轉運護理機器人控制系統(tǒng)設計與實現

顧綺芳

摘 要：在行動不便病人的轉運和護理問題上，現有醫(yī)療機器人技術涉獵不深，醫(yī)療成果轉化程度也較低。目前廣泛沿用傳統(tǒng)的手抱肩抬的方式，給病人帶來二次傷害的同時，也加重和提升了醫(yī)護人員的工作負擔和風險。轉運護理機器人可以使老人和病人的過床轉運過程輕松簡單，它具有轉運過程舒適、使用者姿態(tài)變化小、護理人員勞動強度低等優(yōu)點。文章在現有轉運護理機器人機構研究基礎之上，對轉運護理機器人控制系統(tǒng)進行了設計，進而實現轉運護理機器人的各項功能，首先對電控系統(tǒng)整體進行研究，然后設計了一款主控制器并進行了實驗驗證，為轉運護理機器人產品的研發(fā)奠定了基礎。

關鍵詞：轉運護理機器人；電控系統(tǒng)設計；實驗驗證

轉運護理機器人的發(fā)展朝著自動化、智能化方向發(fā)展[1-3]，在國外的一些科研機構已經成功研發(fā)出了操作簡單、轉運舒適的機電一體化設備。美國Sherrow等[4]就開發(fā)出一種轉運設備，需要多次改變病人位姿，患者舒適性差并未獲得大眾的認可。日本研發(fā)出RIBA護理機器人[5]通過機械手臂抬抱的方式將病人從一個床體轉運到另一個床體。但這種方式不適用于脊柱損傷或者骨折的病人。MOBILIZER 3由意大利的SA.VIR公司研制[6]。這種病人轉運設備由電氣控制系統(tǒng)驅動、自動化程度高、轉運時無位姿變化，只需要一個操作人員即可完成轉運過程。然而國內的產品結構簡單、自動化程度較低。廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院醫(yī)學工程科的研究人員設計了一種利用滾珠進行轉運的折疊式轉運床板[7]。這種整體式的轉運產品，僅需一個工作人員即可完成對轉運需求不高的病人轉運。

本文提出了一種新型轉運護理機器人，進行了轉運護理機器人的電控系統(tǒng)的設計，主要包括電控系統(tǒng)的整體設計、主控器設計、無線遙控器的設計以及整體出行方案的驗證。

1 電控系統(tǒng)整體設計

轉運護理機器人的正常、高效運行是建立在一個穩(wěn)定、反應靈敏的控制系統(tǒng)之上，機器人系統(tǒng)的主要動作有：升降系統(tǒng)的升高和降低、轉運模塊將使用者從床搬移到戶外模塊、轉運模塊從戶外模塊運動到床面、折疊系統(tǒng)的折疊和展開。上述轉運護理機器人的動作需要有序進行才能完成，實時性較強。為了實現使用者從床到戶外，要求轉運模塊和戶外模塊的功能具有較高的集成度，為此轉運護理機器人系統(tǒng)應該是一個結構可分離、功能集成化的系統(tǒng)。系統(tǒng)的集成主要是通過一款自助研發(fā)的遙控器來實現的。

轉運護理機器人的電控系統(tǒng)主要由轉運系統(tǒng)、折疊系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、無線遙控器、主控板以及傳感器系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。轉運護理機器人的操作主要是通過無線遙控器來實現的，無線遙控器可以控制轉運護理機器人的所有動作。主控板用于解算不同的操作指令和處理相關的傳感器檢測信息，根據相關原理計算出電機的轉速和方向、推桿和升降柱的啟停等。主控板將計算的信息發(fā)送給繼電器和電機驅動器，繼電器用來驅動推桿的收縮和升降柱的升降，電機驅動器用來控制電機的運行。傳感器系統(tǒng)用于采集推桿和升降柱的長度值、電機的轉速值以及其他相關位置信息值，并將采集的信息反饋給各自的主控制器，實現各模塊的閉環(huán)控制。

轉運模塊配備有8套電機驅動器，直流電機采用H橋式電路驅動。無線遙控器將轉運模塊的動作指令發(fā)送給主控制器，主控制器將解算指令發(fā)送給控制器，控制器向直流電機輸出脈沖寬度調制（Pulse-Width Modulation，PWM）信號，并由電池組向其提供電源。電機驅動器安裝有變頻功率傳感器，可以將電流的變化情況反饋給驅動器芯片，驅動器芯片根據電流變化進行運算微調。電機配有分辨率為200 ppi線的M3-2光電編碼器，驅動器將編碼器的反饋信息做對比處理，整個系統(tǒng)構成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

戶外模塊采用電動推桿和升降柱實現折疊和升降功能，通過無線遙控器來控制升降系統(tǒng)的升降和折疊系統(tǒng)的折疊操作。在無線遙控器和戶外模塊上分別安裝具有收發(fā)功能的無線數據傳送模塊，無線遙控器通信模塊將指令信息傳遞給了戶外模塊的主控制器，主控器將解算后的子指令發(fā)送給折疊升降控制系統(tǒng)的繼電器，通過IO口輸出高低電平信號控制繼電器的通斷，進而控制電動推桿和升降柱電源的通斷。主控器負責了整個折疊升降控制系統(tǒng)的運行和反饋信息的處理。推桿和升降柱上安裝有電位計，可以實時的將長度反饋給主控器，形成閉環(huán)控制。

2 主控制器設計

主控制器作為轉運護理機器人控制系統(tǒng)的核心，其主要功能有：與無線遙控器進行性通信和指令解算、控制折疊推桿和升降柱的伸縮、與電機控制器通信、與傳感器通信等。轉運護理機器人控制系統(tǒng)設計的主控制器的控制板采用TMS320F2810處理器，主頻最高可達150 MHz，板載2 MB Nor Flash?？刂瓢寰哂袀鞲衅鹘涌?，RS232串行口，I2C總線接口等，可以實現對轉運護理機器人的實時控制與精確控制，滿足轉運護理機器人的功能需求。

除以上所需模塊外，無線遙控器通信采用的是串口232通信協(xié)議，傳感器的通信采用串行總線通信，因此我們設計的主控制器應具備控制局域網（Controller Area Network，CAN）控制器模塊和UART串口通信模塊。

3 無線遙控器的設計

轉運護理機器人無線遙控器對于實現轉運模塊和戶外模塊的功能整合具有重要的意義，本文主要通過無線遙控器將轉運模塊的抬放、搬移功能和戶外模塊的折疊、升降功能集成為一體，成功地解決了使用者出行困難的問題。如圖2所示，無線遙控器面板將同一系列功能鍵放置在相同底色區(qū)域，黑色區(qū)域為搬移功能區(qū)，黃色區(qū)域為折疊功能區(qū)，藍色區(qū)域為升降功能區(qū)。

該無線遙控器的設計包括：（1）按鍵響應指令發(fā)送；（2）下位機實時狀態(tài)檢查；（3）通信異常檢測。為充分利用stm32芯片資源，需要對板上定時器資源進行分配。使用定時器TIM3定時30 ms掃描按鍵狀態(tài)，按鍵響應指令發(fā)送控制流程如圖3所示。

為解決在操作過程中經常出現的兩種失控現象：（1）發(fā)送運行指令下位機無響應未運行；（2）發(fā)送停止指令下位機無響應未停止，使用定時器TIM2定時100 ms向下位機發(fā)送狀態(tài)查詢指令，查詢戶外模塊運行狀態(tài)。同時為了解決通信異常問題，比如無線通信斷開，使用TIM4定時3 s，TIM4發(fā)生定時中斷時視為通信異常。遙控實時狀態(tài)查詢和通信異常檢測控制流程如圖4所示。

同時，為了使遙控正常工作中串口和各個定時器正常工作不發(fā)生沖突，需要對串口中斷和定時器中斷優(yōu)先級進行分級。為保證串口讀取數據的準確性和完整性，串口在接收數據時不應被其他中斷所打斷，因此，串口中斷的優(yōu)先級要高于其他中斷。其次，為保證按鍵響應的快速性和靈敏性，TIM3應具有較高的優(yōu)先級。TIM4用于檢測通信是否發(fā)生異常，定時時間長，對遙控操作的安全性、準確性影響較小，可以分配較低的優(yōu)先級。

4 出行方案實驗驗證

轉運護理機器人的設計研發(fā)是為了解決臥床使用者出行困難的問題，下面將對先前提出的出行方式進行驗證，臥床使用者智能出行的步驟如下。

（1）操作者將轉運護理機器人推到使用者床邊，按下戶外模塊升高按鈕，轉運護理機器進行一鍵自動尋位，當戶外模塊變形面與床處于同一高度時停止，

（2）操作者按下前行操作按鈕，轉運護理機器人的轉運模塊與戶外模塊分離，當轉運模塊插入端前端運動到人體處時此過程結束。操作者按下運人操作按鈕，轉運模塊上下兩層皮帶同步運動，插入端慢慢滑動到使用者下面，該過程實現了使用者從床面到轉運模塊上表面。

（3）操作者按下后退操作按鈕，承載有人的轉運模塊慢慢地退回到戶外模塊上，轉運模塊上安裝有懸崖傳感器，可以防止過操作導致掉落。操作者按下放人操作按鈕，轉運模塊緩慢地將使用者放到戶外模塊的變形面上。與此同時，轉運模塊逐步退回到了病床.

（4）操作者按下坐姿模式按鈕，戶外模塊背板和腿板繞各自的旋轉軸轉轉，逐漸變成坐姿模式。根據每個人坐姿習慣的不同可以通過背板折疊和背板平展按鍵對背板的角度進行調節(jié)。

（5）操作者按下戶外模塊降低按鈕，戶外模塊高度逐漸降低，較低的重心提高了坐姿模式下戶外模塊的穩(wěn)定性。

5 結語

本文對轉運護理機器人的控制系統(tǒng)進行了設計，主要提出了轉運護理機器人的總體控制方案、轉運模塊控制方式和戶外模塊控制方式；根據機器人的功能需求選用適當模塊，自主設計了一款可以滿足轉運護理機器人使用的主控制器；設計了用于實現轉運模塊和戶外模塊功能集成的無線遙控器；最后，對本文提出的出行方案進行了驗證。結果證明，本文設計的控制系統(tǒng)可以滿足轉運護理機器人功能需要，對轉運護理機器人以及其他康復醫(yī)療設備的研發(fā)具有參考價值。

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[7]郭赤，蘭天飚，李濤，等.滾珠折疊式手術轉運床板的設計[J].中國醫(yī)學裝備，2014（11）：46.