转运护理机器人控制系统设计与实现

顾绮芳

摘 要：在行动不便病人的转运和护理问题上，现有医疗机器人技术涉猎不深，医疗成果转化程度也较低。目前广泛沿用传统的手抱肩抬的方式，给病人带来二次伤害的同时，也加重和提升了医护人员的工作负担和风险。转运护理機器人可以使老人和病人的过床转运过程轻松简单，它具有转运过程舒适、使用者姿态变化小、护理人员劳动强度低等优点。文章在现有转运护理机器人机构研究基础之上，对转运护理机器人控制系统进行了设计，进而实现转运护理机器人的各项功能，首先对电控系统整体进行研究，然后设计了一款主控制器并进行了实验验证，为转运护理机器人产品的研发奠定了基础。

关键词：转运护理机器人；电控系统设计；实验验证

转运护理机器人的发展朝着自动化、智能化方向发展[1-3]，在国外的一些科研机构已经成功研发出了操作简单、转运舒适的机电一体化设备。美国Sherrow等[4]就开发出一种转运设备，需要多次改变病人位姿，患者舒适性差并未获得大众的认可。日本研发出RIBA护理机器人[5]通过机械手臂抬抱的方式将病人从一个床体转运到另一个床体。但这种方式不适用于脊柱损伤或者骨折的病人。MOBILIZER 3由意大利的SA.VIR公司研制[6]。这种病人转运设备由电气控制系统驱动、自动化程度高、转运时无位姿变化，只需要一个操作人员即可完成转运过程。然而国内的产品结构简单、自动化程度较低。广州军区武汉总医院医学工程科的研究人员设计了一种利用滚珠进行转运的折叠式转运床板[7]。这种整体式的转运产品，仅需一个工作人员即可完成对转运需求不高的病人转运。

本文提出了一种新型转运护理机器人，进行了转运护理机器人的电控系统的设计，主要包括电控系统的整体设计、主控器设计、无线遥控器的设计以及整体出行方案的验证。

1 电控系统整体设计

转运护理机器人的正常、高效运行是建立在一个稳定、反应灵敏的控制系统之上，机器人系统的主要动作有：升降系统的升高和降低、转运模块将使用者从床搬移到户外模块、转运模块从户外模块运动到床面、折叠系统的折叠和展开。上述转运护理机器人的动作需要有序进行才能完成，实时性较强。为了实现使用者从床到户外，要求转运模块和户外模块的功能具有较高的集成度，为此转运护理机器人系统应该是一个结构可分离、功能集成化的系统。系统的集成主要是通过一款自助研发的遥控器来实现的。

转运护理机器人的电控系统主要由转运系统、折叠系统、升降系统、电源系统、无线遥控器、主控板以及传感器系统等部分组成，如图1所示。转运护理机器人的操作主要是通过无线遥控器来实现的，无线遥控器可以控制转运护理机器人的所有动作。主控板用于解算不同的操作指令和处理相关的传感器检测信息，根据相关原理计算出电机的转速和方向、推杆和升降柱的启停等。主控板将计算的信息发送给继电器和电机驱动器，继电器用来驱动推杆的收缩和升降柱的升降，电机驱动器用来控制电机的运行。传感器系统用于采集推杆和升降柱的长度值、电机的转速值以及其他相关位置信息值，并将采集的信息反馈给各自的主控制器，实现各模块的闭环控制。

转运模块配备有8套电机驱动器，直流电机采用H桥式电路驱动。无线遥控器将转运模块的动作指令发送给主控制器，主控制器将解算指令发送给控制器，控制器向直流电机输出脉冲宽度调制（Pulse-Width Modulation，PWM）信号，并由电池组向其提供电源。电机驱动器安装有变频功率传感器，可以将电流的变化情况反馈给驱动器芯片，驱动器芯片根据电流变化进行运算微调。电机配有分辨率为200 ppi线的M3-2光电编码器，驱动器将编码器的反馈信息做对比处理，整个系统构成了一个闭环控制系统。

户外模块采用电动推杆和升降柱实现折叠和升降功能，通过无线遥控器来控制升降系统的升降和折叠系统的折叠操作。在无线遥控器和户外模块上分别安装具有收发功能的无线数据传送模块，无线遥控器通信模块将指令信息传递给了户外模块的主控制器，主控器将解算后的子指令发送给折叠升降控制系统的继电器，通过IO口输出高低电平信号控制继电器的通断，进而控制电动推杆和升降柱电源的通断。主控器负责了整个折叠升降控制系统的运行和反馈信息的处理。推杆和升降柱上安装有电位计，可以实时的将长度反馈给主控器，形成闭环控制。

2 主控制器设计

主控制器作为转运护理机器人控制系统的核心，其主要功能有：与无线遥控器进行性通信和指令解算、控制折叠推杆和升降柱的伸缩、与电机控制器通信、与传感器通信等。转运护理机器人控制系统设计的主控制器的控制板采用TMS320F2810处理器，主频最高可达150 MHz，板载2 MB Nor Flash。控制板具有传感器接口，RS232串行口，I2C总线接口等，可以实现对转运护理机器人的实时控制与精确控制，满足转运护理机器人的功能需求。

除以上所需模块外，无线遥控器通信采用的是串口232通信协议，传感器的通信采用串行总线通信，因此我们设计的主控制器应具备控制局域网（Controller Area Network，CAN）控制器模块和UART串口通信模块。

3 无线遥控器的设计

转运护理机器人无线遥控器对于实现转运模块和户外模块的功能整合具有重要的意义，本文主要通过无线遥控器将转运模块的抬放、搬移功能和户外模块的折叠、升降功能集成为一体，成功地解决了使用者出行困难的问题。如图2所示，无线遥控器面板将同一系列功能键放置在相同底色区域，黑色区域为搬移功能区，黄色区域为折叠功能区，蓝色区域为升降功能区。

该无线遥控器的设计包括：（1）按键响应指令发送；（2）下位机实时状态检查；（3）通信异常检测。为充分利用stm32芯片资源，需要对板上定时器资源进行分配。使用定时器TIM3定时30 ms扫描按键状态，按键响应指令发送控制流程如图3所示。

为解决在操作过程中经常出现的两种失控现象：（1）发送运行指令下位机无响应未运行；（2）发送停止指令下位机无响应未停止，使用定时器TIM2定时100 ms向下位机发送状态查询指令，查询户外模块运行状态。同时为了解决通信异常问题，比如无线通信断开，使用TIM4定时3 s，TIM4发生定时中断时视为通信异常。遥控实时状态查询和通信异常检测控制流程如图4所示。

同时，为了使遥控正常工作中串口和各个定时器正常工作不发生冲突，需要对串口中断和定时器中断优先级进行分级。为保证串口读取数据的准确性和完整性，串口在接收数据时不应被其他中断所打断，因此，串口中断的优先级要高于其他中断。其次，为保证按键响应的快速性和灵敏性，TIM3应具有较高的优先级。TIM4用于检测通信是否发生异常，定时时间长，对遥控操作的安全性、准确性影响较小，可以分配较低的优先级。

4 出行方案实验验证

转运护理机器人的设计研发是为了解决卧床使用者出行困难的问题，下面将对先前提出的出行方式进行验证，卧床使用者智能出行的步骤如下。

（1）操作者将转运护理机器人推到使用者床边，按下户外模块升高按钮，转运护理机器进行一键自动寻位，当户外模块变形面与床处于同一高度时停止，

（2）操作者按下前行操作按钮，转运护理机器人的转运模块与户外模块分离，当转运模块插入端前端运动到人体处时此过程结束。操作者按下运人操作按钮，转运模块上下两层皮带同步运动，插入端慢慢滑动到使用者下面，该过程实现了使用者从床面到转运模块上表面。

（3）操作者按下后退操作按钮，承载有人的转运模块慢慢地退回到户外模块上，转运模块上安装有悬崖传感器，可以防止过操作导致掉落。操作者按下放人操作按钮，转运模块缓慢地将使用者放到户外模块的变形面上。与此同时，转运模块逐步退回到了病床.

（4）操作者按下坐姿模式按钮，户外模块背板和腿板绕各自的旋转轴转转，逐渐变成坐姿模式。根据每个人坐姿习惯的不同可以通过背板折叠和背板平展按键对背板的角度进行调节。

（5）操作者按下户外模块降低按钮，户外模块高度逐渐降低，较低的重心提高了坐姿模式下户外模块的稳定性。

5 结语

本文对转运护理机器人的控制系统进行了设计，主要提出了转运护理机器人的总体控制方案、转运模块控制方式和户外模块控制方式；根据机器人的功能需求选用适当模块，自主设计了一款可以满足转运护理机器人使用的主控制器；设计了用于实现转运模块和户外模块功能集成的无线遥控器；最后，对本文提出的出行方案进行了验证。结果证明，本文设计的控制系统可以满足转运护理机器人功能需要，对转运护理机器人以及其他康复医疗设备的研发具有参考价值。

[参考文献]

[1]朱弘波.欧姆龙健康医疗（中国）有限公司竞争战略研究[D].济南：山东大学，2011.

[2]杨龙.国产医疗器械可渗透高端领域[EB/OL].（2016-02-15）[2018-06-07].http：//blog.sina.com.

[3]侯小丽，马明所.醫疗机器人的研究与进展[J].中国医疗器械信息，2013（1）：48-50.

[4]SHERROW G. Patient Transfer Device： 5022810[P].1991-06-11.

[5]ONISHI M，LUO Z W，ODASHIMA T，et al. Generation of human care behaviors by human-interactive robot RI-MAN[C].Roma：IEEE International Conference on Robotics & Automation，Conference on Networking，Robotics and Automation，2007：3128-3129.

[6]意大利SA.VIR有限责任公司.Mobilizer 3 -safe patient handling[EB/OL].（2012-05-10）[2018-06-15].http：//www.savir.it/en/mobilizer.php.

[7]郭赤，兰天飚，李涛，等.滚珠折叠式手术转运床板的设计[J].中国医学装备，2014（11）：46.