)人員可以根據(jù)需要遠(yuǎn)距離開啟機(jī)器人病床啟動(dòng)的權(quán)限，減少了醫(yī)護(hù)人員的工作量；

19：由于機(jī)器人電動(dòng)病床具有無線接收和發(fā)射功能，一旦自己短時(shí)護(hù)理自己的病人遇到緊急狀況可以隨時(shí)與醫(yī)護(hù)人員溝通，保證了病人的安全；

20：由于機(jī)器人電動(dòng)病床具有無線接收和發(fā)射功能，且配備了基于CCD的圖像采集系統(tǒng)，使得醫(yī)護(hù)人員可以隨時(shí)監(jiān)控離開病院的電動(dòng)病床的及時(shí)狀況，一旦遇到緊急狀況可以立即處理，保證了電動(dòng)病床和病人的安全；

21：機(jī)器人電動(dòng)病床更加安全可靠；無線機(jī)器人電動(dòng)病床監(jiān)控和控制系統(tǒng)是通過護(hù)理總站系統(tǒng)中心來設(shè)置相關(guān)參數(shù)的，可以防止沒有被授權(quán)的人進(jìn)行操作，這樣一來，就能保證了監(jiān)控的安全可靠；

22：通過無線機(jī)器人電動(dòng)病床監(jiān)控和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)病床和護(hù)理總站的實(shí)時(shí)通訊，可以系統(tǒng)的檢測(cè)到故障所在，及時(shí)檢修；

23：無線機(jī)器人電動(dòng)病床監(jiān)控和控制系統(tǒng)在監(jiān)控起來更加靈活；通過無線傳輸方式實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的機(jī)器人電動(dòng)病床，使病人自己短暫護(hù)理自己的安全性大大增加，從而節(jié)約資源，同時(shí)電動(dòng)病床本體參數(shù)的監(jiān)控有效保護(hù)了電動(dòng)病床的各個(gè)部件，增加了使用壽命；

24：無線機(jī)器人電動(dòng)病床管理起來更加便捷；無線機(jī)器人電動(dòng)病床監(jiān)控和控制系統(tǒng)每天可以根據(jù)實(shí)際需要在護(hù)理總站自動(dòng)開啟和斷開醫(yī)院負(fù)責(zé)人的操作權(quán)限，也可以對(duì)機(jī)器人電動(dòng)病床進(jìn)行分區(qū)管理；

25：由于由FPGA直接生產(chǎn)多軸直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，不需要ARM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(yùn)行；

26：FPGA控制器根據(jù)外圍環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整伺服控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，滿足電動(dòng)病床不同狀況下快速伺服控制系統(tǒng)調(diào)整的要求；

27：加速度計(jì)A1和陀螺儀G1用來測(cè)量機(jī)器人病床三個(gè)前進(jìn)方向的加速度和速度，根據(jù)測(cè)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(jī)器人的三閉環(huán)控制提供可靠判據(jù)；

28：加速度計(jì)A1和陀螺儀G1可以提高機(jī)器人電動(dòng)病床在行走過程中導(dǎo)航的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自動(dòng)精確調(diào)整、計(jì)算加速爬坡時(shí)需要的功率。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)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(yùn)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)。