CN105909001B - 一种具有波浪补偿功能的船用手术舱及波浪补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于对海上伤病员进行救治的具有波浪补偿功能的船用手术舱及其波浪补偿方法，波浪补偿平台的上方是上平台，下方是上平台平行的下平台，舱体固定设在上平台上，上平台和下平台之间沿圆周方向上依次连接六个伺服缸，每个伺服缸的上端各通过一个上球铰连接上平台，每个伺服缸的下端各通过一个下球铰连接下平台，每个伺服缸上装有一个线位移传感器，线位移传感器连接运动控制器，第一伺服缸、第三伺服缸和第五伺服缸这三个伺服缸竖直布置，第二伺服缸、第四伺服缸、第六伺服缸倾斜布置；既能满足对船体的高精度补偿，又具有较大的承载能力，能对由风浪引起的船舶的横摇、纵摇和升沉进行实时补偿和提供医疗手术环境。

Description

一种具有波浪补偿功能的船用手术舱及波浪补偿方法

技术领域

本发明涉及一种医院船，是设在船上的船用手术舱，尤其涉及一种具有波浪补偿功能的手术舱，用于对海上伤病员进行救治。

背景技术

医院船是目前海上一线伤病员救治、前接和后送的重要工具，由于风浪的影响，海上作业的医院船会随波浪作无规律的摇摆晃动，严重影响了医护人员的正常工作及船上伤病员的休养。因此，必须采取适当措施对手术舱进行波浪补偿，以提高医护人员的工作效率，使伤病员得到最佳的治疗。

现有的带有波浪补偿功能的船用手术舱，波浪补偿主要分为两类：一是被动波浪补偿平台，主要采用弹簧阻尼系统补偿船体的摇摆和升沉，精度较低，具有严重的滞后性等缺点；二是主动补偿平台，采用六个伺服缸都交错倾斜的安装方式，承载能力较差，不能承担较大的质量载荷。

发明内容

本发明旨在提供一种具有主动补偿功能的船用手术舱及波浪补偿方法，可以对船舶的横摇、纵摇和升沉进行实时补偿，为医护人员提供一个平稳的工作环境，便于医护人员对伤病员进行救治。

为实现上述目的，本发明一种具有波浪补偿功能的船用手术舱采用的技术方案是：下方是波浪补偿平台，上方是舱体，波浪补偿平台的上方是上平台，下方是上平台平行的下平台，下平台固定设在船体的甲板上，舱体固定设在上平台上，上平台和下平台之间沿圆周方向上依次连接六个伺服缸，每个伺服缸的上端各通过一个上球铰连接上平台，每个伺服缸的下端各通过一个下球铰连接下平台，每个伺服缸上装有一个线位移传感器，线位移传感器连接运动控制器，第一伺服缸、第三伺服缸和第五伺服缸这三个伺服缸竖直布置，这三个伺服缸的中心垂直于上平台和下平台，第二伺服缸、第四伺服缸、第六伺服缸倾斜布置，倾斜于上平台和下平台；三个竖直布置的伺服缸的上端与上平台的三个连接点位于半径为R1的圆周上，三个倾斜布置的伺服缸的上端与上平台的三个连接点位于半径为r1的圆周上，并且R1＞r1；三个竖直布置的伺服缸的下端与下平台的三个连接点位于半径为R1的圆周上，三个倾斜布置的伺服缸的下端与下平台的三个连接点位于半径为R2的圆周上，并且R2＞R1；舱体形心与上平台形心重合，在下平台的重心位置装有姿态传感器，姿态传感器通过信号线连接运动控制器。

本发明一种具有波浪补偿功能的船用手术舱的波浪补偿方法采用的技术方案是包括以下步骤：

A、姿态传感器将测得的横摇、纵摇和升沉值、、实时传输给运动控制器，运动控制器计算出船舶横摇、纵摇和升沉的补偿值，根据补偿值分别控制对应的六个伺服缸；

B、当且，三个竖直布置的伺服缸首先动作，对船体进行升沉补偿，三个倾斜布置的伺服缸随后动作；当升沉值且横摇值、纵摇值不全为零，三个倾斜布置的伺服缸首先动作，对船体进行横摇和纵摇的补偿，三个竖直布置的伺服缸随后动作；

C、六个线位移传感器测量对应的六个伺服的实际位移值并反馈给运动控制器，运动控制器将实际位移值和所述补偿值进行比较，构成控制偏差，根据控制偏差分别对六个伺服缸进行PID闭环控制。

本发明采用上述技术方案后，能对由风浪引起的船舶的横摇、纵摇和升沉进行实时补偿和提供医疗手术环境，波浪补偿平台采用三个伺服缸竖直安装、三个伺服缸倾斜安装的布局方式，既能满足对船体的高精度补偿，又具有较大的承载能力，具有稳定性高、精度高、承载能力强等优点，可以在船体摇摆不定的状态下，保持手术舱处于一种相对稳定的状态，为医护人员提供一个安全平稳的手术环境，保障手术高效顺利进行，具有精度高、可靠性强、功能一体化等优点。

附图说明

图1为本发明具有波浪补偿功能的船用手术舱的结构示意图；

图2为图1中波浪补偿平台的结构示意图；

图3为图2中波浪补偿平台的连接结构及几何尺寸标示图；

图4是图1中手术舱的舱体内部结构示意图；

图5是图4中安全柜的结构放大示意图；

图6是本发明具有波浪补偿功能的船用手术舱的控制原理图。

图中: 1.下平台；2.下球铰；3-1.第一伺服缸；3-2.第二伺服缸；3-3.第三伺服缸；3-4.第四伺服缸；3-5.第五伺服缸；3-6.第六伺服缸；4-1.第一线位移传感器；4-2.第二线位移传感器；4-3.第三线位移传感器；4-4.第四线位移传感器；4-5.第五线位移传感器；4-6.第六线位移传感器；5.上球铰；6.舱体；7.上平台；8.姿态传感器；9.安全柜；10.手术台；11.抽屉；12.器材夹；13.安全夹。

具体实施方式

参见图1，本发明具有波浪补偿功能的船用手术舱的下方是波浪补偿平台，波浪补偿平台的上方是手术舱的舱体6，舱体6为方形。波浪补偿平台的上方是上平台7，下方是下平台1，上平台7和下平台1都是圆柱形并且相互平行。下平台1通过螺栓固定在船体的甲板上，舱体6通过螺栓固定在上平台7，舱体6与上平台7连接在一起并保持两者形心重合。上平台7与舱体6之间的固定螺栓安装在半径为L₁的圆周上，下平台1与甲板的固定螺栓安装在半径为L₂的圆周上。

再参见图2，波浪补偿平台的上平台7和下平台1之间连接六个伺服缸，沿上平台7和下平台1的圆周方向上依次是第一伺服缸3-1、第二伺服缸3-2、第三伺服缸3-3、第四伺服缸3-4、第五伺服缸3-5和第六伺服缸3-6。每个伺服缸的上端各通过一个上球铰5连接上平台7，每个伺服缸的下端各通过一个下球铰2连接下平台1。其中，第一伺服缸3-1、第三伺服缸3-3和第五伺服缸3-5这三个伺服缸竖直布置，这三个伺服缸的中心垂直于上平台7和下平台1，而第二伺服缸3-2、第四伺服缸3-4、第六伺服缸3-6倾斜布置，倾斜于上平台7和下平台1。竖直的三个伺服缸主要承担上平台7的载荷，同时补偿船体的升沉的移动；由于将上平台7的绝大部分载荷放在了竖直的三个伺服缸上，三个倾斜的伺服缸只需承担部分上平台7的载荷，主要用于补偿船体的摇摆运动。

在每个伺服缸上安装一个线位移传感器，分别是对应的第一线位移传感器4-1、第二线位移传感器4-2、第三线位移传感器4-3、第四线位移传感器4-4、第五线位移传感器4-5和第六线位移传感器4-6，六个线位移传感器分别用来测量所在伺服缸的伸缩运动位移量。六个伺服缸通过伸缩对上平台7进行横摇、纵摇和升沉的补偿，通过六个伺服缸的伸缩和摇摆来实时补偿上平台7的横摇、纵摇和升沉。

在下平台1的重心位置安装姿态传感器8，姿态传感器8通过信号线连接运动控制器，姿态传感器8用于检测船体的横摇、纵摇和升沉值，并将检测值输入运动控制器中。

参见图3所示的波浪补偿平台的结构简图，为了清晰地描述伺服缸与上下平台的位置关系，建立以上平台7形心为原点的静坐标系和以下平台1形心为原点的动坐标系。第一伺服缸3-1分别通过连接点、与上平台7、下平台1相连，第二伺服缸3-2分别通过连接点、与上平台7、下平台1相连，第三伺服缸3-3分别通过连接点、与上平台7、下平台1相连，第四伺服缸3-4分别通过连接点、与上平台7、下平台1相连，第五伺服缸3-5通过分别连接点、与上平台7、下平台1相连，第六伺服缸3-6分别通过连接点和与上平台7、下平台1相连。

在上平台7中，为依序的六个伺服缸的上端与上平台7的连接点，其中，三个竖直布置的伺服缸的上端与上平台7的三个连接点位于半径为R1的圆周上，三个倾斜布置的伺服缸的上端与上平台7的三个连接点位于半径为r1的圆周上，并且R1＞r1。

在下平台1中，为依序的六个伺服缸的下端与下平台1的连接点，其中，三个竖直布置的伺服缸的下端与下平台1的三个连接点位于半径为r2的圆周上，r2=R1，即也位于半径为R1的圆周上。三个倾斜布置的伺服缸的下端与下平台1的三个连接点位于半径为R2的圆周上，并且R2＞R1。上平台7与下平台1的初始距离为h。

在上平台7上，六个伺服缸的上端与上平台7的连接点位置如下：与轴夹角为-150度，与轴夹角为-90度，与轴夹角为-30度，与轴夹角为30度，与轴夹角为90度，与轴夹角为150度。在下平台1上，六个伺服缸的下端与下平台1的各连接点的位置如下：与轴夹角为-150度，与轴夹角为-90度，与轴夹角为-30度，与轴夹角为30度，与轴夹角为90度，与轴夹角为150度。

参见图4，手术舱的舱体6内部有存放手术器材的安全柜9和手术台10，安全柜9与舱体6底面之间通过螺栓固定在一起，防止其与舱体6之间产生相对运动。手术台10与舱体6底面之间通过螺栓固定在一起，既能防止手术台10与舱体6底面之间产生相对运动，又方便拆卸与维修。

参见图5，在安全柜9内部设置有上下三层可推拉的抽屉11，每层抽屉11上装有5副器材夹12，其中器材夹12的底座与抽屉11的上表面通过螺栓连接在一起，既保证其稳定性，又便于对器材夹12进行拆卸维护。在每个抽屉11的外侧安装有安全销和安全夹13，通过安全销和安全夹13可将每层抽屉11与安全柜9连接在一起，需要打开抽屉11时，只需要将安全销取下就可将抽屉11拉出，便于拿取手术器材；通过将安全销插入安全夹13内，可将抽屉11与安全柜9固定在一起，防止在摇晃的情况下抽屉11本身自动推进或拉出。既保证了手术器材的安全，又能避免抽屉11自由运动产生噪音。

参见图6，姿态传感器8的输出端连接运动控制器，运动控制器的输出端分别经对应的六个D/A转换器、六个功率放大器、六个电液伺服阀14、15、16、17、18、19连接对应的六个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6，运动控制器由不同的端口分别控制六个伺服缸3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6的伸缩。六个线位移传感器4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6的输出端分别经对应的六个A/D转换器连接运动控制器的对应输入端，六个线位移传感器将检测的对应的六个伺服缸的伸缩量输入到运动控制器。

参见图1-6，当船舶在海里受到风浪的影响发生大幅度的横摇、纵摇和升沉时，为保证舱体6的平稳和医疗手术的安全性，需要对船舶的横摇、纵摇和升沉进行补偿，保证手术舱的安全稳定，具体补偿过程如下:

通过安装在下平台1形心位置的姿态传感器8测量船舶由风浪引发的横摇、纵摇和升沉数据，将测得的数据实时传输给运动控制器，运动控制器根据主动补偿的原理及反解算法，计算船舶横摇、纵摇和升沉的补偿值。反解算法是指：首先根据姿态传感器8测出船舶由风浪引起的横摇、纵摇和升沉的运动姿态值，假设测出的船舶的横摇、纵摇和升沉运动姿态值分别为、、，然后根据测得的船舶运动姿态值、、求出六个伺服缸的运动值。

将求出的六个运动补偿值由对应的D/A转换器转换后，经对应的伺服放大器传输给对应的电液伺服阀。电液伺服阀根据输入的模拟信号输出相应的流量和压力，分别控制对应的伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4、伺服缸3-5和伺服缸3-6运动，通过伺服缸3-1、伺服缸3-3和伺服缸3-5、伺服缸3-4、伺服缸3-5和伺服缸3-6的协调运动实时补偿船舶的横摇、纵摇和升沉。当横摇值和纵摇值等于零，且升沉值，即船体仅有升沉运动时，三个竖直布置的第一伺服缸3-1、第三伺服缸3-3和第五伺服缸3-5首先动作，对船体进行升沉补偿，三个倾斜布置的第二伺服缸3-2、第四伺服缸3-4和第六伺服缸3-6随后动作，三个倾斜布置的伺服缸的动作时间点相对于三个竖直布置的伺服缸的动作时间点要滞后，滞后的时间段要远小于姿态传感器8的采样周期。此时，三个竖直布置的伺服缸承担了上平台7的大部分载荷和对船体升沉的补偿任务，三个倾斜布置的伺服缸随后跟进，承担了上平台7的少部分载荷，同时保证三个竖直布置的伺服缸发生失稳。三个竖直布置的伺服缸对船体进行升沉补偿时，作用力为垂直轴向作用力，效率最高；当升沉值且横摇值、纵摇值不全为零时，此时船体仅有摇摆运动，三个倾斜布置的伺服缸首先动作，对船体进行横摇和纵摇的补偿，三个竖直布置的伺服缸随后动作，三个竖直布置的伺服缸的动作时间点相对于三个倾斜布置的伺服缸的动作时间点要滞后，滞后时间段要远小于姿态传感器8的采样周期。此时，三个竖直布置的伺服缸承担了大部分上平台7的载荷，三个倾斜布置的伺服缸承担了对船体摇摆的补偿任务和少量上平台7载荷，由于三个倾斜布置的伺服缸承担的载荷较少，故对船体进行横摇和纵摇补偿时，动作更灵敏、精确。

利用对应的六个线位移传感器测量对应的伺服缸3-1，伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4，伺服缸3-5和伺服缸3-6的实际位移值，将测得的位移值由模拟信号经模/数转换后变成数字信号，将转换后的数字信号反馈给运动控制器。

运动控制器将反馈的伺服缸的实际位移值和反解算法求出的波浪补偿值进行比较，构成控制偏差，根据控制偏差对伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4，伺服缸3-5和伺服缸3-6进行闭环控制，以提高对船舶横摇、纵摇和升沉补偿的精确度，确保波浪补偿手术舱在工作时的平稳和安全。其中控制偏差是指：将反解算法求出的六个伺服缸的运动补偿值减去线位移传感器测得的六个伺服缸的位移值，假设反解算法求出的六个伺服缸的运动值分别为，线位移传感器反馈给运动控制器的六个伺服缸的实际运动值为，则运动控制偏差为；运动控制器根据上述偏差分别对伺服缸3-1、伺服缸3-2、伺服缸3-3、伺服缸3-4、伺服缸3-5和伺服缸3-6进行PID闭环控制，以此提高对船舶横摇、纵摇和升沉补偿的准确性，确保手术舱在工作时保持平稳、有效。

船舶在海里运动时受到小风浪的影响发生小幅度的横摇、纵摇和升沉时，无需启动补偿平台。由于采用了串联固定的连接方式，利用手术舱体6内的夹具对手术器材进行夹装，可保证其在船体小幅度摇晃的情况下不发生跌落或损坏，既保证了医疗设备的安全，又减少了不必要的能源浪费。

Claims (6)

1.一种具有波浪补偿功能的船用手术舱，下方是波浪补偿平台，上方是舱体，波浪补偿平台的上方是上平台，下方是上平台平行的下平台，下平台固定设在船体的甲板上，舱体固定设在上平台上，上平台和下平台之间沿圆周方向上依次连接六个伺服缸，每个伺服缸的上端各通过一个上球铰连接上平台，每个伺服缸的下端各通过一个下球铰连接下平台，每个伺服缸上装有一个线位移传感器，线位移传感器连接运动控制器，其特征是：第一伺服缸、第三伺服缸和第五伺服缸这三个伺服缸竖直布置，这三个伺服缸的中心垂直于上平台和下平台，第二伺服缸、第四伺服缸、第六伺服缸倾斜布置，倾斜于上平台和下平台；三个竖直布置的伺服缸的上端与上平台的三个连接点位于半径为R1的圆周上，三个倾斜布置的伺服缸的上端与上平台的三个连接点位于半径为r1的圆周上，并且R1＞r1；三个竖直布置的伺服缸的下端与下平台的三个连接点位于半径为R1的圆周上，三个倾斜布置的伺服缸的下端与下平台的三个连接点位于半径为R2的圆周上，并且R2＞R1；舱体形心与上平台形心重合，在下平台的重心位置装有姿态传感器，姿态传感器通过信号线连接运动控制器。

2.根据权利要求1所述一种具有波浪补偿功能的船用手术舱，其特征是：以上平台形心为原点建立静坐标系，以下平台形心为原点建立动坐标系，第一伺服缸分别通过连接点、与上平台、下平台相连，第二伺服缸分别通过连接点、与上平台、下平台相连，第三伺服缸分别通过连接点、与上平台、下平台相连，第四伺服缸分别通过连接点、与上平台、下平台相连，第五伺服缸通过分别连接点、与上平台、下平台相连，第六伺服缸分别通过连接点、与上平台、下平台相连；与轴夹角为-150度，与轴夹角为-90度，与轴夹角为-30度，与轴夹角为30度，与轴夹角为90度，与轴夹角为150度；与轴夹角为-150度，与轴夹角为-90度，与轴夹角为-30度，与轴夹角为30度，与轴夹角为90度，与轴夹角为150度。

3.根据权利要求1所述一种具有波浪补偿功能的船用手术舱，其特征是：舱体内部设有安全柜和手术台，安全柜和手术台均与舱体底面固定连接。

4.根据权利要求3所述一种具有波浪补偿功能的船用手术舱，其特征是：安全柜内部设置有上下三层可推拉的抽屉，每层抽屉上装有器材夹，器材夹的底座与抽屉的上表面固定连接；在每个抽屉的外侧装有安全销和安全夹，每层抽屉与安全柜通过安全销和安全夹连接。

5.一种如权利要求1所述具有波浪补偿功能的船用手术舱的波浪补偿方法，其特征是包括以下步骤：

A、姿态传感器将测得的横摇、纵摇和升沉值、、实时传输给运动控制器，运动控制器计算出船舶横摇、纵摇和升沉的补偿值，根据补偿值分别控制对应的六个伺服缸；

B、当且，三个竖直布置的伺服缸首先动作，对船体进行升沉补偿，三个倾斜布置的伺服缸随后动作；当升沉值且横摇值、纵摇值不全为零，三个倾斜布置的伺服缸首先动作，对船体进行横摇和纵摇的补偿，三个竖直布置的伺服缸随后动作；

C、六个线位移传感器测量对应的六个伺服缸的实际位移值并反馈给运动控制器，运动控制器将实际位移值和所述补偿值进行比较，构成控制偏差，根据控制偏差分别对六个伺服缸进行PID闭环控制。

6.根据权利要求5所述的波浪补偿方法，其特征是：步骤B中，随后动作的伺服缸相对于首先动作的伺服缸的滞后时间段小于所述姿态传感器的采样周期。